Тормозная система транспортных средств


Тормозная система является важнейшим оборудованием для обеспечения безопасности транспортных средств. Дисковые тормоза все чаще используются в легковых автомобилях в течение шестидесяти лет. Позже их стали использовать в мотоциклах, а затем и в мотоциклах. Для замедления транспортного средства кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепловую энергию с использованием трения скольжения между тормозными дисками (например, тормозные диски LEXUS LX470) и тормозными колодками. 

Работа тормозной системы влияет на устойчивость и управляемость автомобиля [1,2,3]. Особенно это имеет большое значение для двухколесных транспортных средств. Транспортные средства этого типа характеризуются чувствительностью к эффективному торможению. В целом, мотоциклы и велосипеды имеют отдельные передние и задние тормозные системы, которые требуют балансировки оператора для достижения эффективного торможения. Велосипеды и мотоциклы не остаются устойчиво в вертикальном положении, например, после появления чрезмерной блокировки передних колес и заноса. Возможность управления движением чувствительна к поверхностным условиям, таким как выбоины, мокрые или масляные дороги. Кроме того, велосипедные шины, как правило, имеют уменьшенный участок дорожного контакта по сравнению с автомобилями. 

Тяговые схемы и составы, используемые для их изготовления, могут подходить для ограниченного набора дорожных условий. Торможение мотоцикла включает в себя задачи по управлению водителем, которые могут быть значительно более сложными, чем в случае с автомобилями. Соответствие между навыками оператора и свойствами транспортного средства имеет большее значение для безопасности в случае мотоцикла и велосипедов, чем автомобиля. Как обычно, опытный гонщик максимально использовал передний тормоз. Однако начинающие гонщики, по-видимому, из-за отсутствия уверенности в управлении торможением передними колесами, в большей степени использовали задний тормоз. Из-за места, где он собран, тормозной диск подвергается воздействию внешних факторов. Это приводит к чувствительности эффективности крутящего момента к присутствию воды на поверхности диска. Как следует из вышесказанного, система тормозных дисков должна характеризоваться стабильным трением и свойствами в различных условиях.

Тормозные диски


Разница между тормозными системами заключается в механизме и компонентах, используемых при сборке системы. Все они используют фрикционные материалы. Тормозная колодка обычно прижимается к вращающемуся тормозному диску. Таким образом замедлится автомобиль и остановит движение. Базовую геометрию тормозного диска можно разделить на два основных типа: твердый дисковый тормоз и вентилируемый дисковый тормоз. Классификация основана на их конструктивной форме. Он может иметь вентилируемую геометрию или не иметь вентилируемой геометрии [4,5]. 

Твердый дисковый тормоз - это плоская поверхность, не имеющая надрезов или канавок на диске. Эта конструктивная форма имела большую площадь контактной поверхности во время торможения по сравнению с вентилируемым дисковым тормозом. Это имеет тенденцию иметь более локализованную термоупругую неустойчивость на контактных участках. Поскольку твердотельный диск не имеет подходящего вентилируемого отверстия, которое может помочь рассеивать тепло от трения при торможении в окружающую среду, возникают некоторые проблемы. Термоэластичная нестабильность может быть причиной явления затухания тормозов и остекления колодок [6,7,8]. Геометрия вентилируемых дисковых тормозов широко исследовалась в промышленности. Свойства геометрии сравнивались с твердым дисковым тормозом. Вентилируемый дисковый тормоз легче по сравнению с твердым. Еще одной особенностью является конвективный теплообмен, который также лучше благодаря преимуществу вентиляционного зала [9]. Кан и Чо [6] изучали влияние геометрии дискового тормоза на характеристики рассеяния тепла. Их анализ показал, что вентилируемый диск обладает лучшими характеристиками торможения с точки зрения отвода тепла по сравнению с твердым диском. Также на меньшей скорости вентилируемый диск может быть более управляемым. Он может обеспечить подходящее значение крутящего момента во время торможения. 

Есть также исследователи, которые связывают дизайн геометрии вентиляционного отверстия с аэродинамическим охлаждением. Воздушный поток может повысить эффективность торможения во время торможения [7]. Кроме того, форма поперечного сечения играет важную роль в эффективности торможения [8]. Вентилируемый дисковый тормоз получил больше преимуществ по сравнению с твердым диском. Тем не менее, он имеет некоторые недостатки, такие как: меньшая теплоемкость и более высокая скорость повышения температуры при повторном применении торможения. При проектировании и выборе вентилируемого диска следует также учитывать его теплоемкость и коэффициент тепловой деформации, чтобы он мог оптимизировать конструкцию тормозного диска. Во время процесса торможения сила трения в области контакта тормозной колодки и тормозного диска вызывает износ области контакта. Поведение при износе влияет на коэффициент трения, который стал причиной разрушения зоны контакта. 

Проектирование геометрии тормозного диска должно быть направлено на продление жизненного цикла диска. Сила трения возникает в результате механического воздействия и межмолекулярной силы между поверхностями трения колодки и дискового ротора. Поверхность трения характеризуется большим количеством микропиков или впадин. Микропики обычно называются неровностями. Механическая сила включала микропики и впадины, связанные друг с другом. Они приводят к деформации и сдвигу неровностей. Взаимодействие неровностей с двойными поверхностями вызывает вспашки на поверхностях трения [10,11,12]. Что касается сложных дорожных условий, транспортные средства испытывают различные режимы торможения. Во время длительного торможения на спуске и многократного высокоскоростного торможения фрикционный нагрев может существенно повысить температуру пары трения [13,14]. Многие исследования показали, что такой перегрев может привести к ухудшению коэффициента трения в тормозе, повышенному износу тормозной колодки, термическому растрескиванию, сотрясению и визгу тормозной системы из-за неравномерной термической деформации тормозного диска [14,15,16,17,18]. Таким образом, эффективное охлаждение тормозного диска является значительным для обеспечения безопасности и комфорта тормозов, особенно для современных транспортных средств.

Эта трибосистема очень сложна и изменчива, и, несмотря на множество исследований, проведенных на ней, все еще не полностью изучена и понята.

Выводы

Тормозная система является важнейшим охранным оборудованием для транспортных средств. Для замедления транспортного средства кинетическая энергия движущегося транспортного средства преобразуется в тепловую энергию с использованием трения скольжения между тормозными дисками и тормозными колодками. Работа тормозной системы влияет на устойчивость и управляемость автомобиля. Особенно это имеет большое значение для двухколесных транспортных средств. Измерения, проведенные на испытательном стенде, позволили сравнить трибологические характеристики двух тормозных дисков различной геометрии. Диски отличались диаметром и расположением вентиляционных отверстий. Изменение условий эксплуатации в результате загрязнения окружающей среды, попадающего на поверхность диска, может оказать существенное влияние на изменение коэффициента трения и, следовательно, эффективность торможения.

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее значимым фактором, определяющим значение коэффициента трения пары тормозных колодок и диска, является температура тормозного диска. В оцененном диапазоне изменчивости это вызвало изменение коэффициента трения до 15%.

2. Независимо от геометрии диска при увеличении скорости скольжения наблюдалось увеличение значения коэффициента трения. В диапазоне изменения скорости от 0,1 до 0,5 м / с изменение превысило 15%.

3. Геометрия тормозного диска может оказать существенное влияние на сохранение эффективности торможения в случае мокрых дисков. Установлено, что в этом случае различия значений коэффициента трения могут достигать 30%. Их геометрия также определяет стабильность коэффициента трения при изменении скорости скольжения. Это связано со способностью удаления воды из зоны контакта диска и колодки.

Использованные источники

[1] Yan HB Feng SS Yang XH Lu TJ 2015 Role of cross-drilled holes in enhanced cooling of ventilated brake discs, Appl. Therm. Eng. 91 318–333

[2] Szczypinski-Sala W Lubas J 2016 Evaluation the course of the vehicle braking process in case of hydraulic circuit malfunction IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Vol. 148, Nr 1

[3] Wach K 2016 The theoretical analysis of an instrument for linear and angular displacements of the steered wheel measuring IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Vol. 148, No 1.

[4] Belhocine A and Bouchetara M 2012 Thermal analysis of a solid brake disc Appl. Therm. Eng., vol. 32, p. pp 59–67

[5] Bouchetara M Belhocine A Nouby M Barton DC and Bakar A 2014 Thermal analysis of ventilated and full disc brake rotors with frictional heat generation, Appl. Comput. Mech., vol. 8, pp 5–24

[6] Kang SS and Cho SK 2012 Thermal deformation and stress analysis of disk brakes by finite element method, J. Mech. Sci. Technol. vol. 26, no. Issue 7, p. pp 2133–2137

[7] McPhee AD and Johnson DA 2008 Experimental heat transfer and flow analysis of a vented brake rotor,” Int. J. Therm. Sci. vol. 47, p. pp 458–467

[8] Jung SP Song HS Park TW Chung WS 2012 Numerical analysis of thermoelastic instability in disc brake system, Appl. Mech. Mater., vol. Volume 110, p. pp 2780–2785, 2012.

[9] Mosleh M Blau PJ and Dumitrescu D 2004 Characteristics and morphology of wear particles from laboratory testing of disk brake materials Wear, vol. 256, no. Issue 11–12, pp 1128–1134

[10] Limpert R 2009 Brake Design and Safety, Society of Automobile Engineers, Inc. Warrendale, USA, pp. 2–4, 66–67.

[11] Mew TD Kang KJ Kienhofer FW Kim T 2015 Transient thermal response of a highly porous ventilated brake disc, IMechE J. Automobile Eng. 229 (6) 674–683

[12] Eriksson M Jacobson S 2000 Tribological surfaces of organic brake pads Tribology International 33 pp 817–827

[13] Palmer E Mishra R Fieldhouse J Layfield J Analysis of Air Flow and Heat Dissipation from a High Performance GT Car Front Brake, SAE Technical Paper, No. 2008-01-0820

[14] Pevec M Potrc I Bombek G Vranesevic D 2012 Prediction of the cooling factors of a vehicle brake disc and its influence on the results of a thermal numerical simulation, Int. J. Automotive Technol. 13 (5) 725–733

[15] Lee K Numerical Prediction of Brake Fluid Temperature Rise During Braking and Heat Soaking, SAE Technical Paper, No. 1999-01-0483

[16] Ahmed I Leung PS Datta PK Experimental investigations of disc brake friction SAE Technical Paper, No. 2000-01-2778

[17] Cho MH Kim SJ Basch RH Fash JW Jang H 2003 Tribological study of gray cast iron with automotive brake linings: the effect of rotor microstructure, Tribol.Int. 36 (7) pp 537–545

[18] Anoop S Natarajan S Kumaresh BSP 2009 Analysis of factors influencing dry sliding wear behavior of Al/SiCp-brake pad tribosystem, Mater. Des. 30 (9) pp 3831–3838.

[19] Okamura T Yumoto H Fundamental Study on Thermal Behavior of Brake Discs, SAE Technical Paper, No. 2006-01-3203

[20] Mackin TJ at all 2002 Thermal cracking in disc brakes, Eng. Failure Anal. 9 (1) 63–76

[21] Belhocine A Bouchetara M 2012 Thermal behavior of full and ventilated disc brakes of vehicles, J. Mech. Sci. Technol. 26 (11) pp 3643–3652

[22] Eriksson M Bergman F Jacobson S 1999 Surface characteristic of brake pads after running under silent and squealing conditions Wear 232 pp 621–628.


The influence of cross-drilled brake disc geometry on the tribological performances of brake system
W Szczypinski-Sala, J Lubas


Авторизация
Забыли свой пароль?