Національний університет „Львівська політехніка”

КОЛЯСА Остап Леонідович

УДК 629.113 – 59.001.4

ОБГРУНТУВАННЯ ТЕПЛОВОЇ МОДЕЛІ

ДИСКОВИХ ГАЛЬМОВИХ МЕХАНІЗМІВ

АВТОМОБІЛЬНИХ КОЛІС

05.22.02 – автомобілі та трактори

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Гудз Густав Степанович,

Національний університет "Львівська політехніка",

професор кафедри "Експлуатація та ремонт автомобільної техніки"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент, лауреат Державної премії України

Богомолов Віктор Олександрович,

Харківський національний автомобільно-дорожній університет,

професор кафедри "Автомобілі";

кандидат технічних наук, доцент

Разумов Анатолій Борисович,

Львівський НДІ судових експертиз, провідний науковий співробітник

Провідна установа: Національний транспортний університет,

кафедра "Автомобілі"

Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 23 жовтня 2002 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. С.Бандери, 12, ауд. 226 гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету "Львівська політехніка" за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий ” 16 ” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Форнальчик Є.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На робочих поверхнях гальмових механізмів автотранспортних засобів (АТЗ) відбувається перетворення механічної енергії в теплову, а їх режим роботи характеризується значною енергонавантаженістю.

Для розв'язування задач тепло- і масопереносу, які описані рівняннями в часткових похідних, широко застосовують моделі-аналоги (суцільні середовища, RС - сітки, RR - сітки), комп'ютерні та гібридні моделі, що поєднують позитивні якості АОМ та ЕОМ.

До суттєвих переваг перелічених вище моделей треба віднести можливість за їх допомогою розв'язувати не тільки прямі задачі тепло- масопереносу. Розв'язування зворотної та інверсної задач дає змогу отримати за відомими полями потенціалів при заданій моделі граничні умови (зворотна задача) і коефіцієнти основного рівняння теплопровідності (інверсна задача). Це забезпечується можливістю отримання реальних значень коефіцієнтів тепловіддачі гальмових механізмів за результатами натурних експериментів (зворотна задача) та дослідження швидкозмінних температурних полів у відкритих дискових гальмах (інверсна задача).

На рис.1 показана структурна схема застосовування моделей для дослідження температурних режимів гальмових механізмів, як складової частини концептуального проектування. При такій методології проектування систем об'єктами моделювання стають як функціональні аспекти вибору рішень, так і технології взаємопов'язаного проектування гальмових систем, а також їх інформативне, технічне та програмне забезпечення.

Рис.1. Структурна схема теплових моделей гальмових механізмів АТЗ

Запропонований методологічний підхід забезпечує узагальнення наявних знань та засобів для проектування, теоретичного контролю процесів розробки, розвитку і використання систем, багатоваріантного опрацювання проектів та їх вибору з урахуванням вимог адекватності моделей реальним об'єктам і заданим критеріям якості, виявлення можливості паралельного виконання проектних процедур і управління ними.

На основі баз знань розробляють концептуальні моделі (К-моделі) проектованої системи (елементи приводу, гальмові механізми, підсилювачі тощо) на двох рівнях: верхній рівень - К-модель САПР гальмівного керування, як об'єктів проектування; нижній - К-моделі проектованих вузлів і систем гальмівного управління.

Проведений аналіз показав, що якнайбільша енергонавантаженість спостерігається в парах тертя гальмових механізмів автобусів. Вони становлять нижній рівень К-моделі.

Енергонавантаженість цих механізмів постійно зростає. Тому вдосконалення теорії робочих процесів, конструкцій і режимів роботи гальмових механізмів АТЗ з метою мінімізації їх температурного режиму становить одне з актуальних завдань у галузі підвищення ефективності останніх.

У царині дослідження робочих процесів та надійності гальмових механізмів широко відомі праці М.П.Александрова, Ю.Б.Беленького, В.О.Богомолова, М.О.Бухаріна, О.І.Вольченка, Б.Б.Генбома, А.Б.Гредескула, Г.С.Гудза, В.А.Дем'янюка, І.В.Крагельського, А.Д.Крюкова, Г.В.Максапетяна, І.Ф.Метлюка, М.А.Подригала, А.Б.Разумова, А.М.Туренка, Я.Є.Фаробіна, О.С.Федосова, І.Г.Шепеленка, А.В.Чичинадзе, Є.А.Чудакова, F.Charron, H.Dorner, R.Krauser, T.Newcomb, A.Sisson, G.Fazekas та інших вчених.

Впровадження результатів цих досліджень забезпечило значне покращення тих експлуатаційних властивостей АТЗ, які залежать від досконалості гальмових механізмів. Однак у розглянутих роботах відсутні точні аналітичні методи розрахунку впливу різних чинників на температурний режим і надійність дискових гальмових механізмів в різних умовах експлуатації АТЗ. Це визначає актуальність сформульованих завдань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика роботи є частиною планових державних науково-технічних програм за пріоритетними напрямками, сформульованими Комітетом з науково-технічного прогресу при Кабінеті Міністрів України, та досліджень, які проводяться на кафедрах "Автомобілебудування" і "Експлуатація та ремонт автомобільної техніки" Національного університету "Львівська політехніка". Ця робота відповідає Постанові Кабінету Міністрів України №39 від 26 січня 1994 р. "Про організацію виробництва міських автобусів великої місткості" та Постанові Національної ради з питань безпечної життєдіяльності населення №3 від 25 грудня 1997 р. "Про відповідність вимогам охорони праці машин, транспортних засобів, обладнання, які виробляються в Україні".

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розроблення та дослідження теплової моделі дискових гальм автомобільних коліс при повторно-короткочасному режимі їх роботи. Для досягнення цієї мети в роботі сформульовані та розв'язувалися наступні задачі:

1. Провести аналіз енергонавантаженості гальмових механізмів в реальних умовах експлуатації та при проведенні випробувань І.

2. Здійснити математичний опис процесів нагрівання та охолодження гальмових механізмів і аналіз методів їх теплових розрахунку та досліджень.

3. Розвинути методи математичного моделювання теплових процесів в дискових гальмах з урахуванням специфіки їх роботи.

4. Дослідити вплив різних чинників на температурні режими дискових гальмових механізмів АТЗ методом математичного моделювання.

5. Створити інженерний метод теплового розрахунку дискових гальм при повторно-короткочасному режимі їх роботи на основі комп'ютерного моделювання.

Об'єкт дослідження - енергонавантаженість та температурні режими дискових гальмових механізмів АТЗ.

Предмет дослідження - закономірності впливу різних чинників на температурні режими дискових гальм, які визначають їх енергоємність.

Методи дослідження – фізичне та математичне моделювання, планування експерименту, математична статистика, аналіз і синтез.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше створено математичний модуль, за допомогою якого здійснено системний підхід у дослідженні температурних режимів дискового гальма, що дало змогу вивчити вплив на них різних чинників і отримати нові результати, які сформульовані у задачах дослідження і обґрунтовані висновками.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблені метод досліджень та теплова модель дискового гальма дозволили поповнити банк даних для його концептуального проектування, а саме:

· досліджений тепловий баланс дискового гальма на попередньому етапі випробувань І;

· вивчено вплив умов тепловіддачі дискових гальм на їх температурний режим;

· показано вплив конструктивних чинників на температурний режим дискових гальм при випробуваннях І;

· отримана регресійна формула для теплового розрахунку дискових гальм АТЗ категорії МЗ при випробуваннях І.

Рекомендації та технічні рішення, запропоновані в роботі, прийняті та використані в конструкторській практиці створення гальмових механізмів у ВАТ „Укравтобуспром” (м.Львів) та Холдинговій компанії „АвтоКрАЗ” (м. Кременчук).

Особистий внесок здобувача. Основні розв'язки, результати, висновки та рекомендації, наведені в дисертаційній роботі, отримані автором самостійно. В опублікованих за результатами досліджень роботах дисертанту належать: [1] - розрахунок фізичних параметрів моделі для використання методу інверсії; [2] – моделювання розподілу теплових потоків в парі тертя; [3] – розрахунок параметрів теплової моделі гальма при проведенні екстреного гальмування; [4] – моделювання процесів тепловіддачі дискового гальма; [5] – розрахунок вихідних даних для створення математичного модулю; [6] – розрахунок диференціальних втрат по циклах випробувань; [7] – проведення експериментальних досліджень; [8] – моделювання процесу впливу конструктивних чинників на температурний режим гальма; [10] – розрахунок витрат при проведенні дорожніх випробувань гальмових механізмів; [11] – аналіз точності застосування комп'ютерної теплової моделі гальма; [12] – складання матриці для досліджень та проведення моделювання теплових процесів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на 4-му та 5-му міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові (1999, 2001рр.); ХХ та ХХІ науково-технічних конференціях в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАНУ (м. Київ, 2000, 2001 рр.); 51-й науково-технічній конференції в Українському державному лісотехнічному університеті (2001р.); міжнародній конференції „Механіка-2000” (м. Жешув, Польща, 2000р.); міжнародній конференції у Севастопольському національному технічному університеті (м. Севастополь, 2001р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 друкованих робіт, із яких 12 статей – у наукових фахових виданнях України, а решту – у матеріалах праць і тез конференцій.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, 4 додатків, списку використаних джерел із 117 назв. Основний обсяг роботи становить 121 сторінку, в т.ч. 42 рисунки та 16 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі обгрунтовано актуальність виконаного дослідження і подано коротку характеристику роботи.

В першому розділі розглянутий енергетичний баланс автотранспортного засобу при гальмуванні механізмами коліс різних осей. Наведені формули, які дають змогу оцінити значення коефіцієнтів розподілу, що враховують витрати частини енергії на подолання природних опорів руху та опорів, створюваних гальмом-сповільнювачем.

Результати випробувань, проведених на кафедрі "Автомобілебудування" НУ "ЛП", дають змогу констатувати, що для автобусів, які експлуатуються у великих містах, характерний напружений повторно-короткочасний режим роботи гальмівної системи з великою кількістю гальмувань досить невеликої ефективності. Відношення сумарного гальмівного шляху до довжини маршруту в обидві сторони досягає 7%. Середнє значення сповільнення знаходиться в межах 1,32 - 1,43 м/с2, а кількість гальмувань зі сповільненнями, що перевищують 3 м/с2, становить приблизно 1% від загальної кількості гальмувань. Оскільки середня технічна швидкість автобусів у великих містах рідко перевищує 5,5 м/с, то порівняно невелика і швидкість на початку гальмування - середнє значення цього показника на різних маршрутах коливається в межах 6,5 - 7,15 м/с.

Велика кількість гальмувань, яка припадає на 1 км шляху, зумовлює високу енергонавантаженість гальмових механізмів. Середнє значення енергій, перетворюваних у тепло на 1 км шляху, коливається залежно від маршруту в межах 752 - 822 кДж/км, а максимальне значення цього параметра досягає 2000 кДж/км. Внаслідок цього температури поверхонь тертя гальмових механізмів досягають 523 - 543 К.

При даній загальній енергонавантаженості важливою умовою забезпечення необхідної стабільності та високої ефективності гальмівної системи є приблизно однакова питома енергонавантаженість всіх гальмових механізмів та пар тертя даного автомобіля. Слід відзначити, що гальмівна система сучасного автомобіля повинна мати достатню енергоємність, тобто бути здатною перетворювати в тепло задану кількість енергії протягом заданого часу без недопустимих змін вихідних показників.

У роботі рекомендовано поєднувати вимоги до енергоємності з сучасними методами випробувань автомобілів на ефективність дії гальм. Відповідно до цього вимірниками енергоємності запропоновані 12-хвилинна гальмівна потужність; середня циклічна гальмівна потужність. Наведені формули, які дають змогу обчислити вказані потужності з метою нормування енергоємності або вибору режимів стендових випробовувань гальмівних механізмів на ефективність. Обговорюються результати випробувань фрикційних матеріалів.

Не дивлячись на низку вдосконалень барабанних гальм, для АТЗ великої вантажопідйомності вони знаходяться на межі своєї ефективності та не відповідають основним вимогам за стабільністю дії та довговічністю їх роботи. Тому доцільно провести дослідження температурних режимів роботи відкритих дискових гальм на автобусах великої місткості з застосуванням сучасних фрикційних матеріалів. В роботі наведені характеристики таких матеріалів.

Другий розділ присвячений математичному опису процесів нагрівання та охолодження гальмових механізмів. Відзначено, що для оцінки надійності гальмових систем АТЗ повинна розглядатись задача визначення температур поверхонь тертя при наступних режимах гальмувань: а) тривалий режим, який спостерігається на затяжних ухилах доріг; б) напружений повторно-короткочасний режим роботи гальм, який спостерігається при експлуатації АТЗ у великих містах; в) спеціальні режими, регламентовані міжнародними методиками перевірки ефективності дії гальмових механізмів.

Оскільки ця задача відноситься до нестаціонарних контактних теплових задач в областях некласичної форми при неоднорідних граничних та складних початкових умовах, то вона не має точного аналітичного розв'язку. З огляду на це у вивченні процесів нагрівання та охолодження вузлів тертя велике значення надають експерименту, проведеному у відповідності з вимогами теорії подібності. Ця теорія дозволяє отримати узагальнені (критеріальні) рівняння, справедливі для групи подібних явищ. Такі рівняння для теплового розрахунку різних гальм отримані М.П.Александровим, Н.Ф.Коренчуком, Г.В.Максапетяном, А.Н.Пікушовим, які поряд з позитивом, мають суттєві недоліки. Вони полягають в тому, що між різними гальмами немає повної геометричної та гідромеханічної подібності. Крім того, вони не враховують реальної енергонавантаженості гальм та її розподілу між гальмовими механізмами різних осей АТЗ.

В наш час для задач, які не мають розв'язку в замкнутій аналітичній формі, або коли отримані розв'язки настільки складні, що не можуть бути використані для практичного розрахунку, широко застосовуються методи математичного моделювання. Одним з таких методів є електромоделювання теплових процесів, що базується на формальній подібності диференціальних рівнянь теплопровідності та електропровідності. Цей метод успішно застосував Г.С.Гудз з дослідниками П.Г.Єременком та М.В.Глобчаком для дослідження теплових процесів в барабанних гальмових механізмах АТЗ та фрикціонах ГМП на суцільних моделях з розподіленими RС - параметрами, RС - процесорах та RR - процесорах. На базі моделювання ними отримані інтерполяційні формули для теплового розрахунку барабанних гальмових механізмів та фрикціонів ГМП на типових режимах випробувань АТЗ.

Моделі-аналоги, незважаючи на меншу точність, ніж комп'ютерні, нерідко застосовують для перевірки програм ЕОМ, що закономірно, оскільки розв'язок на електромоделі за своєю природою ближчий до досліджуваного фізичного процесу, ніж розв'язок на ЕОМ. Це підтверджено досвідом досліджень в складних технічних системах (авіабудування, ракетобудування, турбінобудування тощо). Крім цього, до недавнього часу застосування ЕОМ для розв'язку теплових задач стримувалось обсягом пам'яті машин дискретного рахунку та недостатнім програмним забезпеченням.

Останнім часом ситуація кардинально покращилась. З огляду на цей факт значний інтерес викликає питання застосування комп'ютерного моделювання при проектуванні дискових гальмових механізмів автомобільних коліс. Цьому питанню присвячений третій розділ дисертації.

У третьому розділі досліджується динаміка температурних полів в дискових гальмах. Для цього необхідний розв'язок системи рівнянь в часткових похідних, які описують процеси теплопереносу в складних об'єктах з розподіленими параметрами при відповідних крайових умовах:

Врахування тривимірності моделі здійснюється зміною параметрів в залежності від координати z, а при двовимірній постановці задачі процес описується системою рівнянь:

У наведених залежностях: t – температура, t – час, Q – густина теплового потоку; х, у, z – поточні координати; l = (x, y, z, t) – коефіцієнт теплопровідності ; cr (x, y, z, t) – об'ємна теплоємність. Індекс "1" використовується для позначення параметрів диска, а індекс "2" - для параметрів накладки.

Для числової реалізації математичної теплової моделі уточнено розрахункову програму “Фур'є-2”, що складається з інтегральної оболонки та набору розрахункових модулів, розроблених в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАНУ під керівництвом А.Г.Тарапона. Доопрацювання програми полягало у врахуванні зміни частоти обертання колеса під час гальмування, а тим самим зміни генерованого теплового потоку, а також періодичного виходу поверхні тертя диска з-під накладки (застосований метод інверсії). Зміна густини теплового потоку за час гальмування від початкового значення до кінцевого здійснювалась кусково-постійною апроксимацією на кожному кроці модельованого процесу.

Розв'язок задачі при моделюванні можна спостерігати у вигляді еквіпотенційних ліній, кольорового спектру фізичних полів та таблиць чисел. На будь-якому етапі розв'язок можна запам'ятати, зберегти та, за необхідності, продовжити процес розв'язку з моменту часу, що цікавить дослідника.

Програмний комплекс побудований на методі кінцевих різниць та відноситься до класу сіткових методів наближеного розв'язку крайових задач. Метод має похибки апроксимації від першого до четвертого порядку відносно кроку. Тому він успішно використовується у САПР.

З огляду на це була створена теплова модель з 1000 вузлів експериментального дискового гальма автобуса ЛиАЗ-5256, на якій з допомогою згадуваного вище програмного комплексу в подальшому було досліджено вплив різних чинників на температуру поверхні тертя диска при випробуваннях І згідно з міжнародною методикою перевірки ефективності гальм. Адекватність моделі було перевірено з аналітичним розв'язком для екстреного гальмування, оскільки в цьому випадку можна знехтувати умовами тепловіддачі з причини швидкоплинності процесу.

На тепловий стан пар тертя гальмових механізмів впливає густина теплового потоку, розподіл теплоти між його елементами, умови тепловіддачі, теплофізичні властивості матеріалів та конструктивні параметри.

Дослідженню впливу основних з вказаних чинників на температурний режим роботи гальмових механізмів присвячений четвертий розділ дисертації. З цією метою в роботі наведена класифікаційна таблиця таких чинників. Спочатку досліджувався вплив умов тепловіддачі. Наявні методи аналітичного визначення коефіцієнта тепловіддачі не завжди відповідають реальним умовам, в яких працює гальмовий механізм. Тому шляхом розв'язку зворотної задачі теплопровідності методом моделювання були визначені числові значення коефіцієнтів тепловіддачі за результатами стендових випробувань І дискових гальм.

На рис.2 наведені температурні поля експериментального переднього дискового гальма ЛиАЗ-5256 в кінці проведення попереднього етапу випробувань І (нагрівання), а на рис.3 - після охолодження, для номінального значення коефіцієнта тепловіддачі (a = 50 Вт/м2Чград).

При чорно-білому відтворенні температурного поля на даних рисунках характерною є закономірність, згідно з якою, чим світліше поле, тим більше значення температури йому відповідає. Тому на цих рисунках наглядно видно перерозподіл температур під час проведення циклу гальмування за рахунок конвективного та кондуктивного теплообмінів. Ліва вертикальна шкала в сантиметрах відтворює діаметр диска, а права цифрова шкала – відповідні значення температур.

Рис.2. Температурне поле переднього дискового гальма автобуса ЛиАЗ-5256 в кінці 20-го циклу попереднього етапу випробувань І (нагрівання)

Дослідження проводились в широкому діапазоні значень коефіцієнтів тепловіддачі (a = 25 - 75 Вт/м2Чград). Виявлено, що з ростом кількості гальмувань на попередньому етапі випробувань І зменшується приріст усталеної температури за кожне гальмування. Якщо при початкових гальмуваннях усталена температура поверхонь тертя зростає на 18 - 22° С, то при дев'ятнадцятому та двадцятому гальмуваннях - тільки на 4 - 5° С.

При подальшому рості кількості циклів температури поверхонь диска в кінці нагрівання і в кінці охолодження, а також їх різниця, стабілізуються внаслідок вирівнювання кількості генерованої та відведеної теплоти. Рівень, на якому проходить стабілізація температури, у великій мірі залежить від коефіцієнта тепловіддачі. Аналіз зміни температур диска між нагріванням і охолодженням за циклами гальмувань показує, що на двадцятому циклі погані умови тепловіддачі (a = 25 Вт/м2Чград) дають цю різницю тільки 38° С, а при покращених умовах тепловіддачі (a = 75 Вт/м2Чград) - 47°С. В роботі наведена залежність, з якої випливає, що покращення умов тепловіддачі з a = 25 Вт/м2Чград до a = 75 Вт/м2Чград призводить до зниження температур поверхонь тертя дискових гальм в кінці попереднього етапу випробувань І на 30% за нагріванням та на 34% - за охолодженням.

Рис.3. Температурне поле переднього дискового гальма автобуса ЛиАЗ-5256 в кінці 20-го циклу попереднього етапу випробувань І (охолодження)

Вплив конструктивних параметрів. Розглянуто такі чинники як товщина гальмового диска та середній радіус тертя накладки, які прийняті на основі статистичних даних для гальм розглядуваної категорії АТЗ. Наведено динаміку зміни максимальної температури поверхні дискового гальма різної товщини (h = 15 - 45 мм) за циклами попереднього етапу випробувань І. Слід зазначити, що із збільшенням товщини диска зменшується температура поверхні тертя в кінці попереднього етапу випробувань І. Встановлено, що більший приріст температури по циклах "нагрівання - охолодження" має місце при малій товщині диска. Різниця цих температур для різних товщин диска показана на рис. 4. Там же показана зміна температури поверхні тертя для різних товщин дисків при проведенні основного етапу випробовувань.

Товщина диска впливає і на результати основного етапу випробовувань І, де різниця приросту температури порівняно з кінцем проведення попереднього етапу зменшується з 22% до 12% для порівняльних товщин дисків (відповідно від h = 15 мм до h = 45 мм) (рис.5).

Рис.4. Залежність температури поверхні диска від його товщини диска при випробуваннях І:

1 – в кінці попереднього етапу;

2 – в кінці основного етапу.

Рис. 5. Зменшення приросту температури при проведенні основного етапу випробувань І після попереднього зі збільшенням товщини диска гальмового механізму.

Попередні результати досліджень підтверджує зміна показника Dt/Dh, що характеризує величину зниження температури на одиницю товщини, яка змінюється з 32 - 42 град/мм до 6 - 8 град/мм відповідно зі збільшенням товщини диска при проведенні попереднього і основного етапів випробувань 1 (рис. 6). Спостерігається явище порівняної стабілізації даного градієнта для товщин від З0 до 45 мм, що говорить про оптимальність значень товщини диска в цьому діапазоні з точки зору температурного режиму.

Рис. 6. Вплив товщини диска гальмового механізму на показник при випробуваннях І:

1 – в кінці попереднього етапу;

2 – в кінці основного етапу.

Зміщення накладки по радіусу від периферії до центру диска на 5 вузлів моделі, тобто 50 мм, показало, що на перших циклах випробувань температура поверхні тертя значно знижується порівняно з базовим варіантом, але в кінці попереднього етапу вони практично однакові. Це пояснюється тим, що на перших циклах попереднього етапу випробовувань І гальмового механізму зі зміщеною накладкою перевершує конвективний теплообмін, а зі збільшенням кількості циклів змішування конвективного та кондуктивного теплообміну призводить до вирівнювання температур обох варіантів гальмових механізмів. Це підтверджує аналіз їх теплових балансів.

Відомо, що крім температури поверхні тертя, на коефіцієнт тертя впливає температурний градієнт. Тому визначений інтерес представляє розвиток уявлень про цей процес в дискових гальмах при екстреному гальмуванні, оскільки в цьому випадку в результаті раптової дії теплового потоку висока різниця температур між поверхнею диска і його внутрішньою частиною створює теплові напруження стиску, які при перевершенні допустимих призводять до появи поверхневих мікротріщин.

На рис. 7 наведені залежності температур в диску гальма, отримані моделюванням, а також з допомогою аналітичної залежності Лімперта для визначення температури поверхні тертя.

Рис.7. Залежності температур у передньому гальмовому диску на різній глибині h від тривалості екстреного гальмування автобуса ЛиАЗ-5256, отримані комп'ютерним моделюванням ( --- ); аналітичним розрахунком ( --Ч-- )

Порівняння температури поверхні тертя, отримані методами моделювання та аналітичного розв'язку, показало достатнє співпадіння, оскільки в даному випадку знехтувано впливом тепловіддачі через короткотривалість процесу. Слід звернути увагу, що температура поверхні тертя досягає максимального значення приблизно на половині тривалості екстреного гальмування, оскільки тепловий потік в цьому випадку падає від максимального значення до нуля прямо пропорційно часові. На глибині диска максимальні значення температур досягаються в кінці гальмування внаслідок перерозподілу температур в тілі диска.

Дослідження показали, що у визначеному діапазоні товщини диска 20 - 30 мм поверхні температури під час екстреного гальмування відрізняються несуттєво, але різко зростають при зменшенні товщини диска до 10 мм. Тому аналітичну залежність Лімперта для визначення температури поверхні тертя дискового гальма при одноразовому гальмуванні, яка нехтує тепловіддачею (з огляду на швидкоплинність процесу) та товщиною диска, але враховує тільки площу контактної поверхні тертя, слід вважати некоректною. Це підтверджують також залежності температурних градієнтів від товщини диска. Слід звернути увагу, що суттєва різниця градієнтів спостерігається на першій секунді екстреного гальмування (t = 0,52 с), в той час, як в кінці екстреного гальмування АТЗ температурні градієнти практично вирівнюються при різних товщинах дисків.

Тепловий розрахунок гальм. Експертна оцінка чинників, наведених в роботі, дозволила зробити висновок, що температура поверхні тертя дискового гальма залежить від густини теплового потоку Q, Вт/м2, товщини диска h, м, коефіцієнта тепловіддачі a, Вт/м2·град. Тому вивчався вплив даних чинників на температури поверхонь тертя дискових гальм на основі статистичного аналізу параметрів конструкцій.

Нехай математична модель процесу нагрівання або охолодження гальмового диска є лінійною або неповноквадратичною. Для того, щоб визначити її, був застосований метод планування експерименту, а саме модель типу 23. В роботі розроблена матриця планування експерименту, визначено регресійну модель та проведено комп'ютерне моделювання за допомогою згадуваного вище програмного комплексу.

Аналіз отриманих результатів показав, що запропонована лінійна (неповноквадратична) модель не описує адекватно процес, що протікає в гальмовому диску при зміні вибраних чинників в заданому діапазоні. Про це свідчать розбіжності між теоретичними і експериментальними даними (наприклад, для 5 і 7 експериментів вони становлять відповідно 6,5% та 8,1%).

Залежність температури поверхні диска в кінці попереднього етапу випробувань І від кожного з чинників (рис. 8) підтвердила висновок про нелінійний характер впливу h та б на температурний режим роботи гальмового диска.

Для отримання адекватної багаточинникової математичної моделі теплового процесу в дискових гальмах зроблено перехід до планування експериментів вищого порядку (наприклад, З3) з метою уточненого теплового розрахунку.

Рис. 8. Вплив різних чинників на температуру поверхні тертя дискового гальма автобуса в кінці попереднього етапу випробувань І

На основі опрацювання експериментальних даних отримано регресійні формули:–

в кодованих змінних:

t = 473,625 + 237,625х1 + 83,625х2 - 146,625х3 - 41,25х1х2 - 74,125х1х3 + 24,625х2х3,

де –

в дійсних змінних:

t = 95,875 + 234,188Q - 2,015a - 3175h - 0,825Qa - 2470,830Qh + 65,667ah.

Вони дають змогу визначити температуру гальмового диска при зміні вибраних чинників в таких діапазонах:

Q = (2 - 6) Ч 106 Вт/м2; a = 25 - 75 Вт/м2Чград; h = 0,015 - 0,045 м.

Аналіз коефіцієнтів регресії показав, що найбільший вплив на збільшення температури гальмового диска має тепловий потік, а на зниження температур – товщина диска та умови тепловіддачі.

У роботі викладено методику розрахунку економічної ефективності застосування комп'ютерного моделювання в конструкторській практиці, яка для досліджуваної задачі становить 32 670 грн.

ВИСНОВКИ

1. Результати аналізу режимів роботи та енергонавантаженості гальмових механізмів автобусів підкреслюють актуальність розв'язання задачі покращення їх енергоперетворюючих властивостей і слугують початковою інформацією для розроблення відповідної математичної моделі.

2. Розроблено програмний комплекс, що складається з інтегральної оболонки та розрахункового модулю, для дослідження температурних режимів дискових гальм автомобільних коліс. Його особливістю є те, що він враховує періодичний вихід диска з-під накладки при обертанні колеса та зміну густини теплового потоку від тривалості часу гальмування.

3. Досліджено тепловий баланс двох варіантів дискових гальм, в одному з яких накладка зміщена за радіусом до центра на 50 мм. Показано, що наприкінці попереднього етапу випробувань І кількість теплоти, відведена конвективним способом від обох варіантів гальм, вирівнюється і становить 24 – 25%.

4. Розв'язанням зворотної задачі теплопровідності методом комп'ютерного моделювання отримано значення коефіцієнтів тепловіддачі, які для методу послідовних гальмувань (випробування І) становлять для дискових гальм 48 – 52 Вт/м2Чград.

5. Показано, що покращення умов тепловіддачі з ростом a = 25 Вт/м2Чград. до a = 75 Вт/м2Чград. призводить до зниження температур поверхонь тертя в кінці попереднього етапу випробувань І на 30% за нагріванням та на – 34% за охолодженням.

6. Досліджено рівень стабілізації температур за циклами гальмування. Показано, що на двадцятому циклі різниця температур в кінці нагрівання і охолодження для a = 25 Вт/м2Чград. становить лише 38° С, а при a = 75 Вт/м2Чград. - 47° С.

7. На основі результатів моделювання роботи дискових гальм за циклами попереднього етапу випробувань І показано, що більший приріст температури за циклами спостерігається при малій товщині диска. Зокрема, різниця приросту температури між проведенням попереднього і основного етапу випробувань І зменшується з 22% до 12% із збільшенням товщини диска з h = 15 мм до h = 45 мм.

8. Збільшення товщини диска з h = 15 мм до h = 45 мм зменшує температурний градієнт в ньому з 32 - 42 град/мм до 6 - 8 град/мм при проведенні відповідно попереднього і основного етапу випробувань І. При цьому спостерігається стабілізація градієнта для товщин диска h = 30 - 40 мм, що вказує на оптимальність таких товщин з точки зору температурного режиму.

9. Доведена некоректність формули Лімперта для визначення температури поверхні тертя дискового гальма при одноразовому гальмуванні, оскільки вона не враховує товщини диска. Це ж відноситься і до температурних градієнтів, оскільки їх суттєва різниця спостерігається лише на першій секунді екстреного гальмування (t = 0,52 с), а в кінці його температурні градієнти вирівнюються при різних товщинах дисків.

10. Математичним плануванням експерименту отримана регресійна модель для визначення температур поверхонь тертя дискових гальмових механізмів в кінці попереднього етапу випробувань І. Показано, що найбільшу нелінійність в досліджувану модель вносить такий чинник, як товщина диска гальма.

11. Застосування комп'ютерного моделювання та математичного планування експериментів дають змогу значно скоротити обсяги великовартісних натурних випробувань гальмових механізмів для отримання бази даних з метою їх концептуального проектування і отримати економічний ефект 32 760 грн.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях:

1. Гудз Г.С., Глобчак М.В., Коляса О.Л. Про питання поповнення бази знань для концептуального проектування дискових автомобільних гальм. Зб. наук. пр. асоціації "Автобус": Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. - Львів, 2000, вип. 3. – С. 58-60.

2. Gudz G., Globchak M., Koliasa O. To the problem of entering new information about the heat flow distribution coefficient in an automobile brake friction pair into the knowledge base using computer simulation. Щорічний науково-виробничий журнал "Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів". - Львів: Логос, 1999, №6. - С. 31-32.

3. Гудз Г.С., Коляса О.Л. Про питання теплової динаміки в дисковому гальмовому механізмі при екстреному гальмуванні // Вісн. ДУ "Львівська політехніка". Динаміка, міцність та проектування машин і приладів. - Львів, 2000, № 396. - С. 60-62.

4. Гудз Г.С., Глобчак М.В., Коляса О.Л. Про вплив умов тепловіддачі на температурний режим дискових гальмових механізмів. Зб. наук. пр. асоціації "Автобус": Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. - Львів, 2000, вип. 4. – С. 51-54.

5. Гудз Г.С., Коляса О.Л., Тарапон А.Г. Расчетный модуль для исследования температурных полей в дисковых тормозах автотранспортных средств. Зб. наук. пр. Інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ: Моделювання та інформаційні технології. – К., 2001, вип. 8. – С. 45-50.

6. Гудз Г.С., Коляса О.Л. Компьютерное моделирование теплового баланса автомобильного дискового тормоза. Зб. наук. пр. Інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ: Моделювання та інформаційні технології. – К., 2001, вип. 7. – С. 24-29.

7. Гудз Г.С., Коляса О.Л. Моделирование процеса теплообмена во время испытаний дисковых тормозов. Зб. наук. пр. інституту проблем моделювання в енергетиці НАНУ. – К., 2001, вип. 11. – С. 46-51.

8. Гудз Г.С., Глобчак М.В., Коляса О.Л. Про вплив деяких конструктивних чинників на температурний режим дискових гальмових механізмів. Зб. наук. пр. асоціації "Автобус": Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. - Львів, 2001, вип. 5. – С. 69-72.

9. Коляса О.Л. Про вплив товщини автомобільного гальмівного диска на його температурний режим // Вісн. НУ "Львівська політехніка": Динаміка, міцність та проектування машин і приладів. – Львів, 2001, № 434. - С. 68-72.

10. Гудз Г.С., Коляса О.Л., Пидгородецкий Я.И. Экономическая целесообразность применения тепловых моделей тормозных механизмов в конструкторской практике // Вестн. Харьковского гос. автомобильно-дорожного технического ун-та. – Харьков, 2001, вып. 14. – С. 55-57.

11. Гудз Г.С., Коляса О.Л. Классификация и сравнительный анализ точности моделей фрикционных узлов автотранспортных средств // Вестн. НТУ "ХПИ". – Харьков, 2001, №14. – С. 134-143.

12. Гудз Г.С., Коляса О.Л., Королевич Л.М. Про питання вибору багаточинникової теплової моделі автомобільного дискового гальма // Вестн. НТУ "ХПИ". – Харьков, 2001, №15. – С. 152-157.

13. Gudz G., Globchak M., Koliasa O. Choosing a model of research temperature fields in automobile wheel disk brakes. Mechanics – 2000. Proceeding of the International Sciеntific Conference. Rzeszow, June 2000. – Р. 43-46.

14. Гудз Г.С., Коляса О.Л., Тарапон А.Г. Модели температурных полей в автомобильных дисковых тормозах // Тези доповідей ХХ наук.-техн. конф. "Моделювання" в Інституті проблем моделювання в енергетиці НАНУ. – Київ, 12 - 14.01.2000. – С. 34.

15. Гудз Г.С., Глобчак М. В., Коляса О.Л. Розвиток деяких положень класичної теорії робочих процесів у фрикційних вузлах автотранспортних засобів // Тези доповідей 4-го міжнар. симп. українськ. інж.-механ. у Львові. – Львів, 1999. – С. 145.

16. Гудз Г.С., Глобчак М.В., Коляса О.Л., Яворський Я.П. Техніко-економічне обгрунтування застосування теплових моделей дискових гальм у конструкторській практиці // Тези доповідей 5-го міжнар. симп. українськ. інж.-механ. у Львові. – Львів, 2001. – С. 142-143.

17. Гудз Г.С., Коляса О.Л., Яворський Я.П. Теплова модель дискового гальмового механізму автомобільного колеса // Материалы международной научно-технической конференции "Новые технологии в машино-приборостроении и на транспорте". – Севастополь: Изд-во Сев. ГТУ, 10 - 14.09.2001. – С. 296-301.

АНОТАЦІЯ

Коляса О.Л. Обґрунтування теплової моделі дискових гальмових механізмів автомобільних коліс. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 - автомобілі та трактори. - Національний університет "Львівська політехніка". - Львів, 2002.

Дисертація присвячена вдосконаленню теплової моделі автомобільного дискового гальмового механізму, яка складається з інтегральної оболонки та розробленого математичного модулю. Адекватність моделі перевірена за результатами аналітичного розрахунку температур поверхонь пар тертя у випадку екстреного гальмування та розв'язку зворотної задачі теплопровідності за вислідами стендових випробовувань. Методом математичного моделювання досліджено тепловий баланс та вплив різних чинників на температурний режим гальм. На основі цього методу та методу планування експериментів отримана регресійна формула для теплового розрахунку дискових гальм автотранспортних засобів при випробуваннях І. Результати досліджень становлять важливу базу знань для концептуального проектування гальмового механізму автомобільного колеса.

Ключові слова: теплова модель, дисковий гальмовий механізм, автотранспортний засіб, Правила 13 ЄЕК ООН, випробування І, енергонавантаженість, енергоємність, температурний режим.

ABSTRACT

Koliasa O.L. Substantiation of thermal model of automobile wheels disk brake mechanisms. - The manuscript.

Dissertation seeking for scientific degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.22.02 - Automobiles and Tractors. - National University "Lvivska Polytechnica", - Lviv, 2002.

The dissertation deals with improvement of the thermal model of automobile disk brake mechanism, the model consisting of the integral shell and the developed mathematical module. The model adequacy was proved by the results of friction pairs surface temperatures analytical calculation in case of emergency braking and solution of the reverse thermal conductivity task according to the results of the bench tests. Thermal balance and the effect of various factors on the brakes thermal conditions were studied using the method of mathematical simulation. On the basis of this method the interpolation formula for thermal calculation of automobile disk brakes during tests I was obtained. The obtained results constitute an important knowledge base for conceptual designing of automobile wheel brake mechanism.

Key words: thermal model, disk brake mechanism, a vehicle, Regulations 13 of the UN EEC, tests I, energy load, energy consumption, thermal conditions.

АННОТАЦИЯ

Коляса О.Л. Обоснование тепловой модели дисковых тормозных механизмов автомобильных колес. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 - автомобили и тракторы. - Национальный университет "Львивська политэхника". - Львов, 2002.

Работа посвящена совершенствованию тепловой модели дисковых тормозных механизмов автомобильных колес, поскольку имеющиеся методы их теплового расчета зачастую весьма громоздки и схематичны, и не привязаны к Международной методике проверки эффективности тормозов.

В связи с этим целью работы является разработка и исследование тепловой модели дисковых автомобильных тормозов при повторно-кратковременном режиме их работы. Модель базируется на программном комплексе "Фурье-2", состоящим из интегральной оболочки и расчетного модуля, адаптированного к дисковому тормозному механизму. Программный комплекс основан на методе конечных разностей и относится к классу сеточных методов приближенного решения краевых задач. Метод имеет погрешности аппроксимации от первого до четвертого порядка относительно шага. Поэтому он успешно может быть использован в САПР. Адекватность созданной тепловой модели проверена по результатам аналитического расчета температур поверхностей трения в случае экстренного торможения и решением обратной задачи теплопроводности по результатам стендовых испытаний дискового тормоза.

Для достижения упомянутой выше цели в работе были решены следующие задачи: проведен анализ энергонагруженности тормозных механизмов АТС в реальных условиях эксплуатации и при проведении испытаний І; математически описаны процессы нагрева и охлаждения тормозных механизмов и сделан критический анализ методов их теплового расчета и исследований; развиты методы математического моделирования тепловых процессов в дисковых тормозах с учетом специфики их работы; исследовано влияние конструктивных и режимных факторов на температурные режимы дисковых тормозов методом математического моделирования; создан