Для эффективной работы тормозной системы, ее тормозные механизмы должны иметь тепловой режим во время процесса торможения в определенных пределах, не превышающих предельно допустимых. Поэтому, вопрос, рассматривающий снижение теплового режима тормозных механизмов во время торможения является наиболее актуальным при совершенствовании тормозных систем автомобилей для повышения безопасности дорожного движения. Как отмечается в работе А.И. Вольченко [16], тепловой режим барабанных тормозов современных автомобилей является достаточно напряженным (например, температура поверхности трения тормозов автомобилей ГАЗ-3301, ЗИЛ-131, ЗИЛ-431410, МАЗ-5335, КрАЗ-256Б часто превышает допустимое значение Т_ДОП = 250 °С). Необходимо в этом разделе рассмотреть основные параметры тормозных механизмов, влияющих на их тепловой режим, а также конструктивные меры по улучшению естественного теплоотвода от тормозных механизмов или введения принудительного охлаждения тормозов. Рассматривая в общем случае энергоемкость тормозного механизма Б.Б. Генбом отмечает, что она связана с влияющими на нее факторами следующей зависимостью [7]:

где rб радиус барабана, мм; в угол охвата тормозных накладок, рад; ? коэффициент неравномерности распределения давления по длине тормозной накладки; г угол несимметричности тормозной накладки, рад; b_Н ширина фрикционных накладок, мм;

А_УД1, А_УД2 удельные энергонагруженности самоприжимной и самоотжимной колодок; Gб вес тормозного барабана, кг; F_ОХЛ поверхность охлаждения тормозного барабана, мм; бТ коэффициент теплоотдачи от поверхности барабана, Вт/м2К; µ/i (t) зависимость измерителя фрикционной теплостойкости накладок от температуры поверхности трения. Влияние коэффициента теплоотдачи. В связи с тенденцией к уменьшению размеров шин уменьшается пространство, в котором можно поместить колесный тормозной механизм. Это обстоятельство, а также рост энергонагруженности тормозных механизмов обусловливает необходимость интенсификации отвода генерируемого тепла путем увеличения поверхности охлаждения и коэффициента теплоотдачи. Большое значение имеет также обеспечение возможно меньшей разницы между соотношениями параметров, которые определяют условия отвода тепла от тормозных механизмов колес разных осей, и отношениями удельных энергонагруженностей [7].

где щ скорость воздуха, м/с; t_В, t_П, температуры воздуха и охлаждаемой поверхности соответственно, ⁰С; Ф параметр, характеризующий форму поверхности охлаждения; l₁, l ₂,l ₃ -параметры, определяющие размеры поверхности охлаждения, м.

В связи с многочисленностью факторов, влияющих на бТ, достоверных данных о значении этого параметра для тормозных механизмов в настоящее время нет.

Схема решения задачи об определении коэффициента теплоотдачи при наличии опытных кривых изменения температуры поверхности трения при нагревании и охлаждении была приведена в работе Генбома Б.Б. [8]. Исследования, проведенные на моделях тормозных барабанов автобуса ЛАЗ695Е, показали, что в общем случае имеет место отвод тепла, как от наружной площади, так и от внутренней поверхностей трения. Однако при торможении (генерировании тепла) теплоотдача от внутренней поверхности незначительна и, с достаточной степенью точности ею можно пренебречь.

После оттормаживания теплоотдача от внутренней поверхности начинает оказывать существенное влияние на количество отводимого тепла, и, следовательно, на температуры пар трения в каждый данный момент времени. Полученные значения коэффициентов теплоотдачи приведены в табл. 2.1. Это обстоятельство должно учитываться при решении вопросов, связанных с дефлектированием

Таблица 2.1

Коэффициенты теплоотдачи от наружной и внутренней поверхностей барабана

Важно отметить, что на величину а_Т значительное влияние оказывает скорость набегающего потока воздуха. Это обстоятельство также должно учитываться при решении вопросов, связанных с дефлектированием.

Из работы советского ученого Э.Н. Никульникова [9] следует обратить внимание на исследования, показывающие зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости движения автомобиля (рис. 2.1).

Кривые (1) характеризуют изменение коэффициента теплоотдачи тормозного механизма грузового автомобиля при следующих отношениях наружного диаметра тормозного барабана к внутреннему его диаметру: d/d_n = 1.1 (кривая 1а); d/d_n = 1,2 (кривая I б).

Кривые (3) иллюстрируют зависимость коэффициента теплоотдачи серийного (3и) и опытного (3к) тормозных механизмов переднего моста грузового автомобиля от скорости движения.

Следует отметить, что в диапазоне от 268...308 К, значения коэффициента теплоотдачи изменяются в узких пределах от 73.78 Вт/м²К. Следовательно, можно предположить, что влияние окружающей среды на процессы охлаждения и нагрева тормозных механизмов при некоторых условиях будет незначительным.

Рисунок 2.1 Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости движения и температуры окружающей среды: I - при значениях t_В = 293 К; 2 - при значениях t_В (в = 313 К, г = 293 К, д = 273 К, е = 253 К, ж = 233 К); 3 - при значениях t_В = 279 К.

Большое влияние на коэффициент теплоотдачи оказывает оребрение тормозных барабанов.

В табл. 2.2 приведены параметры барабанов, а в табл. 2.3 - значения коэффициентов теплоотдачи (тип испытаний 0 осуществлялся со скоростью набегающего воздушного потока 0 м/с, тип испытаний II - 11 м/c).

Сопоставление полученных значений бТ позволяет констатировать следующее:

1) оребрение значительно снижает как температуру поверхностей трения в конце испытаний типа II, так и время охлаждения;

2) наличие набегающего потока воздуха значительно увеличивает коэффициент теплоотдачи, в связи с чем задача рационального дефлектирования является весьма актуальной;

3) при отсутствии набегающего потока воздуха более эффективно поперечное оребрение, что можно объяснить вентиляционным эффектом, создаваемым ребрами такого расположения [7].

Таблица 2.2

Параметры тормозных барабанов

Таблица 2.3

Коэффициенты теплоотдачи при различном расположении ребер и разных скоростях набегающего потока воздуха

Если количество генерируемого тепла Q, Дж, фиксировано, то влияние а_Т на температуру поверхности трения зависит от времени, в течение которого генерируется тепло и, следовательно, от величины теплового

Если количество генерируемого тепла Q, Дж, фиксировано, то влияние бТ на температуру поверхности трения зависит от времени, в течение которого генерируется тепло и, следовательно, от величины теплового потока. При Q = const по мере увеличения времени подвода тепла влияние бТ и F_ОХЛ на температуру поверхности трения возрастает. Параметром, определяющим условия охлаждения, является произведение бТ F_ОХЛ. За счет оребрения и увеличения скорости набегающего потока воздуха отношение бТF_ОХЛ можно увеличить в три с половиной, четыре раза по сравнению с номинальным значением. Поэтому представляет интерес вопрос о степени увеличения допустимых тормозных мощностей при изменении бТ F_ОХЛ в пределах (бТ F_ОХЛ)Н до 4(бТ F_ОХЛ)Н.

Приведенные выше данные не дают полного представления о влиянии охлаждения на надежность тормозных механизмов и тормозной системы в целом. Из рассмотрения кривых (не показаны) изменения средних температур поверхностей трения тормозных механизмов автобуса ЛАЗ-695Е при эксплуатации в горных условиях следует, что в ряде случаев торможение на спусках начинается при температуре поверхностей трения, превышающей 200°С, то есть в условиях пониженной эффективности тормозных механизмов. Это объясняется тем, что во время движения по относительно горизонтальным участкам дороги и преодоления подъемов тормозные механизмы не успевают рассеять аккумулированное тепло. Интенсификация охлаждения обеспечивает увеличение скорости рассеивания аккумулированного тепла и, следовательно, повышение надежности тормозной системы [7]. Следует отметить необходимость обеспечения примерно одинаковых условий отвода генерируемого тепла от тормозных механизмов колес разных осей. Если это требование не выполняется, то в условиях высокой, но одинаковой удельной энергонагруженности температурные режимы тормозных механизмов передних и задних колес могут существенно различаться. Влияние ширины пояса трения.

Проведенный анализ в работе Генбома Б.Б. [7] показал, что для тормозных барабанов с радиусом поверхности трения 200…210 мм зависимость веса от ширины пояса трения близка к линейной. Это позволяет задать гамму значений ширины пояса трения и на основании результатов моделирования получить диаграмму, с помощью которой представляется возможным: а) определить температуру поверхности трения при различных значениях теплового потока, веса барабана, ширины пояса трения и параметров, определяющих условия теплоотдачи; б) найти необходимую ширину пояса трения из условия, что при данных значениях тормозной мощности (теплового потока) и параметров, определяющих условия теплоотдачи, температура поверхностей трения не должна превышать критического значения.

Такие диаграммы позволят выбирать параметры тормозных механизмов с учетом требований к энергоемкости. Влияние угла охвата. Уменьшение угла охвата в при небольшой положительной несимметричности г накладки обеспечивает заметное снижение чувствительности тормозного механизма к изменению коэффициента трения, а также к колебаниям величины и положения действительной зоны контакта. Естественно, что уменьшение в и смещение накладки к опоре колодки с целью получения положительной несимметричности допустимы только в том случае, если это не вызывает заметного увеличения максимальной температуры и коэффициента неравномерности распределения температур, вычисляемого из выражения [7]:

где Кt - коэффициент неравномерности распределения температур; tmax, tmin, t_СР - соответственно максимальное, минимальное и среднее значение температур тормозных механизмов, 0С. Исследования, проведенные на модели заднего тормозного механизма автобуса ЛАЗ-695Е, показали, что влияние в и г на tmax и Kt зависит от закона распределения давлений p. Если р = const, то по мере уменьшения угла охвата максимальная температура сначала изменяется сравнительно мало (сказывается влияние уменьшения коэффициента перекрытия), а затем растет по закону, близкому к линейному [7]. В случае, когда г = 0 и р = рmax sinб (угол б см. рис. 2.2) изменение угла охвата до 95…100° не вызывает заметного изменения максимальной температуры.

Рисунок 2.2 - Расчетные схемы для колодок (верхняя) и тормоза (нижняя)

Дальнейшее же уменьшение в приводит к прогрессирующему росту tmax. Важно отметить, что при синусоидальном законе распределения давлений по мере уменьшения в уменьшается коэффициент неравномерности распределения температур Кt .

Большое влияние на Kt оказывает угол несимметричности накладки г. По мере роста г, наблюдается увеличение Kt . Однако, если г ?15°, то увеличение Kt сравнительно невелико [7].

Таким образом, можно считать, что уменьшение угла охвата до 100…105° при положительной несимметричности в пределах 10…15° не вызывает заметного изменения температурного режима работы пары трения. Поэтому указанный выше путь повышения стабильности и эффективности тормозного механизма можно считать приемлемым. Влияние веса барабана. Как видно из [7] (рис. 2.3), по мере увеличения веса барабана температура, tmax, тормозного механизма в конце 12-минутного режима испытаний уменьшается, а время достижения критической tкрmin, температуры растет.

Рисунок 2.3 - Влияние веса барабана на температуру поверхностей трения в конце 12-минутного режима (1)и время достижения критической температуры (2)

Следует, однако, отметить, что на надежность тормозной системы автомобилей, эксплуатирующихся в горных условиях или в городах с интенсивным уличным движением, значительное влияние оказывает время рассеивания аккумулированного тепла. Чем больше это время, тем выше температура поверхности трения к моменту возникновения необходимости торможения и тем, следовательно, больше вероятность снижения эффективности. Установлено, что увеличение веса барабана обусловливает заметное увеличение времени охлаждения внутренней поверхности. Это объясняется увеличением количества аккумулируемого тепла при практически неизменных условиях его отвода. Поэтому одновременно с повышением теплоаккумулирующей способности тормозных барабанов необходимо увеличивать их теплорассеивающую способность [7].

Оценка использования номинальной энергоемкости. Энергоемкость тормозной системы используется полностью, если температуры поверхностей трения всех тормозных механизмов одновременно достигают критического значения. В случае, когда удельные энергонагруженности тормозных механизмов неодинаковы, энергия T_ТСД, которая будет преобразована в тепло к моменту увеличения температур поверхностей трения перегруженных тормозных механизмов до критического значения, будет меньше номинальной E_ТСН. Отношение T_ТСД / E_ТСН определит коэффициент использования номинальной энергоемкости КЕ. Определено, что повышение КЕ путем обеспечения равенства коэффициентов распределения суммарной тормозной силы и суммарной площади фрикционных накладок является актуальной задачей. Решение этой задачи обеспечивает повышение действительной энергоемкости и надежности тормозных систем [7]. Как сказано в работе А.И. Вольченко [6], обтекание рабочих поверхностей тормозных устройств осуществляется в результате изменения удельных объемов холодного и нагретого потоков циркулирующего воздуха. В табл. 2.4 приведена характеристика воздушного вида охлаждения, в котором используется естественная, приточная или вытяжная вентиляция. Вытяжная система вентиляции не нашла применения, поскольку требует установки дополнительного откачивающего компрессора с трубопроводами от элементов тормозных устройств. Системы и устройства воздушного типа работают по разомкнутому циклу, т. е. повторного использования охлаждающего агента, который непосредственно обтекает трущиеся поверхности тормоза и обеспечивает их общее охлаждение [6]. Наиболее характерные конструкции усовершенствований элементов барабанно-колодочных тормозов отечественных и зарубежных аналогов, которые показаны в указанной работе А.И. Вольченко, направленных на интенсификацию их естественного охлаждения, можно классифицировать изложенными ниже конструктивными решениями. Мероприятия, направленные на интенсификацию естественного охлаждения: выполнение отверстий в барабане, оребрение барабанов, установка теплопроводных медных ребер в обод тормозного барабана. В частности, только увеличением площади вентиляционных отверстий и оребрением барабанов (на барабане заднего тормозного механизма автомобиля ЗИЛ было поставлено 20 ребер прямоугольного сечения размером 60Х8Х44 мм) удалось снизить установившуюся температуру поверхности трения барабанов на 47%. Однако в настоящее время на ободе тормозного барабана ребра применяются в основном для повышения его жесткости.

Таблица 2.4

Характеристика охлаждения фрикционных пар тормозных устройств

Влияние конфигурации наружной поверхности обода тормозного барабана и скорости воздуха, обтекающего эти поверхности, на температурный режим тормозного механизма исследовалось в работе В.Н. Кобылянского [10]. Результаты стендовых испытаний тормозных барабанов с применением метода злектромоделирования позволили автору работы сделать следующие выводы. Оребрение барабанов и улучшение условий их обтекания воздухом повышает энергоемкость тормозных механизмов на 30...40%; более эффективными являются ребра, расположенные на образующей барабана; увеличивать массу барабана необходимо с таким расчетом, чтобы время охлаждения оставалось практически неизменным. Однако при этом не учитывалось следующее: оребренные барабаны должны быть защищены от попадания на них пыли и грязи, так как в противном случае отвод тепла от них будет значительно снижен; ребра, расположенные по образующей барабана, обеспечивают его эффективное охлаждение только при угле их наклона 36° [6], а в остальных случаях наблюдается либо частичное захватывание встречного потока воздуха, либо его рассекание. Изготовление тормозных накладок с вентилирующими канавками. Установка центробежных вентиляторов в тормозной механизм или выполнение ребер внутри тормозного барабана, который будет работать как центробежный вентилятор. Упрочнение элементов тормозного механизма, что приведет к устранению их деформаций и тепловой составляющей нагруженности. Подвод охлаждающего агента во внутреннюю полость тормозных колодок . Совершенствование механизма, автоматически регулирующего зазор между тормозным барабаном и тормозными колодками. Из работы Э.Н Никульникова [9] известно, что барабанный тормозной механизм имеет значительную степень тепловой нагруженности из-за плохой работы механизма, автоматически регулирующего зазор между тормозным барабаном и тормозными колодками. Этот механизм плохо отходит на свое место после процесса торможения, что создает процесс подтормаживания. Подача сжатого воздуха между тормозным барабаном и тормозными колодками.

В работе А.И. Вольченко [6] рассмотрен тормоз автобуса ЛАЗ-695Е с системой принудительного воздушного охлаждения сжатым воздухом, подаваемым непосредственно в зоны трения фрикционных пар по окончании процесса торможения (выделено автором) (рис. 2.4).

Механизм состоит из тормозного барабана 1, колодок 3, фрикционных накладок 2, тормозного щита 7 со смонтированными на нем тройником 6 и соединительными трубопроводами 5, а также сопл 4, встроенных в колодки и подводящих сжатый воздух через отверстия в фрикционных накладках непосредственно в зону трения.

Рисунок 2.4 - Тормоз автобуса ЛАЗ-695Е с системой принудительного охлаждения

Пневмосистема автобуса подает сжатый воздух в тройники 6 тормозных механизмов после завершения процесса торможения, после закрывания дверей, а также в случаях, когда давление в пневмосистеме превышает допустимое значение. Подобная система разработана и для охлаждения тормозов средней и задней осей автомобиля КрАЗ-25551 6х6.

Наиболее характерные конструкции усовершенствований элементов дискового тормозного механизма, направленных на интенсификацию их естественного охлаждения, можно классифицировать следующим образом:

1) В дисково-колодочных тормозах применяют сплошные несамовентилирующиеся и самовентилирующиеся диски с развитой системой вентиляционных каналов в их теле между поверхностями трения. Использование радиальных вентиляционных каналов позволяет снизить температуру рабочей зоны пары трения на 30 % и более. Из работы В.Н. Федосеева [11] установлено, что при средних частотах вращения диска со спиральными каналами на их поверхности приходится до 30 % суммарной теплоотдачи. При высоких частотах вращения до 60%. Для создания воздушного турбулентного потока в вентиляционных каналах, их стенки выполняют по криволинейным образующим, а сами каналы пересекаются, образуя участки местных сопротивлений воздушных потоков.

Для повышения эффективности самовентиляции диска при его реверсивном вращении вентиляционные каналы образуют двумя группами криволинейных ребер, одна из которых эффективна при вращении диска по часовой стрелке, а другая при вращении в противоположном направлении.

2) К факторам, от которых зависит энергои термонагруженность дисковых тормозных механизмов, относятся также размеры шин, ободьев, расстояние между ободом и поверхностью охлаждения тормозного механизма, дорожный просвет под днищем автомобиля, передние и задние углы свеса, выполнение фартуков с воздухозаборниками подающими воздух к тормозным дискам. Рассматривая вопрос о повышении работоспособности и ресурса пары трении «тормозной диск колодка», Д.А. Болдырев отмечает [11] ряд важных закономерностей. А именно представленные далее тезисы в качестве обобщений. Износостойкости опытных тормозных дисков с повышенным содержанием серы в чугуне 0,12 % по результатам стендовых испытаний на 30% выше, чем серийных дисков с содержанием серы до 0,03%.Уменьшение износа опытных тормозных дисков привело к пропорциональному уменьшению разнотолщинности дисков. Повышенное содержание серы 0,12% в чугуне опытных дисков привело к уменьшению износа колодок на 10...12% при незначительном влиянии на фрикционные характеристики (снижения коэффициента трения не получено). Обнаружено, что повышение содержания молибдена до 0,6 и титана до 0,02 % гарантированно увеличивает износостойкость серого чугуна. Тот же результат дают добавки марганца и хрома. Для снижения уровня остаточных литейных напряжений в заготовках тормозных дисков нужно подобрать наиболее благоприятный с этой точки зрения режим отжига. В результате был принят следующий вариант: отжиг при температуре 853 К (580 °С) в течение 2 ч, снимающий остаточные литейные напряжения в отливке без уменьшения твердости материала, и точение в качестве финишной операции механической обработки

2.2 Особенность влияния температуры воздуха на элементы тормозной системы грузовых автомобилей