Exemplu de frână cu disc 1 - ESOCAETWIKIPLUS

De la ESOCAETWIKIPLUS

Acest exemplu arată simularea unei frâne cu disc.

Construcția constă dintr-o fereastră auto ventilată intern din metal.

Scopul simulării este de a calcula distribuția de temperatură tranzitorie, dependentă de timp, pe discul de frână în timpul frânării.

Simularea trebuie efectuată cu un efort de calcul cât mai mic (timp de calcul, cerințe de memorie) pentru a facilita calculele aproximative și examinarea variantelor.

Cuprins

constructie

Frâna cu disc auto are un diametru exterior de 340 mm.

Discul este ventilat intern, ceea ce înseamnă că tampoanele apasă pe două discuri din ambele părți, care sunt susținute una de cealaltă de nervuri. Zona nervurilor oferă o suprafață mare aerului ambiant, astfel încât să existe o răcire bună și căldura să curgă departe de suprafața materialului către aerul ambiant.

Valorile materialului pentru oțelul discului de frână sunt aici:

Conductivitate termică λ = KXX = 40 [W/(m K)]
capacitate termică specifică cp = C = 500 [J/(kg K)]
Densitate ρ = DENS = 7800 [kg/m 3]

La frânare, vehiculul cu o masă de 2000 [kg] ar trebui să fie frânat de la o viteză de 250 [km/h] până la o oprire cu o decelerare constantă în 10 [s]. Cu aceeași sarcină pe toate cele patru discuri de pe roțile vehiculului, rezultă o muncă de W = 1,204e6 [Ws] pe disc sau o putere de 120,4 [kW] pe durata procesului de frânare.

idealizare

model

Axisimetria este utilizată pentru a obține un model de simulare care are ca rezultat cel mai mic efort posibil de soluție. În ilustrația din dreapta, acest model este desenat în schița discului de frână. Linia punctului de bord este axa de rotație a discului de frână. Secțiunea transversală desenată color în contururile discului de frână este secțiunea transversală care rezultă dintr-o tăietură imaginară la o poziție unghiulară a circumferinței. Culoarea metalului solid (turcoaz) și zona coastei (violet) a discului sunt diferențiate.

Aximetria presupune că geometria este aceeași pentru toate secțiunile radiale ale modelului, adică este independentă de poziția unghiulară din jurul axei. Modelul este astfel reprezentat ca o secțiune radială în plan care este întinsă de direcția radială (de la interior la exterior) și axială (de-a lungul axei). Direcția circumferențială este, prin urmare, practic normală pentru planul model (perpendicular pe acesta). Cu această modelare aximetrică, sarcinile trebuie să fie, de asemenea, independente de poziția unghiulară din jurul axei, adică trebuie să fie aceleași în jurul circumferinței. (În orice caz, acesta este „cazul normal”. În cazuri speciale, modelarea aximetrică poate fi utilizată și pentru sarcini care sunt neuniforme peste circumferință. Elementele potrivite pentru aceasta sunt cele cu „abordări ale sarcinii armonice”. Această particularitate nu este discutată mai departe aici. )

Date materiale

Cealaltă figură din dreapta arată secțiunea transversală cu dimensiuni (în [m]). Axa x indică direcția radială, axa y de-a lungul axei roții.

Zona coastei necesită o atenție specială, deoarece de fapt nu există simetrie axială aici. Dacă se imaginează tăieturi la diferite poziții unghiulare prin discul de frână, atunci uneori coastele sunt tăiate și alteori goluri (goluri) între nervuri. În acest exemplu, se folosește o distribuție „pătată”. Pentru zona nervurilor, o nervură nu este luată în considerare individual, dar sunt luate în considerare celelalte proprietăți ale materialului din această zonă.

În figură, zona materialului 1 reprezintă materialul din oțel, care este solid și închis continuu în jurul întregii circumferințe a discului.

Zona materială 2 reprezintă aria nervurilor de ventilație interioare între suprafețele exterioare ale geamurilor. Proporția ariei nervurilor este de aproximativ 1/5 = 0,2. Acest factor reduce conductivitatea termică în direcția axială (KYY). Conductivitatea termică în direcția radială (KXX) și în direcția circumferențială (KZZ) este setată la o valoare apropiată de zero. Acest lucru arată că nervurile sunt alungite și subțiri și conectează cele două discuri numai în direcția axială. Nicio conducție de căldură nu are loc transversal la nervuri, adică nu radial spre exterior de la o nervură la alta și, de asemenea, nu în consecință în direcția circumferențială. Pentru a regla capacitatea de căldură, densitatea (DENS) este lăsată neschimbată și capacitatea de căldură specifică (C) este redusă.

Condiții limită, sarcini

Convecția către aerul ambiant este prezentată pe toate suprafețele exterioare ale modelului. O caracteristică specială aici este că suprafețele care sunt ventilate intern au, de asemenea, convecție la mediu. Deci, ca să spunem așa, un impact asupra mediului trebuie să fie cartografiat în cadrul modelului nostru FEM. De ce „în interiorul modelului”? Știm că aria materialului 2 reprezintă nervurile, dar pentru modelul FEM această zonă a secțiunii transversale este o suprafață ca materialul solid, doar cu valori materiale ușor diferite. O valoare mai mare a transferului de căldură este utilizată ca bază pentru disiparea convectivă a căldurii în aerul ambiant din interiorul zonei nervurilor. Acest lucru rezultă din fluxul de aer care apare între coaste. Dispunerea radială a nervurilor creează un efect de ventilator, astfel încât un flux crescut prin zona interioară din butuc are loc radial spre exterior.

O altă caracteristică specială este marginea modelului pe care acționează plăcuțele de frână. Aici - ca și pe celelalte margini exterioare - căldura convectivă trebuie să fie degajată aerului ambiant. Dar în cazul în care plăcuțele de frână sunt în contact, puterea de intrare ar trebui să fie, de asemenea, cartografiată pentru o parte a circumferinței printr-o sarcină de suprafață a densității fluxului de căldură.

Acoperirile acționează pe zona discului între razele r = 110 [mm] și r = 160 [mm]. Puterea termică este introdusă în această zonă. În intervalul de timp al procesului de frânare, se presupune că puterea de intrare este constantă. Din motive de simplitate, eliberarea de căldură convectivă în mediu este, de asemenea, presupusă a fi constantă în timp. Se neglijează faptul că valoarea transferului de căldură trebuie redusă în mod corespunzător cu viteza scăzută.

Discretizare

Elementele plate au fost utilizate în discretizare. Împărțirea elementelor poate fi văzută în a doua figură de mai sus. Este relativ dur pentru acest exemplu de principiu. Efortul de calcul este, prin urmare, foarte, foarte mic și poate fi de așteptat în intervalul de secunde.

soluţie

Soluția se realizează ca o simulare tranzitorie a câmpului de temperatură.

Evaluarea se efectuează inițial în intervalul de timp 0

În figura din dreapta sunt prezentate două distribuții de temperatură.

Imaginea parțială din stânga arată distribuția temperaturii la sfârșitul procesului de frânare - adică ora la care vehiculul tocmai a intrat în repaus. Temperatura maximă este Tmax = 570 ° C. Temperaturile sunt crescute local în zona de frecare. Interiorul panoului este încă relativ rece.

Partea dreaptă arată rezultatele la sfârșitul perioadei de repaus calculat la t = 100 [s]. În acest interval de timp există în esență o răcire a discului de frână și o egalizare a diferențelor de temperatură din material. Temperatura maximă după 100 [s] este Tend = 184 ° C. În comparație cu distribuția imediat după frânare, puteți vedea că temperaturile din zona de frecare s-au egalizat în mare măsură. Există încă o scădere a temperaturii spre butuc.

evaluare

Cu aceste distribuții, proiectantul frânei poate evalua dacă discul funcționează în intervalul permis sau dacă este supraîncălzit.

geometria în zona nervurilor: datele materiale au fost modificate aici,
disiparea convectivă a căldurii în zona coastei: aici s-au aplicat condițiile limită în interiorul modelului,
la exteriorul geamurilor disiparea convectivă a căldurii și alimentarea cu căldură prin fricțiunea căptușelii: aici a fost neglijată influența rotației discului asupra secvenței temporale a acestor influențe.

Secvența de încărcare a intervalelor poate fi adaptată la traseele de testare sau pe baza ciclurilor de conducere foarte specifice.

Comparativ cu acest exemplu de principiu, multe alte detalii pot fi luate în considerare în simulare, cum ar fi.

Geometrie și detalii de construcție,
Dependențele de date ale materialului de temperatură (acest lucru face ca simularea să nu fie liniară,
Dependențele sarcinilor (convecție, căldură prin frecare) de temperatură și viteza curentă.

Mecanica structurală

În plus față de această simulare a câmpului de temperatură, se poate efectua un calcul al războiului maxim al panoului termic („ecranarea panoului”). Aceste deformări mecanice datorate distribuției inegale a temperaturii în disc sunt importante pentru proiectarea sistemului de frânare. Ele pot fi determinate cu un calcul mecanic structural. Acest calcul mecanic poate fi efectuat după calculul câmpului de temperatură (temperaturile locale calculate sunt transferate) sau cuplat cu calculul câmpului de temperatură.