СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ДИСКОВОГО ТОРМОЗНОГО УСТРОЙСТВА
METHOD FOR DISC BRAKING DEVICE PARAMETERS OPTIMISATION

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к области автомобилестроения, и предназначено для поиска оптимальных параметров дисковых тормозных устройств.
Известен способ оптимизации параметров дискового тормозного устройства путем определения геометрических параметров фрикционной накладки тормозных колодок, основанный на расчете площади поверхности фрикционной накладки путем получения отношения полной работы трения к произведению продолжительности единичного торможения и допустимой удельной мощности трения и длины фрикционной накладки путем получения произведения среднего радиуса фрикционной накладки на центральный угол, выраженный в радианах.
[Александров М.П., Лысяков А.Г., Федосеев В.Н., Новожилов М.В. Тормозные устройства, М.: Машиностроение, 1985, с.298 - 312].
Указанный способ не позволяет определять срок службы тормозного устройства и получать рациональные значения геометрических параметров тормозных колодок, которые обеспечивают повышение ресурса фрикционной накладки тормозного устройства.
Известен также способ оптимизации ширины фрикционной накладки тормозного устройства, который заключается в определении эффективной площади трения фрикционной колодки по отношению тормозного момента к произведению радиуса, коэффициента трения и удельной нагрузки и затем определении ширины фрикционной колодки по отношению найденного значения эффективной площади трения фрикционной колодки на произведение коэффициента взаимного перекрытия и периметра центральной линии фрикционной накладки [Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2-х томах, том 2, под редакцией И.В.Крагельского и В.В.Алисина, 1979. М.: Машиностроение, с.253].
Недостатком указанного способа является также невозможность получения рациональных значений геометрических параметров тормозных колодок, обеспечивающих повышение ресурса фрикционной накладки тормозного устройства.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа оптимизации параметров дискового тормозного устройства, обеспечивающего повышение ресурса фрикционной накладки за счет учета влияния геометрических параметров фрикционной накладки и тормозного диска на величину механической составляющей мощности трения и выбора рационального соотношения их геометрических параметров.
Поставленная задача достигается тем, что определяют механическую составляющую мощности трения при исходных параметрах фрикционной накладки, по которой находят ее объемную интенсивность изнашивания, по найденной величине интенсивности изнашивания определяют фактический ресурс фрикционной накладки, затем задают величину приращения ресурса и определяют оптимальные значения площади, длины фрикционной накладки и радиуса шероховатости тормозного диска по следующим зависимостям
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>F</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>⋅</mo><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><msup><mi>F</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac></mrow>
2
w
где F - площадь фрикционной накладки, м; I - энергетическая интенсивность изнашивания, R - радиус микронеровности поверхности тормозного диска, м; ν - скорость скольжения, м/с; N - нормально направленная прижимная нагрузка, Н; n(t) - коэффициент требуемого приращения ресурса; t - фактический ресурс фрикционной накладки, с; S - высота фрикционной накладки, м; Н - длина фрикционной накладки, м.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что повышение ресурса тормозного устройства обеспечивается посредством снижения величины механической составляющей мощности трения, идущей на разрушение фрикционной накладки, при сохранении неизменными таких характеристик тормозного устройства, как прижимная нагрузка и скорость скольжения.
Способ осуществляют следующим образом.
Определяют механическую составляющую мощности трения при исходных параметрах фрикционной накладки по следующей зависимости
<mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mfrac><mrow><mi>R</mi><mi>ν</mi><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mi>F</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac></mrow>
где R - радиус микронеровности поверхности тормозного диска, м;
ν - скорость скольжения, м/с;
N - нормально направленная прижимная нагрузка, Н;
2
F - площадь фрикционной накладки, м;
Н - длина фрикционной накладки, м.
По найденной величине механической составляющей энергетического баланса определяют объемную интенсивность изнашивания фрикционной накладки по формуле
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>V</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>W</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mi>h</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>W</mi><mrow><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi><mi>B</mi></mrow></mfrac></mrow>
w
3
где I - энергетическая интенсивность изнашивания Дж/м,
мех
W - механическая составляющая энергетического баланса, Дж/с
h
i - удельная линейная интенсивность изнашивания, м/м;
f - коэффициент трения;
НВ - твердость, МПа.
Затем по величине объемной интенсивности изнашивания определяют фактический ресурс фрикционной накладки по следующей формуле
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>H</mi><mo>⋅</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>ν</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
где B - ширина фрикционной накладки;
H - длина фрикционной накладки;
S - высота фрикционной накладки, м.
Определение механической составляющей мощности трения, объемной интенсивности изнашивания фрикционной накладки и фактического ресурса фрикционной накладки может быть осуществлено по любой известной аналитической зависимости.
Затем в зависимости от планируемой продолжительности межремонтного пробега тормозного устройства задают величину требуемого приращения ресурса фрикционной накладки n(t).
Так, например, согласно Регламенту Открытого Чемпионата и Кубка России 2012 года по ралли протяженность единичного участка ралли по специальным трассам изменяется от 10 до 50 км и может быть пройдена от 1 часа 30 минут до 2 часов 30 минут, что определяет разную продолжительность межремонтного пробега тормозного устройства на каждом этапе. Например, для этапа с максимальной продолжительностью необходимо увеличить ресурс фрикционной накладки до 1,5 раз по сравнению с коротким этапом.
Определение оптимальных значений площади, длины фрикционной накладки и радиуса шероховатости тормозного диска осуществляют по эмпирическим формулам, полученным в ходе экспериментальных исследований дисковых тормозных устройств.
Площадь фрикционной накладки, обеспечивающую планируемый ресурс, определяют по следующей формуле
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
Шероховатость тормозного диска, обеспечивающую планируемый ресурс фрикционной накладки определяют следующим образом:
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>F</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>⋅</mo><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Длину фрикционной накладки, обеспечивающую планируемый ресурс определяют по следующей зависимости
<mrow><mi>H</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,6</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>w</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>N</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>t</mi></mrow><mrow><msup><mi>F</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow></mfrac></mrow>
2
w
где F - площадь фрикционной накладки, м; I - энергетическая интенсивность изнашивания, R - радиус микронеровности поверхности тормозного диска, м; ν - скорость скольжения, м/с; N - нормально направленная прижимная нагрузка, H; t - фактический ресурс фрикционной накладки, с; S - высота фрикционной накладки, м; H - длина фрикционной накладки, м.
Ниже приведен пример реализации предлагаемого способа для тормозного устройства со следующими исходными характеристиками:
радиус микронеровности поверхности тормозного диска - 0,0000001 м;
скорость скольжения - 100 м/с;
нормально направленная прижимная нагрузка - 300 H;
2
площадь фрикционной накладки - 0,005 м;
длина фрикционной накладки - 0,1 м;
-7
удельная линейная интенсивность изнашивания - 10;
коэффициент трения - 0,4;
твердость - 400 МПа;
ширина фрикционной накладки - 0,05 м;
высота фрикционной накладки - 0,01 м.
По заданным значениям были определены следующие фактические характеристики тормозного устройства:
1) механическая составляющая мощности трения - 1,08 Дж/с:
-11
3
2) объемная интенсивность изнашивания фрикционной накладки - 6,75*10 м/с;
3) фактический ресурс - 205,76 ч;
4) для увеличения в 1,5 раза ресурса фрикционной накладки необходимо выполнить одно из перечисленных ниже действий:
2
- в 1,22 раза увеличить площадь фрикционной накладки при сохранении неизменным отношения ее длины к ширине. При этом она составит 0,0061 м;
- в 1,5 раза увеличить длину фрикционной накладки за счет уменьшения ее ширины при сохранении площади на прежнем уровне. Новые геометрические параметры составят: длина 0,15 м, ширина 0,033 м;
- в 0,67 раза уменьшить радиус выступов шероховатостей тормозного диска за счет повышения чистоты его обработки.
Таким образом, предлагаемый способ определения параметров дискового тормозного устройства позволяет определить по механической составляющей мощности трения и объемной интенсивности изнашивания существующий ресурс фрикционной накладки, а затем путем изменения радиуса шероховатостей тормозного диска, площади фрикционной накладки и ее длины обеспечить повышение этого показателя до требуемого значения.