Verificarea franelor la solicitari mecanice și termice

Verificarea franelor la solicitari mecanice și termice

Dimensionarea discurilor de frana se face, de regula, pe cale empirica, pornind de la soluții similare existente, verificate in exploatare.

La franele cu disc prezinta o importanța deosebita solicitarile termice, care sunt mult mai mari decat la franle cu tambure, dar si racirea acestora este ma rapida datorita construcției, cu variații rapide in timp și cu gradienți de temperatura foarte mari. Rezulta deci ca dimensionarea tamburelor și discurilor se face pe considerente de rigiditate si solicitari termice.

Procesul de franare, in deosebi al franarii intensive, presupune transformarea intr-un timp foarte scurt a unei cantitați de energie mecanica in energie termica .

In cazul franarii autovehiculul cu decelerația , puterea care este absorbita de catre frane este apoximativ egala cu:

_(4.27)

Decelerațiile la franare pot ajunge la 6 - 8 m/s², rezulta deci ca puterea care trebuie sa fie absorbita de frane depașește adesea puterea motorului de 4 - 5 ori, uneori aceasta valoare ajungand sa creasca pana la 9 - 10 ori.

Cantitatea mare de caldura care se degaja in timpul franarii contribuie la inrautațirea calitaților de franare ale autovehiculelor și grabește uzarea garniturilor de frcțiune.

La incalzirea franelor adesea se observa o diminuare a eficacitații acestora, datorita așa numitului fenomen "fading". Acesta se explica prin micșorarea coeficientului de frecare a unor material, a garniturilor de fricțiune in urma evaporarii, la incalzire, a substanței liante și a formarii pe suprafața garniturii a unui strat unsuros. [2]

In cursul franarii se mai modifica și dimensiunile pieselor componente ale franelor din cauza incalzirii acestora. Uzarea garniturilor de fricțiune crește repede odata cu creșterea temperaturii. In urma a numeroase incercari cu diferite tipuri de garnituri s-au stabilit ca uzura garniturii se marește de 2 - 5 ori in cazul ridicarii temperaturii de la 100⁰C pana la 300⁰C. Garniturile de fricțiune moderne pot suporta timp indelungat o temperatura de 350 - 500⁰C. Temperatura admisibila pentru garniturile de etanșare ale cilindrilor receptori este de 170 - 190⁰C, iar temperatura anvelopelor , in zona de contact cu janta, nu trebuie sa depașeasca 90 - 95⁰C.

Pentru a obține, la franarea autovehiculului, decelerația va fi necesara o forța de franare. [1]

(4.28)

1. Verificarea solicitarilor mecanice ale franelor

Verificarea solicitarilor mecanice ale franelor se apreciaza cu ajutorul unor parametrii, dintre cei mai utilizați fiind: presiunea pe suprafața garniturii de fricțiune, lucru mecanic specific de frecare, puterea specifica și incarcarea specifica . [1]

Presiunea pe suprafaț a garniturilor de fric iune.

Durabilitatea garniturilor de fricțiune se apreciaza cu ajutorul presiunii dintre garnitura și disc.

La franele cu disc se admite ca presiunea pe disc este uniforma și se considera o presiune medie care se calculeaza cu relatia:

(4.29)

Lucrul mecanic specific de frecare.

Durabilitaea garniturilor de fricțiune se apreciaza și cu ajutorul lucrului mecanic specific de frecare, sa fie egala cu lucrul mecanic de franare, astfel rezultand:

  _(4.30)

(4.31)

Tabelul 4.2 Lucrul mecanic specific de frecare la franarea automobilelor [2]

Puterea specifica de franare

Puterea de franare necesara la franarea unui autovehicul de la viteza maxima pana la oprire, cu o decelerație maxima a_fmax este data de relația:

  _(4.32)

(4.33)

Puterea specifica admisibila depinde de tipul autovehiculului și de tipul franei, astfel pentru franele cu disc ale automobilelor .

2. Calculul termic al franelor

Calculul termic al franelor unui autovehicul se poate face numai pe baza unor date experimentale referitoare la condițiile reale de racire ale franelor in procesul de franare. In faza de proiectare este indicat sa se ia in considerare parametrii caracteristici ai constructiilor existente care au fost verificate in practica. Calculele termice efectuate pe baza acestor date, chiar daca nu reflecta in mod fidel solicitarea termica a franelor autovehiculului proiectat, constituie un mijloc de evitare a unor neconcordanțe mari intre dimensionare și cerințele de expluatare.[2]

La franarea intensiva se considera ca intreaga cantitate de caldura care se degaja contribuie la ridicare temperaturii mecanismului de franare, adica este preluata de disc. Se face bilantul termic la franarea de la viteza V pana la oprirea automobilului și se obține:

_(4.34)

G_t=4.5 kg greutatea discului de frana;

- coeficient care reprezinta fracțiunea din caldura produsa și preluata de disc;

c_a caldura masica extrasa din tabelul 4.3;

n_f= - numarul de roți franate;

G₁=10251[N]

  _(4.35)

Se recomanda ca la o franare intensiva de la 30 km/h pana la oprire, creșterea de temperatura sa nu depașeasca 15⁰C, lucru care in cazul studiat este valabil.

Tabel Caracteistici ale materialelor utilizate in constructia discurilor de frana.[1]

In cazul franarii indelungate se ține seama și de schimbul de caldura cu mediul exterior.

Temperatura maxima a discului se poate clcula cu relația:

t_dmax = 56,5 [ C]  (4.36)

in care x =1 (daca se considera garniturile ca fiind izolatoare) este un coeficient de repartiție a caldurii intre garniturile de fricțiune și disc;

q_d = densitatea fluidului de caldura calculat cu relatia:

q_d = [kcal/cm²s] (4.37)

unde a_f = decelerația la franare, calculata cu relația:

r [kg/m³] - densitatea materialului extrasa din tabelul

C_a [kcal/kg* C] - caldura masica a discului, extrsa din tabelul

V = 80 km/h este viteza de deplasare a autoturismului;

a_t este difuzivitatea termica calculata cu relația:

a_t = [m²/s] este conductivitatea termica extrasa din tabelul

t_dma=247⁰C;

In regulamentul nr. 13 al C.E.E. a O.N.U.,temperaturile din frane sa nu depașeasca 300⁰C.