ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-4-682-693OFPYHHipolytech-756Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGРазработка способа обеспечения стабильности процесса торможения путём совершенствования конструкции тормозных механизмовDeveloping the method ensuring stable braking via advanced design of braking deviceshttps://orcid.org/0000-0003-0576-5398ПоляковП. А.PolyakovP. A.

Поляков Павел Александрович, к.т.н., доцент, доцент кафедры «Транспортные процессы и технологические комплексы»

 

Pavel А. Polyakov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department  of Transport processes and technological complexes

2, Moskovskaya St., Krasnodar 350072

polyakov.pavel88@mail.ruКубанский государственный технологический университетРоссияKuban State Technological UniversityRussian Federation202310012024274682693Copyright © Поляков П.А., 20242024Поляков П.А.Polyakov P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/756

Цель – создание способа обеспечения стабильности и эффективности процесса торможения путем дифференциации фрикционных накладок тормозных колодок дисковых тормозных механизмов колодочного типа. В исследованиях применялась дифференциация времени взаимодействия пар трения и их площади, обеспечивающего наибольшие показатели стабильности тормозных механизмов. В работе применялись разработанные автором нестандартизированное стендовое оборудование и сегментарные тормозные механизмы, обеспечивающие дифференциацию пар трения по площади. Используя взаимосвязь между поперечным перемещением колодок и развиваемым тормозным моментом фрикционного узла, был разработан способ построения результирующего тормозного момента. В результате стендовых испытаний коэффициенты стабильности и колебания тормозного момента разработанных дисковых тормозных механизмов колодочного типа с шестью прижимающими элементами увеличились на 12,2 и 34,9%. Данные значения получены в сравнении с серийными тормозными механизмами, оснащенными моноприжимающим механизмом с единой тормозной колодкой. Расхождения между моделируемыми и полученными данными в ходе стендового эксперимента по критериям стабильности составили в среднем: по коэффициентам стабильности и колебания тормозного момента для рассматриваемых трех вариантов тормозных механизмов 5,1 и 6,7% соответственно. Дифференциация прижимающих элементов и сегментирование тормозных колодок оказывает эффект увеличения критериев стабильности и эффективности торможения для дисковых тормозных механизмов колодочного типа. Анализ зависимости поперечного перемещения и развиваемого тормозного момента позволил моделировать гарантированный результат по критерию стабильности и колебания тормозного момента дисковых тормозных механизмов колодочного типа. Апробация проведенных стендовых испытаний дала возможность утверждать, что разработанная модель получения результирующего тормозного момента для тормозного механизма с сегментными колодками может использоваться для проектирования пар трения с закладываемыми параметрами.

The aim is to develop a method for ensuring the stability and efficiency of the braking process by differentiating the friction linings of brake pads of pad-type disc braking mechanisms. The research applied differentiation of the interaction time of friction pairs and their area, which provides the highest stability indicators of braking mechanisms. The non-standardized bench equipment developed by the author, as well as segmental braking mechanisms providing differentiation of friction pairs by area were used in the study. A method of designing the resultant braking torque was developed using the relationship between the transverse movement of the pads and the developed braking torque of the friction unit. As a result of bench tests, the stability and fluctuation coefficients of the braking torque of the developed pad-type disc brake mechanisms with six pressing elements increased by 12.2 and 34.9%. These values were obtained as compared to serial brake mechanisms equipped with a monopressing mechanism with a single brake pad. The discrepancies between the simulated and obtained data during the bench test on the stability criteria averaged 5.1 and 6.7% for the stability coefficients and braking torque fluctuations for the three brake mechanism variants under consideration, respectively. Differentiation of pressing elements and segmentation of brake pads has the effect of increasing the stability criteria and braking efficiency for pad-type disc brakes. With the analysis of the dependence of the transverse displacement and the developed braking torque, a guaranteed result on the stability criterion and braking torque fluctuations of pad-type disc brakes was modeled. Based on the conducted bench tests, the model developed for obtaining the resultant braking torque for the braking mechanism with segmental pads can be used for designing friction pairs with the set parameters.

тормозной механизмприжимающий элементдифференциациясегментная тормозная колодкакоэффициенты стабильностиколебания тормозного моментаbrake mechanismclamping elementdifferentiationsegmented brake padstability coefficientsbraking torque fluctuationsReferencesFritz G., Sinou J.-J., Duffal J.-M., Jezequel L. Effects of damping on brake squeal coalescence patterns–application on a finite element model // Mechanics Research Communications. 2007. Vol. 34. No. 2. P. 181–190. https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2006.09.012.Fritz G., Sinou J.-J., Duffal J.-M., Jezequel L. Effects of damping on brake squeal coalescence patterns–application on a finite element model. Mechanics Research Communications. 2007;34(2):181-190. https://doi.org/10.1016/j.mechrescom.2006.09.012.Wehner J.-H., Jekel D., Sampaio R., Hagedorn P. Optimization of finite element models of disc brakes // Part of the SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology book series. Cham: Springer, 2018. Р. 31–48. https://doi.org/10.1007/978-3-319-62713-7_4.Wehner J.-H., Jekel D., Sampaio R., Hagedorn P. Optimization of finite element models of disc brakes. In: Part of the SpringerBriefs in Applied Sciences and Technology book series. Cham: Springer; 2018, р. 31-48. https://doi.org/10.1007/978-3-319-62713-7_4.Bulthé A.L., Desplanques Y., Degallaix G., Coupling between friction physical mechanisms and transient thermal phenomena involved in pad-disc contact during railway braking // Wear. 2007. Vol. 263. Iss. 7-12. Р. 1230–1242. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.12.052.Bulthé A.L., Desplanques Y., Degallaix G., Coupling between friction physical mechanisms and transient thermal phenomena involved in pad-disc contact during railway braking. Wear. 2007;263(7-12):1230-1242. https://doi.org/10.1016/j.wear.2006.12.052.Поляков П.А. Метод проектирования тормозного механизма дисково-колодочного типа с использованием структурно-параметрического синтеза тормозного механизма // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2021. № 12. С. 547–555. https://doi.org/10.36652/0202-3350-2021-22-12-547-555. EDN: VYPNKD.Polyakov P.A. The method of designing a disc-pad brake mechanism of the structural-parametric synthesis of the brake mechanism. Sborka v mashinostroenii, priborostroenii = Assembly in mechanical engineering, instrumentation. 2021;12:547-555. (In Russ.). https://doi.org/10.36652/0202-3350-2021-22-12-547-555. EDN: VYPNKD.Поляков П.А. Функционально-структурная модель структурно-параметрического синтеза тормозного механизма // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщений. 2021. № 4. С. 32–43. https://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_4_32. EDN: ZZLSBQ.Polyakov P.A. Functional-structural model of the structural-parametric synthesis of the braking mechanism. Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshchenij = Published by Vestnik RGUPS, Rostov State Transport University. 2021;4:32-43. (In Russ.). https://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_4_32. EDN: ZZLSBQ.Яицков И.А., Литвинов А.Е., Поляков П.А., Задаянчук Н.А. Структурно-параметрический синтез дисково-колодочного тормоза // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщений. 2021. № 2. С. 75–85. https://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_2_75. EDN: NYXZGN.Yaickov I.A., Litvinov A.E., Polyakov P.A., Zadayanchuk N.A. Structural and parametric synthesis of disc-pad and brake. Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshchenij = Published by Vestnik RGUPS, Rostov State Transport University. 2021;2:75-85. (In Russ.). https://doi.org/10.46973/0201-727X_2021_2_75. EDN: NYXZGN.Flint J., Hultén J. Lining-deformation-induced modal coupling as squeal generator in a distributed parameter disc brake model // Journal of Sound and Vibration. 2002. Vol. 254. Iss. 1. Р. 1–21. https://doi.org/10.1006/jsvi.2001.4052.Flint J., Hultén J. Lining-deformation-induced modal coupling as squeal generator in a distributed parameter disc brake model. Journal of Sound and Vibration. 2002;254(1):1–21. https://doi.org/10.1006/jsvi.2001.4052.Filip P., Weiss Z., Rafaja D. On friction layer formation in polymer matrix composite materials for brake applications // Wear. 2002. Vol. 252. Iss. 3-4. Р. 189–198. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(01)00873-0.Filip P., Weiss Z., Rafaja D. On friction layer formation in polymer matrix composite materials for brake applications. Wear. 2002;252(3-4):189-198. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(01)00873-0.Konca B. Material selection of brake rotors for sports cars // MECH 202 TERM PROJECT. 2019. 16 p. https://doi.org/10.6084/m9.figshare.13813865.Konca B. Material selection of brake rotors for sports cars. In: MECH 202 TERM PROJECT. 2019, 16 p. https://doi. org/10.6084/m9.figshare.13813865.Li Peilong, Xu Hongmei. Braking efficiency and stability of chassis braking system of combine harvester: the theoretical derivation and virtual prototype simulation // Mathematical Problems in Engineering. 2019. https://doi.org/10.1155/2019/6713231.Li Peilong, Xu Hongmei. Braking efficiency and stability of chassis braking system of combine harvester: the theoretical derivation and virtual prototype simulation. In: Mathematical Problems in Engineering. 2019. https://doi.org/10.1155/2019/6713231.Chen Qingzhang, Liu Youhua, Li Xuezhi. Stability control of vehicle emergency braking with tire blowout // International Journal of Vehicular Technology. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/436175.Chen Qingzhang, Liu Youhua, Li Xuezhi. Stability control of vehicle emergency braking with tire blowout. In: International Journal of Vehicular Technology. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/436175.Wang Fahui, Lu Yongjie, Li Haoyu. Heavy-duty vehicle braking stability control and HIL verification for improving traffic safety // Journal of Advanced Transportation. 2022. https://doi.org/10.1155/2022/5680599.Wang Fahui, Lu Yongjie, Li Haoyu. Heavy-duty vehicle braking stability control and HIL verification for improving traffic safety. In: Journal of Advanced Transportation. 2022. https://doi.org/10.1155/2022/5680599.Yin Guodong, Jin XianJian. Cooperative control of regenerative braking and antilock braking for a hybrid electric vehicle // Mathematical Problems in Engineering. 2013. https://doi.org/10.1155/2013/890427.Yin Guodong, Jin XianJian. Cooperative control of regenerative braking and antilock braking for a hybrid electric vehicle. In: Mathematical Problems in Engineering. 2013. https://doi.org/10.1155/2013/890427.Pan Gongyu, Chen Lei. Impact analysis of brake pad backplate structure and friction lining material on disc-brake noise // Advances in Materials Science and Engineering. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/7093978.Pan Gongyu, Chen Lei. Impact analysis of brake pad backplate structure and friction lining material on disc-brake noise. In: Advances in Materials Science and Engineering. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/7093978.Zhang S., Hao Q., Liu Y., Jin L., Ma F., Sha Z., et al. Simulation study on friction and wear law of brake pad in high-power disc brake // Mathematical Problems in Engineering. 2019. https://doi.org/10.1155/2019/6250694.Zhang S., Hao Q., Liu Y., Jin L., Ma F., Sha Z., et al. Simulation study on friction and wear law of brake pad in high-power disc brake. In: Mathematical Problems in Engineering. 2019. https://doi.org/10.1155/2019/6250694.Wahlström J. A Factorial design to numerically study the effects of brake pad properties on friction and wear emissions // Advances in Tribology. 2016. 10 p. https://doi.org/10.1155/2016/8181260.Wahlström J. A factorial design to numerically study the effects of brake pad properties on friction and wear emissions. In: Advances in Tribology. 2016. https://doi.org/10.1155/2016/8181260.Vignati M., Belloni M., Tarsitano D., Sabbioni E. Optimal cooperative brake distribution strategy for IWM vehicle accounting for electric and friction braking torques // Mathematical Problems in Engineering. 2021. https://doi.org/10.1155/2021/1088805.Vignati M., Belloni M., Tarsitano D., Sabbioni E. Optimal cooperative brake distribution strategy for iWM vehicle accounting for electric and friction braking torques. In: Mathematical Problems in Engineering. 2021. https://doi.org/10.1155/2021/1088805.Lü Hui, Yu Dejie. Stability optimization of a disc brake system with hybrid uncertainties for squeal reduction // Shock and Vibration. 2016. https://doi.org/10.1155/2016/3497468.Lü Hui, Yu Dejie. Stability optimization of a disc brake system with hybrid uncertainties for squeal reduction. In: Shock and Vibration. 2016. https://doi.org/10.1155/2016/3497468.Поляков П.А., Федотов Е.С., Полякова Е.А., Голиков А.А., Виниченко В.О. Математическое моделирование удельного давления тормозного механизма // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2020. № 5. С. 20–25. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2020-5-20-25.Polyakov P.A., Fedotov E.S., Polyakova E.A., Golikov A.A., Vinichenko V.O. Mathematical modeling of brake specific pressure. Mekhatronika, avtomatika i robototekhnika. 2020;5:20-25. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2020-5-20-25.Gu Yihong, Liu Yucheng, Lu Congda. Effect of compressive strain of brake pads on brake noise // Shock and Vibration. 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8832363.Gu Yihong, Liu Yucheng, Lu Congda. Effect of compressive strain of brake pads on brake noise. In: Shock and Vibration. 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8832363.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.