Как определить деформацию тормозного диска


Как проверить тормозные диски на биение, на кривизну

Чем дольше эксплуатируется автомобиль, тем больше возникает проблем у автовладельца из-за вышедших из строя узлов и деталей. В таких случаях нельзя медлить и попытаться сразу найти причину появившихся неприятностей, особенно, если это касается тормозной системы автомашины. Если вовремя не обратить внимания на вибрацию и биение тормозных дисков, то можно остаться без автомобиля в прямом смысле слова, подвергнув не только свою жизнь серьезной опасности, но и других участников дорожного движения.

Сильная вибрация и биение являются следствием неверной балансировки колес или преждевременного износа материала шин, выхода из строя элементов подвески авто или рабочей поверхности дисков тормозной системы. Поэтому рекомендуется во избежание неприятностей периодически производить проверку тормозных дисков.

Причины возникновения биения и его коррекция

Наиболее вероятные причины возникновения биения в случае торможения автотранспортного средства являются:

  • износ и незначительная деформация поверхности тормозного диска;
  • нарушение работы ходовой автомобиля;
  • не полностью закрученные гайки колеса;
  • деформирование диска колеса;
  • возникновение грыжи на покрышке.

Как проверить на биение тормозной диск авто и устранить его своими руками?

  1. Тормозной суппорт не разбирая снимают и фиксируют его проволокой.
  2. Тормозной диск наживляют при помощи гаек ступицы.
  3. Устанавливают прибор на расстоянии 5 мм от края тормозного диска и выполняют измерения.

Значение не должно превышать: для переднего колеса – 0,06 мм, заднего – 0,08 мм..

При наличии результата замеров выше предельно-допустимых, следует выполнить настройку (коррекцию) в следующем порядке:

  • в том месте, в котором биение слышится более отчетливо, ставят мелом отметины на ступицу;

  • снимают диск и с помощью часового индикатора замеряют люфт, двигая ступицу в осевом направлении. Работа считается законченной, если люфт будет отсутствовать. В случае обнаружения люфта колесную ступицу демонтируют для дальнейшей проверки и с ней поворотный кулак;
  • далее изменяют положение тормозного диска и приступают к замерам биения.

Бывает, что биение не проходит и после изменения положения тормозного диска. В этом случае выход один – установка нового тормозного диска.

Совет. После замены старого тормозного диска на новый узел нужно его отшлифовать на авто при помощи специального токарного станка. Если этого не сделать, то со временем может появиться вибрация и на новом диске.

Работы по шлифовке поверхности нового диска нужно выполнять очень внимательно. Для этого на резьбовые шпильки нужно поставить шайбы М12 с переходниками. Шайбы не дадут деформироваться диску во время шлифовки, если она будет производиться некачественно. Все гайки должны быть туго затянуты по диагонали.

Прежде, чем делать какие-либо выводы нужно выполнить некоторые мероприятия и определиться, что послужило началу биения тормозных дисков.

Предмет осмотраПричины возникновения
Наличие повреждений на поверхности диска в виде царапин и ржавчины, а также влажность фрикционных накладок и их износ Наличие ржавчины на диске может быть вызвано долгим простоем автомобиля. Это может служить причиной появления шума и вибрации в дальнейшем. Если микро канавки и царапины не зашлифованы при первоначальной установке, то это приводит к наличию влаги между колодкой и диском. Со временен это проходит по мере приработки двух соприкасающихся поверхностей.
Биение колеса при торможенииТормозные диски начинают бить по поршням тормозных цилиндров, в связи с чем увеличивается нажатие на педаль тормоза.
Изменение толщиныКачающаяся педаль означает значительное изменение толщины диска.
ДеформированиеНеправильная эксплуатация тормозной системы при движении автомобиля служит к возникновению перегрева диска, его прогибания и искривления.

Определение толщины диска

Измерение толщины тормозного диска выполняют следующим образом:

  1. Отмечают на диске 8 точек по окружности, в которых будут выполняться замеры.
  2. Микрометром получают необходимые значения. Для передних колес нормативный показатель должен быть в пределах 24,4 – 26,0 мм, для задних – 8,4 – 10 мм.

Кривизна тормозных дисков и как решить эту проблему

Такое явление возникает из-за перегрева поверхности материала диска. Это вызвано плохой эксплуатацией автомобиля: длительное и сильное торможение авто, а также частая езда по городу в плотном потоке автотранспортных средств. При проезде машины через водные преграды при перегретом тормозном диске, он начинает быстро охлаждаться и появляется искривление самого диска.

Если диски еще сильно не изношены, то поправить ситуацию сможет квалифицированный токарь.

Однако, после такой обработки значительная часть металлической поверхности снимется, что влечет за собой быстрый износ детали. Есть еще способ избежать токарных работ – приобрести диски, бывшие в употреблении, но такой вариант может не принести гарантированного эффекта. Наиболее действенный метод в исправлении кривизны заключается в покупке совершенно новых деталей с последующей заменой, а выполнить работу своими руками не составит особой сложности.

Выбирать изделие нужно в зависимости от силового агрегата автомобиля, поскольку они отличаются по размеру друг от друга.

Как проверить дисковые тормоза

  1. Дом и сад
  2. Ремонт автомобилей
  3. Тормоза и подшипники
  4. Как проверить дисковые тормоза

Деанна Склар

Вы должны проверять дисковые тормоза и накладки дисковых тормозов каждые 10 000 миль - чаще, если тормоза внезапно начинают визжать или тянутся в сторону, или если педаль тормоза трепещет, когда вы наступаете на нее. Не путайте дрожание с нормальной пульсацией тормозов с АБС, когда они срабатывают при аварийной остановке.Сегодня большинство автомобилей оснащено дисковыми тормозами на все четыре колеса. У других дисковые тормоза на передних колесах и барабанные тормоза на задних колесах.

Когда вы проверяете свои дисковые тормоза, измерьте толщину накладок на колодках, чтобы определить, сильно ли изношены накладки на тормозах. Если прокладка вниз к толщине стальной опорной пластины, прокладки должны быть заменены.

Чтобы проверить дисковые тормоза, выполните следующие действия:

  1. Поднимите автомобиль и снимите переднее колесо.

    В целях безопасности используйте колесные блоки.

  2. Посмотрите на тормозной диск (также называемый ротором), но не пытайтесь снять его с автомобиля.

    Проверьте свои дисковые тормоза.

    Перед снятием тормозного диска необходимо снять суппорт тормоза, и хорошая новость заключается в том, что в этом нет необходимости. Если вы работаете в одиночку, просто проверьте видимую часть диска на предмет сильной ржавчины, задиров и неравномерного износа. Ржавчина обычно безвредна, если только автомобиль не простаивает долгое время и ржавчина действительно не образовалась.Если ваш диск имеет плохие царапины или изношен неравномерно, попросите профессионала определить, можно ли его переточить или заменить.

  3. Осмотрите тормозной суппорт (компонент, закрывающий обзор всего тормозного диска).

    Будьте осторожны. Если автомобиль недавно управлялся, суппорт будет горячим. Если он холодный на ощупь, возьмите его и осторожно встряхните, чтобы убедиться, что он не закреплен неплотно и крепежные детали не изношены.

  4. Посмотрите через смотровое отверстие в пылезащитном кожухе на суппорте и посмотрите на тормозные колодки внутри.

    Если накладки на тормозных колодках выглядят намного тоньше новых, которые вы видели в магазине запасных частей или в дилерском отделе запчастей, их, вероятно, необходимо заменить. Если накладки изношены до металлических колодок, диск, вероятно, придется переточить или заменить.

  5. Замените колесо, гайки крепления и колпак ступицы и опустите автомобиль на землю.

    Если кажется, что диск и колодки в хорошем состоянии, а педаль тормоза не дрожит, когда вы на нее наступаете, больше ничего делать не нужно.

Замена футеровки, обслуживание суппортов и шлифовка дисков должны выполняться профессионалом, если только вы не выполняете работу под наблюдением в автомобильном классе.

.

Моделирование закона трения и износа тормозных колодок в мощных дисковых тормозах

Для серьезного и неравномерного износа тормозных колодок в мощных дисковых тормозах во время торможения, динамических колебаний тормозного диска и тормозных колодок переменная интерфейса учитывается, модель расчета износа создается на основе механизма трения и износа, а глубина износа и объем тормозной колодки могут быть рассчитаны с помощью уравнений. Модель конечных элементов тормозного диска и тормозной колодки создается с помощью программного обеспечения DEFORM, которое может непосредственно анализировать износ тормозных колодок.Изучена тенденция изменения износа при торможении и проанализировано влияние тормозной нагрузки и начальной скорости торможения на износ. Результаты показывают, что степень износа быстро увеличивается на ранней стадии износа при торможении и становится медленной на более поздней стадии; износ тормозной колодки значительный на входе и выходе трения, а средняя область тормозной колодки слегка изношена; большая тормозная нагрузка и высокая начальная скорость торможения могут усугубить износ тормозных колодок.

1.Введение

Дисковые тормоза широко используются в самолетах, автомобилях, кранах, ветряных турбинах и другом механическом оборудовании и являются важным компонентом, обеспечивающим безопасность эксплуатации машины. Благодаря преимуществам стабильного торможения и большого крутящего момента дисковый тормоз стал одним из самых передовых тормозных устройств. В условиях экстренного торможения большой мощности дисковый тормоз используется для остановки высокоскоростного тормозного диска с большой нагрузкой. Во время всего процесса торможения большое количество теплоты трения генерируется эффектом трения тормозного диска и колодки, что приводит к потере тепла и тепловому повреждению тормозной колодки [1].Небольшая часть теплоты трения сохраняется во фрикционном материале в виде внутренней энергии. Из-за неравномерного распределения большого количества тепла на тормозной колодке может произойти деформация и износ материала. Теплота трения вызывает локализованную высокую температуру контактной поверхности и неравномерную термическую деформацию тормозной колодки. Это приводит к неравномерному распределению контактного напряжения между тормозным диском и колодкой. Из-за снижения эффективности торможения, соответствующего изменению степени износа тормозного диска и колодки, анализ трения и износа мощных дисковых тормозов стал предметом исследований во всем мире.

Тепло от трения распределяется неравномерно из-за различных причин, таких как тепловое расширение и геометрические дефекты. Хорошо известно, что термоупругая деформация влияет на распределение контактных напряжений и приводит к термоупругой нестабильности или к тому, что контактное напряжение концентрируется в одной или нескольких небольших областях на поверхности тормозного диска. Эти области затем получают очень высокие температуры с низкочастотной вибрацией. Изменение толщины диска будет способствовать локализованному контакту. Неравномерный контакт также может быть вызван боковым биением диска.Ли и др. исследовали влияние различных условий контакта на характеристики нагрева и вибрацию дискового тормоза. Базовый фрикционный материал, использованный в исследовании, был модифицирован на основе теории термоупругой неустойчивости и динамометрических испытаний [2]. Затем были разработаны численные методы для характеристики проблемы контактной температуры композитных материалов, и распределение температуры контакта между реальными поверхностями композит-сталь могло быть оценено в скользящем контакте [3].Поэтому некоторые исследователи изучили модели конечных элементов для изучения теплоты трения дискового тормоза, чтобы получить распределение температуры, а также тепловые и остаточные напряжения [4–6].

На образование тепла трения влияют условия торможения, определяемые параметрами торможения. Параметры торможения имеют большое влияние на износ. Евтушенко и др. исследовано численное моделирование нагрева трением в дисковом тормозе типового легкового автомобиля на основе уравнения движения и краевой задачи теплопроводности.Исследовано влияние температурного коэффициента трения на параметры торможения [7]. Сергиенко и др. исследована безразмерная тепловая задача для пары трения многодискового тормоза в условиях линейного уменьшения силы трения дисков во времени. Экспериментально и теоретически исследовано тепловое состояние пар трения многодискового тормоза в нагрузочно-скоростных условиях трения дисков, имитирующих рабочее торможение колесного трактора [8]. Учитывая начальное уменьшение и последующее увеличение сил трения с увеличением относительной скорости, Kaliyannan et al.рассмотрена модель трения с отрицательным градиентом и получены приближенные аналитические выражения для амплитуд и базовых частот фаз колебаний при скачкообразном и чистом скольжении, вызванных трением [9]. Лю и др. предложил метод итерационного интегрирования для анализа параметрических нестабильностей и сравнил его с известным численным методом. Выявлено влияние коэффициента трения, эффекта изгиба, коэффициента контакта и модального демпфирования на границы устойчивости [10]. Rezaei et al. применили метод адаптивного моделирования износа для изучения процесса износа радиальных подшипников скольжения, контактирующих с вращающимся валом.

В разработанном алгоритме процессора износа повторное зацепление производилось не только на контактных элементах, но и на их соседних элементах. Моделирование также продемонстрировало, как контактное давление изменялось в процессе износа и как зазор влиял на это изменение [11]. Bortoleto et al. представили расчетное исследование, основанное на линейном законе изнашивания Арчарда и моделировании методом конечных элементов (МКЭ), с целью анализа износа при скольжении без смазки, наблюдаемого в типичных испытаниях «палец на диске».Такое моделирование было разработано с использованием программного обеспечения ABAQUS с трехмерной деформируемой геометрией и поведением упругопластических материалов для контактных поверхностей. Проведено сравнение численных и экспериментальных результатов по скорости изнашивания и коэффициента трения. При численном моделировании было проанализировано распределение поля напряжений и изменения профиля поверхности по изношенной дорожке диска [12]. Lamjahdy et al. измерили скорость эрозии тормозного диска и колодки в зависимости от изменений температуры и деформации, выполнив эксперименты и моделируя при различных скоростях и условиях нагрузки.Были исследованы взаимосвязи между скоростью эрозии и температурными изменениями для различных скоростей тормозного диска и условий нагрузки [13]. Baldari et al. исследовал метод численного моделирования тепловой нагрузки, контактного напряжения и износа сцепления между тормозным диском и колодкой. При этом моделировалось поведение износа тормозной колодки как в условиях сопряженного механического торможения, так и в условиях аварийного торможения [14]. Zhang et al. основали свое исследование на испытании на износ штифт-диск и методе последовательной связи термического напряжения-износа с учетом влияния температуры на материал пары трения, полученного в процессе эволюции температурного поля, поля напряжений и величины износа [15].

Для исследования трения и износа тормозного диска и колодки были использованы математические уравнения для расчета глубины износа. Поскольку изменение элементов материалов в программном обеспечении конечных элементов трудно достичь, существует определенное ограничение на расчет глубины износа и выражения профиля износа с помощью программного обеспечения ANSYS и ABAQUS. Однако в этой статье глубина износа рассчитывается с учетом факторов, влияющих на износ. На основе трибологического принципа мощного дискового тормоза исследованы характеристики трения и износа тормозных колодок в условиях высоких скоростей и высоких нагрузок, а также проанализировано влияние параметров торможения на износ тормозных колодок.

2. Анализ механизма трения и износа тормозных колодок

Износ тормозных колодок - это материальный ущерб, который проявляется на поверхностном слое и подповерхностном слое из-за эффекта термомеханического сцепления контактной поверхности пары трения тормоза. . По сути, это сложный процесс динамического изменения, как показано на Рисунке 1. Из-за большой разницы в твердости тормозного диска и колодки, а также из-за влияния твердых частиц третьего тела в контактном зазоре, главным типом износа является абразивный износ. .Абразивный износ может возникнуть из-за проникновения и вспашки материала, образующего поверхность твердых частиц тормозного диска. Между тем адгезионный износ происходит в высокотемпературных областях. Адгезионный износ возникает в начальной точке процесса износа, развивающегося между двумя совпадающими поверхностями трения. И процесс изнашивания нельзя в целом охарактеризовать одним типом события, за исключением, возможно, случая постоянного сильного износа [16].


Абразивный износ тормозных колодок проявляется в основном как «эффект вспашки».Крупные твердые частицы или микровыступы проникают и царапают материал тормозных колодок; На поверхности образуются следы износа и абразивная пыль. Твердые частицы прижимаются к контактной поверхности пары трения под нагрузкой, вызывающей вмятину, что увеличивает шероховатость поверхности пары трения, так что контактный пик микровыступа с большей вероятностью образует точку соединения, а адгезионный износ тормозная колодка происходит. Особенно в условиях высоких скоростей и высоких нагрузок, из-за большой пластической деформации пика контакта и высокой температуры поверхности, явления сдвига в точке соединения разрушения вызваны относительным скольжением поверхности пары трения тормоза.Часть осыпающихся материалов становится абразивной пылью; другие мигрируют с поверхности тормоза на поверхность диска и изнашиваются постоянно.

3. Математическая модель износа тормозных колодок
3.1. Расчетная модель износа тормозных колодок

Из-за выдавливания и трения в паре трения на высоких скоростях и в условиях высоких нагрузок возникает высокая температура, а также происходит серьезный износ фрикционного контакта. В 1953 г. классическая теория износа Арчарда была предложена Дж. Арчардом [17].Уравнение расчета выглядит следующим образом: где V - объем износа; P - нормальная сила контактной поверхности; L - относительное расстояние скольжения; H - твердость материала; K - безразмерный коэффициент износа. Когда приращение времени бесконечно мало, как d t , (1) может быть расширено до дифференциальной формы: где d V - мгновенное приращение объема износа, d L - мгновенное расстояние скольжения и мгновенное нормальное контактное усилие интерфейса.Предполагая, что приращение глубины износа на площади Δ A микроэлемента составляет d h в момент времени d t , мгновенное приращение объема износа может быть выражено как где - площадь контакта тормозного диска и колодки.

Подставив (3) в (2), это можно выразить как где - контактное давление на площади контактного микроэлемента Δ A ,. Поскольку относительное расстояние скольжения является интегралом скорости от времени t , (4) может быть переписано как где независимые переменные и теоретический расчет обычно постоянны.

Однако в реальных условиях торможения на высокой скорости и под большой нагрузкой контактная поверхность любой пары трения является шероховатой. Фактическая площадь контакта связана с микроморфологией контактной поверхности. Величина напряжения каждого узла на контактной поверхности тесно связана с глубиной износа и состоянием износа контактной поверхности. Величина напряжения изменяется с изменением глубины износа каждого узла на контактной поверхности, что приводит к изменению степени износа контактной поверхности. Точно так же высокая скорость усиливает трение контактной пары, и генерируется большое количество теплоты трения, и структура фрикционного материала изменяется, а также твердость.Связь между твердостью и температурой материала следующая [18]: где - постоянная, а - температура контакта.

На износ влияет твердость фрикционного материала, а изменение температуры может повлиять на твердость фрикционного материала. Изменение температуры является важным фактором, особенно в условиях торможения на высокой скорости и при большой нагрузке. Одновременно программное обеспечение виртуального моделирования должно рассчитать относительную скорость контакта, давление и температуру.Однако в исходной модели расчета износа Арчарда коэффициенты износа учитываются расстоянием, давлением и твердостью материала. Следовательно, классическая модель износа Арчарда больше не применима для моделируемой глубины износа определенного контактного узла. Модель Арчарда модифицирована в соответствии с реальным процессом торможения. Контактное давление, относительная скорость скольжения и температура поверхности раздела считаются влияющими факторами. Конкретное уравнение коррекции выглядит следующим образом:

Классическое уравнение износа Арчарда обычно используется для расчета величины износа при относительном прямолинейном движении двух объектов.Однако когда тормозной диск и тормозная колодка дискового тормоза большой мощности изношены, тормозной диск находится в состоянии вращения. Относительная скорость скольжения контактной поверхности - это тангенциальная скорость. Разложите относительную тангенциальную скорость скольжения: где - относительная угловая скорость скольжения, а - радиус трения тормозной колодки. Подставляя (8) в (7), это может быть выражено как

Интеграл (9) для времени за одно время торможения выражается как

Уравнение (10) является непрерывным интегральным решением.Однако для анализа методом конечных элементов требуется поэтапное решение в виртуальном моделировании. Итак, решение (10) очень сложно, поскольку переменная кривая контактного узла очень сложна. Для удобства расчета величина непрерывного износа дискретизируется дискретным методом: выбирается конечное малое время приращения Δ t , соответствующее приращение глубины износа Δ h . Считается, что контактное давление, относительная угловая скорость скольжения и температура контакта не сильно меняются за время приращения Δ t , и взяты мгновенные значения, и; тогда уравнение (9) преобразуется в

. Поскольку износ интерфейса тормоза неравномерно распределяется между тормозным диском и колодкой, объем износа тормозной колодки определяется дискретным методом.

Как показано на рисунке 2, предполагая, что единичное приращение радиуса трения находится в пределах приращения времени, единичная площадь износа микроэлементов может быть выражена как где - приращение радиан,. Единичный объем износа тормозной колодки за интервал времени составляет


Подставив (11) и (12) в (13), он может быть выражен как

Когда дисковый тормоз тормозит, тормозная колодка считается как стационарное состояние. Имеется износ тормозной колодки, и прирост глубины износа составляет Δ t на площади контакта микроэлемента агрегата.Интерфейс тормоза имеет разную степень износа с изменением коэффициента трения, и есть обратная связь по коэффициенту трения, что износ вызывает изменение состояния контакта. Для расчета износа на компьютере используется метод интеграла Эйлера. Метод Эйлера - это метод замены дифференциального уравнения непрерывных переменных на разностное уравнение дискретных переменных. Численный расчет прост и удобен, а численная сходимость хорошая.

При увеличении времени контактное давление, относительная угловая скорость скольжения и температура контакта считаются постоянными.Приращение глубины износа определяется уравнением (11). Значения контактного давления на границе раздела, относительной угловой скорости скольжения и температуры контакта после износа могут быть получены методом конечных элементов. Затем можно рассчитать глубину износа и изменить геометрический режим. Получены такие итерации цикла, вычисляющие окончательное накопленное значение износа тормозных колодок. Методика расчета следующая.

Если предположить, что контактный узел тормозного диска и тормозной колодки равен i , а интегральный шаг явного интеграла Эйлера равен j, , тогда контактное давление равно, относительная угловая скорость скольжения равна температура контакта, глубина износа, объем износа.Общая глубина износа и объем одновременного торможения тормозной колодки можно выразить как

.

Влияние конструкции тормозной колодки на поля температуры и напряжения тормозного диска

С помощью программного обеспечения конечных элементов ABAQUS в исследовании была установлена ​​взаимосвязь между структурой тормозной колодки и распределением температуры и теплового напряжения на тормозном диске. Путем введения концепций фактора радиальной структуры и фактора круговой структуры, исследование охарактеризовало влияние радиального и окружного расположения фрикционного блока на температурное поле тормозного диска. Предложен метод улучшения распределения теплового потока тормозного диска за счет оптимизации положения фрикционного блока тормозной колодки.Оптимизация конструкции проводилась на тормозных колодках, состоящих из 5 или 7 круговых фрикционных блоков. Результат показывает, что при той же общей площади контакта пары трения подходящая конструкция тормозной колодки может обеспечить равномерное распределение энергии трения и, следовательно, снизить пиковую температуру и напряжение тормозного диска. По сравнению с тормозной колодкой из 7 фрикционных блоков оптимизированная тормозная колодка из 5 фрикционных блоков снизила пиковую температуру соответствующего тормозного диска на 4,9% и снизила максимальное напряжение на 10.7%.

1. Введение

Дисковый тормоз в настоящее время широко используется для торможения высокоскоростных поездов. Он преобразует динамическую энергию в тепловую за счет трения между тормозной колодкой и тормозным диском, а затем рассеивает тепловую энергию за счет теплообмена. Этот процесс включает теплопередачу, структурные особенности, механические характеристики, свойства материала и другие аспекты и представляет собой сложный процесс термомеханической связи. Сосредоточившись на тормозном давлении, тормозном диске, режиме тормоза, материале тормозной колодки и других факторах, отечественные и зарубежные ученые провели множество исследований температуры тормозного диска и напряжения в процессе торможения с помощью тестовых экспериментов и анализа методом конечных элементов.Чунг Кюн Ким и другие [1–4] изучали поле температур и поле напряжений тормозного диска. Чтобы снизить сложность и стоимость вычислений, они упростили тормозной диск до двухмерной осесимметричной модели, предположив, что передача теплового потока и состояние контакта не связаны с изменениями круговых координат тормозного диска. Однако в упрощенной двухмерной осесимметричной модели поток источника тепла не учитывался. Основываясь на осесимметричной гипотезе, в работах [5–8] в качестве объекта анализа был выбран один из симметричных круглых углов тормозного диска, создана трехмерная круговая симметричная конечно-элементная модель тормозного диска, а также исследованы температурное поле и напряжение тормозного диска.По сравнению с 2D-моделью, 3D-модель с круговой симметрией имела некоторые улучшения, но все же игнорировала влияние периодического контакта между зоной трения тормозного диска и тормозной колодкой в ​​процессе торможения. В работах [9–12] рассматривалось влияние потока теплового источника трения, создавалась трехмерная модель всего диска и вычислялось неосесимметричное переходное температурное поле тормозного диска. В исследованиях рассматривалось влияние формы тормозных колодок, мгновенной угловой скорости, радиального положения и т. Д., Но не учитывалось влияние формы и структурной схемы фрикционных блоков тормозных колодок на температуру и напряжение тормозного диска.

Различия в структуре фрикционных блоков тормозной колодки могут напрямую приводить к различиям во времени фрикционного контакта и скорости трения в каждой точке на поверхности тормозного диска, что приводит к неравномерному распределению температуры на поверхности тормозного диска и, как следствие, вызывает высокую термическую нагрузку, и тем самым усугубляют термическую усталость тормозного диска. Важной темой является изучение взаимосвязи между структурой фрикционных блоков тормозной колодки и температурным полем тормозного диска.

Исходя из соотношений между структурной разницей фрикционного блока тормозной колодки и полями температуры и напряжений тормозного диска, в данной статье устанавливается связь между структурой фрикционного блока тормозной колодки и характеристиками распределения температуры и напряжения тормозного диска, оптимизируется структура и расположение фрикционных блоков тормозных колодок, анализирует изменение температуры и напряжения тормозного диска с помощью оптимизированной тормозной колодки и, наконец, подтверждает результаты последовательного моделирования сцепления с помощью ABAQUS6.8 конечно-элементное программное обеспечение.

2. Модель конечных элементов дискового тормоза и граничные температурные условия
2.1. Упрощение пар трения дисковых тормозов

Дисковый тормоз в сборе состоит из тормозной ручки, дискового тормозного элемента, тормозной колодки, рычага и других деталей. Если включить все детали в конечно-элементную модель, это значительно увеличит сложность моделирования и время анализа. При создании модели учитываются только тормозной диск и тормозная колодка. Более того, диск (рис. 1) и колодка (рис. 2) обладают симметрией; анализ проводится на паре трения одной стороны фрикционной поверхности диска и половины колодки (Рисунок 3).




2.2. Допущения анализа

Торможение трением - это сложный процесс, включающий фрикционный износ, деформацию, вибрацию и т. Д. Это также процесс взаимодействия множества физических, химических и механических изменений. Чтобы упростить модели анализа, сделаны следующие допущения: (i) пренебречь влиянием шероховатости и износа трения контактных поверхностей пары трения; (ii) контакт пары трения осуществляется лицом к лицу; (iii) тормозное давление равномерно распределяется по фрикционным блокам; (iv) теплоотвод тормозного диска происходит в основном за счет конвекции и излучения во время торможения и не учитывается теплопроводность между диском и валом; (v) физические свойства трения блоки не изменяются с температурой в процессе торможения.

2.3. Модель тепловой границы
2.3.1. Тепловой ввод

В процессе торможения тепловая энергия, генерируемая кинетической энергией, может быть разделена на две части: большая часть тепла сначала поглощается проводимостью тормозного диска и колодок, а затем постепенно рассеивается после торможения в окружающая среда; другая часть скорее испускается в окружающую среду непосредственно с поверхности трения посредством конвекции и излучения.В этой статье предполагается, что 90% общей кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения, которая поглощается диском и колодками.

Как распределять тепло трения между парой трения также необходимо учитывать при создании модели анализа методом конечных элементов. Текущий подход заключается в установке коэффициента теплового распределения, который искусственно распределяет тепловую энергию между диском и колодками. Программное обеспечение ABAQUS, используемое в этом исследовании, использует постоянный коэффициент распределения тепловой энергии, значение по умолчанию которого равно 0.5, или 50% тепловой энергии забирает диск, а остальные 50% - колодки.

2.3.2. Конвекционная модель

Поскольку тормозной диск вращается с высокой скоростью, коэффициент конвекции тормозного диска изменяется в зависимости от скорости диска во время торможения. Для конвективного теплообмена на основе теории конвективного теплообмена

И одновременно,

Следовательно, коэффициент конвекции равен где - число Нуссельта, - число Рейнольдса воздуха, - число Прандтля, установленное на 0.7 - коэффициент теплопроводности, который составляет 6,14 × 10 -6 Вт / мК, а - характерная длина диска. в этом случае берется окружность в месте расположения точки ,, где - радиус точки.

Число Рейнольдса воздуха рассчитывается по следующей формуле: где - скорость точки, а - вязкость воздуха.

Следовательно, коэффициент конвекции равен в которой - угловая скорость тормозного диска.

Подставьте уравнение охлаждения Ньютона в (5), чтобы получить модель конвективного теплопереноса:

2.3.3. Граница теплового излучения

В данном исследовании применяется закон охлаждения Ньютона и уравнение Стефана-Больцмана для преобразования теплового излучения в коэффициент конвективной теплопередачи. Возьмите коэффициент излучения тормозного диска; тогда эквивалентный коэффициент конвективной теплопередачи равен где - температура поверхности диска, а - температура окружающей среды.

2.4. Параметры физических свойств материалов

В таблице 1 приведены соответствующие параметры тормозного диска и фрикционных блоков. Тормозной диск изготовлен из 28CrMoV5-08, а тормозная колодка - из материалов порошковой металлургии на основе меди. Свойства материалов приведены в таблице 2. Тормозное давление составляет 0,56 МПа, коэффициент трения составляет 0,34, что является средним значением измеренных данных, а начальная температура пар трения составляет 20 ° C.


Размер тормозного диска (мм) Размер фрикционного блока (мм)

Внутренний диаметр Наружный диаметр Толщина Радиус колеса Радиус фрикционного блока Высота фрикционного блока

116 320 20 445 20, 21, 22.5, 23 20


Плотность () кг · м −3 Модуль упругости () ГПа Пуассон отношение () Коэффициент теплопроводности () Вт / (м · ° C) Удельная теплоемкость ( Cp ) Дж / (кг · ° C) Коэффициент теплового расширения
× 10 −6 ° C

Диск тормозной 7850 202 0.29 32 477 12,3
Тормозная колодка 5500 180 0,3 74 436 11,1

3. Результаты и Обсуждение

Расчет производится в ABAQUS методом последовательного связывания. Обратитесь к Таблице 3 для получения информации о сетке. Для повышения точности моделирования выбран шестигранный элемент с 8 узлами и размер элемента меньше 4.5 мм для обеспечения контакта не менее 5 узлов в радиальном направлении на каждом фрикционном блоке радиусом 20 мм с тормозным диском.


Количество узлов Количество элементов Тип элемента Аббревиатура элемента

Тормозной диск 28917 24192 Шестигранный элемент с 8-узловым тепловым соединением с уменьшенной интеграцией C3D8RT
A1 1560 879
A2 1872 1053
A3 2183 1228
Колодки тормозные
.

8 причин не покупать дисковые тормоза - узнайте о проблемах перед переключением

Дисковые тормоза становятся все более важной частью мира шоссейных велосипедов за последние несколько лет, но, хотя преимущества дисковых тормозов хорошо задокументированы, они принести с собой вызовы и проблемы тоже.

Вот некоторые из проблем, с которыми мы столкнулись и о которых слышали.

1 Дисковые тормоза увеличивают вес

Общий вес велосипеда с дисковым тормозом выше, чем у велосипеда с ободным тормозом.

Рычаги, тормозные суппорты, шланги, жидкость и роторы весят больше, чем эквивалентный ободной тормоз. Производители часто пытаются минимизировать разницу, но не забывают, что ступицы дисковых тормозов тоже тяжелее, а колеса дисковых тормозов часто состоят из большего количества спиц более широкой колеи, хотя отсутствие тормозной гусеницы означает, что диски для конкретных дисков вообще светлее. Сквозные оси, которые используются во многих дисковых системах, тяжелее, чем быстросъемные шампуры.

Прочтите все, что вам нужно знать о дисковых тормозах

Разница в весе невелика, но часто она может составлять около фунта для всего велосипеда, если учесть все факторы.

2 Диск тормоза может быть проблемой трения

Ранние велосипеды с дисками заимствовали стандартное крепление на стойку 74 мм у горных велосипедов, где тормозной суппорт просто прикручивается непосредственно к раме или вилке, а адаптеры используются для установки ротора разных размеров.

Чтобы попытаться улучшить внешний вид дисков на шоссейных велосипедах, Shimano представила свою систему плоского крепления. Это открытый стандарт, который быстро приняли другие производители дисковых тормозов. Подавляющее большинство новых шоссейных велосипедов с дисковым тормозом имеют плоское крепление.

«[Плоское крепление предлагает] меньший и более компактный интерфейс с рамой / вилкой для улучшенной интеграции, меньшего веса и лучшего доступа к инструментам для упрощения регулировки», - сказал Шимано road.cc.

Несомненно, дисковые суппорты с плоским креплением меньше, лучше выглядят и легче, чем более громоздкие суппорты для стоек. Фактический механизм суппорта идентичен, и нет никаких изменений в способе соединения шланга и установки тормозных колодок. Ключевое отличие заключается в способе крепления суппорта к раме.

Там, где суппорты опоры стойки прикручиваются болтами сверху непосредственно к раме и вилке, суппорты с плоской опорой устанавливаются заподлицо с рамой и вилкой, а болты ввинчиваются снизу прямо в суппорт, натягивая его на раму. Спереди суппорт крепится к тонкому переходнику, который прикручивается к вилке.

В зависимости от конструкции рамы и размера дискового ротора для монтажа стойки часто требуется большой и некрасивый адаптер, чтобы обеспечить правильное расстояние над ротором.На горных велосипедах с различными конструкциями рамы и большим количеством используемых размеров ротора такая универсальность - это хорошо, но дорожный рынок склоняется к размерам ротора всего 140 мм и 160 мм, для которых было разработано плоское крепление.

В основном у нас были хорошие впечатления от плоского крепления на велосипедах с дисками, которые мы тестировали, но было несколько случаев трения тормозов, и ничего более раздражающего.

Мы спросили Shimano об этой проблеме, и они сказали нам, что крепление с чистой лицевой поверхностью очень важно.

«Как и при установке на стойку, всегда помогает плоская контактная поверхность (облицовка), как и размер диска (чем меньше, тем лучше). Роторы с центральным замком на хорошо устойчивых осевых подшипниках (по сравнению с роторами с 6 болтами на облегченных осях втулки) также помогают при центровке. Также важна конструкция вилки (баланс жесткости слева / справа) », - сказал Шимано.

Можно было бы надеяться, что производитель рамы или вилки позаботится о том, чтобы площадь контакта была правильной, но, по нашему опыту, это не всегда так.

Инструменты для торцевания обеспечивают ровное и ровное положение тормозных опор на раме и вилке и идеальное выравнивание. Они дорогие и не совсем подходят для большинства домашних механиков, хотя все хорошие велосипедные магазины могут вам здесь помочь. Park Took делает адаптер для своего набора для крепления на дисковый тормоз DT-5.2, и вы можете увидеть его в действии в этом видео.

Другое решение проблемы трения дискового тормоза - отрегулировать суппорт на раме / вилке. С опорой на стойку это относительно просто: просто ослабьте болты, потяните тормозной рычаг и затяните болты, чтобы отцентрировать суппорт над ротором.

«Диапазон регулировки для плоского крепления такой же, как и для крепления на стойке, - говорит Shimano. - Разница в том, что поперечная регулировка больше не на суппорте, а в отверстии для паза. Shimano рекомендует, чтобы это отверстие было 4 x 5,2 мм (+/- 0,1 мм), но иногда производители не следуют этим рекомендациям. Для переднего суппорта регулировка осуществляется в переходной пластине с такими же размерами отверстий ».

Не все производители соблюдают требования так, как должны.Во многих случаях диапазон регулировки при плоской установке оказывается меньше, чем в системах с опорой на стойку. Нам нравится плоское крепление, но это означает, что вы находитесь во власти велосипедных компаний, которые следят за правильностью изготовления креплений.

3 Дисковые тормоза влияют на аэродинамику

Как и любой другой внешний компонент, дисковые тормоза влияют на аэродинамику. Некоторые производители заявили, что версия с ободным тормозом конкретного велосипеда более аэродинамически эффективна, чем модель с дисковым тормозом, но это не так просто, как сказать, что ободные тормоза всегда более аэродинамические.

Когда Giant представил свой Propel Disc в 2017 году, например, он сказал: «Инженеры обнаружили, что при правильной интеграции конструкция дискового тормоза может фактически улучшить аэродинамические характеристики по сравнению с конфигурациями ободного тормоза.

«Это связано с тем, что расположение традиционных суппортов (спереди или сзади короны / ножек вилки) создает« грязный »воздух. Открытие области короны вилки (путем размещения суппортов дискового тормоза вниз на ступице) означает, что воздух, попадающий в новый суппорт дискового тормоза, уже был нарушен передней кромкой шины / колеса.Этот эффект дополнительно усиливается за счет асимметричной вилки, которая помогает сгладить воздушный поток через суппорт ».

Некоторые новые шоссейные аэродинамические велосипеды, такие как Cannondale SystemSix и 2019 Specialized Venge, оснащены только дисковыми тормозами.

4 Выбор площадки - минное поле

Переключитесь на велосипед с дисковым тормозом, и в конечном итоге вам придется выбирать новые колодки ... и это минное поле.

Все подушечки изготавливаются путем смешивания различных порошкообразных добавок со связующим, а затем их сплющивания при высокой температуре и давлении, чтобы сформировать твердый блок на подкладке.То, что входит в смесь порошков, оказывает большое влияние на свойства прокладки.

Большинство новых велосипедов оснащено пластмассовыми подушечками. Они сделаны из неметаллических добавок, таких как резина, стекло, углерод и кевлар, чтобы обеспечить универсальную подушку, которая работает для большинства людей, но не очень долговечна при интенсивном использовании.

Узнать больше о колодках для дисковых тормозов

Если вы живете в холмистой местности и / или ездите в любую погоду, вам, вероятно, лучше перейти на более дорогие, но гораздо более долговечные спеченные колодки.Также известные как металлические тормозные колодки, они содержат очень высокую долю металлических наполнителей, таких как медь, сталь и железо. Они обеспечивают сильное и эффективное торможение при высоких температурах колодок, хотя их хватка может быть плохой в холодную погоду, и они изнашивают ваши роторы быстрее, чем резиновые колодки.

5 Нужно в новые тормоза постелить

Новые колодки и роторы дисковых тормозов не сразу раскрывают свой полный потенциал - они сначала нуждаются в приработке. Это процесс, при котором материал колодки распределяется по ротору для увеличения трения и увеличения площади контакта между двумя поверхностями.

Вот как ухаживать за дисковыми тормозами, чтобы добиться от них максимальной производительности

К счастью, установка довольно проста. Вот совет SRAM:

"Разгоните велосипед до умеренной скорости, а затем резко нажмите на тормоза, пока не достигнете скорости ходьбы. Повторите этот процесс 20 раз. Затем разгоните велосипед до более высокой скорости и задействуйте тормоза, пока не достигнете скорости ходьбы. Повторите этот процесс. 10. Важно, чтобы во время этого процесса вы никогда не останавливались полностью и не блокировали колеса.«

Это значительно улучшит характеристики ваших тормозов и подготовит их к нормальной езде.

6 Техническое обслуживание требует нового набора навыков

Скорее всего, вы знаете, как регулировать ободные тормоза и менять колодки, а также, возможно, как менять тросы. Возможно, вы делали это с детства. В зависимости от вашего опыта езды на велосипеде обслуживание дисковых тормозов может быть для вас совершенно новым.

Одна проблема, с которой вы можете столкнуться с гидравлическими дисковыми тормозами, - это ощущение мягкости и мягкости из-за воздуха в системе.Это требует кровотечения и означает либо поездку в веломагазин, либо обстрел комплекта для прокачки. У каждого производителя есть свой комплект для прокачки. Shimano и SRAM, например, используют разные техники и жидкости.

Прокачка гидравлической дисковой тормозной системы - не самая обременительная задача, но вам нужно будет научиться этому, следуя инструкциям или просматривая одно из наших видео.

7 Они могут визжать!

Это правда, что ободные тормоза могут визжать, но мы считаем, что дисковые тормоза хуже нарушают правила.

Самая частая причина визга дисковых тормозов - загрязнение ротора или колодок. Вы должны быть осторожны при использовании аэрозольных смазочных материалов на велосипеде с дисковыми тормозами или вообще избегать их.

Узнайте, как остановить визг тормозов

«Регулярная чистка роторов специальным (безмасляным) обезжиривателем для дисковых тормозов - хороший способ избежать визга тормозов», - говорит Шимано. «Очистка колодок тоже может помочь успокоить ситуацию - вы можете попробовать наждачную бумагу или шлифовать колодки. - но если смазка пропиталась колодкой, возможно, потребуется их заменить.Однако не используйте обезжиривающие средства или химикаты для чистки тормозных колодок ».

Очистить колодки дискового тормоза сложнее, чем колодки ободного тормоза, в основном потому, что их нужно снимать с велосипеда.

Как лучше всего чистить дисковые тормоза?

Визжание колодок также может быть признаком износа колодок. Присмотреться к колодкам для дисковых тормозов немного сложнее, чем к ободным тормозным колодкам, хотя снятие колеса может облегчить задачу.

8 Износ роторов... в итоге

Одним из преимуществ дисковых тормозов является то, что они не изнашивают обода ваших шикарных карбоновых колес, но не забывайте, что вы изнашиваете дисковые роторы. К счастью, роторы не особенно дороги.

Различные бренды указывают разную минимальную толщину для своих роторов (цифра часто печатается на роторах). Если выйти за этот предел, все станет опасно, так что следите за ними.

.

Смотрите также