RU2594044C1 - Method of determining surface areas of metal discs of various power consumption in disc-drum brakes - Google Patents
Method of determining surface areas of metal discs of various power consumption in disc-drum brakes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2594044C1 RU2594044C1 RU2015122732/11A RU2015122732A RU2594044C1 RU 2594044 C1 RU2594044 C1 RU 2594044C1 RU 2015122732/11 A RU2015122732/11 A RU 2015122732/11A RU 2015122732 A RU2015122732 A RU 2015122732A RU 2594044 C1 RU2594044 C1 RU 2594044C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- friction
- disk
- self
- brake
- disc
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в дисково-колодочных тормозах автотранспортных средств, дорожных и строительных машин, а также в подъемно-транспортных машинах и железнодорожном транспорте.The invention relates to mechanical engineering and can be used in disk-block brakes of motor vehicles, road and construction vehicles, as well as in lifting and transporting machines and railway transport.
Известны способы определения коэффициентов теплоотдачи при вынужденной и естественной конвекции, радиационном (лучеиспусканием) и кондуктивном (теплопроводностью) теплообменах металлических фрикционных элементов барабанно- и ленточно-колодочных тормозов [1, аналог, Вольченко А.И. Тепловой расчет тормозных устройств / А.И. Вольченко. - Львов: Высшая школа, 1987. - 138 с.]. Их недостатком является отсутствие определения условий, при которых необходимо определять площади нагреваемой и охлаждаемых поверхностей тормозных барабанов и шкивов при достижении их рабочими (полированными) поверхностями температур, отрицательно влияющих на материалы рабочих слоев фрикционных накладок, вызывая в них деструкционные процессы.Known methods for determining heat transfer coefficients in forced and natural convection, radiation (radiation) and conductive (heat conduction) heat exchanges of metal friction elements of drum and tape-shoe brakes [1, analog, A. Volchenko Thermal calculation of brake devices / A.I. Volchenko. - Lviv: Higher school, 1987. - 138 p.]. Their disadvantage is the lack of determining the conditions under which it is necessary to determine the area of the heated and cooled surfaces of brake drums and pulleys when their working (polished) surfaces reach temperatures that negatively affect the materials of the working layers of the friction linings, causing destruction processes in them.
Известен способ определения площадей поверхностей металлических фрикционных элементов при различной их энергоемкости в тормозных устройствах, содержащих тормозной барабан с полированной внутренней поверхностью, а также матовые, т.е. нерабочую, наружную обода и фланца поверхности, и тормозной шкив с полированной наружной рабочей поверхностью его обода и матовых, т.е. внутренней нерабочей с выступом поверхности и поверхностей торцов ободов, и при этом их рабочие поверхности фрикционно взаимодействуют с рабочими поверхностями фрикционных накладок тормозных лент и колодок, отличающийся тем, что соотношение коэффициентов излучения матовых к полированной поверхностей металлических фрикционных элементов при интенсивном радиационном обмене энергией с омывающими токами окружающей среды равно соотношению площадей охлаждаемых к нагреваемым их поверхностей [2, аналог, заявка №2011101039 РФ на предполагаемый патент на изобретение с приоритетом от 12.01.2011 г.]. Однако в данных видах тормозных устройств реализуется коэффициент взаимного перекрытия пар трения kвз>0,5, в то время как в дисково-колодочном тормозе он составляет kвз=0,1…0,2.A known method for determining the surface areas of metal friction elements with different energy intensity in brake devices containing a brake drum with a polished inner surface, as well as matte, i.e. non-working, outer rim and surface flange, and brake pulley with a polished outer working surface of its rim and matte, i.e. internal idle with the protrusion of the surface and the surfaces of the ends of the rims, and at the same time their working surfaces frictionally interact with the working surfaces of the friction linings of brake bands and pads, characterized in that the ratio of the emissivity of the matte to polished surfaces of the metal friction elements during intense radiation energy exchange with washer currents environment is equal to the ratio of the areas cooled to the heated surfaces [2, analogue, application No. 20111101039 of the Russian Federation for the alleged patent for an invention with a priority of January 12, 2011]. However, in these types of braking devices, the coefficient of mutual overlap of friction pairs kz > 0.5 is realized, while in the disk-block brake it is kz = 0.1 ... 0.2.
При работе металлических фрикционных элементов тормозных устройств в повторно-кратковременном режиме целесообразно производить оценку их эксплуатационных параметров при установившемся тепловом режиме, т.е. при наиболее тяжелых температурных условиях. При этом для непревышения допустимых значений поверхностных температур пар трения можно варьировать величиной поверхности теплоотдачи, массой элементов пары и коэффициентом теплоотдачи от металлических фрикционных элементов [3, прототип Чичинадзе А.В. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар / А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, А.Г. Гинзбург, З.В. Игнатьева // - М.: Наука, 1979. - 267 с (с. 208). Однако и в этих рекомендациях не приведена величина отношения площадей между нагреваемой и охлаждаемыми поверхностями металлических фрикционных элементов тормозов.When the metal friction elements of the brake devices are operating in the intermittent mode, it is advisable to evaluate their operational parameters under steady-state thermal conditions, i.e. under the most severe temperature conditions. Moreover, in order to not exceed the permissible values of the surface temperatures of friction pairs, one can vary the magnitude of the heat transfer surface, the mass of the pair elements and the heat transfer coefficient from the metal friction elements [3, prototype Chichinadze A.V. Calculation, testing and selection of friction pairs / A.V. Chichinadze, E.D. Brown, A.G. Ginzburg, Z.V. Ignatieff // - M .: Nauka, 1979.- 267 s (p. 208). However, even in these recommendations, the ratio of the areas between the heated and cooled surfaces of the metal friction brake elements is not given.
По сравнению с аналогом и прототипом предложенный способ определения площадей поверхностей металлических дисков при различной их энергоемкости в дисково-колодочных тормозных устройствах имеет следующие отличительные признаки:Compared with the analogue and prototype, the proposed method for determining the surface areas of metal disks with different energy intensity in disk-pad brake devices has the following distinctive features:
- введение четкого разделения поверхностей металлического фрикционного элемента на полированную и матовые с указанием процессов теплообмена, в которых они принимают участие;- the introduction of a clear separation of the surfaces of the metal friction element into polished and matte, indicating the heat exchange processes in which they participate;
- достижение точного определения величины отношения площадей нагретой (полированной) и охлаждаемых (матовых) поверхностей металлических фрикционных элементов при помощи коэффициентов излучения, учитывающих материал и степень черноты поверхности;- achieving accurate determination of the ratio of the areas of heated (polished) and cooled (dull) surfaces of metal friction elements using emission factors that take into account the material and the degree of blackness of the surface;
- соблюдение полученного соотношения нагреваемой площади к охлаждаемым поверхностям металлических фрикционных элементов способствует неоднократному достижению установившейся температуры (при которой количество аккумулируемой теплоты в металлическом фрикционном элементе равно рассеиваемой его поверхностями в окружающий воздух) металлическим фрикционным элементом, что увеличивает время работы фрикционных узлов в режиме непревышения допустимой температуры материалами фрикционных накладок;- compliance with the obtained ratio of the heated area to the cooled surfaces of the metal friction elements contributes to the achievement of the steady-state temperature (at which the amount of accumulated heat in the metal friction element is equal to the surface scattered by its surfaces into the ambient air) with the metal friction element, which increases the operating time of the friction units in the mode of not exceeding the permissible temperature friction lining materials;
- рассчет величины отношения площадей нагреваемой и охлаждаемых поверхностей самовентилируемых тормозных дисков с учетом наличия развитых поверхностей их вентиляционной системы, находящейся внутри диска.- calculation of the ratio of the areas of the heated and cooled surfaces of the self-ventilated brake discs, taking into account the presence of developed surfaces of their ventilation system located inside the disc.
Задачей настоящего изобретения является определение отношения площадей между нагреваемой и охлаждаемыми поверхностями сплошных и самовентилируемых дисков при различной их энергоемкости в дисково-колодочных тормозных устройствах в зависимости от материалов, из которых они изготовлены, и степени черноты их поверхностей при условии, что пары трения тормозных устройств работают при поверхностных температурах ниже допустимой для материалов накладок.The objective of the present invention is to determine the ratio of the areas between the heated and cooled surfaces of solid and self-ventilated discs with different energy intensity in disk-pad brake devices, depending on the materials from which they are made, and the degree of blackness of their surfaces, provided that the friction pairs of the brake devices work at surface temperatures below acceptable for linings.
Технический результат достигается тем, что способ определения площадей поверхностей металлических дисков при различной их энергоемкости в дисково-колодочных тормозных устройствах, содержащих сплошной или самовентилируемый диски с фланцем, матовыми поверхностями и кольцевыми поясами трения, образующими полированные поверхности, фрикционно взаимодействующие с рабочими поверхностями полимерных накладок, отличающийся тем, что отношение величин коэффициентов излучения матовых к полированной поверхностей сплошных и самовентилируемых дисков при интенсивном конвективном и радиационном теплообмене скоростными токами воздуха окружающей среды определяют как отношение величин площади охлаждаемых поверхностей к площади поверхности нагреваемого кольцевого пояса трения сплошного диска и самовентилируемого диска - отношение кубического корня из величины площади охлаждаемых поверхностей к площади поверхности нагреваемого кольцевого пояса трения, исходя из условия, что в зоне фрикционного взаимодействия трибосопряжения объемный и поверхностные температурные градиенты равны между собой вследствие малости коэффициента взаимного перекрытия пар трения, изменяющегося в пределах kвз=0,1…0,2.The technical result is achieved by the fact that the method of determining the surface areas of metal disks with different energy intensity in disk-shoe braking devices containing continuous or self-ventilated disks with a flange, matte surfaces and annular friction belts forming polished surfaces, frictionally interacting with the working surfaces of the polymer linings, characterized in that the ratio of the values of the emissivity of the matte to the polished surfaces is solid and self-ventilated disks during intense convective and radiative heat transfer by high-speed air currents of the environment is defined as the ratio of the area of the cooled surfaces to the surface area of the heated annular friction belt of the solid disk and the self-ventilated disk is the ratio of the cube root of the area of the cooled surfaces to the surface area of the heated ring friction belt, conditions that in the zone of frictional interaction of tribo-conjugation volume and surface temperature gradients s are equal to each other because of the small coefficient of friction pairs overlap varying within substituting k = 0.1 ... 0.2.
На фиг. 1 показан дисково-колодочный тормоз: 1 - вращающийся сплошной тормозной диск; 2 - неподвижные колодки с фрикционными накладками; 3 - суппорт; на фиг. 2а, б, в проиллюстрированы самовентилируемые тормозные диски с поясом трения 1, фланцем 5 и с радиальными чередующимися: выступами 2 с зазором (а); полуребрами 3 и ребрами 4(б); ребрами 4(в); на фиг. 3а, б, в показан тормозной диск (а); фрикционное взаимодействие пары "диск-накладка колодки" (б); пятно контакта на микровыступах пары трения (в); на фиг. 3а, б, в использованы следующие обозначения: d, D - диаметры тормозного диска: внутренний; наружный; S1, S2 - площади элементов пары: диска; фрикционной накладки; δ, h3, b и h2 - толщины: тормозного диска и его стенки; перегородки между ребрами диска; ребра и фрикционной накладки; h1 - высота ребра; σ, λ, а - коэффициенты: теплоотдачи; теплопроводности; температуропроводности; с - теплоемкость; ρ - плотность; h - высота микронеровности; r - радиус микронеровности; θвсп, θп - температуры: вспышки; поверхностные; на фиг. 4а, б проиллюстрированы схемы нагревания (а) и вынужденного охлаждения (б) пар трения самовентилируемого диска во время торможений и между ними при циклических испытаниях; Q - количество теплоты, генерируемое на поверхностях пары "диск-накладки колодок"; на фиг. 5 приведены закономерности изменения поверхностных температур в дисково-колодочном тормозе автобуса А-172 в конце испытаний типа II в зависимости от толщины сплошных дисков без учета фланца (1) и с фланцем (2); на фиг. 6а, б показаны закономерности изменения поверхностных температур в дисково-колодочном тормозе автобуса А-172, оборудованного сплошным 1 и самовентилируемым 2 тормозным диском при испытаниях типа I (а) и II (б); на фиг. 7а, б, в, г, д, е проиллюстрировано влияние коэффициента взаимного перекрытия kвз (б, в, д) и температурного градиента по длине поверхности (дθп/дl) [а, е] на динамический коэффициент трения f (а, б), интенсивность изнашивания U (д, е) и среднюю температуру поверхностей трения θп (в), а также коэффициента взаимного перекрытия kвз на температурный градиент по длине поверхности (дθп/дl) (г).In FIG. 1 shows a disk-shoe brake: 1 - a rotating solid brake disk; 2 - fixed blocks with friction pads; 3 - a support; in FIG. 2 a , b, c illustrate self-ventilated brake discs with a
Дисково-колодочный тормозной механизм состоит из вращающегося сплошного диска 1, к которому с обеих сторон при помощи привода (на фиг. 1 не показан) прижимаются неподвижные колодки 2 с фрикционными накладками. Последние расположены внутри суппорта 3, закрепленного на кронштейне цапфы (на фиг. 1 не показана).The disk-shoe brake mechanism consists of a rotating
На процессы механического, электрического, теплового и химического характера, протекающие на фрикционном контакте, существенное влияние оказывает геометрия микровыступов взаимодействующих поверхностей, которые в реальности отличаются от идеальной поверхности. Это приводит к тому, что при сближении рабочих поверхностей пар трения под внешней нагрузкой взаимодействие происходит на пятнах контактов микровыступов (дискретный фрикционный контакт) с большими удельными нагрузками, генерируемыми электрическими токами и интенсивным тепловыделением. Особенно это касается циклического (тип I) и длительного (тип II) испытаний дисково-колодочных тормозов автотранспортных средств.The processes of a mechanical, electrical, thermal and chemical nature occurring at a frictional contact are significantly affected by the geometry of the microprotrusions of the interacting surfaces, which in reality differ from the ideal surface. This leads to the fact that when the working surfaces approach friction pairs under an external load, the interaction occurs on the contact spots of microprotrusions (discrete frictional contact) with large specific loads generated by electric currents and intense heat generation. This is especially true for cyclic (type I) and long-term (type II) tests of disk-pad brakes of motor vehicles.
Циклический режим характеризуется наличием периодически повторяемых процессов торможения и пауз в работе тормоза. Период охлаждения (пауза) относительно невелик, и температура поверхности трения не успевает снизиться до температуры окружающей среды. Поэтому каждое последующее торможение начинается при температуре, значительно превышающей начальную температуру предыдущего торможения. По мере увеличения перепада между температурой рабочих элементов тормоза и температурой окружающей среды увеличивается количество теплоты, отводимой в окружающую среду, и рост температуры поверхности трения замедляется. После некоторого числа торможений количество теплоты, отводимой в окружающую среду, становится равным количеству теплоты, образующейся при торможении. Создается некоторое условное тепловое равновесие, при котором температура, возникающая на поверхности трения, к концу каждого торможения будет иметь одно и то же значение (условная установившаяся температура). В этом режиме работают тормоза подъемно-транспортных машин, а также автотранспортных средств при движении в городских условиях и т.п.The cyclic mode is characterized by the presence of periodically repeated processes of braking and pauses in the operation of the brake. The cooling period (pause) is relatively small, and the temperature of the friction surface does not have time to drop to ambient temperature. Therefore, each subsequent braking starts at a temperature significantly higher than the initial temperature of the previous braking. As the difference between the temperature of the brake working elements and the ambient temperature increases, the amount of heat removed to the environment increases and the temperature of the friction surface slows down. After a certain number of inhibitions, the amount of heat discharged into the environment becomes equal to the amount of heat generated during braking. A certain conditional thermal equilibrium is created at which the temperature that arises on the friction surface at the end of each braking will have the same value (conditional steady-state temperature). In this mode, the brakes of hoisting-and-transport machines, as well as vehicles, when driving in urban conditions, etc. work.
Длительный режим. В тормозах, работающих в этом режиме, период торможения настолько велик, что температура поверхности трения достигает некоторого значения установившейся температуры и длительное время удерживается на этом уровне.Continuous mode. In brakes operating in this mode, the braking period is so long that the temperature of the friction surface reaches a certain value of the steady-state temperature and is kept at this level for a long time.
В таком режиме работают некоторые спускные тормоза грузоподъемных машин, тормоза буровых и геологических лебедок, тормоза автотранспортных средств на длительных спусках и т.п. Такие режимы нагревания пар трения дисково-колодочных тормозов транспортных средств используют при их испытаниях при оценке эффективности.In this mode, some release brakes of hoisting machines, brakes of drilling and geological winches, brakes of vehicles on long descents, etc. work. Such modes of heating of friction pairs of disk-pad brakes of vehicles are used in their testing in evaluating the effectiveness.
Указанные режимы являются систематизированными, и в них темп нагревания поверхностей трения тормоза на два порядка выше, чем темп их вынужденного охлаждения.The indicated modes are systematized, and in them the rate of heating of the friction surfaces of the brake is two orders of magnitude higher than the rate of their forced cooling.
Критериями оценки эффективности дисково-колодочных тормозов автотранспортных средств в нагретом состоянии являются испытания типа I и II в соответствии с Правилами 13 ЕЭК ООН (Европейской Экономической Комиссии при Организации Объединенных Наций). Согласно этому документу предварительные этапы испытаний I и II проводятся соответственно методами последовательных и длительных торможений, в конце которых реализуются экстренные торможения автотранспортного средства до полной остановки (основной этап). Поэтому значительный интерес представляет сопоставление температурных режимов пар трения дисково-колодочных тормозов при проведении предварительных этапов испытаний типа I и II.The criteria for evaluating the effectiveness of heated disc brakes in motor vehicles are Type I and II tests in accordance with UNECE Regulation 13 (United Nations Economic Commission for Europe). According to this document, the preliminary stages of tests I and II are carried out respectively by sequential and continuous braking methods, at the end of which emergency braking of the vehicle is realized until it stops (main stage). Therefore, it is of considerable interest to compare the temperature regimes of friction pairs of disk-block brakes during the preliminary stages of tests of type I and II.
Энергии, воспринимаемые парами трения дисково-колодочных тормозов автотранспортных средств на предварительных этапах испытаний I и II, составляют:The energies perceived by the friction pairs of disk-pad brakes of motor vehicles at the preliminary stages of tests I and II are:
где Ga - масса автотранспортного средства; VH, VK - регламентируемые скорости, соответственно в начале и конце торможения; g - ускорение свободного падения, м/с2; i - величина уклона дороги (i=0,06); S - протяженность спуска, (6 км); f - коэффициент сопротивления качению; 
Из анализа полученных величин энергий согласно зависимостям (1) и (2) следует, что общая энергонагруженность пар трения дисково-колодочных тормозов на предварительном этапе испытаний II приблизительно на 12% выше, чем при испытаниях I, несмотря на то что условия теплоотвода лучше при длительном подводе теплоты к тормозному диску. При циклическом нагружении тормоза (испытания типа I) имеет место импульсный подвод теплоты к тормозному диску.From the analysis of the obtained energies according to dependences (1) and (2), it follows that the total energy load of the friction pairs of disk-block brakes at the preliminary stage of tests II is approximately 12% higher than during tests I, despite the fact that the heat removal conditions are better for long-term supply of heat to the brake disc. During cyclic loading of the brake (type I test), there is a pulsed supply of heat to the brake disc.
Величины тепловых токов на пятнах контактов микровыступов пар трения дисково-колодочного тормоза определялись с привлечением гипотезы суммирования температур на поверхности при учете генерируемых электрических токов:The values of thermal currents at the contact spots of the microprotrusions of the friction pairs of the disk-shoe brake were determined using the hypothesis of summing the surface temperatures when taking into account the generated electric currents:
где θП - поверхностная температура от трения и контактного сопротивления, вызванная генерируемыми токами на пятнах контактов микровыступов, а также фрикционной составляющей; ΔθП1 - прирост поверхностной температуры от температуры вспышки, вызванной разрядными токами между микровыступами.where θ P is the surface temperature from friction and contact resistance caused by the generated currents on the contact spots of the microprotrusions, as well as the friction component; Δθ P1 is the increase in surface temperature from the flash point caused by discharge currents between microprotrusions.
В теле металлического фрикционного элемента формируется объемная температура θ1, вызванная действием первых двух составляющих температур, а также джоулевой теплоты. Температура θ1 определяется из условия действия двух источников теплоты (электрического и фрикционного) в зоне трения:In the body of the metal friction element, a volume temperature θ 1 is formed , caused by the action of the first two temperature components, as well as the Joule heat. Temperature θ 1 is determined from the conditions of action of two heat sources (electric and frictional) in the friction zone:
где 
Температуру вспышки θвсп определяют по зависимости вида:The flash point θ sp is determined by the dependence of the form:
где Pe=Vdср/α1 - критерий Пекле; α1 - приведенный коэффициент температуропроводности материалов пар трения, м/с2.where Pe = Vd cf / α 1 - Peclet criterion; α 1 - reduced coefficient of thermal diffusivity of materials of friction pairs, m / s 2 .
Объемная температура θV металлического фрикционного элемента определяется из условия равенства тепловых потоков на контактной поверхности с учетом фрикционной и электрической составляющей. Поверхностная температура с учетом электрической составляющей определяется по зависимости вида:The volumetric temperature θ V of the metal friction element is determined from the condition of equal heat fluxes on the contact surface, taking into account the friction and electrical components. The surface temperature, taking into account the electrical component, is determined by the dependence of the form:
По представленным выше зависимостям определяют температуры, по значению которых оцениваются энергетические уровни поверхностных и подповерхностных слоев элементов трибосопряжения.According to the dependencies presented above, temperatures are determined by the value of which the energy levels of the surface and subsurface layers of tribological elements are estimated.
Установлено, что именно в приповерхностном слое рабочей поверхности сплошного тормозного диска при его импульсном нагревании под воздействием температуры вспышки θвсп зарождаются трещины, обусловленные термической усталостью материала диска. Дальнейшее развитие эти трещины получают в результате остывания поверхностного слоя и возникновения температурного градиента от θвсп, когда термические напряжения в приповерхностном слое рабочей поверхности сплошного тормозного диска в конце циклических торможений достигают больших значений и проходят почти через максимум. При повышении температуры изменяется характер перемещения структурных составляющих материала, снижается прочность границ зерен и увеличивается скорость окисления.It has been established that it is in the near-surface layer of the working surface of a continuous brake disc that when it is pulsed heating under the influence of a flash temperature θ, cracks arise due to thermal fatigue of the disc material. These cracks are further developed as a result of cooling of the surface layer and the emergence of a temperature gradient of θsp , when thermal stresses in the surface layer of the working surface of the continuous brake disk at the end of cyclic braking reach large values and pass almost through the maximum. With increasing temperature, the nature of the displacement of the structural components of the material changes, the strength of the grain boundaries decreases, and the oxidation rate increases.
Температура вспышки может мгновенно достичь нескольких сот градусов, такой скачок температуры обусловливает пластическое состояние материала сплошного тормозного диска, при котором сопротивление трению падает. Поскольку длительность фрикционного взаимодействия на пятнах фактического контакта (см. фиг. 3в) составляет 10-3…10-6 с, то важное значение имеют не свойства статической прочности поверхностного слоя материала пары трения, а свойства усталостной прочности, если учесть, что кристаллическая решетка твердого тела реагирует на любые воздействия через 10-5…10-8 с. Перестройка поверхностного слоя под действием внешних тепловых нагрузок происходит именно в процессе формирования температурного поля и к моменту достижения установившейся температуры поверхностный слой уже находится под действием тех или иных остаточных напряжений сжатия.The flash temperature can instantly reach several hundred degrees, such a jump in temperature determines the plastic state of the material of the continuous brake disc, at which the friction resistance decreases. Since the duration of the frictional interaction on the actual contact spots (see Fig. 3c) is 10 -3 ... 10 -6 s, it is important not the properties of the static strength of the surface layer of the material of the friction pair, but the properties of fatigue strength, given that the crystal lattice a solid body reacts to any effects after 10 -5 ... 10 -8 s. The restructuring of the surface layer under the influence of external thermal loads occurs precisely in the process of formation of the temperature field and by the time the steady-state temperature is reached, the surface layer is already under the influence of various residual compressive stresses.
При длительном подводе теплоты к рабочей поверхности сплошного тормозного диска на глубину нагревания его слоев существенное влияние оказывает вынужденное охлаждение скоростными токами омывающего воздуха при движении автотранспортного средства. При одинаковых параметрах теплового источника глубина прогрева поверхностного слоя диска до заданной температуры при вынужденном охлаждении всегда меньше, чем без охлаждения. Наличие теплоотдачи увеличивает темп вынужденного охлаждения поверхности, но по мере удаления от нее его влияние снижается. Это особенно важно для дисково-колодочных тормозов, работающих в циклическом режиме.With a long supply of heat to the working surface of a continuous brake disc, the forced cooling by high-speed currents of the washing air when the vehicle is moving has a significant effect on the depth of heating of its layers. With the same parameters of the heat source, the depth of heating of the surface layer of the disk to a predetermined temperature during forced cooling is always less than without cooling. The presence of heat transfer increases the rate of forced cooling of the surface, but as it moves away from it, its effect decreases. This is especially important for disk-pad brakes operating in a cyclic mode.
Известно, что приложенные удельные нагрузки к парам трения дисково-колодочного тормоза и генерируемые электрические токи на пятнах контакта микровыступов их поверхностей трения, а также аккумулируемая теплота в поверхностных слоях, вызывают напряжения межатомных связей, которые в связи с гетерогенностью большинства твердых тел могут носить локальный характер. Именно на пятнах касания микровыступов (см. фиг. 3в) происходят локальные перенапряжения, интенсивней идет термофлуктуационный процесс разрыва межатомных связей, что приводит к разрушению твердого тела. Согласно кинетической концепции прочности тепловое движение атомов, характеристикой которого является температура, играет существенную роль в разрушении поверхности тормозного диска.It is known that the applied specific loads on the friction pairs of the disk-shoe brake and the generated electric currents on the contact spots of the microprotrusions of their friction surfaces, as well as the accumulated heat in the surface layers, cause interatomic bond stresses, which, due to the heterogeneity of most solids, can be local in nature . It is on the contact spots of the microprotrusions (see Fig. 3c) that local overvoltages occur, the thermofluctuation process of breaking the interatomic bonds is more intense, which leads to the destruction of the solid. According to the kinetic concept of strength, the thermal motion of atoms, the characteristic of which is temperature, plays a significant role in the destruction of the surface of the brake disc.
На фиг. 3б проиллюстрирована схема теплообмена от поверхностей сплошного диска тормоза и колодок с фрикционными накладками.In FIG. 3b, a heat exchange diagram from the surfaces of a continuous brake disc and brake pads with friction linings is illustrated.
В теплообмене принимают участие: рабочие и нерабочие поверхности тормозного диска, нерабочие поверхности фрикционной накладки и тормозной колодки. При этом кольцевой пояс диска, взаимодействующий с фрикционной накладкой колодки, имеет полированную поверхность, а остальные поверхности сплошного диска являются матовыми. Аккумулятором тепловой энергии в данном виде тормоза является тормозной диск, который распределяет ее к периферии от его пояса трения, к центру - фланцу диска и через крепежные болты - к суппорту балки переднего моста автотранспортного средства посредством кондуктивного теплообмена.The heat exchange involves: working and non-working surfaces of the brake disc, non-working surfaces of the friction lining and brake pads. In this case, the annular belt of the disk interacting with the friction pad of the block has a polished surface, and the remaining surfaces of the solid disk are matte. The thermal energy accumulator in this type of brake is a brake disk, which distributes it to the periphery from its friction belt, to the center - the disk flange, and through the mounting bolts - to the caliper of the front axle of the vehicle through conductive heat transfer.
Фрикционные накладки колодок являются своего рода теплоизолятором между поясом трения диска и собственно тормозной колодкой. При этом не перекрытые поверхности сплошного диска омываются скоростными токами воздуха при движении автотранспортного средства. В самовентилируемом тормозном диске (см. фиг. 4а, б) процессы нагревания и вынужденного охлаждения происходят несколько иначе, чем в сплошном тормозном диске. Во-первых, теплота, генерируемая на поясе трения самовентилируемого тормозного диска, расходуется на нагревание его тонких рабочих и нерабочих поверхностей вместе с радиальными чередующимися выступами с зазором, полуребрами-ребрами и ребрами (см. фиг. 2а, б, в). Перечисленные элементы с развитыми поверхностями теплообмена омываются скоростными токами воздуха. В процессе длительного нагревания пояса трения самовентилируемого диска за счет вынужденного охлаждения создается температурный градиент по толщине его боковых стенок, который к концу торможения заметно снижается из-за прогрева боковой стенки. Во-вторых, аккумулируемая теплота в поясе трения распространяется к периферии и к центру от него в те части нагруженной поверхности самовентилируемого тормозного диска, которые интенсивно вынужденно охлаждаются, что ведет к увеличению поверхностного температурного градиента.The friction linings of the pads are a kind of heat insulator between the friction belt of the disk and the brake pad itself. In this case, the uncovered surfaces of the solid disk are washed by high-speed currents of air when the vehicle is moving. In a self-ventilated brake disc (see Fig. 4 a , b ), the processes of heating and forced cooling occur somewhat differently than in a solid brake disc. Firstly, the heat generated on the friction belt of the self-ventilated brake disc is spent on heating its thin working and non-working surfaces together with radial alternating protrusions with a gap, half-ribs and ribs (see Fig. 2 a , b , c ). The listed elements with developed heat transfer surfaces are washed by high-speed air currents. During prolonged heating of the friction belt of a self-ventilated disk due to forced cooling, a temperature gradient is created along the thickness of its side walls, which decreases markedly by the end of braking due to heating of the side wall. Secondly, the accumulated heat in the friction belt extends to the periphery and to the center from it to those parts of the loaded surface of the self-ventilated brake disc that are intensively forced to cool, which leads to an increase in the surface temperature gradient.
Компьютерное моделирование предварительного этапа испытаний типа I дисково-колодочного тормоза состоит из 20-ти циклов с интервалом между торможениями 45,0 с, отвечающих принципам суперпозиции "нагревание - вынужденное охлаждение". На границе трибоспоряжения (в зоне контакта) задавались расчетные значения средней плотности теплового потока QС=2·106 Вт/м2. Моделирование предварительного этапа испытаний типа I заключалось в реализации трех этапов:Computer simulation of the preliminary stage of the type I test of a disk-block brake consists of 20 cycles with an interval between braking of 45.0 s, which correspond to the principles of the superposition "heating - forced cooling". At the tribosorption boundary (in the contact zone), the calculated values of the average heat flux density Q C = 2 · 10 6 W / m 2 were set . The simulation of the preliminary stage of type I tests consisted of the implementation of three stages:
- первый - нагревание трибосопряжения;- the first is the heating of the tribological conjugation;
- остывание тормозного диска;- cooling of the brake disc;
- остывание фрикционных накладок в сборе с колодками.- cooling of the friction lining assembly with pads.
Аналогичным образом производилось моделирование предварительного этапа испытаний типа II.Similarly, the preliminary stage of the Type II test was simulated.
Особенностью моделирования самовентилируемых дисков являлось то, что на стенках вентилируемых каналов задавались граничные условия третьего рода, т.е. коэффициенты теплоотдачи (40…50) Вт/(м2·°C) [см. фиг. 4а, б].A feature of modeling self-ventilated disks was that boundary conditions of the third kind were set on the walls of ventilated channels, i.e. heat transfer coefficients (40 ... 50) W / (m 2 · ° C) [see FIG. 4 a , b].
Перед компьютерным моделированием оценивалась энергонагруженность сплошных тормозных дисков различной толщины для двух конструктивных вариантов, т.е. без фланца и с ним (см. фиг. 5). Это позволило оценить интенсивность кондуктивного теплоотвода от собственно тела тормозного диска к его фланцевой части. Количество теплоты, отводимое от тела сплошного тормозного диска в его фланцевую часть, составило 8…10% при принудительном этапе испытаний типа II.Before computer modeling, the energy load of continuous brake discs of various thicknesses was estimated for two design options, i.e. without flange and with it (see Fig. 5). This made it possible to estimate the intensity of the conductive heat sink from the brake disc body itself to its flange part. The amount of heat removed from the solid brake disc body to its flange part was 8 ... 10% during the forced type II test stage.
Из фиг. 6а видно, что тормоза с самовентилируемыми дисками попадают в зону термостабилизации уже после 10…12 циклов торможений, а сплошные диски - в конце испытаний. Кроме того, самовентилируемые диски тормоза имеют температуру на 8…11% ниже, чем сплошные диски тормозов в конце предварительного этапа испытаний типа I. Самовентилируемые дисковые тормоза автобуса А-172 имеют достаточную энергоемкость при испытаниях типа I, поскольку температура в них не превышает допустимую температуру для материала фрикционной накладки.From FIG. Figure 6 a shows that brakes with self-ventilated discs fall into the thermal stabilization zone after 10 ... 12 braking cycles, and solid discs - at the end of the test. In addition, self-ventilated brake discs have a temperature of 8 ... 11% lower than solid brake discs at the end of the preliminary stage of type I tests. Self-ventilated disc brakes of the A-172 bus have sufficient energy consumption during type I tests, since the temperature in them does not exceed the permissible temperature for friction pad material.
На фиг. 6б показана динамика изменения максимальных поверхностных температур пар трения передних дисково-колодочных тормозов автобуса А-172 со сплошными и самовентилируемыми дисками во время предварительного этапа испытаний типа II, полученных компьютерным моделированием.In FIG. Figure 6b shows the dynamics of changes in the maximum surface temperatures of the friction pairs of the front disc-block brakes of the A-172 bus with continuous and self-ventilated discs during the preliminary stage of type II tests obtained by computer simulation.
Анализ данных (см. фиг. 6б) показывает, что температурные режимы дисково-колодочных тормозов, оборудованных сплошными и самовентилируемыми дисками, до 150°C на предварительном этапе испытаний типа II практически не отличаются. Температура сплошного диска в тормозе продолжает повышаться до 330°C (кривая 1), что связано с его металлоемкостью. Это привело к снижению эффективности тормоза в связи с превышением допустимой температуры для поверхностных слоев материалов фрикционных накладок. В самовентилируемом тормозном диске при температуре 220°C заканчивается прогрев его боковых стенок при одновременном вынужденном охлаждении их нерабочих поверхностей, что способствует термостабилизации боковых стенок диска. При этом эффективность тормоза отвечает нормативной, поскольку поверхностная температура ниже допустимой для материалов фрикционных накладок.An analysis of the data (see Fig. 6b) shows that the temperature conditions of disc-pad brakes equipped with solid and self-ventilated discs up to 150 ° C at the preliminary stage of type II tests are practically the same. The temperature of the solid disk in the brake continues to increase to 330 ° C (curve 1), which is associated with its metal consumption. This led to a decrease in brake efficiency due to exceeding the permissible temperature for the surface layers of materials of friction linings. In a self-ventilated brake disc at a temperature of 220 ° C, the heating of its side walls ends with the simultaneous forced cooling of their non-working surfaces, which contributes to thermal stabilization of the side walls of the disc. At the same time, the effectiveness of the brake meets the normative, since the surface temperature is lower than the allowable for materials of friction linings.
Одним из важнейших конструктивных параметров дисково-колодочного тормоза является коэффициент взаимного перекрытия, характеризируемый отношением площадей трения элементов контактирующей пары "диск - накладки колодок". Дисково-колодочный тормоз имеет низкий коэффициент взаимного перекрытия (kвз=0,1…0,2), что создает хорошие условия для вынужденного охлаждения. Это особенно важно для автотранспортных средств, работающих в городских условиях с частыми остановками.One of the most important design parameters of a disk-shoe brake is the mutual overlap coefficient, characterized by the ratio of the friction areas of the elements of the contacting disk-shoe pads pair. The disk-pad brake has a low coefficient of mutual overlap (k b = 0.1 ... 0.2), which creates good conditions for forced cooling. This is especially important for vehicles operating in urban areas with frequent stops.
На реальных физических моделях в эксплуатационных и стендовых условиях изучали температурное поле при электротермомеханическом трении пары "СЧ-15 - ФК24А" с соблюдением условия ΔθП>ΔθV. Испытания проводили на серийном и модельном дисково-колодочном тормозе. В результате исследований коэффициента взаимного перекрытия kвз и параметров процесса трения, из которых выделено импульсное нормальное усилие N, в зависимости от термосостояния диска было установлено (фиг. 7а, б, в, г, д, е):On real physical models in operating and bench conditions, the temperature field was studied under electrothermomechanical friction of the SCh-15 - FK24A pair, subject to the condition Δθ P > Δθ V. The tests were carried out on a serial and model disk-pad brake. As a result of studies of the mutual overlap coefficient k b and the parameters of the friction process, from which the pulsed normal force N was extracted, depending on the thermal condition of the disk, it was found (Fig. 7 a , b, c, d, e, e):
- уменьшение kвз приводит к снижению средней поверхностной θп и объемной θV температуры и уменьшению их градиентов 
- снижение kвз вызывает увеличение динамического коэффициента трения; динамический коэффициент трения повышается в связи уменьшением 
- увеличение kвз и 
Для фрикционных пар дисково-колодочного тормоза (в стендовых условиях) уменьшение kвз при работе трения WT=const способствует увеличению износа только при условии, когда функции 
При поверхностных температурах металлических сплошного и самовентилируемого тормозных дисков, изготовленных из различных материалов, превышающих 150…200°C, интенсивность вынужденного конвективного теплообмена резко падает, но возрастает теплообмен лучеиспусканием. Согласно закону Стефана-Больцмана коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием равен:At surface temperatures of solid and self-ventilated metal brake discs made of various materials in excess of 150 ... 200 ° C, the intensity of forced convective heat transfer drops sharply, but the heat transfer increases by radiation. According to the Stefan-Boltzmann law, the heat transfer coefficient by radiation is equal to:
где θН - температура нагревания поверхностей сплошного и самовентилируемого тормозных дисков, К; θВ - температура окружающей среды, К; СЛ - коэффициент излучения, Вт/(м2·К4).where θ N is the heating temperature of the surfaces of the solid and self-ventilated brake discs, K; θ B is the ambient temperature, K; With L - emissivity, W / (m 2 · K 4 ).
Необходимо отметить, что коэффициенты излучения матовой и полированной поверхностей для чугуна и стали имеют разные значения. По величине отношения коэффициентов излучения матовой поверхности к полированной, которая должна быть равна отношению площадей этих поверхностей, можно судить о наступлении их установившегося теплового состояния. В виде соотношений получаем: для дисково-колодочного тормоза (тормозные диски изготовлены из чугуна) при СЛм/СЛп=3,748/1,134=3,3It should be noted that the emissivity of the matte and polished surfaces for cast iron and steel have different values. By the magnitude of the ratio of the emissivity of the matte surface to the polished one, which should be equal to the ratio of the areas of these surfaces, one can judge the onset of their steady thermal state. In the form of relations obtain for disc-brake shoe (brake discs are made of cast iron) with C Lm / Lp C = 3,748 / 1,134 = 3.3
В данном случае рассматриваются площади поверхностей теплообмена сплошного и самовентилируемого дисков тормоза, смонтированных на балке переднего моста автобуса А-172. Процентное расхождение между полученными величинами отношений для различных типов тормозных дисков составляет: для первого случая - 6,0%, для второго - 12,3%, что является хорошим результатом для подобных расчетов.In this case, the heat exchange surface areas of the continuous and self-ventilated brake discs mounted on the beam of the front axle of the A-172 bus are considered. The percentage discrepancy between the obtained ratios for different types of brake discs is: for the first case - 6.0%, for the second - 12.3%, which is a good result for such calculations.
Таким образом, на основании расчетно-экспериментальных данных установлена взаимосвязь между излучательной способностью матовых и полированной поверхности и их площадями в дисково-колодочном тормозе при использовании в нем сплошных и самовентилируемых дисков.Thus, on the basis of calculation and experimental data, a relationship is established between the emissivity of a matte and polished surface and their areas in a disk-pad brake when using solid and self-ventilated disks in it.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015122732/11A RU2594044C1 (en) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | Method of determining surface areas of metal discs of various power consumption in disc-drum brakes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015122732/11A RU2594044C1 (en) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | Method of determining surface areas of metal discs of various power consumption in disc-drum brakes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2594044C1 true RU2594044C1 (en) | 2016-08-10 |
Family
ID=56613004
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015122732/11A RU2594044C1 (en) | 2015-06-11 | 2015-06-11 | Method of determining surface areas of metal discs of various power consumption in disc-drum brakes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2594044C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19533571A1 (en) * | 1994-10-07 | 1996-04-11 | Freni Brembo Spa | Disc for a ventilated disc brake |
| US6241053B1 (en) * | 1998-04-03 | 2001-06-05 | Kiriu Machine Mfg. Co., Ltd. | Ventilated disc brake rotor |
| RU2279579C2 (en) * | 2004-08-30 | 2006-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Method of heating and cooling brake pulleys of belt-block brake of draw-works at estimation of their thermal balance |
| RU2011101039A (en) * | 2011-01-12 | 2012-07-20 | Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа (UA) | METHOD FOR DETERMINING SURFACES OF SURFACES OF METAL FRICTION ELEMENTS AT VARIOUS THEIR ENERGY CAPACITY IN BRAKE DEVICES |
-
2015
- 2015-06-11 RU RU2015122732/11A patent/RU2594044C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19533571A1 (en) * | 1994-10-07 | 1996-04-11 | Freni Brembo Spa | Disc for a ventilated disc brake |
| US6241053B1 (en) * | 1998-04-03 | 2001-06-05 | Kiriu Machine Mfg. Co., Ltd. | Ventilated disc brake rotor |
| RU2279579C2 (en) * | 2004-08-30 | 2006-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ГОУВПО "КубГТУ") | Method of heating and cooling brake pulleys of belt-block brake of draw-works at estimation of their thermal balance |
| RU2011101039A (en) * | 2011-01-12 | 2012-07-20 | Ивано-Франковский национальный технический университет нефти и газа (UA) | METHOD FOR DETERMINING SURFACES OF SURFACES OF METAL FRICTION ELEMENTS AT VARIOUS THEIR ENERGY CAPACITY IN BRAKE DEVICES |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Чичинадзе А.В. и др., "Расчет, испытание и подбор фрикционных пар", - М.: Наука, 1979, с. 208. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Blau et al. | Effects of water films and sliding speed on the frictional behavior of truck disc brake materials | |
| Desplanques et al. | Analysis of tribological behaviour of pad–disc contact in railway braking: Part 1. Laboratory test development, compromises between actual and simulated tribological triplets | |
| Rashid | Overview of disc brakes and related phenomena-a review | |
| Straffelini et al. | The relationship between wear of semimetallic friction materials and pearlitic cast iron in dry sliding | |
| Rehman et al. | Analysis of stir die cast Al–SiC composite brake drums based on coefficient of friction | |
| Talati et al. | Investigation of heat transfer phenomena in a ventilated disk brake rotor with straight radial rounded vanes | |
| US9581211B2 (en) | Friction material and methods of making and using the same | |
| Belhocine et al. | Numerical modeling of disc brake system in frictional contact | |
| RU2594044C1 (en) | Method of determining surface areas of metal discs of various power consumption in disc-drum brakes | |
| Ivanov et al. | Study of the influence of the brake shoe temperature and wheel tread on braking effectiveness | |
| Hwang et al. | Repeated brake temperature analysis of ventilated brake disc on the downhill road | |
| Wasilewski | Experimental study on the effect of formulation modification on the properties of organic composite railway brake shoe | |
| JP2017053485A (en) | Brake disc with wear indication means | |
| Lee et al. | Hot spotting and judder phenomena in aluminum drum brakes | |
| Osenin et al. | Providing stable friction properties of disc brakes for railway vehicles | |
| Neis et al. | Definition of a suitable parameter for characterizing creep-groan propensity in brake pads | |
| Hamid et al. | Effect of brake pad design on friction and wear with hard particle present | |
| RU2386061C2 (en) | Definition method of heat flow sharing coefficient between friction pairs of different kinds of frictional units in band-block brakes of draw works (versions) | |
| Sergienko et al. | Prediction of thermal conditions for multidisc oil-cooled brake of a mining truck | |
| Travaglia et al. | Analytical Model for Prediction of Friction Materials Durability Based on the Braking Energy Dissipation | |
| Ali et al. | Proposed Metrological Method for Identifying Automotive Brake Discs | |
| Dunaevsky | Prediction of railroad friction braking temperatures: prediction of average bulk and average surface temperatures of railroad wheels and brake discs | |
| Umale et al. | Analysis and optimization of disc brake rotor | |
| Kumar et al. | Novel design and analysis of a brake rotor | |
| Desplanques et al. | Genesis of the third-body at the pad-disc interface: case study of sintered metal matrix composite lining material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180612 |