Разработка метода рационального проектирования фрикционного узла тормоза дисково-колодочного типа

Цель – разработка метода рационального проектирования фрикционного узла с наложением ограничений по минимизации маховых масс вращающихся элементов и отсутствием наступления термостабилизационного состояния. Исходными данными для расчета являлись тормозной момент, удельное давление в паре трения, угловая скорость и диаметр ступицы тормозного диска. Для расчета конструктивных и эксплуатационных параметров тормоза дисково-колодочного типа на предварительном этапе применялся метод геометрического программирования. Затем уточнялись параметры, исходя из условий взаимоисключающих факторов (энергоемкость и время торможения) и напряженно-деформированного состояния. На основе алгоритма метода рационального проектирования фрикционного узла была разработана программа для расчета на языке программирования DELPHI. На предварительном этапе проектирования определены диапазоны конструктивных параметров: диаметр тормозного диска – от 0,237 до 0,37 м; ширина рабочих поверхностей – от 0,0335 до 0,1 м; толщина полудисков – от 0,012 до 0,026 м. Окончательным результатом метода рационального проектирования явились уточненные диапазоны конструктивных параметров: диаметр – от 0,31 до 0,324 м; ширина – от 0,041 до 0,0485 м; толщина – от 0,0148 до 0,0151 м. Установлено, что разработанный метод рационального проектирования уменьшает диапазоны диаметра проектируемого тормозного диска по сравнению с предварительным расчетом в 9,5 раза, тогда как диапазоны ширины рабочих поверхностей снижаются в 8,9 раза, а диапазон толщины – в 46,6 раза. На завершающем этапе используемого метода были определены второстепенные конструктивные и эксплуатационные параметры фрикционного узла: площади рабочей и нерабочей поверхностей пар трения, коэффициент их взаимного перекрытия. Предложенный метод рационального проектирования уменьшает выборный диапазон конструктивных параметров, что позволит обеспечить более рациональный выбор соответствия их заданным эксплуатационным характеристикам. Разработанный метод предлагает проектирование фрикционного узла тормоза дисково-колодочного типа на основе ограничений по металлоемкости и наступлению термостабилизационного состояния.

1. Nosko O. Analytical study of sliding instability due to velocity- and temperature-dependent friction // Tribology Letters. 2016. Vol. 61. https://doi.org/10.1007/s11249-015-0628-9

2. Mortazavi V., Wang Chuanfeng, Nosonovsky M. Stability of frictional sliding with the coefficient of friction depended on the temperature // Journal of Tribology. 2012. Vol. 134. Iss. 4. P. 041601. https://doi.org/10.1115/1.4006577

3. Úradníček J., Musil M., Bachratý M., Havelka F. Destabilization of disc brake mechanical system due to nonproportional damping // Engineering Mechanics. 2020: Proceedings 26th International Conference (Brno, 24–25 November, 2020). Brno, 2020. Vol. 26. P. 496–499. https://doi.org/10.21495/5896-3-496

4. Polyakov P.A., Litvinov A.E., Polyakova E.A., Fedotov E.S., Tagiev R.S. Design of surface profile of pairs of friction unit // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 843. Р. 012001.

5. Марков А.М., Габец А.В., Иванов А.В., Габец Д.А. Методика исследования характеристик пары трения фрикционного узла поглощающего аппарата // Актуальные проблемы в машиностроении. 2018. Т. 5. № 3-4. С. 137–143.

6. 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

7. Вольченко Д.А. Волновая природа изменения параметров металлополимерных пар трения тормозных устройств при фрикционном взаимодействии // Вiсник Севастопольского национального технического университета. 2014. Вип. 152. С. 14–22.

8. Бевз О., Магопец С., Матвиенко А. Исследование надежности тормозного механизма автомобиля Hyundai Accent // Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. 2019. № 1(32). С. 68–78. https://doi.org/10.32515/2664-262X.2019.1(32).68-78

9. Indira R., Bharatish A. Optimization of ventilated brake disc rotor geometry for enhanced structural characteristics // Journal of Measurements in Engineering. 2020. Vol. 8. Iss. 3. P. 98–106. https://doi.org/10.21595/jme.2020.21399

10. Panelli M. Thermal fluid dynamics analysis of vented brake disc rotor with ribs turbulators // Thermal and Environmental Issues in Energy Systems, ASME-UIT-ATI: Proceedings International Conference. Sorrento, 2010. https://doi.org/10.13140/2.1.3525.7122

11. Nejat A., Aslani M., Mirzakhalili E., Najian Asl R. Heat transfer enhancement in ventilated brake disk using double airfoil vanes // Journal of Thermal Science and Engineering Applications. 2011. Vol. 3. No. 4. P. 045001. https://doi.org/10.1115/1.4004931

12. Yan H.В., Zhang Q.С., Lu T.J. Heat transfer enhancement by X-type lattice in ventilated brake disc // International Journal of Thermal Sciences. 2016. Vol. 107. P. 39–55. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2016.03.026

13. Mew T.D., Kang Ki-Ju, Kienhöfer F.W., Kim T. Transient thermal response of a highly porous ventilated brake disc // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part D: Journal of Automobile Engineering. 2015. Vol. 229. P. 674–683. https://doi.org/10.1177/0954407014567516

14. Nosko O. Partition of friction heat between sliding semispaces due to adhesion-deformational heat generation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013. Vol. 64. P. 1189–1195. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.05.056

15. Volchenko N., Volchenko A., Volchenko D., Poliakov P., Malyk V., Zhuravliov D., et al. Features of the estimation of the intensity of heat exchange in selfventilated diskshoe brakes of vehicles // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. Vol. 1. No. 5. P. 47–53. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154712

16. Литвинов А.Е., Поляков П.А., Полякова Е.А., Тагиев Р.С., Федотов Е.С., Голиков А.А. Разработка методики оценки системы охлаждения тормозных дисков // Вестник Ижевского государственного технического университета им. М.Т. Калашникова. 2020. Т. 23. № 1. С. 14–22. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2020-1-14-22

17. Shailendra Pratar V., Siddharth S., Shwetang D., Rishi A. Pneumatic Braking Mechanism // engrXiv. Preprints. https://doi.org/10.31224/osf.io/5dtz2

18. Victoria R., Petrescu V. Mechatronic systems to the braking mechanisms // Journal of Mechatronics and Robotics. 2020. Vol. 4. № 1. Р. 156–190. https://doi.org/10.3844/jmrsp.2020.156.190

19. Поляков П.А., Федотов Е.С., Полякова Е.А. Метод проектирования современных тормозных механизмов с сервоусилением // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 7. С. 39–50. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-7-39-50

20. Braun O.M. Modern understanding of the frictional mechanisms // Visnik National Academy Nauk Ukraine. 2012. № 12. Р. 12–18. https://doi.org/10.15407/visn2012.12.012