Prognozowanie zużycia okładzin ciernych hamulców tarczowych w procesie eksploatacji pojazdów samochodowych

Streszczenie

W artykule przedstawiono aktualny stan w zakresie moĪliwoĞci prognozowania stanu zespołów pojazdu samochodowego. Zaprezentowano nowy algorytm prognozo-wania okresu uĪytkoprognozo-wania okładzin ciernych hamulców tarczowych z uwzglĊdnieniem indywidualnych warunków eksploatacji pojazdu. Przedstawiono zasadĊ działania oraz budowĊ czujnika zuĪycia okładzin. Konstrukcja czujnika umoĪliwia zrealizowa-nie dwóch celów: oszacowania intensywnoĞci zuĪycia okładzin i na tej podstawie obliczenia prawdopodobnego przebiegu pojazdu do ich wymiany oraz zasygnalizowa-nia zuĪycia granicznego okładziny. Omówiono strategiĊ sygnalizacji zuĪycia granicznego i przebiegu do wymiany okładzin. Przedstawione rozwiązanie pozwala rozszerzyü zakres diagnostyki pokładowej pojazdów samochodowych o funkcjĊ pro-gnozowania trwałoĞci okładzin ciernych.

Słowa kluczowe: diagnostyka, prognozowanie, hamulce, czujniki 1. Wprowadzenie

Problematyka prognozowania stanu obiektu w diagnostyce pojazdów samochodowych zwią-zana jest z dynamicznym rozwojem układów mechatronicznych w budowie samochodów. Praktyczne wprowadzenie algorytmów prognostycznych stało siĊ moĪliwe w chwili wprowadzenia do układów sterowania pojazdów sterowników z coraz mocniejszymi procesorami. Natomiast pod-stawy teoretyczne prognozowania były juĪ wczeĞniej opracowywane.

Przykładowo, w pracy [11] przedstawiono ogólny algorytm wyznaczania optymalnych procedur

rozpoznawania stanu maszyn, zaznaczając równoczeĞnie, Īe procedury rozpoznawania stanu ma-szyn wiąĪą siĊ z przetwarzaniem duĪej iloĞci danych pomiarowych, ze złoĪonymi operacjami numerycznymi, aproksymacją, modelowaniem, czy teĪ predykcją szeregów czasowych w przy-padku prognozowania. Nieodzowne jest wiĊc komputerowe wspomaganie tego procesu w oparciu o odpowiednie oprogramowanie. W pracy [1] zaprezentowano moĪliwoĞci modelowania

progno-stycznego w oparciu o tzw. metodĊ szarych szeregów. Przedstawiono metodologiĊ budowy modelu opartego o tĊ metodĊ, przydatnego w prognozowaniu stanu obiektu za pomocą symptomów drga-niowych. Metoda ma zastosowanie zarówno przy duĪej iloĞci danych wejĞciowych, jak i w modelach z niewielką liczbą niepewnych danych. Zweryfikowano ją w zastosowaniu w dziedzi-nie drganiowej diagnostyki maszyn, jednouszkodzeniowej, jak i wielouszkodzeniowej. Praca ta zawiera szeroki zestaw Ĩródeł literaturowych analizujących teoriĊ i zastosowanie metody szarych szeregów. W pracy [10] przedstawiono problematykĊ dezaktualizacji modelu prognostycznego i

o doborze modelu jest Ğledzenie Ğredniego błĊdu prognozy i na jej podstawie wybór dalszych działaĔ w zakresie obliczania wartoĞci przyszłych.

Analizując rozwój metod prognozowania stanu zespołów i elementów pojazdów moĪna zauwa-Īyü, Īe kaĪde zadanie prognostyczne wymaga indywidualnego podejĞcia, opracowania specjalnych zestawów czujników i algorytmów obliczeniowych. Analiza danych z czujników wymaga stosowa-nia techniki cyfrowej, a programy diagnostyczne wymagają sterowników o duĪej pamiĊci zarówno RAM jak i ROM. Zajmują wiĊcej pamiĊci mikroprocesorów niĪ programy sterujące. Istotnym pro-blemem jest wiarygodnoĞü ocen prognostycznych i niezawodnoĞü systemu. UĪytkownik pojazdu nie analizuje czy system diagnostyczny działa prawidłowo, lecz stosuje siĊ do jego wskazaĔ. JeĪeli system działałby nieprawidłowo, to producent pojazdu odpowiadałby za skutki, szkody spowodo-wane nieprawidłową prognozą. Ten aspekt powoduje ostroĪnoĞü we wprowadzaniu systemów prognostycznych do praktyki eksploatacyjnej pojazdów.

2. MoĪliwoĞci prognozowania stanu zespołów pojazdu samochodowego

Dotychczas w przewidywaniu stanu obiektu na podstawie badania diagnostycznego i progno-zowaniu jego trwałoĞci, decydujące znaczenie ma wiedza i doĞwiadczenie doradcy serwisowego i mechanika. Niemniej obserwuje siĊ tendencjĊ wspomagania tego wnioskowania przez specjali-styczne oprogramowanie. Na podstawie informacji z czujników oraz odpowiedniego oprogramowania obliczany jest czas, po którym wystąpiü moĪe wartoĞü graniczna parametru dia-gnostycznego. Stosuje siĊ równieĪ algorytmy pozwalające na predykcjĊ wartoĞci parametru mającego wpływ na sterowanie obiektem. Jest to szczególnie istotne w układach działających w dynamicznie zmiennych warunkach. Takie moĪliwoĞci pojawiły siĊ w układach mechatronicz-nych posiadających sterowniki z bardzo szybkimi mikroprocesorami.

Przykładowe systemy prognostyczne w samochodach to układ szacowania przebiegu pojazdu do wymiany oleju w silniku, układ oceny stopnia zatkania filtra cząstek stałych silnika z zapłonem samoczynnym i ustalania sposobu jego regeneracji, algorytm szacowania współczynnika tarcia na-wierzchni, na którą wjeĪdĪa pojazd, układ sygnalizacji zuĪycia granicznego okładzin ciernych hamulców i przebiegu pojazdu do ich wymiany.

System szacowania okresu wymiany oleju w silniku polega na zbieraniu informacji o iloĞci zimnych rozruchów silnika, czasie pracy w okreĞlonych zakresach temperatur i obciąĪenia, prze-biegu pojazdu i zuĪyciu oleju przez silnik. Na tej podstawie specjalny algorytm, opracowany na podstawie badaĔ degradacji oleju spowodowanej powyĪszymi warunkami, oblicza przewidywany przebieg pojazdu do wymiany oleju.

W silnikach z zapłonem samoczynnym stosowany jest tzw. dotrysk paliwa w koĔcu suwu pracy i w fazie suwu wydechu silnika. MoĪe to powodowaü przedostawanie siĊ niespalonego oleju napĊ-dowego do skrzyni korbowej silnika i rozrzedzanie oleju smarowego. Taki stan (wzrost poziomu oleju) mierzy elektryczny, lub elektroniczny czujnik poziomu oleju. Na tej podstawie obliczany jest przebieg do koniecznej wczeĞniejszej wymiany oleju niĪ wynikałoby to z ogólnych zasad uĪytko-wania oleju w tym silniku.

W układach wydechowych silników z zapłonem samoczynnym stosowane są filtry cząstek sta-łych (DPF). W zaleĪnoĞci od stylu jazdy kierowcy ulegają one zatkaniu przez te cząstki (sadzĊ) w róĪnym stopniu. StopieĔ tego zatkania jest bieĪąco mierzony przez róĪnicowy czujnik ciĞnienia

i na tej podstawie program diagnostyczny prognozuje sposób i okres regeneracji filtra, czyli wypa-lania sadzy. MoĪe to byü regeneracja pasywna, lub aktywna podczas normalnej eksploatacji samochodu, albo koniecznoĞü obsługi i regeneracji w serwisie.

Skomplikowany algorytm prognostyczny stosowany jest do szacowania współczynnika przy-czepnoĞci przylgowej koła do nawierzchni jezdni, po której porusza siĊ pojazd. Taka informacja jest potrzebna w algorytmach sterowania układem ABS, a szczególnie układem ESP. PrzyszłoĞciowo, ta informacja bĊdzie niezbĊdna w układach automatycznego kierowania pojazdem. Opracowana metoda szacowania maksymalnej wartoĞci współczynnika przyczepnoĞci koła do jezdni polega na ciągłym obliczaniu zaleĪnoĞci bieĪącej wartoĞci współczynnika przyczepnoĞci ȝ w funkcji poĞlizgu koła s, w okresach napĊdu pojazdu [7]. Współczynnik przyczepnoĞci ȝ obliczany jest na podstawie znanego na bieĪąco obciąĪenia silnika Me i przełoĪenia układu napĊdowego oraz nacisku koła na jezdniĊ, a poĞlizg koła napĊdzanego s na podstawie jego prĊdkoĞci kątowej Ȧk, promienia dyna-micznego rd i prĊdkoĞci pojazdu vs. PrĊdkoĞü vs obliczana jest na podstawie prĊdkoĞci kątowej koła nienapĊdzanego Ȧkt podczas ruchu prostoliniowego: vs = Ȧkt rd

s s d k k n v v r s Z F ₌ − =

ω

μ

Rys. 1. Wyniki pomiarów poĞlizgu (Slip – s) i współczynnika przyczepnoĞci ȝ oraz aproksymacja liniowa zaleĪnoĞci ȝ(s) (po filtracji wyników) na suchym asfalcie i nawierzchni pokrytej Ğniegiem ħródło: [7].

WartoĞci ȝ i s są wyliczane na podstawie mierzonych na bieĪąco wartoĞci Me, Ȧk, bez filtracji. Obliczenie funkcji

) ( δ

μ =k s− (2)

gdzie į jest wartoĞcią s dla ȝ=0 obliczaną na podstawie modelu opony i bieĪącej siły napĊdowej F, wymaga filtracji z zastosowaniem filtra Kalmana o duĪej szybkoĞci działania.

Nachylenie k funkcji ȝ(s) jest wyraĨnie zaleĪne od współczynnika tarcia nawierzchni, po której porusza siĊ pojazd (rys. 1). Im wiĊksza wartoĞü nachylenia k tej funkcji tym wiĊkszy jest współ-czynnik tarcia nawierzchni, po której porusza siĊ koło.

Na podstawie wartoĞci nachylenia k obliczonego z pomiarów ȝ i s do chwili t, szacujemy war-toĞü współczynnika tarcia w chwili t. Na tej podstawie prognozujemy jaka bĊdzie jego warwar-toĞü w chwili t + ǻt, gdzie ǻt~0.01s, stosując aproksymacjĊ liniową.

Badania przeprowadzone przez autora [5] wskazują, Īe moĪliwe jest szacowanie współczynnika

przyczepnoĞci przylgowej miĊdzy kołem, a nawierzchnią jezdni w warunkach hamowania z urucho-mionym układem ABS na podstawie analizy przyspieszenia koła dȦk/dt w czasie pierwszego cyklu odhamowania, przez układ ABS. Metoda ta pozwala oszacowaü przedział współczynnika przyczep-noĞci przylgowej koła do nawierzchni jezdni i prognozowaü przyczepnoĞü w nastĊpnym cyklu działania ABS.

3. MoĪliwoĞci oceny zuĪycia okładzin hamulcowych

Układ hamulcowy pojazdu jest podstawowym układem decydującym o bezpieczeĔstwie czyn-nym, a wiĊc o moĪliwoĞci unikniĊcia kolizji, lub wypadku. Z tego wzglĊdu jego sprawnoĞü jest okresowo, obowiązkowo kontrolowana w stacji kontroli pojazdów. RównoczeĞnie, elementy elek-tryczne i elektroniczne układu ABS są nadzorowane na bieĪąco przez system diagnostyki pokładowej [2, 9]. Natomiast elementy mechaniczne są znacznie trudniejsze do bezpoĞredniej

kon-troli i ciągły nadzór nad nimi jest znacznie ograniczony. Nadmierne zuĪycie elementów ciernych hamulca ma istotny wpływ na wzrost temperatury pary ciernej i obniĪenia współczynnika tarcia okładzin. Zmniejszenie gruboĞci okładziny hamulcowej powoduje zwiĊkszenie iloĞci ciepła przeni-kającego do zacisku hamulca i płynu hamulcowego. W sytuacjach dynamicznych jazd autostradowych i jazd górskich istnieje niebezpieczeĔstwo nagrzewania zacisków hamulcowych do temperatury ponad 150°C i osiągniĊcie temperatury wrzenia płynu hamulcowego. Taki stan prowa-dzi do zaniku sił hamujących i niebezpieczeĔstwa groĨnego wypadku.

Ze wzglĊdu na coraz wiĊksze roczne przebiegi samochodów i normalne, eksploatacyjne zuĪycie elementów ciernych hamulców, ich stan techniczny powinien byü nadzorowany. Zadanie to speł-niają obecnie czujniki zuĪycia okładzin ciernych oraz kontrola stanu hamulców podczas badaĔ okresowych. Czujniki mierzą i sygnalizują osiągniĊcie zuĪycia granicznego okładziny. Realizowane jest to na zasadzie elektrycznej, lub mechanicznej. Rozwiązania konstrukcyjne są róĪnorodne (rys. 2). Pomiar na zasadzie elektrycznej polega na tym, Īe w okładzinĊ cierną wklejone, lub wciĞniĊte są jeden lub dwa przewody elektryczne izolowane. Umieszczone są na okreĞlonej głĊbokoĞci, od-powiadającej zuĪyciu granicznemu. Jeden z przewodów jest zasilany. W rozwiązaniu z jednym przewodem, gdy zuĪycie okładziny osiągnie wartoĞü graniczną, dotyka on tarczy hamulcowej, czyli obwód jest zwierany do masy. W przypadku dwóch przewodów zwierane są one wzajemnie poprzez materiał tarczy hamulcowej. ZamkniĊcie obwodu powoduje włączenie lampki sygnalizacyjnej. Roz-wiązanie mechaniczne polega na tym, Īe do stalowej podkładki korpusu okładziny przymocowany jest metalowy element sprĊĪysty (rys. 2a). Gdy okładzina cierna ulegnie zuĪyciu do wartoĞci gra-nicznej, element ten dotyka wirującej tarczy hamulcowej, co powoduje charakterystyczny dĨwiĊk, słyszalny przez kierującego. Innym rozwiązaniem mechanicznym jest widoczny z zewnątrz zacisku hamulca wskaĨnik, którego przemieszczenie wzglĊdem zacisku wskazuje na stopieĔ zuĪycia okła-dzin i tarczy hamulcowej.

W hamulcach samochodów ciĊĪarowych sterowanych elektronicznie (EBS) stosowane są układy ciągłego pomiaru zuĪycia okładzin ciernych [12, 14]. Przemieszczenie okładziny wzglĊdem

elementu stałego, spowodowane jej zuĪyciem, jest przekazywane przez układ Ğrubowy, przekładniĊ łaĔcuchową, lub trzpieĔ przesuwny na czujnik potencjometryczny. Sygnał z potencjometru jest przekazywany do sterownika hamulców i porównywany z wartoĞcią wystĊpującą przy zuĪyciu gra-nicznym. Porównywane jest równieĪ zuĪycie okładzin hamulców koła prawego i lewego nadzorowanej osi pojazdu. W przypadku znacznej róĪnicy zuĪycia okładzin jednego z kół sterownik ogranicza ciĞnienie hamowania w hamulcu koła o wiĊkszym zuĪyciu okładzin aĪ do wyrównania siĊ zuĪycia miĊdzy okładzinami hamulca koła prawego i lewego. Ten sposób wyrównywania zuĪy-cia stosowany jest tylko w czasie hamowaĔ łagodnych, mało intensywnych. Rozwiązania te są skomplikowane i droĪsze od czujników drutowych sygnalizacji zuĪycia granicznego. Stosowane są tylko w hamulcach sterowanych elektronicznie (EBS) [12, 13,14].

Rys. 2. Przykłady czujników zuĪycia okładzin ciernych hamulców samochodowych a) czujnik cierny – dĨwiĊkowy, b) czujniki elektryczne – stykowe, do wieloosiowego samo-chodu ciĊĪarowego, c, d) czujniki indukcyjne przemieszczenia, e) czujnik do wzrokowej oceny

stopnia zuĪycia i sygnalizacji zuĪycia granicznego ħródło: [12–15].

Prognozowanie stanu układu na podstawie wyników badaĔ diagnostycznych jest zagadnieniem trudnym i jak dotychczas tylko w niewielu systemach pojazdów wprowadzono czujniki i oprogra-mowanie pozwalające na przewidywanie trwałoĞci uĪytkowanych zespołów lub elementów. Dla uĪytkownika pojazdu istotne jest, z jakim prawdopodobieĔstwem moĪemy prognozowaü stan obiektu, lub jego elementów.

W układach hamulcowych prognozowanie przebiegu pojazdu do wymiany okładzin nie było jak dotąd opracowane.

4. Zasada działania czujnika i prognozowania przebiegu pojazdu do wymiany okładzin ciernych

Opracowany czujnik posiada cztery, lub trzy izolowane przewody elektryczne umieszczone na róĪnej wysokoĞci w stosunku do powierzchni ciernej nowej okładziny hamulcowej (rys. 3, 4). Prze-wody mogą byü wbudowane w okładzinĊ lub przymocowane do jej krawĊdzi (rys. 6, 7). Podłączone są do Ĩródła zasilania o napiĊciu U0 poprzez rezystory R1 ….R4. Przewody 1 i 2 (rys. 3) umieszczone są w okładzinie na tej samej głĊbokoĞci. Przewód 3 jest umieszczony około 2 mm wyĪej niĪ przewód 2, a przewód 4 na głĊbokoĞci odpowiadającej granicznemu zuĪyciu okładziny. Czujnik zasilany jest prądem stałym o napiĊciu około 5V. Zasilanie jest doprowadzane w czasie nacisku na dĨwigniĊ hamulca.

Po początkowym dotarciu i zuĪyciu nowej okładziny do głĊbokoĞci z1 (głĊbokoĞü osadzenia przewodów 1 i 2), nastĊpuje ich zwarcie poprzez materiał tarczy hamulcowej. Na skutek zwarcia wystĊpuje przepływ prądu przez rezystory R4 i R1 (rys. 3). Powoduje to spadek napiĊcia ǻU1 na rezystorze R4. Ten sygnał, rejestrowany przez sterownik ABS, powoduje zapamiĊtanie w programie diagnostycznym sterownika aktualnego przebiegu samochodu s1 w chwili osiągniĊcia głĊbokoĞci zuĪycia z1. Po nastĊpnym okresie eksploatacji hamulców dochodzi do zwarcia przewodów 1 i 3 poprzez materiał tarczy hamulcowej. Odpowiada to zuĪyciu okładzin do głĊbokoĞci z2 przy prze-biegu s2. Prąd przepływa przez rezystory R4, R1i R2 (R2«R1), a na rezystorze R4 nastĊpuje spadek napiĊcia ǻU2. Sygnał ten powoduje zapamiĊtanie przebiegu s2 samochodu w chwili osiągniĊcia głĊ-bokoĞci zuĪycia z2. PoniewaĪ znana jest odległoĞü miĊdzy koĔcami przewodów 2 i 3, moĪna obliczyü intensywnoĞü zuĪycia okładziny jako:

I

= (z

– z

)/(s

-s

) [mm/km]

z1 – zuĪycie okładziny po okresie jej docierania, przy przebiegu s1 z2 – zuĪycie okładziny przy przebiegu s2,

Przewód 4 znajduje siĊ na głĊbokoĞci odpowiadającej zuĪyciu granicznemu z3. OdległoĞü miĊdzy głĊbokoĞcią umieszczenia przewodów 3 i 4 jest znana: ǻz= z3 – z2. MoĪna wiĊc wyliczyü przebieg pojazdu s3, przy którym zostanie osiągniĊte zuĪycie graniczne:

] [ ) ( / 2 1 2 1 2 2 3 2 3 s s s km z z z z s I z s z − + − − = + =

Δ

z3 – zuĪycie graniczne okładziny,

Przy aktualnym przebiegu pojazdu s2’ pozostający do dyspozycji przebieg do wymiany okła-dzin wynosi:

]

['

s

km

s

s

=

−

Δ

s2’ – bieĪący przebieg pojazdu

PowyĪsze związki są waĪne przy załoĪeniu liniowej zaleĪnoĞci zuĪycia okładzin od przebiegu pojazdu. ZałoĪenie to jest słuszne jeĪeli warunki uĪytkowania pojazdu i styl jazdy kierującego są podobne w analizowanym okresie eksploatacji pojazdu.

Z1 Z2

Z3

Rys. 3. Zasada działania czujnika czteroprzewodowego do sygnalizacji zuĪycia granicznego okła-dzin hamulcowych i szacowania okresu ich wymiany

ħródło: [3].

W rozwiązaniu uproszczonym czujnik posiada 3 przewody umieszczone w okładzinie, połą-czone ze Ĩródłem napiĊcia poprzez rezystory R1…R3 (rys. 4). Drugim przewodem obwodu elektrycznego jest masa samochodu, a obwód zwierany jest poprzez materiał tarczy hamulcowej i elementy zawieszenia. Jest to rozwiązanie mniej pewne, z powodu moĪliwoĞci pojawienia siĊ przy-padkowych rezystancji miĊdzy tarczą hamulcową, piastą koła, zawieszeniem, nadwoziem i sterownikiem.

Rys. 4. Zasada działania czujnika trójprzewodowego ħródło: [3].

Przedstawiona zasada działania czujnika pozwala na indywidualne oszacowanie przebiegu da-nego pojazdu do wymiany okładzin z uwzglĊdnieniem konkretnych warunków jego uĪytkowania i stylu jazdy kierującego.

Drugi cel stosowania czujnika, to sygnalizacja zuĪycia granicznego. ZuĪycie okładziny do głĊ-bokoĞci osadzenia przewodu 4 (rys. 3), lub 3 (rys. 4) powoduje zwarcie przewodu 4 z przewodem 1 poprzez tarczĊ hamulcową (lub zwarcie przewodu 3 z masą pojazdu), przepływ prądu przez rezystor R3 i sygnalizowanie spadku napiĊcia ǻU3 na rezystorze R4. Jest to sygnał osiągniĊcia zuĪycia gra-nicznego.

Przewody 1 – 4 umieszczone są w okładzinie ciernej (rys. 6), lub zamocowane na niej (rys. 7), a układ elektryczny poza okładziną, np. w sterowniku. ObniĪa to koszt wykonania czujnika i okła-dziny z tego typu czujnikiem. Rezystory R1….R4 są tak dobrane (R3«R2«R1), Īe wystĊpuje wyraĨna róĪnica spadków napiĊü ǻU przy zwieraniu kolejnych przewodów, o około 2 – 3V. Układ elek-tryczny działa na zasadzie dzielnika napiĊcia ze skokowo zmienną rezystancją 1000, 100, 10kȍ. Zasilanie czujnika i pomiar spadku napiĊcia na rezystorze R4 jest realizowane poprzez program dia-gnostyczny w sterowniku ABS.

5. Budowa czujnika

W rozwiązaniu polegającym na umieszczeniu czujnika w okładzinie, przewody elektryczne umieszczone są w krzyĪaku 5 (rys. 5), lub w trzpieniu z otworami, wykonanym z tworzywa termo-odpornego (rys. 6). Pozwala to odizolowaü je od przypadkowego kontaktu z elementami metalowymi w okładzinie hamulca.

Drugie rozwiązanie konstrukcyjne polega na zamocowaniu bezpoĞrednio do krawĊdzi okła-dziny czterech przewodów elektrycznych (rys. 7). PrzyciĊte na odpowiednią długoĞü spełniają tĊ samą rolĊ co przewody wbudowane wewnątrz okładziny. UłoĪenie przewodów powinno byü takie aby ich Ğcieranie nie powodowało wzajemnego zwierania. MoĪna to uzyskaü mocując je na róĪnych promieniach działania sił tarcia miĊdzy okładziną i tarczą hamulcową. Jest to rozwiązanie prostsze i taĔsze w produkcji.

a) b)

Rys. 5. Czteroprzewodowy czujnik zuĪycia okładzin hamulca mocowany wewnątrz okładziny a) przekrój, b) widok od strony stalowej płytki mocowania okładziny ciernej, 1, 2, 3, 4 – przewody elektryczne, 5 – krzyĪak, 6 – tulejka z kołnierzem, 7 – okładzina cierna, 8 – stalowa

płytka nakładki hamulcowej, 9 – izolacja ħródło: [3].

Izolacja powinna byü termoodporna, a przewody najkorzystniej elastyczne wĊglowe, ulegające stopniowemu Ğcieraniu i nieniszczące tarczy hamulcowej. MoĪe to byü czujnik 3 lub 4-ro przewo-dowy. Układ elektryczny tego czujnika jest taki jak dla czujnika wbudowanego w okładzinĊ.

Czujniki powinny byü umieszczone w okładzinach obu kół przednich, lub wszystkich kół. ZuĪycie graniczne okładziny jest sygnalizowane Ğwietlnie – błyskowo, po jego osiągniĊciu. Progno-zowany przebieg do wymiany okładzin moĪe byü odczytywany poprzez komputer pokładowy, na Īyczenie kierowcy.

Rys. 6. Czujnik zuĪycia okładziny i umiejscowienie czujnika w okładzinie hamulcowej ħródło: [4].

Rys. 7. Prototyp czteroprzewodowego czujnika zuĪycia okładziny z przewodami mocowanymi do bocznej powierzchni okładziny

ħródło: [4].

6. Strategia sygnalizacji zuĪycia granicznego

Nadzorowane diagnostycznie okładziny cierne podlegają stopniowemu zuĪyciu – degradacji. Przekroczenie wartoĞci granicznych zuĪycia nie powoduje natychmiastowych skutków negatyw-nych i nie jest zauwaĪalne przez kierowcĊ w postaci nagłego zmniejszenia skutecznoĞci hamowania. Dla tego typu przebiegów, w których pojawienie siĊ uszkodzenia nie powoduje natychmiastowych reakcji, wskazane jest ustalenie z maksymalnym prawdopodobieĔstwem, Īe usterka wystąpiła. Uni-kamy przez to wystąpienia tzw. błĊdów typu alfa, czyli fałszywych alarmów, to znaczy sygnalizacji niesprawnoĞci, podczas gdy obiekt jest sprawny. Takie błĊdy powodują zwiĊkszone koszty niepo-trzebnych przeglądów i przestojów. PodwaĪają zaufanie do producenta pojazdu i systemu diagnostyki pokładowej. Dla układów degradujących siĊ stopniowo moĪe byü stosowana strategia potwierdzenia symptomu SPS, lub strategia Ğredniej kroczącej z wagą [9]. W strategii SPS, w dia-gnostyce samochodowej, sygnalizacja uszkodzenia nastĊpuje dopiero w drugim cyklu jezdnym, w którym powtórzyła siĊ usterka stwierdzona w cyklu pierwszym.

Procedura wykrywania zuĪycia okładzin jest procedurą warunkową, to znaczy stan okładzin moĪe byü kontrolowany w cyklu jezdnym, w którym wystąpiło hamowanie. W praktyce, w czasie trwania jednego cyklu jezdnego moĪe wystąpiü wiele hamowaĔ, czyli wiele wyników badania dia-gnostycznego. W przypadku wykrycia symptomu uszkodzenia, czyli granicznego zuĪycia okładziny, system diagnostyczny zapamiĊtuje kod uszkodzenia (kod błĊdu oczekującego) i prĊdkoĞü pojazdu, przy której wykrył usterkĊ. Kierowca nie jest powiadamiany o tym wykryciu, nawet w sy-tuacji powtórzenia siĊ wyniku negatywnego w tym cyklu. JeĪeli symptom tego samego uszkodzenia tej samej okładziny został wykryty w nastĊpnym cyklu jezdnym, to jest zapamiĊtywany kod błĊdu zarejestrowanego i uaktywniana jest sygnalizacja Ğwietlna – błyskowa, w kilku sekwencjach po kilka impulsów Ğwietlnych. W nastĊpnych cyklach jezdnych sygnalizacja jest włączana po włącze-niu zapłonu i gaĞnie po ruszewłącze-niu i przekroczewłącze-niu około 8 km/godz. JeĪeli w nastĊpnych cyklach jezdnych z hamowaniem symptom tego uszkodzenia nie został wykryty, to sygnał Ğwietlny zostaje wyłączony, ale kod błĊdu zarejestrowanego jest pamiĊtany.

7. Podsumowanie

Podstawowe cele prognozowania diagnostycznego to:

– szacowanie czasu lub przebiegu do osiągniĊcia wartoĞci granicznej obserwowanego parame-tru,

– oszacowanie parametru diagnostycznego dla zadanego horyzontu diagnozy.

W opracowanej metodzie osiągniĊto cel pierwszy, to znaczy moĪliwoĞü oszacowania przebiegu pojazdu do koniecznej wymiany okładzin hamulcowych.

SzybkoĞü zuĪywania siĊ okładzin hamulcowych zaleĪy przede wszystkim od techniki jazdy oraz od warunków uĪytkowania pojazdu. Z tego powodu wystĊpują bardzo duĪe rozbieĪnoĞci w przebiegach samochodów do wymiany okładzin. Zaletą proponowanego czujnika jest moĪliwoĞü indywidualnej oceny intensywnoĞci zuĪywania siĊ okładzin w samochodzie, z uwzglĊdnieniem wa-runków jego uĪytkowania i stylu jazdy kierowcy. Wiarygodne przewidywanie terminu koniecznej naprawy jest szczególnie istotne przy uĪytkowaniu pojazdu na dalekich dystansach i pozwala unik-nąü nieprzewidzianych, a koniecznych obsług podczas długich podróĪy.

Opracowana zasada działania czujnika stanu okładziny pozwala oszacowaü intensywnoĞü jej zuĪywania i na tej podstawie prognozowaü przebieg pojazdu do wymiany okładzin oraz zasygnali-zowaü zuĪycie graniczne okładziny.

Opracowane rozwiązanie pozwala rozszerzyü dotychczasowy zakres diagnostyki pokładowej układu hamulcowego obejmujący elementy elektryczne układu ABS, na elementy mechaniczne tego układu. Biorąc pod uwagĊ duĪe roczne przebiegi samochodów, kontrola pokładowa jest waĪnym uzupełnieniem okresowych, stacjonarnych badaĔ hamulców w stacji kontroli pojazdów.

Bibliografia

1. Cempel Cz., Tabaszewski M.: Zastosowanie teorii szarych systemów do modelowania i pro-gnozowania w diagnostyce maszyn. Diagnostyka 42/2007.

2. Gajek A.: System diagnostyki pokładowej układów hamulcowych pojazdów samochodowych. Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej przy Wydziale Nauk Technicznych PAN. Diagnostyka. Zeszyt 1(45)/2008.

3. Gajek A.: Patent: Czujnik zuĪycia okładzin ciernych, zwłaszcza okładzin hamulca tarczo-wego. Nr P 385990/2013.

4. Gajek A.: Konstrukcja czujnika zuĪycia okładziny – badania własne, Politechnika Krakow-ska, Kraków, 2011.

5. Gajek A., Walczak St.: Analiza moĪliwoĞci oceny współczynnika przyczepnoĞci miĊdzy kołem a jezdnią podczas hamowania prostoliniowego. Archiwum Motoryzacji, nr 2/2006. Polskie Towarzystwo Naukowe Motoryzacji, Warszawa 2006.

6. Gronowicz W.: Brake pad wear sensor. US Pat. 6302241. 10/2001.

7. Gustafsson F.: Slip-Based Tire-Road Friction Estimation. Automatica, 33/1997. 8. Jaworski J.: Materiały cierne hamulców i sprzĊgieł. WKŁ, W-wa 1986.

9. Merkisz J., Mazurek St.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych OBD. WKŁ, W-wa 2007.

10. Tabaszewski M.: Metody doboru modeli prognostycznych w automatycznych systemach dia-gnostycznych. Diagnostyk, 30/2004.

12. Disc Brake – description and function. KNORR-BREMSE 2007. 13. Pneumatic disc brake. KNORR BREMSE 2007, 2013.

14. Continuous wear sensor for air disc brakes. WABCO. www.wabco-auto.com. 15. Brake pad wear indicator for disc brakes with trailers EBS. www.wabco-auto.com. 16. TEBS E. Elektroniczny układ hamulcowy do przyczep WABCO, 2012, www.wabco.info. 17. Vario Compact ABS 2nd _{generation, WABCO2007. www.wabco-auto.com.}

18. European Braking Systems www. europeanbrakingsystems.co.uk.

PREDICTION OF THE DISC BRAKE PADS WEAR DURING EXPLOITATION OF THE VEHICLES

Summary

The paper presents the possibilities of the diagnostic prediction of the automotive systems. The construction and principle of the disc brake pads wear sensor operation is shown. The algorithm of the mileage calculation to the boundary wear of the brake pads is presented. The strategy of the brake pads wear signalization is shown. The method allows to calculate the intensity of the brake pads wear and to calculate the mileage to the necessity replacement of the pads. Proposed method allows to ex-tend the on board diagnostics system on the mechanical parts of the brakes.

Keywords: diagnostic, prediction, brakes, sensors, wear Andrzej Gajek

Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechnika Krakowska

email: gajeka@mech.pk.edu.pl