Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, цели и задачи исследования. 11
1.1. Тормозные системы. Краткое описание 11
1.2. Конструктивные особенности тормозных систем спортивных/гоночных автомобилей
1.2.1. Состояние проблемы .18
1.2.2. Современные достижения 28
1.2.3. Особенности тормозных механизмов и систем гоночных/спортивных автомобилей 34
1.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований по повышению активной безопасности АТС при торможении (по литературным источникам) 43
Выводы по главе 56
Глава 2. Теоретический анализ распределения поглощаемой энергии по тормозным механизмам и их температурные характеристики 57
2.1. Анализ распределения поглощаемой энергии по тормозным механизмам 57
2.2. Динамика изменения теплофизических и энергетических параметров при торможении 69
2.3. Показатели энергонагружешюсти тормозных механизмов 75
Выводы по главе 82
Глава 3. Методики оценки распределения энергонагруженности по тормозным механизмам 83
3.1. Экспериментальная оценка тормозных механизмов в стендовых условиях 83
3.2. Методика определения температурных характеристик тормозных механизмов в дорожных условиях 85
3.3. Методика исследования тормозных свойств автомобиля при тепловом воздействии на пары трения тормозных механизмов 88
3.4. Результаты оптимизации параметров смешанной тормозной системы 91
Выводы по главе 102
Глава 4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований тормозной системы спортивного автомобиля 103
4.1. Телеметрия и технологический процесс диагностирования
4.1.1. Технические требования к проектированию и комплектация спортивного автомобиля на базе модели ВАЗ-2110 в спортивной команде Лукойл Рейсинг 103
4.1.2. Требования к проведению испытаний; применяемая измерительная техника 111
4.2. Теоретический анализ тормозных свойств спортивного автомобиля (исходный вариант)
4.2.1. Исходные данные 117
4.2.2. Оценка распределения тормозных сил по осям автомобиля 119
4.2.3. Оценка эффективности тормозной системы 123
4.2.4. Оценка термонагруженности тормозных механизмов исходного варианта спортивного автомобиля 128
4.3. Результаты экспериментальной оценки энергонагруженности тормозных механизмов в стендовых условиях 135
4.4. Результаты испытаний тормозной системы спортивного автомобиля 141
Выводы по результатам стендовых испытаний 145
Основные выводы по главе 146
Заключение. Общие выводы по диссертации и рекомендации по результатам проведенных исследований 148
Благодарности 150
Библиографический список 151
Приложения.
- Особенности тормозных механизмов и систем гоночных/спортивных автомобилей
- Динамика изменения теплофизических и энергетических параметров при торможении
- Методика исследования тормозных свойств автомобиля при тепловом воздействии на пары трения тормозных механизмов
- Технические требования к проектированию и комплектация спортивного автомобиля на базе модели ВАЗ-2110 в спортивной команде Лукойл Рейсинг
Введение к работе
В последнее время наблюдается тенденция все большего взаимодействия и сотрудничества образовательных учреждений разного уровней с организациями, непосредственно функционирующими под эгидой крупного бизнеса.
Особенности тормозных механизмов и систем гоночных/спортивных автомобилей
Сильный износ и высокая температура тормозных дисков, а в конечном итоге отказ тормозов может быть связан, на первый взгляд, с несущественными причинами. Например, непроизвольное слабое касание тормозной педали и легкое усилие на нее недостаточно, чтобы водитель почувствовал, как тормозные накладки соприкасаются с поверхностью диска, но его хватает, чтобы повысить температуру дисков и их износ.
Однако это скорее зависит от стиля вождения пилота. Более существенно, что требования к тормозам для Формулы-1 заметно возросли. И главная причина этого -резкий скачок в характеристиках покрышек. Сцепные свойства резины заметно возросли, увеличив нагрузки на тормоза. По этой причине температура поверхности дисков (при измерениях в боксах после заездов) была на 100-200 градусов выше, чем ранее [87, 168-171, 178].
В связи с этим французская компания "Карбон Индюстри" (С1), " поставляющая диски и накладки большинству команд Формулы-1 (Ф1), изготовила диск толщиной 30 мм в дополнение к ранее использованному 28-миллиметровому. Французские инженеры пошли на увеличение массы ради того, чтобы снизить и стабилизировать рабочие температуры [178]. 30-миллиметровый диск сразу же предложили всем клиентам С1. Ш Проблему обострила еще и тенденция конструкторов делать воздуховоды охлаждения тормозных систем минимального размера, чтобы снизить сопротивление воздуха. Поэтому С1 изготовила еще более толстый, 32-миллиметровый диск. В дальнейшем их чаще всего устанавливали на передние колеса. w Другую новинку предложила соперничающая с С1 английская фирма АР ("Отомоутив Продактс"). Ее новейшая "уравновешенная" тормозная система смонтирована на передней оси "Стюарта" (подобные конструкции испытывали "Вильямсе" и "МакЛарен" в 1996 году, а разработали в "МакЛарене" еще в середине 80-х). На диске не одна, а целых две четырехпоршневые скобы с одной парой накладок каждая. Считается, что это позволяет достичь надежной работы тормоза при более высоких рабочих температурах диска. А "Вильямсе", "МакЛарене" и "Тирреле" используют обычные, шестипоршневые скобы АР с двумя парами накладок на передних колесах и четырехпоршневые с одной парой накладок на задних. Остальные команды предпочитают скобы "Брембо" с двумя парами накладок, 6-ю или 8-ю поршнями и с одной парой четырехпоршневые. Сами скобы изготовлены из сплава алюминия с бериллием. Такое решение позволяет снизить вес, но стоит очень дорого. Каждая компания предлагает также скобы из материалов подешевле, изготовленные по специальной технологии так называемого "монометаллического матричного композита" (ММК). Однако из-за слишком высокой жесткости такой скобы увеличивается износ дисков и накладок. Улучшает эффективность торможения система электронного баланса, которую используют "Бенеттон", "Феррари", "Джордан" и "МакЛарен". Она позволяет сначала плавно создавать тормозное усилие на задние диски в тот момент, когда сила инерции перераспределяет вес автомобиля вперед, переносит на передние колеса. Трансмиссия. В последние годы конструкция трансмиссии аФ1 достигла определенного насыщения в совершенстве. Коробка передач, сцепление, Ф дифференциал для всех узлов существуют лишь один или два принципиальных варианта, в рамках которого конструкторы и работают. Что касается коробки передач, эти варианты расположение (продольное или перечное) и число ступеней. "Вильяме", "Феррари" и "Прост" сохранили поперечное расположение валов в КП, остальные вернулись к "продольным" коробкам. Выбор "Проста" объясняется, скорее всего, тем обстоятельством, что команда использует агрегат "Бенеттона" предыдущей модели. Картер коробки передач "Феррари" выполнен в виде "сэндвича" из двух слоев углепластика и слоя титана. Правда наиболее нагруженные части картера пока не могут быть выполнены по такой технологии. Поперечное расположение как раз и позволяет Ф свести их объем к минимуму. Пока до конца не ясно, можно ли полностью реализовать преимущество жесткой конструкции такого "сэндвича" по сравнению с магниевым сплавом, используемым остальными командами, ведь картер получается составным. Именно так итальянцы преодолели проблемы 1996 года с трещинами картера в местах крепления стоек подвески, и узел в целом стал очень прочным.
Впрочем, насколько жестким, по сравнению, скажем, с картером КП "Вильямса", остается тайной. Во всяком случае, ни одна из команд-соперниц не пошла за "Феррари" по этому экзотическому и очень дорогому пути. А вот почему "Вильям" сохранил "поперечную" коробку секрет фирмы. Может быть, инженеры команды не видят реальной экономии веса или иных плюсов от перехода к продольному расположению? А может, наоборот, знают кое-что о распределении масс, чего не знают другие, и не желают приближать силовой агрегат к передней оси. Ведь "продольная" коробка означает его удлинение.
Однако однозначного ответа здесь нет. Как, впрочем, и на вопрос о количестве передач. Во всяком случае, заметного преимущества семискоростные конструкции не получили. Некоторые коробки, как "Бенеттон" и "Джордан", позволяют менять число передач шесть или семь в зависимости от характеристик мотора, конфигурации трассы и стиля пилота. А вот время переключения передач доведено сейчас, похоже, до минимально разумного предела 0,002 с.
Почти все команды отдают предпочтение шестерням и валам английской фирмы "ЭксТрек". За исключением "Феррари", применяющей итальянские комплектующие, и "Джордана", который кроме "ЭксТрек" использует детали другой английской компании, "Хьюландс". "Вильям" успешно внедряет опыт своего технического партнера "Коматцу" в области производства специальных сталей при изготовлении шестерен главной передачи.
А вот в конструкции сцеплений для Ф1, похоже, достигнут предел. Умение их создателей уменьшать диаметр и вес узла, увеличивая в то же время его способность передавать постоянно растущую мощность, буквально потрясает. Современное сцепление АР диаметром 115 мм вполне бы уместилось в картере 250-кубового мотоциклетного мотора. Правда, значительно облегчило его работу появление компьютерного контроля за переключением передач. Теперь сцепление вообще не выключается при повышении передач и очень точно контролируется компьютером при их снижении.
Динамика изменения теплофизических и энергетических параметров при торможении
В настоящей главе разработаны регламенты испытаний в стендовых и дорожных условиях распределения энергонагруженности по тормозным механизмам АТС. Проведена экспериментальная оценка их параметров в стендовых и дорожных условиях. Описана методика исследования тормозных свойств автомобиля при тепловом воздействии на пары трения тормозных механизмов. Приведены результаты оптимизации параметров тормозной системы, которые выполнены в виде соответствующих зависимостей и диаграмм. Основные результаты данной главы опубликованы в работах автора [30-32,35,36,181]. 1. Экспериментально определить зависимость коэффициента трения пары накладка — диск от температуры. 2. Определить темп охлаждения тормозных дисков в зависимости от скорости вращения колеса. 3. Экспериментально определить комплексные параметры тормозных механизмов. Ф. Для определения выходных характеристик тормозных механизмов был создан тормозной стенд, схема которого приведена на рисунке 3.1 (ср. [93, 105, 114, 123, 155, 183]). Методики оценки эффективности рабочей тормозной системы описана, напр. в [166] (ср. с [168]). Общая методология проведенной диагностики, используемая измерительная техника, метрологическое обеспечение в рамках существующих стандартов и информационно-аналитическое сопровождение проведенных исследований основывается на литературных данных [6,1, 14, 49, 52, 56, 57, 59-61, 63, 84, 107, ПО, 115, 144, 147, 172-176]. Математическое моделирование проводилось на основе общих подходов, разработанных в работах [4, 5,22, 45, 131, 132, 144].Таким образом, в ходе испытаний необходимо зафиксировать температуру тормозного диска, давление в приводе, обороты диска. При каждом значении температуры и с помощью выражения (3.1) после соответствующей обработки могут быть построены зависимости для изменения среднего значения коэффициента трения пары (накладка - диск) от температуры тормозного диска.
Данные результаты стендовых испытаний имеют особое значение для конкретного спортивного автомобиля и составляют оригинальную часть работы, поэтому они приводятся в главе 4 (см. п.4.3), посвященной особенностям тормозных систем именно спортивного автомобиля,
Для определения температурных характеристик тормозных механизмов в дорожных условиях была разработана специальная методика, позволяющая определять изменение комплексных параметров тормозных механизмов в зависимости от температуры трущихся пар (ср. с. [148, 161, 162, 168]). Регламент работ по этой методике представлен на рис.3.2 для параметров и характеристик, введенных в предыдущих разделах диссертации, которые определяют условия проведения работ, соответствующие режимы и регистрируемые параметры для двух регуляторов тормозных сил (РТС[2). Обсуждение рис. 3.2 мы проведем в п.3.3 (ср. с рис.3.3) конкретно для решения задачи оптимизации тормозной системы.
Для реализации этого регламента был выбран автомобиль ЗАЗ-1102, оборудованный штатной тормозной системой без регулятора тормозных сил с передними дисковыми и задними барабанными тормозными механизмами, на котором в дорожных условиях моделировалось продолжительное торможение.
При дорожных испытаниях (ср. с [75, 142, 150, 152, 154]) ставилась цель получить зависимости изменения комплексных параметров тормозных механизмов от температуры трущихся пар. Для определения комплексного параметра переднего тормозного механизма В і отключались задние механизмы, а для определения В 2 - передние. В процессе циклического торможения на осциллограф фиксировались следующие параметры: установившееся замедление, давление в приводе (равное 5 МПа) и температура пар трения.
Методика исследования тормозных свойств автомобиля при тепловом воздействии на пары трения тормозных механизмов
Методикой (см. рис.3.3, который детализирует схему рис,3.2 для решения задачи оптимизации) предусмотрен нагрев тормозных механизмов методом последовательных торможений рабочей тормозной системой. Для выполнения нагрева тормозных механизмов автомобиль разгоняли до скорости 80 км/ч и производили торможение с нейтральным положением в коробке передач (блок "нейтраль" на рис. 3.2, 3.3). Циклы следовали один за другим без перерыва до заданной температуры, которая визуально контролировалась по приборам. В процессе торможения на фотобумагу осциллографа фиксировались следующие параметры: давление в приводе (поддерживалось постоянным, равное 5МПа), замедление и температура пар трения передних и задних тормозных механизмов. Результаты испытаний представлены на четырехквадратной диаграмме (см. рис.2.3 в главе 2), по которой можно проводить анализ и прогнозирование изменения тормозных свойств автомобиля, как на стадии проектирования, так и в условиях эксплуатации.
В третьем квадранте показано соотношение температур тормозов передней и задней осей при продолжительном торможении. Во втором и четвертом квадрантах приведены зависимости изменения тормозных сил на осях автомобиля при полученном соотношении температур пар трения тормозных механизмов. Зависимости построены с использованием температурных характеристик тормозных механизмов (рис. 4.23, 4.24 в главе 4).
В первом квадранте нанесены кривая идеального соотношения тормозных сил по осям автомобиля 1 и граничная кривая 4, построенная по требованиям Правил № 13 ЕЭК ООН по обеспечению минимального значения относительно замедления на грани блокирования колес передней оси [12]. Там же показано влияние тепловых характеристик тормозов на изменение действительного соотношения тормозных сил (прямые 2) по осям и последовательность блокирования осей автомобиля. При холодных тормозных механизмах (Tj = 373 К, Тг = 323 К ) последовательность блокирования осей автомобиля в диапазоне изменения ір =0,15... 1,0 выдержана в соответствии с требованиями международных предписаний.
По итоговой кривой в первом квадранте (т. 1, 2, 3, 4, 5, б, 7) видно, что в начале торможения наступает улучшение тормозных свойств автомобиля, т.к. комплексные параметры передних тормозных механизмов с ростом температуры увеличиваются. Для комплексных параметров задних тормозных механизмов при малых значениях температуры трудящихся пар наступает длительное ухудшение тормозных свойств автомобиля из-за снижения эффективности передних тормозных механизмов и кривая меняет направление (т. 4, 5, б, 7) с возрастанием вероятности блокирования задней оси. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании тормозных систем.
Слева от второго квадранта приведен график изменения замедления j\ соотношения тормозных сил К по осям автомобиля и коэффициента сцепления, при котором одновременно блокируются все колеса автомобиля, - $ /, в зависимости от номера N, (/=1-7) последовательного торможения. С увеличением термонагруженности замедление уменьшается приблизительно на 35%, при постоянном давлении в приводе тормозов, по сравнению с максимальным замедлением. Для восстановления максимального замедления потребовалось увеличить усилие на педали с 270 Н до 420 Н. Из приведенного анализа видно, что передние тормозные механизмы излишне перегружены, в то время как температура задних не превышала 373 К.
При оптимизации тормозной системы необходимо решить три задачи: 1. Определить оптимальное значение коэффициента сцепления из условия максимального использования сцепного веса автомобиля; 2. Определить комплексные параметры тормозных механизмов Bt и В2 при оптимальном коэффициенте сцепления и выбранных значениях коэффициентов трения тормозных накладок; 3. Выбрать основные параметры тормозных механизмов (площадь накладок, площадь поверхности трения, площадь поверхности охлаждения) с тем расчетом, чтобы соотношение тормозных сил по осям АТС было бы постоянным. Подобная оптимизация предполагает обязательную установку регулятора тормозных сил в приводе задних тормозов или устройства, изменяющего распределение тормозных сил по осям. Для этой цели разработана специальная программа оптимизации и автоматизированного проектирования тормозной системы, позволяющая на стадии проектирования осуществлять поиск оптимального распределения тормозных сил по осям АТС. Там же приведены подпрограммы, осуществляющие проверку на соответствие требованиям ОСТов, ГОСТов и международным предписаниям. Необходимо отметить, что по требованиям ЕЭК ООН (Правила 13) [12] проверка осуществляется только для постоянных коэффициентов трения тормозных накладок, т.е. не учитывается возможное изменение коэффициентов трения в эксплуатационных условиях. Кроме того, поступающие на заводы-изготовители тормозные накладки имеют значительный разброс по коэффициенту трения, поэтому при комплектации тормозных механизмов возможны случайные сочетания коэффициентов трения на передних и задних тормозных механизмах.
На рис. 3.4 представлена диаграмма для выбора коэффициентов трения при расчете комплексных параметров тормозных механизмов. Обычно при расчетах ориентируются на средние значения коэффициентов трения //, и Мг (на диаграмме этим значениям соответствует точка М, квадрант I). Анализ диаграммы показывает, что наиболее опасным в этом случае (с точки зрения потери устойчивости при торможении) является случай, когда передние тормозные механизмы укомплектованы тормозными накладками с минимальным коэффициентом трения (//)т1я), а задние - с максимальным значением 1таї(т."в" на диаграмме в квадрате I). Заштрихованный прямоугольник а, Ъ, с, d показывает вероятную область соотношения тормозных сил по осям автомобиля при изменении коэффициента трения накладок (переднего дискового тормоза в диапазоне /J, =0,35...0,45 и накладок заднего тормозного механизма в диапазоне , = 0,3 5... 0,45.
Технические требования к проектированию и комплектация спортивного автомобиля на базе модели ВАЗ-2110 в спортивной команде Лукойл Рейсинг
В настоящей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований тормозной системы конкретно для спортивного автомобиля команды Лукойл Рейсинг. Кратко описаны технические требования к проектированию и подготовке спортивного автомобиля на базе промышленно выпускаемой модели (ВАЗ-2110). Приводятся необходимые данные по измерительной технике для проведения телеметрии и технологического процесса диагностирования систем автомобиля и в первую очередь - его тормозной и двигательной систем. Описаны результаты испытаний тормозной системы спортивного автомобиля и проведена оценка ее термонагруженности в конкретных дорожных условиях. Приведены результаты по оптимизации и повышению эффективности работы автомобильного двигателя методами компьютерной комплексной телеметрии. Выполнен теоретический анализ тормозных свойств спортивного автомобиля и оценка эффективности тормозной системы и термонагруженность в разных условиях эксплуатации. Сформулированы выводы и даны рекомендации по результатам проведенных исследований на уровне количественных параметров.
Основные результаты данной главы опубликованы в работах автора [30-36, 180-182,184]. На вкладке I показан общий вид спереди/сзади спортивного автомобиля команды Лукойл Рейсинг, разработанного на базе модели ВАЗ-2110. Технические требования к легковым автомобилям, подготовленным для участия в кольцевых гонках в зачетной группе "супертуризм", кратко приведены в приложении 1 (см. также [108, 180]). Тормозные системы в условиях кольцевых гонок. Тормозные системы используемого автомобиля по сравнению с базовой моделью имеют схожие конструктивные элементы. Принцип действия у них одинаковый. Разница в конструктивном исполнении и применяемых материалах, которые определяются техническим регламентом соревнований (ср. с [27-29, 183]). Если на автомобиле установить тормоза более мощные, более эффективные, то он будет быстрее останавливаться с той же (а то и более высокой!) скорости. Таким образом, не теряя в безопасности, можно разгонять автомобиль до высокой скорости, позже начинать торможение перед поворотами и препятствиями, то есть увеличивать среднюю скорость движения. Кроме того важно, что при торможении большая часть веса автомобиля перераспределяется на передние колеса, при этом сцепление их шин с дорогой значительно возрастает. Поэтому, позже затормозив перед поворотом (и нагрузив тем самым управляемые передние колеса), можно пройти поворот на более высокой скорости.
Кольцевые гонки - это череда разгонов и торможений. Для достижения лучших результатов здесь эффективность тормозов, а также умение ими пользоваться не менее важны, чем мощный двигатель. Поэтому принцип — "на газ может нажать каждый; главное в гонках — это знать, когда жать на тормоз" — один из основных для кольцевых гонок. Чем мощнее двигатель, тем динамичнее автомобиль, тем и эффективнее должны быть тормоза.
Но не только они. На эффективность торможения оказывают влияние не только тормоза, но и шины и нагрузка на колеса. Ведь если сцепление шин с дорогой недостаточно, то может произойти следующее: колеса уже не вращаются (заблокированы), а автомобиль продолжает движение юзом (скользит). На асфальте тормозной путь при движении юзом больше, чем при нормальном интенсивном торможении, К тому же движущийся юзом автомобиль практически неуправляем.
Чтобы снизить вероятность блокирования, на автомобилях применяют регулятор давления, распределяющий тормозные силы в зависимости от нагрузки на колеса. А большинство современных легковых автомобилей оснащается АБС — антиблокировочной системой тормозов, обеспечивающей максимально интенсивное торможение без блокировки колес.
Практически во всех гоночных дисциплинах АБС запрещена — гонщик может рассчитывать только на свое мастерство. А регулятор давления для него — это инструмент, позволяющий влиять на поведение автомобиля в ходе гонки.
Далее, в передних тормозах серийной "десятки" (вкладка 1.1) используются стальные вентилируемые диски традиционной (цельной) конструкции диаметром 239 или 257 мм и общей толщиной 20 мм. Тормозные механизмы однопоршневые, "с плавающей скобой". Суппорты и направляющие колодок изготовлены из высокопрочного чугуна. Колодки стальные, с наклеенными фрикционными накладками, могут оснащаться датчиком износа накладок. Суппорт крепится к фланцу рабочего цилиндра двумя болтами, образуя при этом "плавающую скобу". С направляющей колодок "плавающая скоба" связана направляющими пальцами и может перемещаться ("плавать") относительно нее при торможении.
В передних тормозах гоночной "десятки" (вкладка 1.2) используются стальные вентилируемые диски АР Racing максимально допустимых в классе "супертуризм" размеров - диаметром 304 мм и общей толщиной 28 мм. Ступица диска — из алюминиевого сплава. Диск соединен со ступицей специальными втулками. Составная конструкция позволяет снизить массу узла и обеспечить свободное расширение/сжатие диска при нагреве и охлаждении (снижается вероятность деформаций при колебаниях температуры). Втулки обеспечивают небольшой зазор (0,4 мм) между диском и ступицей, позволяя диску "плавать" - самоустанавливаться в нужное положение при торможении.
