Identifikacija termičkih naprezanja disk kočnice za različite radne parametre kočenja

Abstract

Termička naprezanja disk kočnica i njihov uticaj na efikasnost kočenja predstavljaju jedan od najvećih problema tokom eksploatacije vozila. U doktorskoj disertaciji objašnjen je najpre uzrok nastanka problema zagrevanja kočnica, kao i njegove posledice na funkcionisanje kočnog sistema, pa čak i na bezbednost saobraćaja. Rezultati ove doktorske disertacije ogledaju se u razvoju i realizaciji specifičnog probnog stola za ispitivanja termičkih naprezanja disk kočnica, koji je primenjen za dobijanje eksperimentalnih rezultata korišćenih u analizi uticaja radnih parametara kočenja na disk kočnice. Eksperimentalna ispitivanja disk kočnice su vršena po testovima koji su definisani u okviru doktorske disertacije. Prema razvijenim testovima izvršena su i ispitivanja, kao i utvrđivanje koja od nezavisno promenljivih (ulaznih) veličina, kao što su početna brzina simuliranog vozila, kočni pritisak i masa četvrtine vozila, ima najveći uticaj na izlazne parametre – temperaturu kočnog diska i kočnih pločica, kočni moment, koeficijent trenja i vreme zaustavljanja. U skladu sa napretkom tehnologije i numeričkih alata za rešavanja različitih inženjerskih problema, u doktorskoj disertaciji je primenjen softverski paket ANSYS, modul Transient Structural, u cilju razvoja modela za prikazivanje termičkog ponašanja disk kočnica. Izvršena je analiza termičkih naprezanja na virtuelnom modelu koji dimenziono i prema karakteristikama primenjenih materijala u potpunosti odgovara realnom modelu, pri čemu su granični uslovi bili isti kao u slučaju laboratorijskog eksperimenta. Analiza se koristi za određivanje odstupanja između rezultata eksperimentalnih i numeričkih ispitivanja, kao i za utvrđivanje da li se razvijeni numerički model može uspešno primenjivati za dalja istraživanja. Razvijeni model je imao odstupanja u dozvoljenim granicama, pa je korišćen za analizu još dve disk kočnice, koje su se razlikovale po konstrukciji rebara diska. Primenjeni oblici rebara kod kočnog diska su: radijalni, zakrivljeni i stubičasti. Danas se od kočnih diskova očekuje da odvedu što veću količinu toplote u okolinu, odnosno, da imaju sposobnost da omoguće dobro hlađenje u širokom opsegu brzina. Kroz analizu koja je izvršena u softverskom paketu ANSYS, ali pomoću modula Fluid Flow (Fluent), pokazano je da oblik rebara utiče u velikoj meri na rasipanje toplote, kao i da se kočni disk sa zakrivljenim rebrima najmanje zagreva. Rezultati analize pokazuju da kočni disk sa zakrivljenim rebrima omogućava da vazduh velikom brzinom prođe između rebara i da se na taj način velika količina toplote odvede u okolinu. U cilju predviđanja vrednosti temperature na najopterećenijem delu kočne pločice, razvijen je model za predikciju temperature kočnih pločica visoke tačnosti, u kome su varirani: masa vozila, brzina kretanja, kočni pritisak i vreme zaustavljanja. Rezultati ove doktorske disertacije, kao što su realizovani probni sto i numerički model, mogu poslužiti firmama koje se bave proizvodnjom kočnih diskova i kočnih pločica za predviđanje njihovog ponašanja u eksploataciji. Takođe, dobijeni eksperimentalni rezultati mogu se koristiti za kreiranje virtuelnih modela za ispitivanje disk kočnice. Virtuelni model razvijen za potrebe ove doktorske disertacije može se koristiti za razvoj/poboljšanje kočnog diska i kočnih pločica u cilju smanjenja troškova razvoja.

Thermal strains of disc brakes and their influences on the braking efficiency are representing one of the greatest problems during the vehicle exploitation. The cause of the brake heating problem is explained in PhD thesis, as well as its consequence on the braking system functionality, and even on the traffic safety. Results of this PhD thesis are reflected in the development and realization of the specific test rig for investigation of disc brake’s thermal stresses, which was applied to obtain experimental results used in the analysis of the influence of operating braking parameters on disc brakes. Experimental tests of the disc brake were performed according to the tests defined in the doctoral dissertation. According to the developed tests, various laboratory tests were performed, as well as determining which of the independently (input) variables, such as the initial speed of the simulated vehicle, braking pressure and vehicle mass quarter, has the greatest influence on the output parameters – temperature of the braking disc and braking pads, braking torque, friction coefficient and stopping time. In line with advances in technology and the numerical tools for solving various engineering problems, the ANSYS software package, Transient Structural module, was applied in PhD thesis in order to develop the model for the representation of disc brake’s thermal behaviour. The analysis on the thermal stresses was performed on a virtual model that dimensionally and according to the characteristics of the applied materials fully corresponds to the real model, and the boundary conditions were the same as in the case of the laboratory experiment. Such analysis is used to determine the discrepancies between the results obtained experimentally and numerically, as well as to determine whether the developed numerical model can be successfully applied for further research. The developed model had deviations within the allowed limits, so it was used for the analysis of two more disc brakes, which differed in the construction of the disc ribs. The rib shapes used in the brake disc are: radial, curved and pillar. Today, brake discs are expected to dissipate as much heat as possible into the environment, that is, to have the capability to provide better cooling for a wide range of speeds. Through the analysis performed in the ANSYS software package, using the Fluid Flow (Fluent) module, it has shown that the shape of the ribs greatly affects the heat dissipation, as well as that the brake disc with curved ribs heats up the least. Results of the analysis show that the brake disc with curved ribs provides to the air to pass with high speed between ribs, and in that way, the great amount of heat is dissipated into the environment. In order to predict the temperature values at the most loaded part of the brake pad, a model with high-accuracy prediction was developed, in which the following factors were varied: vehicle mass, moving speed, braking pressure, and stopping time. Results of this PhD thesis, such as the realized test rig and numerical model, can be used by companies engaged in the production of brake discs and brake pads, with the aim to predict their behaviour in the exploitation. Also, the obtained experimental results can be used to create of virtual models for disc brake’s testing. The virtual model developed for the purposes of this PhD thesis, can be used to develop/improve the brake disc and brake pads in order to reduce development costs.