Tarczowy układ hamulcowy, nagrzewanie się tarczy hamulcowej, tarcie, analiza numeryczna, Metoda Elementów Skończonych, ANSS/LS-DNA, rozkład temperatur, napręŝenia cieplne KUŁAKOWSKA Agnieszka PATK Radosław 2 ANALIA NUMERCNA PROCESU NAGREWANIA SIĘ TARC HAMULCOWEJ PODCAS HAMOWANIA W pracy przeprowadzono analizy numeryczne procesu nagrzewania się tarczy podczas hamowania. Przeprowadzono analizę wpływu wartości nacisku p klocka hamulcowego na tarczę oraz prędkości kątowej ω na wartość i rozkład pól temperatur oraz wpływ ciepła wyzwolonego w skutek hamowania na stan intensywności napręŝeń w tarczy. Wszystkie analiz przeprowadzono z zastosowaniem Metody Elementów Skończonych. Dla analizowanych przypadków opracowano aplikacje w języku APDL w systemie ANSS/LS-DNA. NUMERICAL ANALSIS OF BRAKE DISK HEATING PROCESS WHILE BRAKING In the work one carried out numerical analysis of the disk heating process during braking. An analysis of the impact of the pressure p on the disc brake pad and the angular velocity ω on the value and distribution of temperature fields and the influence of heat liberated due to inhibition on the states of stress intensity in the braking disk. All analysis using the Finite Element Method were performed. For the analyzed cases in the language APDL applications in the system ANSS / LS-DNA were developed.. WPROWADENIE Intensywnie wzrastająca ilość pojazdów powoduje pogarszanie się warunków bezpieczeństwa w ruchu drogowym. Bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo uŝytkowania pojazdów ma ich stan techniczny. Elementem odpowiadającym za bezpieczeństwo czynne w ruchu drogowym jest układ hamulcowy, którego głównym zadaniem jest zmniejszenie prędkości jazdy lub zatrzymanie pojazdu w określonym miejscu. Ponadto od układu hamulcowego oczekuje się, aby droga hamowania była jak najkrótsza, czas reakcji układu jak najmniejszy, natomiast zdolność hamowania pozostawała stała nawet przy długotrwałym hamowaniu, przy zachowaniu jak największej stateczności pojazdu. Najpopularniejsze są dwa systemy hamulcowe: bębnowe oraz tarczowe. Hamulce tarczowe lepiej wytracają ciepło a zatem i są skuteczniejsze jednakŝe podstawowy problem tzn. nieodpowiednie nagrzewanie się elementów układu hamulcowego jest ciągle aktualnym Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 5-7, 75-620 Koszalin, agnieszka.kulakowska@tu.koszalin.pl 2 Politechnika Koszalińska, ul. Racławicka 5-7, 75-620 Koszalin, radoslaw.patyk@tu.koszalin.pl
2060 Agnieszka KUŁAKOWSKA, Radosław PATK problemem. Działanie hamulca tarczowego polega na dociskaniu do dwóch stron wirującej wraz z kołem jezdnym tarczy hamulcowej klocków ciernych. Obustronny docisk klocków jest korzystny, z uwagi na siły dociskające, które równowaŝą się nie powodując odkształceń bocznych tarczy. Klocki cierne wraz z dociskającymi je tłoczkami są umieszczone w strzemieniu, którego zadaniem jest przekazanie momentu hamulca na odpowiednie elementy prowadzące koło jezdne. Typowy układ hamulcowy z zastosowaniem tarcz hamulcowych przedstawiono na rysunku. Rys.. Tarczowy mechanizm hamulcowy: a) zasada działania, oznaczenia, b) przykład konstrukcji; -tarcza hamulcowa, 2- strzemię, 3- tłok, 4- klocki hamulcowe [3] Popularność stosowania hamulców tarczowych w większości samochodów osobowych jest uzasadnione licznymi zaletami: -korzystny rozkład nacisków na całej powierzchni elementów ciernych do tarczy, co zapewnia równomierne zuŝywanie się okładzin,
ANALIA NUMERCNA PROCESU NAGREWANIA SIĘ TARC 206 -moŝliwość wywołania znacznie większych nacisków jednostkowych pomiędzy elementami trącymi, -dobre warunki chłodzenia. Tarcze odprowadzają nagromadzone ciepło ze swych dwóch płaskich powierzchni bezpośrednio do atmosfery. nacznie bardziej oddają ciepło tarcze wentylowane z kanałami promieniowymi, -jednakowa skuteczność hamowania niezaleŝna od kierunku jazdy samochodu, -duŝa odporność na zjawisko zaniku sił hamowania w wysokich temperaturach, -mniejsza masa hamulca, a tym samym mniejsza masa nie resorowana, -mniej praco- i czasochłonna wymiana elementów ciernych. Natomiast najwaŝniejszą wadą hamulców tarczowych jest krótki czas eksploatacji elementów ciernych oraz otwarta budowa hamulców tarczowych powodująca moŝliwość wniknięcia zanieczyszczeń. tego powodu uŝytkownik pojazdu musi przestrzegać bezwzględnie zaleceń producenta, dokonując systematycznie okresowego przeglądu układu hamulcowego. Podczas procesu hamowania energia kinetyczna ruchu pojazdu zamieniana jest w krótkim czasie w energię cieplną, co prowadzi do znacznego nagrzewania się elementów roboczych hamulca. Wzrost temperatury wpływa niekorzystnie na pracę hamulca, poniewaŝ: a) powoduje zmniejszenie współczynnika tarcia, b) wywołuje odkształcenia elementów roboczych, c) jest przyczyną powstawania w elementach hamulca napręŝeń cieplnych mogących powodować ich uszkodzenia. e względu na zachodzące w elementach roboczych hamulca znacznych napręŝeń cieplnych przy projektowaniu tarcz hamulcowych dąŝy się do zapobiegania nadmiernemu wzrostowi czynnika temperatury. Wykonanie dokładnych obliczeń przebiegu zmian energii kinetycznej w ciepło jest zadaniem bardzo skomplikowanym. Obecnie stosuje się technikę komputerową i procedury metody elementów skończonych (MES). We wstępnych obliczeniach moŝna posługiwać się ogólnymi wytycznymi wynikającymi z doświadczeń producentów. Przy określonej prędkości samochodu energia kinetyczna jest proporcjonalna do masy samochodu. Miarą obciąŝenia hamulców tarczowych moŝe być energia kinetyczna przypadająca na jednostkę powierzchni okładziny ciernej []. 2. ANALIA NUMERCNA Model został zaprojektowany w środowisku ANSS/Multiphysics. Opracowano makro w języku APDL a następnie przeprowadzono analizy numeryczne. Obiektem badań była tarcza hamulcowa razem z klockiem hamulcowym [2, 4, 5, 6]. Symulacje numeryczne miały na celu określenie wartości i rozkładu temperatury w tarczy hamulcowej oraz rozkład intensywności napręŝeń pod wpływem wydzielonego w procesie tarcia ciepła. Do podziału obiektu na elementy skończone uŝyto typu elementu 3D SOLID5. Element składa się z ośmiu węzłów oraz sześciu stopni swobody w kaŝdym węźle. UŜywany w strukturalnych i piezoelektrycznych analizach SOLID5 ma duŝe odchylenie i nacisk Model został podzielony na 540 elementów skończonych, tarcza hamulcowa posiada 900 elementów, a klocek hamulcowy 640. Na rysunku 2 przedstawiono widok dyskretnego modelu tarczy hamulcowej i klocka hamulcowego. Do analizy zjawisk kontaktowych załoŝono kontakt typu powierzchnia-powierzchnia (surface-to-surface) oraz element kontaktowy CONTA73.
2062 Agnieszka KUŁAKOWSKA, Radosław PATK Rys. 2. Dyskretny model tarczy hamulcowej i klocka hamulcowego Rysunki 3 5 przedstawiają mapy pól temperatur, zaś rysunki 6 8 mapy intensywności napręŝeń wywołanych wpływem ciepła pochodzącego z procesu hamowania. SUB =2 TIME= RSS=0 D =.007044 S =-42.474 S =32.336 JUN 28 2008 08:2:06 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.008806 S =-64.73 S =507.423 JUN 28 2008 07:53:2-42.474-2.05 38.373 78.796 9.29 59.643 200.066 240.489 280.92 32.336-64.73 62.45 89.56 36.705 443.85 -.58 25.988 253.33 380.278 507.423 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.00567 S =-92.274 S =735.754 23:37:06-92.274 -.270 9.732 83.735 275.738 367.74 459.745 55.748 643.75 735.754 Rys. 3. Pola temperatury przy ciśnieniu dociskającemu klocek p = 00 MPa, dla prędkości: a) ω=0,4 [obr/s], b) ω=0,5[obr/s], c) ω=0,6 [obr/s],
ANALIA NUMERCNA PROCESU NAGREWANIA SIĘ TARC 2063 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.007044 S =-48.876 S =369.225 22::49 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.008806 S =-74.488 S =58.483 22:24:25-48.876 44.035 36.947 229.858 322.77-2.42 90.49 83.402 276.34 369.225 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.00568 S =-05.833 S =843.228-74.488 7.283 -.602 44.69 27.055 289.94 362.826 435.72 508.598 58.483 22:35:09-05.833 05.07 -.38565 20.52 35.972 Rys. 4. Pola temperatury przy ciśnieniu dociskającemu klocek p = 50 MPa, dla prędkości: a) ω=0,4 [obr/s], b) ω=0,5[obr/s], c) ω=0,6 [obr/s], 42.423 526.874 632.325 737.777 843.228 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.007044 S =-55.302 S =47.044 23:22:0 SUB =2 TIME= RSS=0 D =.008806 S =-84.337 S =655.643 23:09:07-55.302 49.664 54.63 259.596 364.56-2.89 02.47 207.3 32.078 47.044-84.337 80.03 244.543 408.983 573.423-2.7 62.323 326.763 49.203 655.643 SUB = TIME= RSS=0 D =.00568 S =-9.43 S =950.867 22:54:54-9.43 8.43 -.508504 237.335 356.257 Rys. 5. Pola temperatury przy ciśnieniu dociskającemu klocek p = 200 MPa, dla prędkości: a) ω=0,4 [obr/s], b) ω=0,5[obr/s], c) ω=0,6 [obr/s], 475.79 594.0 73.023 83.945 950.867
.36E-04.87E+0.74E+.26E+.348E+.436E+.523E+.60E+.697E+.784E+.483E-04.50E+.299E+.449E+.599E+.748E+.898E+.05E+2.20E+2.35E+2.273E-04.09E+.28E+.327E+.436E+.544E+.653E+.762E+.87E+.980E+ 2064 Agnieszka KUŁAKOWSKA, Radosław PATK SUB =2 TIME= D =.007044 S =.36E-04 S =.784E+ JUN 28 2008 08:2:8 SUB =2 TIME= D =.008806 S =.273E-04 S =.980E+ JUN 28 2008 07:53:24 SUB =2 TIME= D =.00567 S =.369E-04 S =.8E+2 23:37:26.369E-04.26E+.523E+.784E+.05E+2.3E+.392E+.653E+.95E+.8E+2 Rys. 6. Intensywność napręŝeń przy ciśnieniu dociskającemu klocek p = 00 MPa, dla prędkości: a) ω=0,4 [obr/s], b) ω=0,5[obr/s], c) ω=0,6 [obr/s], SUB =2 TIME= D =.007044 S =.243E-04 S =.898E+ 22:2: SUB =2 TIME= D =.008806 S =.357E-04 S =.2E+2 22:24:4.243E-04.200E+.399E+.599E+.798E+.998E+0.299E+.499E+.698E+.898E+.357E-04.25E+.249E+.374E+.499E+.624E+.748E+.873E+.998E+.2E+2 SUB =2 TIME= D =.00568 S =.483E-04 S =.35E+2 22:36:07 Rys. 7. Intensywność napręŝeń przy ciśnieniu dociskającemu klocek p = 50 MPa, dla prędkości: a) ω=0,4 [obr/s], b) ω=0,5[obr/s], c) ω=0,6 [obr/s],
ANALIA NUMERCNA PROCESU NAGREWANIA SIĘ TARC 2065 SUB =2 TIME= D =.007044 S =.309E-04 S =.0E+2 23:22:4 SUB =2 TIME= D =.008806 S =.452E-04 S =.26E+2 23:09:32.309E-04.2E+.225E+.337E+.450E+.562E+.674E+.787E+.899E+.0E+2.452E-04.28E+.562E+.843E+.2E+2.4E+.422E+.703E+.984E+.26E+2 SUB = TIME= D =.00568 S =.63E-04 S =.52E+2 22:55:4 2 Rys. 8. Intensywność napręŝeń przy ciśnieniu dociskającemu klocek p = 200 MPa, dla prędkości: a) ω=0,4 [obr/s], b) ω=0,5[obr/s], c) ω=0,6 [obr/s], 3. PODSUMOWANIE Analizując rozkład temperatur i napręŝeń w elementach układu hamulcowego stwierdzono, Ŝe wzrost prędkości wirowania tarczy hamulcowej oraz ciśnienia dociskającego klocek podczas hamowania, powoduje zwiększenie temperatur oraz napręŝeń występujących w mechanizmie hamulcowym. Dla prędkości wirowania tarczy hamulcowej ω=0,4 [obr/s] i ciśnienia dociskającego klocek hamulcowy p=00 [MPa] temperatura wyniosła T=32 0 C, a prędkości wirowania tarczy hamulcowej ω=0,6 [obr/s] i ciśnieniu dociskającym klocek p=200 [MPa] temperatura wyniosła T=950 C. RównieŜ wraz ze wzrostem prędkości wirowania tarczy hamulcowej i ciśnienia dociskającego klocek hamulcowy wartość intensywności napręŝeń. PowyŜsze analizy mają charakter jedynie rozpoznawczy, w celu głębszej analizy zagadnienia naleŝy przeprowadzić szczegółowe symulacje dla większej ilości czynników zmiennych. Wyniki symulacji mogą posłuŝyć do prognozowania stanu napręŝeń, pól temperatury przed wykonaniem modelu rzeczywistego tarczy hamulcowej. 4. BIBLIOGRAFIA.63E-04.69E+.337E+.506E+.674E+.843E+.0E+2.8E+2.35E+2.52E+2 [] Lacki P.: Teoretyczno-doświadczalna analiza wymiany ciepła w węŝle tarcia. Materiały Konferencji I Jesiennej Szkoły Tribologicznej, Łódź 996. [2] Rakowski G., Kacprzak.: MES w mechanice konstrukcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
2066 Agnieszka KUŁAKOWSKA, Radosław PATK [3] Reński A.: Budowa samochodów. Układy hamulcowe i kierownicze oraz zawieszenia. OWPW, Warszawa 2004. [4] Staniszewski B.: Wymiana ciepła. PWN Warszawa 980. [5] Studziński K.: Teoria, konstrukcja i obliczanie samochodu. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa 973. [6] agrajek T., Krzesiński G., Marek P.: Metoda Elementów Skończonych w mechanice konstrukcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.