Streszczenie
Układy hamulcowe w pojazdach mechanicznych mają duĪe znaczenie zachowa-nia bezpieczeĔstwa w ruchu drogowym. SłuĪą do skutecznego zatrzymazachowa-nia pojazdu bĊdącego w ruchu. W niniejszym opracowaniu przedstawiono koncepcjĊ innowacyj-nego zastosowania klasyczinnowacyj-nego układu zacisku hamulca tarczowego oraz rozwiąza-nia mające na celu zminimalizowanie drgaĔ wysokiej czĊstotliwoĞci a takĪe podnie-sienia skutecznoĞci hamulca. Zgromadzone w sposób doĞwiadczalny dane są infor-macją wstĊpną do dalszych badaĔ i uzasadnienia moĪliwoĞci zastosowania utylitar-nego w przemyĞle samochodowym.
Słowa kluczowe: układ hamulcowy, tarcza, zacisk, klocek, drgania, hamowanie 1. Wprowadzenie
Hamulec – urządzenie słuĪące do zmniejszania prĊdkoĞci, zatrzymywania pojazdów i ruchomych czĊĞci maszyn. Podstawowe pojĊcia związane z procesem hamowania i wystĊpującymi tam zjawi-skami tribologicznymi to [3]:
Tarcie – zjawisko wystĊpowania oporu (sił hamujących – sił tarcia) podczas wzglĊdnego prze-mieszczania siĊ dwóch stykających siĊ ciał. Siła tarcia (T, Ft) – siła wystĊpująca na styku po-wierzchni dwóch ciał i przeciwdziałająca ich wzglĊdnemu lub zamierzonemu ruchowi. Tarcie statyczne (Ts) – najprostszy rodzaj tarcia zewnĊtrznego, które pojawia siĊ w momencie próby przemieszczenia ciała wzglĊdem podłoĪa. Siła tarcia statycznego równowaĪy składową siły przy-łoĪonej do ciała równoległa do powierzchni styku, dopóki jej wartoĞü nie przekroczy pewnej mak-symalnej wartoĞci. Tarcie kinetyczne (dynamiczne, ruchowe) – tarcie zewnĊtrzne wystĊpujące miĊdzy powierzchniami stykających siĊ ciał stałych bĊdących wzglĊdem siebie w ruchu[3]. Pierw-sze rozwiązania tarczowych układów hamulcowych pojawiły sie w seryjnych pojazdach w 1955r. Przykładowy schemat działania hamulca tarczowego pokazano na rys. 1. Obecnie hamulec tar-czowy jest dominującym rozwiązaniem. W systemie hydraulicznym, pompa hamulcowa przetłacza płyn hamulcowy poprzez przewód do osadzonego na jego drugim koĔcu zacisku hamulcowego. PoniewaĪ ciecz jest nie ĞciĞliwa, tłok przesuwa sie na zewnątrz o te samą objĊtoĞü cieczy jaka zo-stała wyparta z pompy [2].
Rysunek 1. Schemat działania układu hamulca tarczowego ħródło: [2].
Po naciĞniĊciu pedału hamulca pompa tłoczy płyn hamulcowy pod wysokim ciĞnieniem. W wyniku tego tłok znajdujący siĊ w zacisku zostaje wypchniĊty co powoduje dociĞniĊcie kloc-ków hamulcowych do tarczy, która obraca sie razem z kołem. W wyniku tarcia wystĊpującego miĊdzy tymi dwoma elementami samochód zwalnia, aĪ do momentu zatrzymania. Klocki hamul-cowe wykonane z materiału o bardzo wysokim współczynniku tarcia. W wyniku wystĊpowania tego zjawiska zostaje wytworzona bardzo duĪa iloĞü ciepła. Dlatego waĪne jest aby hamulce były dobrze chłodzone. W tym celu nowoczesne tarcze wykonywane są z bardzo skomplikowanych materiałów co powoduje lepsze odprowadzanie ciepła. Mogą byü równieĪ wentylowane, nawier-cane oraz frezowane, lecz takie tarcze są wykorzystywane w ekstremalnych warunkach np. w sportach samochodowych. Okładziny hamulcowe niezaleĪnie od typu hamulców muszą mieü wysoką wytrzymałoĞü cieplną, wysokie temperatury nie mogą wpływaü na zmianĊ współczynni-ka tarcia, (który z reguły ma wartoĞü rzĊdu 0,3–0,4) [3]. Okładziny cierne klocków hamulcowych są odpowiednio dobrane co do twardoĞci i nie powinny zmieniaü własnoĞci pod wpływem czyn-ników zewnĊtrznych takich jak: zanieczyszczenia, woda itp. Wymaga siĊ równieĪ wydłuĪonej trwałoĞci takich elementów. Obecnie na klocki hamulcowe stosuje siĊ specjalnie dopasowane na-kładki mające na celu zapobiegania drgaĔ o wysokiej czĊstotliwoĞci a tym samym obniĪenia jako-Ğci działania hamulców. TaĔszym rozwiązaniem spotykanym na rynku klocków hamulcowych jest natryskiwanie czĊĞci metalowej preparatem bitumicznym. Rozwiązanie jest skuteczne ale nie trwałe[3].
Problem z uciąĪliwym hałasem pochodzącym z układów hamulcowych jest powaĪnym za-gadnieniem zarówno po stronie producentów samochodów jak i dostawcy czĊĞci w trybie po-sprzedaĪnym. CzĊsto spotykanym zjawiskiem jest prawidłowo działający układ hamulcowy w nowym pojeĨdzie i okres 45000 km jego uĪytkowania. Czas i kilometry przyjĊte dla uĪytkowni-ka eksploatującego pojazd w trybie mieszanym oraz umiarkowanym temperamencie. Po obsłudze serwisowej i wymianie klocków hamulcowych mogą pojawiü siĊ niepoĪądane odgłosy akustyczne
w postaci drgaĔ o wysokiej czĊstotliwoĞci tak zwanych (pisków). Przyczyną takiego stanu rzeczy jest błĊdne dobranie przez producenta klocków hamulcowych materiału ciernego lub powierzchnia styczna klocka i tarczy hamulcowej nie jest właĞciwie ukształtowana. Zatem moĪna zaobserwo-waü zaleĪnoĞü, iĪ brak kompatybilnoĞci tych dwóch elementów w ukł. ham. sprawia wiele kłopo-tów. Rozwiązanie zaprezentowane w dalszej czĊĞci opracowania skłania do przemyĞlenia innowa-cyjnego rozwiązania, którego zastosowanie w badaniach i testach wstĊpnych dało ciekawe rezulta-ty. Zaproponowany zestaw modernizacji klocka hamulcowego i zacisku w trybie testów podniósł skutecznoĞü działania hamulca a takĪe nie stwierdzono pojawienia siĊ drgaĔ o wysokiej czĊstotli-woĞci.
2. Wybrane warunki techniczne – Dz.U. z 2003r NR32 ze zmianami
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jest ustawą regu-lującą prawnie wyposaĪenie pojazdu dopuszczonego do ruchu drogowego
w sprawny i kompletny układ hamulcowy [1].
§ 14.1. Pojazd samochodowy, z wyjątkiem motocykla i trzykołowego pojazdu samochodowego o dopuszczalnej masie całkowitej nieprzekraczającej 1 t, wyposaĪa siĊ w nastĊpujące rodzaje układów hamulcowych, zwanych dalej "hamulcami":
1) hamulec roboczy działający na wszystkie koła – przeznaczony do zmniejszania prĊdkoĞci po-jazdu i zatrzymywania go w sposób niezawodny, szybki i skuteczny, niezaleĪnie od jego prĊd-koĞci i obciąĪenia oraz od kąta wzniesienia lub spadku jezdni, z moĪliwoĞcią:
a) regulowania intensywnoĞci hamowania,
b) dokonywania hamowania z miejsca kierowcy bez uĪycia rąk; w odniesieniu do pojazdu inwa-lidzkiego dopuszcza siĊ uĪycie jednej rĊki;
2) hamulec awaryjny działający na koła co najmniej jednej osi pojazdu, przeznaczony do zatrzy-mania pojazdu w razie awarii hamulca roboczego, z moĪliwoĞcią:
a) regulowania intensywnoĞci hamowania,
b) dokonywania hamowania z miejsca kierowcy z moĪliwoĞcią trzymania kierownicy przynajm-niej jedną rĊką;
3) hamulec postojowy, przeznaczony do unieruchamiania pojazdu na wzniesieniu i spadku, z moĪ-liwoĞcią:
a) działania podczas nieobecnoĞci kierowcy, przy czym robocze czĊĞci hamulca powinny pozo-stawaü w połoĪeniu zahamowania za pomocą wyłącznie mechanicznego urządzenia,
b) dokonywania hamowania z miejsca kierowcy;
§ 15. 1. Hamulce pojazdu powinny zachowywaü wymaganą sprawnoĞü niezaleĪnie od drgaĔ i wpływów atmosferycznych, na jakie są naraĪone w normalnych warunkach eksploatacji. 2. Hamulce powinny ponadto odpowiadaü nastĊpującym warunkom:
1) równoczesne uruchomienie hamulca roboczego i awaryjnego nie moĪe ujemnie wpływaü na działanie Īadnego z nich, zarówno w przypadku, gdy obydwa hamulce są sprawne, jak i w przypadku uszkodzenia jednego z nich;
2) w przypadku uszkodzenia hamulca roboczego w pojeĨdzie samochodowym powinna byü za-pewniona moĪliwoĞü hamowania takiej liczby kół przez działanie na hamulec roboczy, aby sku-tecznoĞü hamowania nie była mniejsza niĪ 30% wymaganej skutecznoĞci; w pojeĨdzie, w któ-rym moĪna uzyskaü skutecznoĞü hamowania wymaganą dla hamulca awaryjnego, nie wymaga siĊ oddzielnego jego sterowania; przepis stosuje siĊ do zarejestrowanych po raz pierwszy [1]:
3) działanie hamulca roboczego powinno byü odpowiednio rozłoĪone miĊdzy osie; powinno ono byü jednakowe dla kół tej samej osi;
4) zuĪycie hamulców powinno byü łatwo kompensowane systemem rĊcznej lub samoczynnej regu-lacji; elementy układu hamulcowego powinny mieü taki zapas ruchu, aby po nagrzaniu hamul-ców lub po osiągniĊciu okreĞlonego stopnia zuĪycia okładzin moĪliwe było hamowanie bez ko-niecznoĞci natychmiastowej regulacji;
5) w przypadku hamulca uruchamianego za pomocą energii znajdującej siĊ w zbiorniku, jeĪeli hamowanie z wymaganą skutecznoĞcią nie jest moĪliwe bez uĪycia zgromadzonej energii, po-jazd powinien byü wyposaĪony, poza manometrem, w urządzenie wysyłające Ğwietlne lub aku-styczne sygnały, ostrzegające o obniĪeniu zapasu energii do poziomu równego lub mniejszego niĪ 65% normalnego poziomu;
6) w przypadku hamulca pneumatycznego połączenie pojazdu ciągnącego z przyczepą powinno składaü siĊ co najmniej z dwóch przewodów (zasilającego i sterującego); przepis stosuje siĊ do pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy po dniu 31 grudnia 1985 r.;
7) w przypadku hamulca hydraulicznego zbiorniczek płynu hamulcowego powinien byü umiesz-czony w miejscu łatwo dostĊpnym dla kontroli.
§ 16. 1. SkutecznoĞü hamowania okreĞla siĊ wskaĨnikiem, który jest stosunkiem siły hamowania do siły wynikającej z dopuszczalnej masy całkowitej pojazdu lub stosunkiem opóĨnienia ha-mowania (uzyskanego na drodze poziomej o nawierzchni twardej, suchej i czystej) do przyspie-szenia ziemskiego.
2. WskaĨnik skutecznoĞci hamowania nie moĪe byü mniejszy niĪ podany w tabeli "WskaĨniki sku-tecznoĞci hamowania", stanowiącej załącznik nr 7 do rozporządzenia.
3. Hamulce uwaĪa siĊ za sprawne, jeĪeli wymagana skutecznoĞü jest uzyskiwana bez nadmiernego odchylenia prostoliniowego toru ruchu pojazdu i nadmiernych drgaĔ.
4. Hamulec postojowy powinien zapewniaü unieruchomienie całkowicie obciąĪonego pojazdu na wzniesieniu i spadku o pochyleniu co najmniej 16%, a całkowicie obciąĪonego zespołu pojaz-dów – co najmniej 8% [1].
3. Rozwiązanie zmodernizowanego tarczowego układu hamulcowego
Głównym zadaniem pracy badawczej, jest obniĪenie drgaĔ czĊĞci wirującej tarczy hamulco-wej a zatem zminimalizowanie podczas hamowania powstających niepoĪądanych efektów aku-stycznych. Wykorzystanie w maksymalnym stopniu powierzchni roboczej tarczy hamulcowej przez zastosowanie dwuczłonowego klocka hamulcowego oraz podniesienie skutecznoĞci układu hamulcowego. Do przeprowadzenia badania posłuĪono siĊ konstrukcją zespołu zacisku hamulco-wego, tarczy hamulcowej, klocków hamulcowych, wykorzystując elementy zastosowane w sa-mochodzie Daewoo Leganza CDX 2,0 wyposaĪoną w układ ABS.
3.1. Elementy tarczowego układu hamulcowego
Rysunek 2. CzĊĞci uĪyte do przeprowadzenia badania
1. Tarcza ham., 2. Jarzmo zacisku ham., 3. Dwuczłonowy klocek ham., 4. Zmodernizowany tłok zacisku ham., 5. Korpus zacisku ham., 6. SprĊĪyna wkładek ciernych
ħródło: Opracowanie własne.
Rysunek 3. Układ zamontowany na pojeĨdzie z charakterystycznym tłokiem ħródło: Opracowanie własne.
2 6 1 6 4 5
Wprowadzona zmiana wypełnienia tłoka zacisku jest rozwiązaniem mającym na celu tłumienie drgaĔ dwuczłonowej wkładki ciernej. Zastosowany materiał jest wysokotemperaturowym kompo-zytem zachowującym właĞciwoĞci mechaniczne wtłoczonym na prasie hydraulicznej, wypełniają-cy w całoĞci tłok. Wierzchnia czĊĞü wypełnienia wystaje ponad obwód krawĊdzi tłoka na 1 mm.
Rysunek 4. Tłok zacisku hamulcowego ħródło: Opracowanie własne.
Rysunek 5. Dwuczłonowy klocek hamulcowy ħródło: Opracowanie własne.
Klocek hamulcowy został podzielony na dwie czĊĞci składowe. ĝrodkowa czĊĞü i zewnĊtrzna wkładki ciernej tworzą zestaw dwóch elementów mających na celu podczas hamowania wykorzy-stanie w jak najwiĊkszym stopniu powierzchnie tarczy hamulcowej. Istnieje moĪliwoĞü dobierania róĪnej kompozycji materiału ciernego czĊĞci Ğrodkowej. W badaniu posłuĪono siĊ tym samym gatunkiem i rodzajem okładziny.
Rysunek 6. Układ hamulca tarczowego zamontowany na pojeĨdzie ħródło: Opracowanie własne.
3.2. Badanie porównawcze zmodernizowanego układu hamulcowego koła prawego i lewego bez zmian
Badanie siły hamulca na urządzeniu HEKA-KALLINICH BREMS-SPUR. Linia diagnostycz-na HEKA jest elektronicznym, płytowym urządzeniem diagnostycznym, przezdiagnostycz-naczonym do kon-troli układu hamulcowego, zbieĪnoĞci i amortyzatorów pojazdów osobowych, dostawczych, cią-gników rolniczych i busów o DMC 3500 kg. Badanie pojazdu na urządzeniu HEKA jest procesem dynamicznym, odpowiadającym rzeczywistym warunkom jazdy. HEKA moĪe stanowiü integralną czĊĞü składową punktu przyjĊcia pojazdu w serwisie. Sterowanie procesem badania odbywa siĊ za pomocą pilota o zasiĊgu do 200 metrów. Zastosowanie nowoczesnej, energooszczĊdnej tablicy 16:9 o gruboĞci 3,5 cm pozwala na odczyt wyników badaĔ ze znacznej odległoĞci. Płyty diagno-styczne montowane są w podłodze, a ich gruboĞü wynosi zaledwie 4 cm Urządzenia HEKA za-pewniają krótki przebieg diagnozowania pojazdów – do 30 sekund. Zastosowanie czujników typu "High-Speed" umoĪliwia wykonywanie badaĔ pojazdów ze wspomaganiem układu hamulcowego oraz napĊdu 4x4.
Rysunek 7. Widok urządzenia pomiarowego HEKA ħródło: Opracowanie własne.
3.3. Warunki badaĔ
Podczas przeprowadzania pomiarów hamulców kół osi przedniej pojazdu wyposaĪonego w standardowy hamulec tarczowy na kole lewym oraz zmodernizowany układ przedstawiony w punkcie 3.1 opracowania na kole prawym. Dokonano czterech pomiarów siły hamulców w róĪ-nym stopniu temperatury tarcz hamulcowych. W celu uzyskania wyĪszej temperatury pojazd zo-stał wprowadzony w tryb jazdy testowej, gdzie układ hamulcowy zozo-stał obciąĪony jednakowym naciskiem na pedał hamulca w okreĞlonym czasie i miejscu, tak aby kaĪdy kolejny pomiar mógł dostarczyü informacji czy nastĊpuje spadek skutecznoĞci działania hamulca. JednoczeĞnie badano poziom dĨwiĊku mikrofonem pomiarowym prawego i lewego koła, tak aby oceniü głoĞnoĞü pracy tych układów. W tym opracowaniu ujĊto wyniki z badaĔ dotyczących tylko siły hamowania. Po-zostałe dane zgromadzone posłuĪą do dalszych badaĔ, stanowią takĪe zachĊtĊ do rozszerzenia za-kresu pozyskania danych.
3.4. Wyniki badaĔ
Rysunek 7. Pierwszy pomiar (tarcze hamulcowe temp 15o
C)
ħródło: Opracowanie własne.
Rysunek 8. Drugi pomiar (tarcze hamulcowe temp 85o
C)
ħródło: Opracowanie własne.
WARTOĝû SIŁY HAMOWANIA KÓŁ OSI PRZEDNIEJ (N)
0 200 400 600 800 SI Ł A HA M O W A NIA (N)
KOŁO LEWE KOŁO PRAWE ZMODERNIZOWANE
WARTOĝû SIŁY HAMOWANIA KÓŁ OSI PRZEDNIEJ W (N) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 SI Ł A HA M O W A NI A ( N )
Rysunek 9. Pomiar trzeci (tarcze hamulcowe temp 165o
C)
ħródło: Opracowanie własne.
Rysunek 10. Pomiar czwarty (tarcze hamulcowe temp 209oC) ħródło: Opracowanie własne.
WARTOĝû SIŁY HAMOWANIA KÓŁ OSI PRZEDNIEJ (N)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 SI Ł A HAM O W ANI A ( N )
KOŁO LEWE KOŁO PRAWE ZMODERNIZOWANE
WARTOĝû SIŁY HAMOWANIA KÓŁ OSI PRZEDNIEJ (N)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 SI Ł A HA M O W ANI A ( N )
4. Omówienie wyników badaĔ
Przedstawiony na wykresach graficznych przebieg narastania siły hamowania kół osi przed-niej w czterech cyklach pomiarowych z uwzglĊdnieniem temperatury tarczy hamulcowych. Wy-kresy charakteryzują przebieg działania i sprawnoĞü układu hamulcowego a takĪe wartoĞci siły hamowania dla kaĪdego koła niezaleĪnie. Wyniki badaĔ obrazują początek działania hamulców kół, gdzie prawe koło uzyskuje wiĊcej punktów oceny w porównaniu z kołem lewym. Podobny wynik oceny dotyczy początku narastania siły gdzie moĪna wnioskowaü, iĪ jest to miejsce absorp-cji najwiĊkszych drgaĔ układu. Przebieg i koĔcowa faza zatrzymania pojazdu przebiega popraw-nie. W kaĪdym pomiarze wyniki są zadowalające na korzyĞü koła zmodernizowanego niezaleĪnie od temperatury tarczy hamulcowej.
5. Podsumowanie
Zaproponowany innowacyjny układ hamulca tarczowego został poddany próbie na dystansie 10 000 km. w którym nie stwierdzono pogorszenia skutecznoĞci działania hamulców badanego pojazdu. Elementy składowe zmodernizowanego układu ham. nie uległy odkształceniom mecha-nicznym i termicznym. Nie stwierdzono zuĪycia i uszkodzenia tarczy hamulcowej. Opracowanie takiego systemu modernizującego układ hamulcowy wymaga rozszerzenia badaĔ i testów. Zapre-zentowane rozwiązanie jest koncepcją innowacyjną, która została zweryfikowana w badaniu eks-perymentalnym. Zacytowane przepisy ustawy „warunki techniczne – Dz.U. z 2003r NR32 ze zmianami”, w tym opracowaniu mogą posłuĪyü jako przewodnik w dozorowaniu stanu zdatnoĞci układów hamulcowych samochodów osobowych.
Bibliografia
1. BuczyĔski M., Poradnik diagnosty SKP 2007 obowiązkowe i zalecane akty prawne. Regio-nalne centrum szkolenia motoryzacji PZM, PoznaĔ 2007.
2. Eugeniusz Mazanek, Podstawy Konstrukcji Maszyn Wyd. Politechniki CzĊstochowskiej. CzĊstochowa 1997
3. Janecki J., Dasiewicz J., Pawelec Z., PodwyĪszenie eksploatacyjnych właĞciwoĞci pary ha-mulcowej droga przekształcenia warstwy wierzchniej partnera metalowego. Tribologia Nr 3/2005
VIDEO MONITORING OF FITNESS CAR BRAKE SYSTEMS Summary
Braking systems in motor vehicles are important to preserve safety in traffic. They serve to effectively stop the vehicle in motion. This paper will present an inno-vative application of the classical concept of disc brake caliper and apply solutions to minimize high-frequency vibrations and raise the efficiency of the brake. Collected in an experimental way the data are preliminary information for further study and justify the applicability of utilitarian in the automotive industry.
Keywords: brake, disc, caliper, brake pad, vibration, braking
Piotr Stanowski
Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: p-stanowski@tlen.pl
