CC BY
37
ВПЛИВ УМОВ ТЕПЛОВІДДАЧІ НА ТЕМПЕРАТУРНИЙ РЕЖИМ ВЕНТИЛЬОВАНИХ ДИСКОВИХ ГАЛЬМОВИХ
МЕХАНІЗМІВ
Г.С. Гудз, професор, д. т. н., О.Р. Клипко, інженер, Національний університет «Львівська політехніка»
Анотація. Проведено порівняльні дослідження температурних режимів гальмових механізмів автобусів з вентильованими та суцільними дисками при різних умовах тепловіддачі на режимах випробувань II комп ’ютерним моделюванням.
Ключові слова: дискові гальма, температурні поля, тривимірна модель, випробування II.
Вступ
Для концептуального проектування фрикційних вузлів автотранспортних засобів (АТЗ) необхідно володіти базою знань [1], яка сприяє покращанню продуктивності та якості роботи автобудівників. Зокрема, при застосуванні дискових гальм, яким притаманна низка переваг перед барабанними [2], важливого значення набуває оцінка впливу вентиляційних каналів у дисках на температурний режим пар тертя, а значить, і на стабільність роботи гальм та ефективність гальмування автотранспортних засобів.
Аналіз публікацій
Робочі процеси дискових гальмових механізмів досліджувалися в роботах А.Б. Гредескула, О.С. Федосова, В.К. Долі, Є.Б. Решетнікова, В.Я. Ку-шова, А.А. Веліканова, Н.Л. Владімірова, С.Н. Городецького та інших дослідників.
Про позитивний ефект, який спричинюється наявністю вентиляційних каналів в гальмових дисках, йдеться в низці робіт, проте він або не підтверджується кількісними характеристиками [3, 4], або ж в них не наводиться порівняльний аналіз з не вентильованими дисками [15, 16].
Мета та постановка задачі
При розрахунковому дослідженні динаміки температурних полів в дискових гальмах необхідно розв’язати систему рівнянь в часткових похідних, які описують процеси теплопереносу в об’єктах з розподіленими параметрами при відповідних крайових умовах [5]
д_
дх
д
\ І - дТ
1 іІх. у. - )-дхг
\ ( - дТ
1і(х,у,2 -107.
дТ
д
ду
+ 0.(х у,2) =
(1)
■сі р і (х у >2 )^-
дт
д_
дх
: і \дТ
1 1 у •2--х
д
&у
і ( -дТ
1 ■ (х, У,2 -^
ду
д
д2
\ і - дТ
1 ■ Iх, у,2 -— 02
~0 (х, у , 2) :
(2)
( ) от
= сп р ■(х у>2
дт
д_
дх
дТ
дх
д ' ду
дТ
ду
д
д2
\ ( -дТ
1 к (іу >2-^ д2
(3)
( ч дТ
■ск Р и ( х> у >2
дт
де Т - температура; х, у, ъ - поточні координати; іі=(х, у, 2) - коефіцієнт теплопровідності гальмового диска; іп =(х, у, 2) - коефіцієнт теплопровідності гальмової накладки; ік =(х, у, 2) - коефіцієнт теплопровідності колодки; сі-рі(х, у, 2) -об’ємна теплоємність гальмового диска; сп-рп(х, у, 2) - об’ємна теплоємність гальмової накладки; сирк (х, у, 2) - об’ємна теплоємність гальмової колодки; 0(х, у, 2) - густина теплового потоку; т - час.
Оскільки ця задача відноситься до нестаціонарних контактних теплових задач в областях некла-сичної форми при неоднорідних граничних та складних початкових умовах, то вона не має точного аналітичного розв’язку.
Традиційним джерелом інформації про температурні поля елементів гальмових механізмів служать експериментальні дослідження, які проводяться на натуральних взірцях та фізичних моделях. Незважаючи на те, що можливості термометрії останнім часом значно розширені і отримані експериментальні дані достатньо точні, фізичний експеримент і натурні дослідження часто не можуть дати вичерпної інформації про температурне поле.
В інженерній практиці з великим успіхом застосовуються приблизні аналітичні і, особливо числові методи, які з розвитком обчислювальної техніки (аналогової і цифрової) перетворились в потужний математичний апарат для розв’язування задач теорії поля. З методів електроанало-гій для розв’язування теплових задач у фрикційних вузлах АТЗ застосовувались: електропровідний папір [2, 6], методи кінцевих різниць на резистивних сітках [7] і прямих на ємнісно-резис-тивних сітках [8]. Метод електроаналогій характеризувався невеликою точністю і на той час незначною інформаційною продуктивністю, хоча за своєю природою він ближчий до досліджуваного фізичного процесу, ніж розв’язок на ЕОМ. З аналітичних методів до таких можна віднести варіаційні й інтегральні методи, методи ітерацій, розділення змінних, підстановок, інтегральних перетворень, конформних зображень тощо. Що стосується числових методів, то для дослідження теплових процесів у гальмах, використовуються в основному методи кінцевих різниць (МКР) та скінчених елементів (МСЕ).
Про застосування МСЕ для досліджень температурних режимів барабанних гальм йдеться в роботах [9, 10], а МКР для дискових гальм - в працях [11, 12], де розглядаються двовимірні моделі.
Значним кроком вперед є розроблення тривимірних моделей дискових гальм, методика побудови яких описана в роботі [13]. Перевагою даних моделей є можливість одночасного дослідження температурних полів в диску, накладці, колодці гальмового механізму. На рис. 1 наведений сектор моделі гальма.
Рис. 1. Сектор просторової сітки тривимірної моделі дискового гальма з вентильованим диском
Метою даної роботи є проведення засобами математичного моделювання порівняльного аналізу температурних режимів вентильованих та невен-тильованих гальмових дисків з різними умовами тепловіддачі.
Математичне моделювання температурних режимів гальм
Як відзначалось вище, тривимірні температурні поля моделюються одночасно в диску, накладці та в колодці гальмового механізму. У застосованому математичному модулі [14] використовується прямокутна система координат, яка допускає розмаїту дискретизацію по координатах х, у, і. Зміна середньої товщини сектора по координаті у з кроком Ду враховується зміною теплофізичних коефіцієнтів для кожного горизонтального рядка сітки. Перший горизонтальний рядок буде відповідати встановленим крокам у просторі параметрів Дх, Ду, Д і в ньому задаються дійсні теплофізичні коефіцієнти. В наступних рядках їх значення визначаються у відповідності зі зміною середньої товщини по координаті і в залежності від просторового кроку по координаті у [13]. На початку задається однорідний тепловий розподіл температурного поля (Т = 20 °С). З першого стовпця масивів теплофізичних коефіцієнтів на кожний рядок вузлів задаються їх значення, які пропорційні дійсним площам [14]. Крок по координаті х прийнято рівним 0,001 м, а по координаті у і і - 0,01 м.
Нижче розглянуті результати моделювання за допомогою згаданого програмного комплексу температур вентильованих дисків гальмових механізмів автобуса А-171 масою 17500 кг у режимі нормативних випробувань ІІ як найбільш енерго-навантажених. Розрахункова густина теплового потоку Q склала 350-103 Вт/м2, час попереднього етапу випробувань тп = 12 хв.
Проведені порівняльні дослідження температурних режимів дискових гальм із суцільними та з вентильованими дисками (рис. 1) товщиною 46 мм. Діаметр дисків складав 0,40 м, а коефіцієнти тепловіддачі аі =20 Вт/м2-град, а2 = 30 Вт/м2-град та а3 = 50 Вт/м2-град. Теплофізичні параметри матеріалів пар тертя досліджуваних гальм наведені у табл.1.
Таблиця 1 Теплофізичні характеристики елементів дискових гальм [3]
Параметри Одиниці виміру Значення
металокерамічні накладки на залізній основі ча- вун- ний диск
Густина г/см3 5 7,3
Питома теплоємність кДж/кг.град 0,5 - 0,84 0,5
Теплопро- відність Вт/м.град 19 - 27 29
На рис.2 наведена зміна максимальних поверхневих температур передніх гальмових механізмів автобуса А-171 з суцільними та вентильованими дисками під час попереднього етапу випробувань
ІІ, отриманих комп’ютерним моделюванням.
1
2 Л
*
у/ /
< / /
/
X (
/ и
А А
/
/ *
к У //
УЇ
/А
*
// У
/
/ /л 7
і У,-
л У
/ 4
/а /
/ і
у
і
■■1
/
З 6 9 і, хв.
Рис. 2. Зміна максимальних температур поверхонь тертя передніх дискових гальм автобуса А-171 при: 1 - а = 20 Вт /м2-град; 2 - а = 35 Вт /м2-град; 3-а = 50 Вт/м2-град, для: - х - суцільних дисків та - о - вентильованих дисків під час попереднього етапу випробувань II
З розгляду цього рисунку видно, що суцільні та вентильовані диски однакової товщини мають практично однакові температури, що пояснюється меншою масою вентильованих дисків, яка компенсується кращою тепловіддачею з вентиляційних каналів. Збільшення ж загальної тепловіддачі за = 20 Вт/м2-град до а = 50 Вт/м2-град, тобто у 2,5 рази, призводить до зменшення максимальної поверхневої температури диска всього на 20 %.
На рис. 3 показані температурні поля згаданих вище вентильованих гальмових механізмів на різних відтинках часу попереднього етапу випробувань.
Їх аналіз вказує на різний температурний режим безфланцевої та фланцевої частин диска. Слід зазначити, що чим яскравіша гама кольорів, тим більша температура досягнута. З цього ж рисунку видно, що фланець до третьої хвилини випробувань практично холодний, і тільки в кінці випробувань він дещо прогрівається.
Рис. 3. Температурні поля передніх дискових гальм автобуса А-171 на 3-й (а) та 12-й хвилинах (б) попереднього етапу випробувань II
Неважко собі представити, що шляхом зміни конструктивних, режимних та теплофізичних параметрів описаних вище моделей гальм можна оцінити їх температурні поля, скоротивши обсяг натурних експериментів.
Висновок
Використання тривимірних моделей дозволяє оперативно і достовірно досліджувати температурні поля і вплив на них різних чинників в гальмових механізмах АТЗ, що має велике значення на стадії їх концептуального проектування.
Література
1. Гудз Г.С. Температурные режимы фрикцион-
ных узлов автотранспортных средств. - Харьков: РИО ХГАДТУ, 1998. -139 с.
2. Туренко А.Н. и др. Повышение эффективности
торможения автотранспортных средств с пневматическим тормозным приводом. -Харьков: РИО ХГАДТУ, 2000. - 472с.
3. Тормозные устройства: Справочник / Под ред.
М.П. Александрова. - М.: Машиностроение, 1985. - 312 с.
4. Оржевский И.С. Автомобильные дисковые
тормоза. - М.: НИИНавтопром, 1966. - 64 с.
5. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.:
Высшая школа, 1967. - 600 с.
6. Генбом Б.Б., Гудз Г.С. и др. Вопросы динамики
торможения и теории робочих процессов тормозных систем автомобилей. - Львов: Вища школа, 1974. - 234 с.
7. Глобчак М. В. Исследование температурных
режимов фрикционов ГМП автопогрузчиков методами математического моделирования: Авторереф. дис. ... канд. техн. наук. - Харьков: ХАДИ, 1994. - 22 с.
8. Еременко П.И. Исследование тепловых про-
цессов в тормозных механизмах автомобильных колес на сеточных моделях - аналогах: Автореф. дис. . . канд. техн. наук. -Львов: ЛПИ, 1975. - 25 с.
9. Балан С.О., Гончарова О.Є., Становська Т.П.
Моделювання теплового режиму гальмових систем // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів / Зб. наук. праць асоціації «Автобус». -Львів. - 2000. - Вип. 4. - С. 18-21.
10. Дем’янюк В.А. Дослідження розподілу темпе-
ратур у барабанному гальмовому механізмі з використанням методу скінчених елементів // Динаміка, міцність та проектування машин та приладів. Вісн. ДУ «Львівська політехніка». - Львів: ДУ «Львівська політехніка». - 1997. - № 323. - С.82-86.
11. Коляса О.Л. Обґрунтування теплової моделі
дискових гальмових механізмів автомобільних коліс: Дис... канд. техн. наук. - Львів: НУ «Львівська політехніка», 2002. - 121 с.
12. Яворський Я.П. Вдосконалення методу тепло-
вого розрахунку автомобільних дискових гальм при тривалих гальмуваннях на основі комп’ютерного моделювання: Дис... канд. техн. наук. - Львів: НУ «Львівська політехніка», 2004. - 126 с.
13. Гудз Г.С., Осташук Н.М., Тарапон А.Г. Мето-
дика компьютерного моделирования трехмерных температурных полей в дисковых тормозах // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАНУ ім. Г.Є. Пухова. - К.: 2002. - Вип.16. - С.95-99. 14 Гудз Г.С., Коляса О.А., Тарапон А.Г. Расчетный модуль для исследования температурных полей в тормозных механизмах автотранспортных средств // Зб. наук. пр. ІПМЕ НАНУ: Моделювання та інформаційні технології. - К.: 2001. - Вип. 8. - С.45-50.
15. Гредескул А.Б., Меламуд Р.А., Кушов В.Я.,
Доля В. К. Термонагруженность вентилируемых тормозных дисков // Автомобильная промышленность. - 1983. - № 6. - С.16-17.
16. Rain Bolt Jack D., Schwarts H.W., Harfter L.L.,
Rhee S.K., Byers I.E., Limpert Rudolf. Controlling heat in disk brakes. // Automot. Eng. 1975. - Р. 47-56.
Рецензент: В.І. Клименко, професор, к.т.н.,
ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 7 вересня 2005 р.
