Streszczenie
W artykule przedstawiono metodĊ diagnozowania stanu zdatnoĞci układu hamul-cowego naczep i ciągników siodłowych na podstawie pomiaru temperatury wybranego elementu układu hamulcowego. Badania wstĊpne wykonano z wykorzystaniem kamery termograficznej dla układu klocek hamulcowy – tarcza hamulcowa ciągnika siodło-wego Iveco Stralis AS440S50 T/P. Na tej podstawie do pomiaru temperatury wybrano cyfrowe czujniki DS18B20 z interfejsem 1-wire. Do rejestracji wartoĞci temperatury zastosowano czterokanałowy cyfrowy miernik temperatury oparty o mikrokontroler ATmega32 z transmisją danych w standardzie RS232. Analiza uzyskanych wyników badaĔ wykazuje, Īe istnieje istotna zaleĪnoĞü pomiĊdzy wartoĞcią temperatury blokady a temperaturą wydzieloną w wĊĨle ciernym podczas procesu hamowania, pozwalająca na okreĞlenia stanu zdatnoĞci układu hamulcowego.
Słowa kluczowe: diagnozowanie stanu zdatnoĞci, układ hamulcowy, ciągnik siodłowy, pomiar temperatury
1. Wprowadzenie
Praca układów hamulcowych w pojazdach samochodowych podczas ich eksploatacji wykazuje powstawanie stanów pracy okreĞlanych jako nieprawidłowe. NieprawidłowoĞü okreĞlana jest np. jako blokowanie koła, powstawanie róĪnicy siły hamowania na osi wiĊkszej niĪ 30%, zbyt małej siły hamowania koła w stosunku do masy przypadającej na badany układ a w skrajnych przypadkach braku siły hamowania. WiĊksze prĊdkoĞci jazdy pojazdów oraz zmniejszanie wymiarów pary cie-niej hamulca (tarcza-klocek hamulcowy) wymusza stosowanie wiĊkszych nacisków elementów ciernych na tarczĊ a takĪe wpływa na wzrost obciąĪenia cieplnego układu hamulcowego. ZwiĊk-szone wymagania stawiane układom hamulcowym wymuszają nie tylko okresowe kontrolowanie stanu pary ciernej, ale równieĪ stałego monitorowania stanu zdatnoĞci układu hamulcowego wraz z układem sterującym i elementami wykonawczymi.
W celu zdiagnozowania pary cierniej układu hamulcowego przeprowadza siĊ róĪnorodne po-miary, które w sposób bezpoĞredni lub poĞredni dostarczają informacji o jego stanie. Metody bezpoĞrednie odnoszą siĊ głównie do oceny zuĪycia pary ciernej i są to metody wykorzystujące sprawdziany i przyrządy mikrometryczne. Osobną grupĊ metod bezpoĞrednich stanowią metody
stosowane w badaniach nieniszczących [5] (penetracyjne i magnetoproszkowe), uĪywane do kon-troli i pomiaru długoĞci pĊkniĊü termicznych na powierzchni tarczy hamulcowej. W kaĪdym przypadku metody bezpoĞrednie wymuszają koniecznoĞü czĊĞciowego demontaĪu układu biego-wego w przypadku pojazdów samochodowych.
W metodach poĞrednich oceny stanu technicznego układu hamulcowego dokonuje siĊ pomiaru drogi hamowania lub pomiaru szczelnoĞci układu, albo ciĞnienia w układzie hamulcowym [2,14,21]. Tego typu metody dostarczają informacji o stanie układu bez koniecznoĞci jego demontaĪu. Niestety, dokonując pomiaru drogi hamowania w pojazdach, nie uzyskuje siĊ pełnych informacji o stanie poszczególnych układów ciernych kół, a jedynie wynik sumaryczny z pracy układu hamul-cowego.
Do metody poĞredniej moĪna zaliczyü badanie układu hamulcowego na stanowisku rolkowym mierzącym wytwarzaną przez układ hamulcowy pojazdu na badanej osi siły hamowania okreĞlaną w [N], [kN]. Po zbadaniu sumy sił hamowanie na badanych układach – kołach oblicza siĊ wartoĞü wytwarzanego opóĨnienia jako iloraz siły hamowania [N] i masy przypadającej na badaną oĞ [kg]. Dla pojazdów ciĊĪarowych – ciągnionych wartoĞü bezwzglĊdna wytwarzanego opóĨnienienia układu musi byü wiĊksza od -4,2 m/s2 aby układ spełniał wymagania bezpieczeĔstwa.
W procesie hamowania pojazdu energia kinetyczna pojazdu samochodowego zamieniana jest na ciepło, które powstaje w układzie hamulcowym (tarcza hamulcowa – klocek lub bĊben hamul-cowy i okładzina cierna). Wydaje siĊ, Īe ten sygnał diagnostyczny moĪe dostarczyü potrzebnych informacji o stanie zdatnoĞci analizowanego układu. Opracowanie optymalnego miejsca i sposobu pomiaru temperatury pary ciernej moĪe byü metodą pozwalającą na dynamiczne okreĞlanie stanów awaryjnych układu hamulcowego.
2. Obiekt i przedmiot badaĔ
Obiektem, na którym zrealizowano wstĊpne badania eksploatacyjne jest ciągnik siodłowy Iveco Stralis AS440S50 T/P. Samochód ten został wyposaĪony w hamulce tarczowe firmy KNORR przed-stawione na rys. 1.
Przedmiotem badaĔ jest diagnozowanie stanu zdatnoĞci układu hamulcowego na podstawie analizy wartoĞci temperatury w bezpoĞrednim otoczeniu wĊzłów ciernych pojazdu samochodo-wego.
Analiza rozkładu temperatury w otoczeniu pary ciernej z teoretycznego punktu widzenia jest trudna ze wzglĊdu na koniecznoĞü uwzglĊdnienia czterech zmiennych niezaleĪnych (trójwymiarowa przestrzeĔ oraz czas) w skomplikowanych pod wzglĊdem konstrukcyjnym kształtach geometrycz-nych. Obecnie moĪliwa jest jedynie analiza numeryczna tego problemu, która równieĪ bĊdzie uproszczona. Uproszczenia analizy numerycznej wynikają z koniecznoĞci przyjĊcia miĊdzy innymi uproszczonych warunków brzegowych, związanych ze współczynnikiem przenikania ciepła miĊdzy elementami konstrukcyjnymi i powietrzem, koniecznoĞci przyjĊcia równomiernego nagrzewania siĊ tarczy hamulcowej, pomimo, Īe jak wykazują badania jest ono nierównomierne w zaleĪnoĞci od odległoĞci od Ğrodka obrotu. Dlatego poszukiwania optymalnego miejsca połoĪenia czujnika spro-wadzone zostało do analizy termografów wĊzła cieplnego, a nastĊpnie doĞwiadczalnym potwierdzeniu przyjĊtych załoĪeĔ.
Rys. 1. Widok zacisku hamulcowego firmy KNORR, 1 – obudowa zacisku, 2 – blokada klocków hamulcowych, 3 – klocki hamulcowe ħródło: opracowanie własne.
W celu wykonania projektu układu pomiarowego do rejestracji wartoĞci temperatury wĊzła ciernego wykonano wstĊpne badania eksploatacyjne. Badania polegały na pomiarze temperatury zacisku hamulcowego przedniego, prawego koła osi przedniej ciągnika siodłowego przy wykorzy-staniu kamery termowizyjnej marki FLIR model i5. Kamera ta pracuje z rozdzielczoĞcią 100x100 pikseli. Zakres pracy kamery wynosi od -20oC do 250oC z rozdzielczoĞcią 0,1 stopnia. Cykle
hamo-wania ustalono na wyhamowaniu pojazdu od prĊdkoĞci 60 km/h do 0 z minutową przerwą. Łącznie wykonano 20 hamowaĔ. Wybrane wyniki pomiarów przedstawiono na rys. 2. i rys. 3.
Na podstawie analizy uzyskanych wartoĞci wyników pomiarów ustalono, Īe temperatura blo-kady mocowania klocków hamulcowych nie przekroczyła wartoĞci 120 C. Ponadto moĪna zauwaĪyü, Īe w kolejnych próbach hamowania uzyskuje siĊ mniejsze wartoĞci przyrostów tempe-ratury tarczy hamulcowej.
Na tej podstawie zdecydowano siĊ na budowĊ układu pomiarowego temperatury w oparciu o czujniki DS18B20 firmy Dallas Semiconductor, których maksymalna wartoĞü temperatury pomia-rowej wynosi 125 C.
Rys. 2. Drugi i trzeci termograf wĊzła ciernego badanego ciągnika siodłowego ħródło: opracowanie własne.
Rys. 3. DziewiĊtnasty i dwudziesty termograf wĊzła ciernego badanego ciągnika siodłowego ħródło: opracowanie własne.
W celu zamocowania czujników w blokadzie mocowania klocków hamulcowych wykonano trzy otwory, w których osadzono analizowane czujniki. Dodatkowo powyĪej blokady wyprowa-dzono dodatkowy czujnik do pomiaru temperatury powietrza omywającego blokadĊ, co przedstawiono na rys. 4. Czujniki umieszczono w punktach odpowiadających miejscom styku klocka hamulcowego z tarczą hamulcową oraz Ğrodkowi tarczy hamulcowej. Czujnik otoczenia umieszczono nad blokadą mocowania klocków.
Rys. 4. Widok blokady zacisku hamulcowego z zamontowanymi czujnikami ħródło: opracowanie własne.
3. Układ pomiarowy
W pracy, w badaniach wstĊpnych, do pomiaru i rejestracji wartoĞci temperatury zastosowano czterokanałowy cyfrowy miernik temperatury oparty o mikrokontroler ATmega 32 z transmisją da-nych w standardzie RS232. Wyniki pomiarów rejestrowane były na przenoĞnym komputerze klasy PC. Do pomiaru temperatury zastosowano cyfrowe czujniki z interfejsem 1-wire DS18B20 firmy Dallas Semiconductor. Odczytów temperatury i rejestracji dokonywano w odstĊpach 1s. Schemat układu oparty o mikrokontroler ATmega 32 przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Schemat układu pomiarowego temperatury ħródło: opracowanie własne.
PoniĪej przedstawiono fragment programu zapisanego w mikrokontrolerze odpowiedzialnego za odczyt i przesyłanie informacji o wartoĞci temperatury do terminalu w komputerze PC. Rejestra-cja wyników w pliku tekstowym dokonywana była na komputerze PC za pomocą aplikacji HyperTerminal umoĪliwiającej połączenie dwóch róĪnych urządzeĔ z wykorzystaniem połączenia kablowego przez port szeregowy.
Do 1wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid1(1) 1wwrite &HBE I1 = 1wread(2) '--- 1wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid2(1) 1wwrite &HBE I2 = 1wread(2) '--- 1wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid3(1) 1wwrite &HBE I3 = 1wread(2) '--- 1wreset 1wwrite &H55 1wverify Dsid4(1) 1wwrite &HBE I4 = 1wread(2) '--- 1wreset 1wwrite &HCC 1wwrite &H44 Wait 1 I1 = I1 * 10 I1 = I1 / 16 Ss1 = Str(i1) Ss1 = Format(ss1, " 0.0") I2 = I2 * 10 I2 = I2 / 16 Ss2 = Str(i2) Ss2 = Format(ss2, " 0.0") I3 = I3 * 10
I3 = I3 / 16 Ss3 = Str(i3) Ss3 = Format(ss3, " 0.0") I4 = I4 * 10 I4 = I4 / 16 Ss4 = Str(i4) Ss4 = Format(ss4, " 0.0") Print Ss1; "-"; Ss2; "-"; Ss3; "-" ;Ss4 Loop
Układ pomiarowy pozwala na podłączenie wielu czujników za pomocą interfejsu 1-Wire (dwóch przewodów, linia danych i masa), co ułatwia proces podłączenia czujników zamontowanych na pojeĨdzie do układu pomiarowego.
Układ DS18B20 jest cyfrowym termometrem o programowalnej rozdzielczoĞci. Jego podsta-wowe cechy to [3]:
• komunikacja za pomocą interfejsu 1-Wire,
• kaĪdy odbiornik posiada unikalny 64 bitowy kod umieszczony w wewnĊtrznej pamiĊci ROM układu,
• maksymalnie uproszczony sposób odczytu temperatury, • nie potrzebuje Īadnych zewnĊtrznych komponentów, • moĪe byü zasilany z linii danych,
• zasilanie od +3V do +5,5V,
• dokładnoĞü 0,5oC dla zakresu -10oC ÷ 85oC,
• moĪliwoĞü ustawienia rozdzielczoĞci od 9 do 12 bitów, • czas konwersji 12 bitowego słowa – max. 750ms.
1-Wire jest zarówno interfejsem elektronicznym jak i protokołem komunikacyjnym pomiĊdzy dwoma (lub wiĊcej) urządzeniami. Jego nazwa wywodzi siĊ stąd, Īe do komunikacji uĪywana jest tylko jedna linia sygnałowa. Ponadto, odbiornik moĪe byü zasilany bezpoĞrednio z linii danych, wykorzystując zasilanie pasoĪytnicze. Układ 1-Wire wyposaĪony jest bowiem w kondensator o po-jemnoĞci 800 pF, który jest ładowany bezpoĞrednio z linii danych – nastĊpnie energia w nim zgromadzona uĪywana jest do jego zasilania. Na rysunku 6 przedstawiono schemat blokowy czuj-nika DS18B20.
Rys. 6. Schemat blokowy czujnika pomiarowego ħródło: [1].
4. Wyniki badaĔ
W celu weryfikacji hipotezy o przydatnoĞci analizowanego sygnału diagnostycznego do dia-gnozowania stanu zdatnoĞci układu hamulcowego naczep i ciągników siodłowych wykonano pomiary temperatury blokady wĊzła ciernego prawego, przedniego koła oraz temperatury otoczenia łacznika. Badania wykonano w rzeczywistych warunkach eksploatacji Ğrodka transportu (bez na-czepy) na trasie Bydgoszcz–Koronowo–Bydgoszcz. Temperatura powietrza wynosiła około 5oC.
Układ pomiarowy zainstalowano na ciągniku siodłowym Iveco Stralis AS440S50 T/P. Wybrany fragment wyników uzyskanych pomiarów przedstawiono na rys. 7.
Zmiana wartoĞci temperatury czujnika 1 i czujnika 2 osadzonych w otworach wykonanych w blokadzie klocków hamulcowych nie róĪni siĊ znacząco. DuĪą róĪnicĊ moĪna zaobserwowaü do-konując analizy zmian wartoĞci temperatury w odniesieniu do czujnika 3. Czujnik ten dokonywał pomiaru temperatury otoczenia (powietrza) powyĪej blokady i szybciej reagował na zmiany warto-Ğci temperatury wĊzła cieplnego.
Ponadto dokonując analizy zmian wartoĞci temperatury moĪna stwierdziü, Īe temperatura ustala siĊ asymptotycznie do wartoĞci ok. 68oC.
Na rysunku 8 przedstawiono wybrany fragment zarejestrowanego przebiegu zmian temperatury otoczenia wraz z przebiegiem procesu hamowania. Linia czarna ciągła na wykresie przedstawia mo-ment naciĞniĊcia i puszczenia pedału hamulca. MoĪna zaobserwowaü pewne opóĨnienie zmiany (wzrostu) temperatury w stosunku do rozpoczĊcia procesu hamowania. W przeprowadzanych bada-niach nie było moĪliwoĞci okreĞlenia siły hamowania. Subiektywna ocena kierowcy dotycząca siły wywieranej na pedał hamulca jest zgodna z uzyskanymi wynikami przedstawionymi na rysunku 8. Hamowanie pierwsze okreĞlone jako Ğrednie spowodowało wzrost temperatury z wartoĞci 40,6 oC
do 48,6 oC po 15 sekundach od rozpoczĊcia hamowania. Hamowanie drugie okreĞlone jako lekkie
przyhamowanie trwające 4 sekundy zmieniło temperaturĊ z wartoĞci 40,6 oC na 40,9 oC po upływie
wzrost temperatury z wartoĞci 37,9 C do wartoĞci 51,1 C po upływie 8 Sekund od rozpoczĊcia procesu hamowania.
Rys. 7. Zmiany wartoĞci temperatury otoczenia i blokady klocków hamulcowych w funkcji czasu jazdy
ħródło: opracowanie własne.
Z przeprowadzonych badaĔ wynika, Īe w opracowywanym modelu własnoĞci termicznych układu pomiarowego konieczne bĊdzie uwzglĊdnienie czasu opóĨnienia transportowego energii. Model matematyczny bĊdzie uwzglĊdniał pojemnoĞü cieplną wĊzła ciernego oraz wzmiankowane opóĨnienie transportowe. Przy powyĪszym załoĪeniu moĪna napisaü równanie:
(
)
sT t
Θ − +Θ = Θ
τ
k
(1) gdzie:T
– jest stałą czasową wĊzła cieplnego,k – jest bezwymiarowym współczynnikiem przenoszenia temperatury w wĊĨle, Θ – temperatura w miejscu umieszczenia czujnika,
s
Θ
– temperatura wĊzła cieplnego wymuszająca przepływ ciepła,Rys. 8. Zmiany wartoĞci temperatury otoczenia układu hamulcowego w czasie z zaznaczeniem procesu hamowania
ħródło: opracowanie własne. 5. Podsumowanie
Analiza uzyskanych wyników badaĔ wykazuje, Īe istnieje istotna zaleĪnoĞü pomiĊdzy warto-Ğcią temperatury blokady a temperaturą wydzieloną w wĊĨle ciernym podczas procesu hamowania, dostarczającą niezbĊdnych informacji do okreĞlenia stanu zdatnoĞci analizowanego układu hamul-cowego.
Prezentowane powyĪej wyniki są badaniami wstĊpnymi słuĪącymi do weryfikacji poprawnoĞci działania układu pomiarowego. Kolejnym etapem bĊdzie umieszczenie zaprezentowanego układu pomiarowego na trzech osiach (szeĞü punktów pomiarowych) i przeprowadzenie badaĔ w warun-kach długotrwałego ruchu ciągłego ciągłego na naczepie wykonującej przewóz ładunku w relacji miĊdzynarodowej. Analiza uzyskanych wyników pozwoli na opracowanie kryterium oceny stanu zdatnoĞci.
Problem diagnostyki układu hamulcowego ma nie tylko znaczenie techniczne (poprawa bez-pieczeĔstwa jazdy), ale równieĪ istotne znaczenie ekonomiczne. Ruch wieloosiowego pojazdu sa-mochodowego przy wadliwie działającym jednym układzie ciernym (czĊĞciowo zablokowany hamulec lub niedziałający element układu) rozpoznawany jest dopiero na podstawie zwiĊkszonego zuĪycia paliwa lub podczas wykonywanego raz na 12 m-cy badania technicznego. WczeĞniejsza identyfikacja tego problemu moĪe w sposób istotny poprawiü bezpieczeĔstwo wszystkich uczestni-ków ruchu drogowego i moĪe przynieĞü wymierne korzyĞci ekonomiczne. Pomiar temperatury otoczenia wĊzła ciernego pozwoli takĪe wykryü awariĊ polegającą na nie załączeniu siĊ zacisku hamulca podczas hamowania, co objawiaü siĊ bĊdzie niĪszą temperaturą okreĞlonego wĊzła cier-nego w porównaniu z pozostałymi wĊzłami.
Bibliografia
1. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer, dokumentacja tech-niczna, [Online] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/58557/DALLAS /DS18B2 0. html
2. Gąsowski W., Kaluba M., Trybologiczne badanie okładzin ciernych hamulca tarczowego pojazdów szynowych, Pojazdy Szynowe nr 1., 1999
3. Klimasz C., Obsługa interfejsu 1-wire na przykładzie ds18b20, [Online]
https://docs.google.com/file/d/0BypxwY1AXgQ9YmY1MzEzYzItYTIyYi00YmMwLThh ZDAtNTY1ZGVhM2IxMWI0/edit?hl=pl&pli=1
4. NiziĔski S., Michalski R., Diagnostyka obiektów technicznych, Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom 2002
5. Rail Consult Gesellschaft fur Verkehrsberatung mbH, Wagon osobowy Z1 02, układ jezdny tom 2, dokumentacja techniczno-ruchowa.
METHOD FOR DIAGNOSIS OF STATE SUITABILITY BRAKING SEMI-TRAILERS AND TRUCKS
Summary
The paper presents a method of diagnosing of the braking system suitability of trailers and truck tractors based on measuring the temperature of the selected com-ponent of the braking system. Preliminary tests were performed using a thermographic camera for the brake pad – brake disc semitrailer tractor Iveco Stralis AS440S50 T/P. On the basis of this temperature measurement for next measurements the digital sen-sors DS18B20 1-wire interface was selected. To register the temperature used four-digit temperature meter based on ATmega32 microcontroller with data transmission in standard RS232. Analysis of the results obtained shows that there is a significant relationship between the temperature of blockade the brake pad and the temperature of a separate lock on the node friction during the braking process, allowing the deter-mination of the suitability of the brake system.
Keywords: state suitability system, brake system, truck trailer, measurement of temperature Maciej Szews
MAKTRONIK, Autoryzowany Servis IVECO ul. Deszczowa 61, 85-447 Bydgoszcz
e-mail: m.szews@maktronik.com.pl Daniel PerczyĔski
Sylwester Wawrzyniak Kazimierz PeszyĔski Zakład Sterowania
Instytut Eksploatacji Maszyn i Transportu Wydział InĪynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy ul. Prof. Sylwestra Kaliskiego 7, 85-789 Bydgoszcz e-mail: perkol@utp.edu.pl
