Разработка устройства составного тормозного диска дисково-колодочного тормоза транспортных средств с повышенными эксплуатационными характеристиками

Цель – разработать устройство составного тормозного диска дисково-колодочного тормоза транспортных средств, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками. Объектом исследований явились конструкции дисково-колодочных тормозных устройств транспортного средства марки Ford, модели Explorer 5-го поколения, 2017 года выпуска. Для устранения недостатков данных дисков (повышенные градиенты температур и внутренних напряжений на поверхностях и в теле тормозных дисков; отсутствие свойства ремонтопригодности дисков; недостаточный отвод тепла от рабочих поверхностей пары трения диск-колодка) использовались методы теории решения изобретательских задач, с учетом положений которой был предложен метод расчленения основных конструктивных элементов тормозного диска на составляющие. Для разработки конструкции составного тормозного диска использовались методы трехмерного проектирования в учебной версии российского программного продукта КОМПАС-3D, v21. На основе поставленных задач разработано устройство составного тормозного диска, конструктивные элементы которого представлены на иллюстрациях 3D-моделей и изготовленных прототипов с пояснениями их осуществления. В результате построения конечно-элементных сеток с последующим выполнением статических расчетов на прочность по критериям Мизеса были выявлены области напряжено-деформируемого состояния разработанных деталей устройства составного тормозного диска. Сделаны выводы о необходимости оптимизации элементов конструкции и выбора материалов, обладающих оптимальными физическим свойствами (плотность, предел текучести, модуль упругости, теплопроводность и т.д.), что позволит снизить инерционные массы изделий и неподрессоренные массы транспортного средства, повысить гарантированный запас прочности и улучшить отведение тепла от пар трения дисково-колодочных тормозных устройств. Рассмотрены и применены методы и технологии 3D-печати воскоподобными филаментами, необходимые для сталелитейного производства по выплавляемым моделям. Таким образом, по результатам проведенных исследований показано, что выбор оптимальных материалов позволит повысить эффективность торможения при использовании разрабатываемой конструкции, снизить тормозной путь и время остановки транспортного средства. Представлены рекомендации по настройкам и режимам печати.

1. Петрик А.А., Вольченко Н.А., Пургал П.Ю., Вольченко Д.А. Фрикционные узлы: монография. Краснодар: КубГТУ, 2003. Т. 2. 220 с. EDN: QNANGL.

2. Вольченко Н.А., Поляков П.А., Скрыпнык В.С., Витвицкий В.С. Энергонагруженность трибосопряжений дисково-колодочных тормозов транспортных средств // Евразийский Союз Ученых. 2018. № 3-2. С. 51–59. EDN: XNFTED.

3. Скляренко Е.Ф. Повышение энергоемкости и эффективности дисково-колодочных тормозных устройств транспортных средств // Инновационный потенциал развития науки в современном мире: достижения и инновации: сб. науч. статей по матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Уфа, 28 февраля 2023 г.). Уфа, 2023. С. 91–111.

4. Sainath A., Dehadray P.М., Bharath P., Rao L.В. The thermal and stress analysis of disc brake // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1128. Iss. 1. Р. 012015. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1128/1/012015.

5. Mrausi S., Trimble J., Olabanji O., Tlhabadira I., Daniyan I.A. Investigating the mechanical properties of automotive brake disc and pad developed from locally sourced materials // 14th International Conference on Mechanical and Intelligent Manufacturing Technologies. 2023. P. 197–203. https://doi.org/10.1109/ICMIMT59138.2023.10200088.

6. Barik N., Khadari S.A.R. Analysis of disc brake // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1123. Р. 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1123/1/012004.

7. Sau S.K., Pulinat K.G., Moss P.N., Ranjeet P., Prabu S.S. A comparative study on the thermal and dynamic analysis of a disc brake using Ansys // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 65. Part 8. P. 3714–3723. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.06.318.

8. López-Flores, Jennifer-Guadalupe, Cordero-Guridi, De Jesús J., Ovando-Cuevas, Romeo E., et al. Thermal-structural numerical analysis of the brake and disc system of a Formula SAE 2024 type vehicle // Journal Mathematical and Quantitative Methods. 2024. Vol. 8. Iss. 1-13. Р. e30814113. https://doi.org/10.35429/JMQM.2024.8.14.3.13.

9. Пат. № 2668785, Российская Федерация, C1, F16D 65/12. Вентилируемый тормозной диск / Д. Маронати, Л. Оберти, Н. Ронки; заявитель и патентообладатель С.П.А. Френи Брембо. Заявл. 16.12.2014; опубл. 02.10.2018. Бюл. № 28.

10. Пат. № 2556269, Российская Федерация, C2, F16D 65/12, F16D 65/847. Ротор тормозного диска с внутренней вентиляцией / Я. Виллемин, К. Виттке, А. Клингельхефер, А. Пипилис; заявитель, патентообладатель Брембо СГЛ Карбон Керамик Брэйкс ГМБХ. Заявл. 23.12.2011; опубл. 10.07.2015. Бюл. № 19.

11. Пат. № 2628419, Российская Федерация, C2, F16D65/12. Сборный тормозной диск вала / С. Вурс, А. Мелан; заявитель, патентообладатель Фэйвели Транспорт Виттен ГМБХ. Заявл. 13.11.2012; опубл. 16.08.2017. Бюл. № 23.

12. Федотов Е.С., Литвинов А.Е., Стародуб М.В. Причины возникновения повреждений тормозных дисков (Часть 1) // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2020. № 6. С. 56–61. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2020-6-56-61. EDN: UXEEON.

13. Федотов Е.С., Стародуб М.В., Кузнецов В.А. Причины возникновения повреждений тормозных дисков (Часть 2) // Фундаментальные основы механики. 2021. № 7. С. 39–44. https://doi.org/10.26160/2542-0127-2021-7-39-44. EDN: OGBFYP.

14. Федотов Е.С., Литвинов А.Е., Стародуб М.В. Причины возникновения повреждений тормозных колодок дисково-колодочных тормозных механизмов // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 9. С. 18–23. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-9-18-23. EDN: FDKDVA.

15. Кошевой О.С., Мамулян Н.С., Радченко А.С. Триз – технология инноваций // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2013. № 1. С. 65–67. EDN: RPZDBN.

16. Колоско Д.Н., Хаустович И.С., Щербаченя В.А. Применение критерия Мизеса в прочностных расчетах систем инженерного анализа // Актуальные проблемы и перспективы развития сельских территорий и кадрового обеспечения АПК: сб. науч. статей III Междунар. науч.-практ. конф. (г. Минск, 7–8 июня 2023 г.). Минск: БГАТУ, 2023. С. 324–328.

17. Губенко А.С., Темпель Ю.А., Стариков А.И., Теплоухов О.Ю. Оптимизация прочностных и массовых характеристик детали с использованием алгоритмов порождающего проектирования // Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. № 7. С. 358–362. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-7-358-359.

18. Красикова Е.С. Проектирование 3D-моделей для изготовления изделий методом литья по выплавляемым моделям // Высокие технологии в машиностроении: матер. XX Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Самара, 9–10 ноября 2023 г.). Самара: СамГТУ, 2023. С. 31–34. EDN: ISRYKI.

19. Пат. № 2772531, Российская Федерация, C1, B22C 9/04, B22C 7/02. Способ удаления выжигаемой полимерной модели из керамической формы в литье по выплавляемым моделям / А.В. Шилов; заявитель Акционерное общество «ОДК-Авиадвигатель». № 2021138594. Заявл. 24.12.2021; опубл. 23.05.2022. EDN: MOSJRS.

20. Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Одиноков В.И., Чернышова Д.В., Евстигнеева А.А., Иванкова Е.П. О трещиностойкости керамической оболочковой формы по выплавляемым моделям при затвердевании в ней шарообразной стальной отливки // Литейное производство. 2022. № 9. С. 17–21. EDN: BSLLOC.

21. Ткаченко С.С., Емельянов В.О., Мартынов К.В. Современная технология литья по выплавляемым моделям для производства художественных отливок // Литье и металлургия. 2021. № 1. С. 49–52. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2021-1-49-52. EDN: KETJWM.

22. Сакович Н.Е., Никитин А.М., Шилин А.С., Рожнова В.С., Прудников С.А. Дисково-колодочные тормоза автотранспортных средств // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2021. № 6. С. 55–60. https://doi.org/10.52691/2500-2651-2021-88-6-55-60. EDN: FZPNKF.