Development of a modular brake disc assembly for spot-type disc brake systems with enhanced performance characteristics

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

This study presents a modular brake disc assembly designed to improve the performance characteristics of automotive spot-type disc brake systems. We examined disc brake system configurations in 2017 fifth-generation Ford Explorer vehicles. Three principal limitations of conventional brake discs were identified: excessive thermal gradients and internal stresses within disc components, non-repairable structural designs, and insufficient heat transfer from friction surfaces during operation. To address these challenges, we employed the theory of inventive problem solving (TRIZ), which led to the development of a modular decomposition approach for principal structural elements of the brake disc. The design process involved 3D modelling techniques within the KOMPAS-3D v21 educational software package, which facilitates comprehensive virtual prototyping and analysis. Finite element meshing and subsequent static strength calculations, using the von Mises criteria, revealed stress-strain distribution zones in the developed components of the modular brake disc assembly. The findings underscore the importance of enhancing structural design and selecting materials with optimal physical properties, including density, yield strength, elastic modulus, and thermal conductivity. This approach would reduce the inertial masses of components and the unsprung masses of the vehicle, while increasing the guaranteed safety factor and improving heat dissipation from the friction pairs in spot-type disc brake systems. In addition, 3D printing methods with wax-like filaments, essential for investment casting in steel production, were reviewed and applied. The study demonstrates that the selection of optimal materials enhances braking efficiency and reduces the stopping distance and time of a vehicle when using the proposed design. Recommendations for print settings and modes are also provided.

About the authors

E. F. Sklyarenko

Kuban State Technological University

Email: sklyarfedorovich97@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-0119-9875

Yu. D. Shevtsov

Kuban State Technological University

Email: shud48@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-1742-1135

References

  1. Петрик А.А., Вольченко Н.А., Пургал П.Ю., Вольченко Д.А. Фрикционные узлы: монография. Краснодар: КубГТУ, 2003. Т. 2. 220 с. EDN: QNANGL.
  2. Вольченко Н.А., Поляков П.А., Скрыпнык В.С., Витвицкий В.С. Энергонагруженность трибосопряжений дисково-колодочных тормозов транспортных средств // Евразийский Союз Ученых. 2018. № 3-2. С. 51–59. EDN: XNFTED.
  3. Скляренко Е.Ф. Повышение энергоемкости и эффективности дисково-колодочных тормозных устройств транспортных средств // Инновационный потенциал развития науки в современном мире: достижения и инновации: сб. науч. статей по матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Уфа, 28 февраля 2023 г.). Уфа, 2023. С. 91–111.
  4. Sainath A., Dehadray P.М., Bharath P., Rao L.В. The thermal and stress analysis of disc brake // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1128. Iss. 1. Р. 012015. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1128/1/012015.
  5. Mrausi S., Trimble J., Olabanji O., Tlhabadira I., Daniyan I.A. Investigating the mechanical properties of automotive brake disc and pad developed from locally sourced materials // 14th International Conference on Mechanical and Intelligent Manufacturing Technologies. 2023. P. 197–203. https://doi.org/10.1109/ICMIMT59138.2023.10200088.
  6. Barik N., Khadari S.A.R. Analysis of disc brake // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2021. Vol. 1123. Р. 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1123/1/012004.
  7. Sau S.K., Pulinat K.G., Moss P.N., Ranjeet P., Prabu S.S. A comparative study on the thermal and dynamic analysis of a disc brake using Ansys // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 65. Part 8. P. 3714–3723. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.06.318.
  8. López-Flores, Jennifer-Guadalupe, Cordero-Guridi, De Jesús J., Ovando-Cuevas, Romeo E., et al. Thermal-structural numerical analysis of the brake and disc system of a Formula SAE 2024 type vehicle // Journal Mathematical and Quantitative Methods. 2024. Vol. 8. Iss. 1-13. Р. e30814113. https://doi.org/10.35429/JMQM.2024.8.14.3.13.
  9. Пат. № 2668785, Российская Федерация, C1, F16D 65/12. Вентилируемый тормозной диск / Д. Маронати, Л. Оберти, Н. Ронки; заявитель и патентообладатель С.П.А. Френи Брембо. Заявл. 16.12.2014; опубл. 02.10.2018. Бюл. № 28.
  10. Пат. № 2556269, Российская Федерация, C2, F16D 65/12, F16D 65/847. Ротор тормозного диска с внутренней вентиляцией / Я. Виллемин, К. Виттке, А. Клингельхефер, А. Пипилис; заявитель, патентообладатель Брембо СГЛ Карбон Керамик Брэйкс ГМБХ. Заявл. 23.12.2011; опубл. 10.07.2015. Бюл. № 19.
  11. Пат. № 2628419, Российская Федерация, C2, F16D65/12. Сборный тормозной диск вала / С. Вурс, А. Мелан; заявитель, патентообладатель Фэйвели Транспорт Виттен ГМБХ. Заявл. 13.11.2012; опубл. 16.08.2017. Бюл. № 23.
  12. Федотов Е.С., Литвинов А.Е., Стародуб М.В. Причины возникновения повреждений тормозных дисков (Часть 1) // Мехатроника, автоматика и робототехника. 2020. № 6. С. 56–61. https://doi.org/10.26160/2541-8637-2020-6-56-61. EDN: UXEEON.
  13. Федотов Е.С., Стародуб М.В., Кузнецов В.А. Причины возникновения повреждений тормозных дисков (Часть 2) // Фундаментальные основы механики. 2021. № 7. С. 39–44. https://doi.org/10.26160/2542-0127-2021-7-39-44. EDN: OGBFYP.
  14. Федотов Е.С., Литвинов А.Е., Стародуб М.В. Причины возникновения повреждений тормозных колодок дисково-колодочных тормозных механизмов // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2020. № 9. С. 18–23. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2020-9-18-23. EDN: FDKDVA.
  15. Кошевой О.С., Мамулян Н.С., Радченко А.С. Триз – технология инноваций // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2013. № 1. С. 65–67. EDN: RPZDBN.
  16. Колоско Д.Н., Хаустович И.С., Щербаченя В.А. Применение критерия Мизеса в прочностных расчетах систем инженерного анализа // Актуальные проблемы и перспективы развития сельских территорий и кадрового обеспечения АПК: сб. науч. статей III Междунар. науч.-практ. конф. (г. Минск, 7–8 июня 2023 г.). Минск: БГАТУ, 2023. С. 324–328.
  17. Губенко А.С., Темпель Ю.А., Стариков А.И., Теплоухов О.Ю. Оптимизация прочностных и массовых характеристик детали с использованием алгоритмов порождающего проектирования // Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. № 7. С. 358–362. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2023-7-358-359.
  18. Красикова Е.С. Проектирование 3D-моделей для изготовления изделий методом литья по выплавляемым моделям // Высокие технологии в машиностроении: матер. XX Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Самара, 9–10 ноября 2023 г.). Самара: СамГТУ, 2023. С. 31–34. EDN: ISRYKI.
  19. Пат. № 2772531, Российская Федерация, C1, B22C 9/04, B22C 7/02. Способ удаления выжигаемой полимерной модели из керамической формы в литье по выплавляемым моделям / А.В. Шилов; заявитель Акционерное общество «ОДК-Авиадвигатель». № 2021138594. Заявл. 24.12.2021; опубл. 23.05.2022. EDN: MOSJRS.
  20. Евстигнеев А.И., Дмитриев Э.А., Одиноков В.И., Чернышова Д.В., Евстигнеева А.А., Иванкова Е.П. О трещиностойкости керамической оболочковой формы по выплавляемым моделям при затвердевании в ней шарообразной стальной отливки // Литейное производство. 2022. № 9. С. 17–21. EDN: BSLLOC.
  21. Ткаченко С.С., Емельянов В.О., Мартынов К.В. Современная технология литья по выплавляемым моделям для производства художественных отливок // Литье и металлургия. 2021. № 1. С. 49–52. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2021-1-49-52. EDN: KETJWM.
  22. Сакович Н.Е., Никитин А.М., Шилин А.С., Рожнова В.С., Прудников С.А. Дисково-колодочные тормоза автотранспортных средств // Вестник Брянской государственной сельскохозяйственной академии. 2021. № 6. С. 55–60. https://doi.org/10.52691/2500-2651-2021-88-6-55-60. EDN: FZPNKF.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).