Осташук Микола Михайлович. Розроблення методу визначення розподілу теплових потоків в елементах автомобільних дискових гальм на тривимірних моделях

Короткий опис

Осташук Микола Михайлович. Розроблення методу визначення розподілу теплових потоків в елементах автомобільних дискових гальм на тривимірних моделях : дис... канд. техн. наук: 05.22.02 / Національний ун-т "Львівська політехніка". - Л., 2005.

ОСТАШУК МИКОЛА МИХАЙЛОВИЧ
УДК 629.113-59.001.4
РОЗРОБЛЕННЯ МЕТОДУ ВИЗНАЧЕННЯ РОЗПОДІЛУ ТЕПЛОВИХ
ПОТОКІВ В ЕЛЕМЕНТАХ АВТОМОБІЛЬНИХ ДИСКОВИХ ГАЛЬМ НА
ТРИВИМІРНИХ МОДЕЛЯХ
05.22.2 - автомобілі та трактори
Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Науковий керівник Гудз Густав Стефанович доктор технічних наук, професор
Львів-2005

2
ЗМІСТ
ВСТУП 5
РОЗДІЛ 1. ПАРАМЕТРИ ТА ПОКАЗНИКИ РОБОТИ ГАЛЬМОВИХ
МЕХАНІЗМІВ АТЗ 10
1.1. Характеристика роботи гальмівних систем 10
1.2. Режими роботи гальмових механізмів та їх енергоємність 18
1.3. Аналіз енергоперетворюючих властивостей дискових гальм 25
1.4. Трибологічні властивості фрикційних матеріалів накладок гальмових
механізмів 31
Висновки 36
РОЗДІЛ 2. ТЕПЛОВІ МОДЕЛІ ГАЛЬМОВИХ МЕХАНІЗМІВ
АВТОМОБІЛЬНИХ КОЛІС 38
2.1. Математичний опис процесів нагрівання та охолодження гальмових
механізмів 38
2.2. Експеримент на натурному зразку гальмового механізму або його фізичній
моделі 40
2.3. Аналітичні методи розв’язування рівнянь теплопровідності 44
2.4. Методи електротеплової аналогії 47
2.5. Метод кінцевих різниць у розв’язуванні задач теплопровідності 49
2.6. Розрахунковий модуль для розв’язку рівняння теплопровідності в дисковому
гальмі 56
Висновки
63

3
РОЗДІЛ 3. МЕТОД ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИВИМІРНИХ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ
У ДИСКОВИХ ГАЛЬМОВИХ МЕХАНІЗМАХ 65
3.1. Математичний опис тривимірних процесів нагрівання та охолодження
дискових гальмових механізмів 65
3.2. Методика комп'ютерного моделювання тривимірних температурних полів у
дискових гальмах 67
3.3. Методика моделювання температурного поля в дисковому гальмі без імітації
обертання колеса 73
Висновки 79
РОЗДІЛ 4. ВПЛИВ РІЗНИХ ЧИННИКІВ НА ТЕМПЕРАТУРНИЙ РЕЖИМ ТА РОЗПОДІЛ ТЕПЛОВИХ ПОТОКІВ В ДИСКОВИХ ГАЛЬМАХ
(ОБ’ЄМНА ЗАДАЧА) 80
4.1. Вплив коефіцієнта перекриття на температурний режим дискового
гальмового механізму 80
4.2 Методика визначення коефіцієнта розподілу теплових потоків і
температурних градієнтів в елементах дискових гальм 87
4.3. Вплив умов тепловіддачі на розподіл теплових потоків в елементах
гальмових механізмів 98
4.4. Вплив товщини диска та параметрів накладок на розподіл теплових потоків в
елементах гальмових механізмів 109
4.5. Визначення закономірностей розподілу теплових потоків в елементах
дискових гальм на багаточинниковій тривимірній моделі
118

4
4.6. Економічна доцільність застосування тривимірної моделі дискового
гальма 126
Висновки 130
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 133
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 136
ДОДАТКИ 151

Осташук М.М. Розроблення методу визначення розподілу теплових потоків в елементах автомобільних дискових гальм на тривимірних моделях. -Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 автомобілі та трактори. - Національний університет Львівська політехніка». - Львів, 2005.
Дисертація присвячена обґрунтуванню та розробленню методу визначення розподілу теплових потоків в елементах автомобільних дискових гальмових механізмів. Розроблена тривимірна модель дискового гальма, яка відзначається великою інформаційною продуктивністю. Адекватність створеної моделі перевірена за результатами аналітичного розв’язку теплової задачі для екстреного гальмування та стендових випробувань ІІ. Методом комп’ютерного моделювання досліджено вплив різних чинників на температурний режим і розподіл теплових потоків в елементах дискових гальм. На основі цього методу та методу математичного планування експерименту отримане регресійне рівняння для визначення коефіцієнта розподілу теплових потоків в елементах дискових гальм з різними параметрами контртіл при випробуваннях ІІ. Результати досліджень дають змогу скоротити обсяги високовартісних експериментальних досліджень та поповнити банк даних для проектування дискових гальм автомобільних коліс.

1. У роботі розв`язана важлива науково-прикладна задача, пов`язана з розширенням функціональних можливостей теплових моделей дискових гальм. На основі загальної методології моделювання створена тривимірна теплова модель дискового гальмового механізму, яка дає змогу дослідити температурні поля одночасно в його основних елементах, що неможливо здійснити на двовимірній моделі. Застосування методу суперпозиції підтвердило можливість з достатньою точністю створити модель гальмового механізму для дослідження розподілу температурних полів в його елементах.
2. Створена методика розрахунку коефіцієнта розподілу теплових потоків в елементах дискового гальма на основі моделювання, яка на відміну від загальновідомої формули Ф.Шаррона, враховує режими гальмування, конструктивні параметри гальма та умови тепловіддачі від його елементів.
3. Розв’язана зворотна задача теплопровідності методом моделювання за результатами стендових випробувань ІІ дискових гальм, що дало змогу визначити реальні значення коефіцієнтів тепловіддачі ( = 34-36 Вт/м2град) і перевірити адекватність створеної тривимірної моделі.
4. Результати моделювання показали, що загальна кількість відведеної теплоти від дискового гальма не залежить від типу накладок, а лише від коефіцієнта тепловіддачі. При цьому в гальмовому механізмі з азбестополімерними накладками вся теплота відводиться в навколишнє середовище тільки від диска, що спричинює високу температуру поверхні тертя і диска в цілому (485 С при = 35 Вт/м2град). З металокерамічною накладкою 73% теплоти відводиться з поверхонь накладки і колодки, що значно знижує температуру поверхні тертя та диска (до 317 С) за тих же умов тепловіддачі.
5. Розрахунок коефіцієнтів розподілу теплових потоківkqза результатами моделювання показав, що для гальма з азбестополімерними накладкамиkq= 0,12, а з металокерамічними kq= 0,51, що на 33% більше у порівнянні з розрахунками за формулою Ф.Шаррона.
6. Отримані результати показали, що найбільший температурний градієнт спостерігається в азбестополімерних накладках, причому він зростає зі збільшенням тривалості гальмування (від 10 до 28 С/мм). В той же час, у диску та в металокерамічних накладках його значення у межах 1-2 С/мм і практично не залежить від тривалості гальмування.
7. Встановлено, що зміна товщини диска від 15 мм до 45 мм призводить до зменшення коефіцієнтаkqдля азбестополімерних накладок на 34%, а для металокерамічних на 56%. Характер зміни коефіцієнтаkqблизький до лінійної залежності, а формула Ф. Шаррона не передбачає такої зміни. Крім цього, значення коефіцієнтаkqзалишається стабільним на всьому інтервалі часу гальмування, незалежно від різних чинників.
8. Досліджено, що приблизно до 3 хв. попереднього етапу випробувань ІІ товщина накладки суттєво не впливає на температуру поверхні тертя як для азбестополімерних, так і металокерамічних накладок. В кінці ж випробувань ІІ зміна товщини накладки з 5 мм до 15 мм призводить до збільшення температур поверхонь тертя для азбестополімерних накладок на 32 С (6,5%), а для металокерамічних до зменшення на 50 С (14%). Виявлено, що збільшення товщини фрикційної накладки з 5 мм до 15 мм призводить до зменшення коефіцієнтаkqдля азбестополімерних на 30%, а для металокерамічних - до збільшення на 15% в кінці попереднього етапу випробувань ІІ.
9. Математичним плануванням експерименту отримане регресійне рівняння для визначення коефіцієнта розподілу теплових потоків в елементах дискового гальма в кінці попереднього етапу випробувань ІІ. Показано, що найголовнішим чинником, який вливає на коефіцієнтkq, є товщина диска, а найменш вагомим його діаметр.
10. Застосування розробленої тривимірної моделі гальма та математичного планування експериментів дають змогу значно скоротити обсяги високовартісних натурних випробувань гальмових механізмів (річний економічний ефект становить приблизно 200 тис. грн.) та створити обширну інформаційну базу для їх концептуального проектування.

Список літератури

Висновки
1. Розроблена методика розрахунку коефіцієнта розподілу теплових потоків в конструктивних елементах дискового гальма на основі моделювання, яка на відміну від відомої формули Ф.Шаррона, враховує режими гальмування, конструктивні параметри гальма та умови тепловіддачі від його елементів.
2. Моделюванням встановлено, що загальна кількість відведеної теплоти від дискового гальма не залежить від типу накладок, а лише від коефіцієнта тепловіддачі. При цьому в гальмовому механізмі з азбестополімерними накладками вся теплота відводиться в навколишнє середовище тільки від диска, що спричинює високу температуру поверхні тертя і диска в цілому (485 °С при а = 35 Вт/м2град). З металокерамічною накладкою 73% теплоти відводиться з поверхонь накладки і колодки, що значно знижує температуру поверхні тертя та диска (до 317 °С) за тих же умов тепловіддачі.
3. Розрахунок коефіцієнтів розподілу теплових потоків kq за результатами моделювання показав, що для гальма з азбестополімерними накладками kq = 0,12, а з металокерамічними - kq = 0,51. Це на 33% більше, ніж за формулою Ф.Шаррона і, отже, вказує на менш жорсткі вимоги до конструювання його елементів.
4. Максимальний температурний градієнт спостерігається в
азбестополімерних накладках, зростаючи зі збільшенням тривалості гальмування

131
(від 10 до 28 °С/мм). В той же час, у диску та в металокерамічних накладках його значення у межах 1-2 °С/мм і практично не залежить від тривалості гальмування.
5. Встановлено, що зміна товщини диска від 15 до 45 мм призводить до зменшення коефіцієнта kq для азбестополімерних накладок на 34%, а для металокерамічних - на 56%. Характер зміни коефіцієнта kq близький до лінійної залежності (формула Ф. Шаррона не передбачає такої зміни). Крім цього, значення коефіцієнта kq залишається стабільним на всьому інтервалі часу гальмування, незалежно від дії різних чинників.
6. Виявлено, що приблизно до 3 хв. попереднього етапу випробувань ІІ товщина накладки суттєво не впливає на температуру поверхні тертя як для азбестополімерних, так і металокерамічних накладок. Наприкінці етапу випробувань ІІ зміна товщини накладки з 5 до 15 мм призводить до збільшення температур поверхонь тертя для азбестополімерних накладок на 32 °С (6,5%), а для металокерамічних - до зменшення на 50 °С (14%). Збільшення товщини фрикційної накладки з 5 до 15 мм призводить до зменшення коефіцієнта kq для азбестополімерних - на 30%, а для металокерамічних - до збільшення на 15% в кінці попереднього етапу випробувань ІІ.
7. З використанням методу математичного планування експерименту отримано регресійну залежність коефіцієнта розподілу теплових потоків в конструктивних елементах дискового гальма в кінці попереднього етапу
випробувань ІІ від товщини диска та його діаметра.

132
8. Економічний ефект від застосування комп’ютерного моделювання процесів розподілів теплових потоків у дискових гальмових механізмах АТЗ з використанням тривимірних моделей, порівняно з випробуванням їх у дорожніх умовах, становить 212,7 тис. грн.