Wpływ dysfunkcji hydraulicznego obwodu hamulcowego na przebieg hamowania pojazdu z układem ABS 3

Transkrypt

1 Wojciech Szczypiński-Sala Politechnika Krakowska Janusz Lubas Politechnika Rzeszowska Wpływ dysfunkcji hydraulicznego obwodu hamulcowego na przebieg hamowania pojazdu z układem ABS 3 Wprowadzenie Układy przeciwblokujące kół są jednym z podstawowych rozwiązań konstrukcyjnych mających wpływ na bezpieczeństwo czynne pojazdów. Obecnie wszystkie nowe pojazdy samochodowe wyposażane są w układy ABS (anti-lock braking systems), które maja zapobiegać blokowaniu kół pojazdu podczas hamowania. Zapewniają one zachowanie kierowalności pojazdu nawet w warunkach ekstremalnego hamowania [, ]. Są to układy ściśle związane z zapewnieniem bezpieczeństwa, z tego też punktu widzenia ich badania i testy funkcjonalne w warunkach drogowych nabierają szczególnej wagi [3,, 9, ]. Ogólnie możemy wyróżnić trzy podstawowe elementy systemu przeciwblokującego, a mianowicie: układ pomiarowy prędkości, jednostkę sterującą oraz modulator. Podczas hamowania obliczane są chwilowe wartości poślizgu kół. Ocena wzdłużnego poślizgu opiera się na pomiarze prędkości obrotowej kół. Musi tu być uwzględniona różnica prędkości koła prawego i lewego podczas ruchu na zakręcie. Do poślizgu kół pojazdu może dochodzić w dwojaki sposób. Mianowicie, może następować gwałtowne zatrzymanie koła pojazdu lub jedynie zmniejszenie jego prędkości obrotowej. W tym drugim przypadku różnica prędkości obrotowej wynikająca ze zwiększającego się poślizgu koła musi być odróżniona od zmian prędkości kół będących następstwem ruchu pojazdu po torze krzywoliniowym. Na podstawie tych wartości możliwe jest wysterowanie zaworów modulatora regulujących ciśnienie w obwodach poszczególnych kół. W układzie regulacji ABS jako sygnały wejściowe przyjmuje się prędkość liniową pojazdu oraz prędkość kątową koła, a wyjściowym sygnałem z układu jest sygnał wysterowania modulatora ciśnienia płynu hamulcowego w rozpieraczach hydraulicznych hamulców poszczególnych kół. Natomiast zadaną wielkością w tym układzie jest nacisk na pedał hamulca, a tym samym ciśnienie w pompie hamulcowej [,,, ]. Działanie układu sterowania systemem przeciwblokującym kół może być oparte na różnych strategiach. Przyjęta strategia rozdziału sił hamowania na poszczególne koła decyduje o zachowaniu kierowalności i stabilności ruchu pojazdu. Zagadnienia te są przedmiotem rozważań teoretycznych [], które stanowią podstawę do opracowania logiki działania układu przeciwdziałającego blokowaniu kół pojazdu [, ]. Zazwyczaj algorytmy sterowania układem przeciwblokującym kół realizowane są przy pełnej sprawności pozostałej części układu hamulcowego. Podczas eksploatacji pojazdu mogą jednak pojawić się czynniki zakłócające. Starzenie płynu hamulcowego i pochłanianie przez niego wilgoci z toczenia może znacząco obniżać jego temperaturę wrzenia. Przy intensywnym hamowaniu, gdy znacznie rozgrzewają się elementy hamulców kół może dojść do tworzenia w rozpieraczach hydraulicznych 3 Dr inż. W. Szczypiński-Sala, Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, 3- Kraków; al. Jana Pawła II 37. Tel: , F: + -3-, ws@mech.pk.edu.pl. Dr hab. inż. J. Lubas, prof. PRz, Politechnika Rzeszowska, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Silników Spalinowych i Transportu, Rzeszów, al. Powstańców Warszawy. Artykuł recenzowany. Logistyka /5 33

2 korków par płynu hamulcowego. Podobnie nieszczelności w układzie lub jego zapowietrzenie skutkują ograniczeniem możliwego do uzyskania ciśnienia w przewodach, ponieważ następuje w takich przypadkach zmiana ściśliwości czynnika roboczego wypełniającego układ. Ocena efektywności działania układu przeciwdziałającego blokowaniu kół w przypadku wystąpienia wskazanych dysfunkcji jest najbardziej miarodajna w warunkach eksploatacyjnych, w testach drogowych. Cel pracy Celem pracy była ocena wpływu ograniczonej sprawności układu hydraulicznego, wynikającej ze zmiany ściśliwości czynnika roboczego, na działanie systemu przeciwdziałającego blokowaniu kół podczas hamowania. Ponieważ ograniczenie maksymalnego ciśnienia w rozpieraczach hydraulicznych wpływa na zmianę rozkładu sił hamujących na poszczególne koła i wymusza ich korekcję przez układ sterowania systemu przeciwblokującego, wykonane zostały badania drogowe oceniające uzyskiwane opóźnienie hamowania przy różnym poziomie dysfunkcji układu hamulcowego. Podczas manewru hamowania rejestrowano przyspieszenia wzdłużne i poprzeczne pojazdu w celu oceny dynamiki ruchu pojazdu podczas procesu hamowania. Metodyka badań W ramach badań wykonano pomiary w warunkach drogowych, podczas których opóźnienie pojazdu w trakcie hamowania mierzono za pomocą zestawu czujników ustawionych w podłużnej i poprzecznej osi pojazdu. Rejestrowane w tych osiach przyspieszenia oznaczono odpowiednio a x dla osi wzdłużnej pojazdu oraz a y dla jego osi poprzecznej. Badania w warunkach drogowych wykonano na pojeździe, którym był samochód osobowy segmentu B, o zawieszeniu niezależnym. Z przodu pojazd wyposażony był w zawieszenie wielowahaczowe, natomiast z tyłu pojazdu wleczone wahacze wzdłużne połączone sztywną belką. Zarówno z przodu jak i z tyłu zamontowane były amortyzatory teleskopowe hydrauliczne dwustronnego działania. Pomiary wykonano na oponach letnich, w których głębokość bieżnika wynosiła ponad mm. Wszystkie próby wykonano na tym samym płaskim odcinku drogi asfaltowej o mokrej nawierzchni. Warunki zmniejszonej przyczepności opony do nawierzchni zostały wybrane w celu wymuszenia działania układu przeciwdziałającego blokowaniu kół pojazdu. Badania wykonano porównawczo w czterech następujących wariantach. Pierwszym dla pojazdu z w pełni sprawnym układem hamulcowym i działającym układem przeciwblokującym kół, następnie dla pojazdu ze sprawnym funkcjonalnie układem hamulcowym, ale bez układu przeciwblokującego kół, a kolejne serie odpowiednio dla pojazdu z zapowietrzonymi przewodami hamulcowymi i działającym układem przeciwblokującym kół, oraz zapowietrzonymi przewodami hamulcowymi i bez układu przeciwblokującego. Dla każdego z tych wariantów hamowania odbywały się z prędkości od 9 do m/s, która to prędkość odpowiada prędkości pojazdów samochodowych w ruchu miejskim. Wszystkie próby dla tych samych warunków ich realizacji wykonywano z czterokrotnym powtórzeniem. W celu uzyskania powtarzalnych warunków testu zapowietrzenie układu wprowadzono poprzez wstrzyknięcie cm 3 powietrza do rozpieracza hydraulicznego hamulców prawego przedniego koła. Przyspieszenia w prostopadłych osiach pojazdu mierzone były przy zastosowaniu przetworników przyspieszeń firmy Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH typu B/. Czujniki pomiarowe podłączono do -bitowego, -knałowego przetwornika analogowo cyfrowego również produkcji HBM. Uzyskiwane podczas testowych przejazdów przebiegi przyspieszeń rejestrowano na komputerze. Zasadniczym zestawem czujników pomiarowych zastosowanym do pomiarów przyspieszeń były bezwładnościowe przetworniki przyśpieszeń. Zasada działania tego typu przetwornika oparta jest na pomiarze względnego przemieszczenia bezwładnej masy wewnątrz obudowy przetwornika. W takim układzie drgającym czujnika zależność pomiędzy przemieszczeniem masy wewnątrz obudowy a działającym na przetwornik przyspieszeniem może być określana z równania równowagi sił. Masa wewnętrzna czujnika połączona jest z jego obudową za pośrednictwem elementów sprężystych 3 Logistyka /5

3 i tłumiących. Podczas hamowania pojazdu przemieszczenie tej wewnętrznej masy jest proporcjonalne do przyspieszenia działającego na przetwornik. W trakcie pomiarów drogowych zestaw czujników zamocowany był w pojeździe na tunelu środkowym, tak by miejsce to znajdowało się w pobliżu środka masy pojazdu. Wyniki badań Po wykonaniu badań drogowych w pierwszej kolejności oceniono przebiegi sygnałów uzyskiwane z czujników przyspieszeń. Na rysunku przedstawiono zarejestrowane przez zestaw czujników zamontowanych w pojeździe przebiegi przyspieszeń w poprzecznej i wzdłużnej osi pojazdu podczas hamowania z niewielkiej prędkości, to znaczy 9 m/s. Otrzymane przebiegi zmian przyspieszeń obrazują zachowanie nadwozia pojazdu podczas intensywnego hamowania. Uzyskane w warunkach drogowych opóźnienie w osi wzdłużnej pojazdu podczas próby ze sprawnym układem hamulcowym i zadziałaniu układu przeciwblokującego kół osiągało chwilowe wartości przekraczające m s - rysunek a. Wprowadzenie zapowietrzenia w układzie hamulcowym, którego konsekwencją jest spadek ciśnienia czynnika roboczego w rozpieraczu hydraulicznym prawego przedniego, koła przy tej samej sile nacisku na pedał hamulca, spowodowało, że uzyskiwane chwilowe wartości opóźnienia hamowania były o połowę mniejsze. W takich warunkach z uwagi na występujące różnice rozwijanej siły hamującej na prawym i lewym kole pojazdu następowało uruchomienie zaworów modulatora ciśnienia przez układ sterowania ABS, co bardzo wyraźnie widoczne jest na przebiegach przedstawionych na rysunku c. Ograniczenie możliwości zwiększenia ciśnienia w zacisku hydraulicznym jednego z kół wynikające z jego zapowietrzenia powodowało blokowanie i poślizg drugiego z kół, czemu musiał przeciwdziałać system przeciwblokujący. Konsekwencją było jednak znaczne zmniejszenie uzyskiwanego opóźnienia hamowania - w wartościach szczytowych do m s -. Analogiczne zależności można obserwować porównując odpowiednio przebiegi przedstawione na rysunkach b i d, obrazujące próby hamowania dla pojazdu bez układu przeciwdziałającego blokowaniu kół. Również w tym przypadku zapowietrzenie zacisku hydraulicznego powodowało obniżenie maksymalnego uzyskiwanego opóźnienia hamowania o 5%, a dodatkowo można zauważyć, iż w początkowej fazie hamowania, czyli w fazie narastania opóźnienia wzdłużnego, rejestrowany jest także wzrost wartości przyspieszenia poprzecznego pojazdu. Taki przebieg przyśpieszeń poprzecznych tłumaczyć można narastającą nie korygowaną poprzez zadziałanie układu przeciwblokującego różnicą sił hamowania na kołach po prawej i lewej stronie pojazdu. Zmiany siły hamującej na kołach pojazdu widoczne są na wszystkich przebiegach przyśpieszeń rejestrowanych przez czujnik w poprzecznej osi pojazdu. Zakres ich zmian przy hamowaniu podczas prostoliniowego ruchu pojazdu oraz w pełni sprawnym układzie hamulcowym jest znacznie mniejszy, zarówno przy zadziałaniu układu przeciwblokującego jak i bez tego układu. Zwiększenie prędkości początkowej podczas prób hamowania w oczywisty sposób wpłynęło na wydłużenie drogi hamowania i czasu trwania całego procesu. Uzyskiwane opóźnienia hamowania z uwagi na analogiczne warunki drogowe pozostały na podobnym poziomie, wyraźniej jednak można obserwować wahania przebiegu przyspieszeń w osi poprzecznej pojazdu. Na rysunku przedstawiono zestawienie przebiegów opóźnienia hamowania dla prędkości początkowej pojazdu m/s. W zestawieniu tym możemy również zaobserwować, iż w przypadku wystąpienia zapowietrzenia przewodów układu hamulcowego zakres zmian przyspieszeń rejestrowanych w poprzecznej osi pojazdu jest większy. Logistyka /5 35

4 a [m/s ] a [m/s ] a [m/s ] a [m/s ] Logistyka nauka a) b),5,5,5 3 3,5 -,5,5,5 3 3, c) d) Rys.. Graficzny obraz przebiegu zmian opóźnienia rejestrowanego w osi wzdłużnej (a x ) i poprzecznej (a y ) pojazdu podczas hamowania z prędkości 9 m/s: a hamowanie przy sprawnym układzie hamulcowymi i działającym układzie przeciwblokującym kół, b hamowanie ze sprawnym funkcjonalnie układem hamulcowym, ale bez układu przeciwblokującego kół, c hamowanie z zapowietrzonymi przewodami hamulcowymi i działającym układem przeciwblokującym kół, d hamowanie z zapowietrzonymi przewodami hamulcowymi i bez układu przeciwblokującego, Źródło: opracowanie własne. Na podstawie przebiegów przyspieszeń uzyskanych z kolejnych przejazdów testowych uśredniono wartości opóźnienia hamowania, a ich zestawienie przedstawiono na rysunku 3. W celu porównania, w jakim stopniu różnice w chwilowych wartościach zarejestrowanych opóźnień hamowania wpływają na wartości uśrednione, wykonano obliczenia dla każdego z uzyskanych przebiegów, i posłużono się wartościami tak zwanego średniego pełnego opóźnienia względem drogi. Jest to, bowiem średnia wartość opóźnienia hamowania bardzo często przyjmowana do oceny wskaźnika skuteczności hamowania, który jest normowany przepisami [5, 7]. Średnia wartość tego opóźnienia szacowana jest nie w oparciu o rejestrowany początek narastania opóźnienia w momencie narostu ciśnienia w układzie hamulcowym, co odpowiadałoby chwili początku hamowania - t, lecz obliczana jest z przedziału czasu t B t E, zgodnie z poniższa zależnością: t t B E t ( a t ( a m m / ) / ),3s,s 3 Logistyka /5

5 a [m/s ] a [m/s ] a [m/s ] a [m/s ] Logistyka nauka Uśrednione wartości opóźnienia hamowania uzyskiwane w tych samych warunkach drogowych w pojeździe ze zmniejszoną siłą hamowania, wynikającą z zapowietrzenia rozpieracza hydraulicznego, zarówno w przypadku działania układu przeciwblokującego jak i jego braku praktycznie osiągały zbliżone wartości. Układ przeciwdziałający blokowaniu kół wpływa natomiast na ograniczenie wahań przyspieszeń rejestrowanych w osi poprzecznej pojazdu. Pozwala, bowiem na bardziej korzystny rozdział sił hamujących na obie strony pojazdu. Podczas prostoliniowego hamowania przy całkowicie sprawnym układzie hamulcowym rejestrowane maksymalne przyspieszenie w osi poprzecznej sięgały,5 m s -, natomiast w przypadku braku układu ABS były o % większe. Szczególnie wyraźnie widoczne jest to przy wyższych prędkościach początkowych hamowania, co zostało pokazane na rysunku 3b. a) b) 3 5,5,5,5 3 3,5, c) d) Rys.. Graficzny obraz przebiegu zmian opóźnienia rejestrowanego w osi wzdłużnej (a x ) i poprzecznej (a y ) pojazdu podczas hamowania z prędkości m/s : a hamowanie przy sprawnym układzie hamulcowymi i działającym układzie przeciwblokującym kół, b hamowanie ze sprawnym funkcjonalnie układem hamulcowym, ale bez układu przeciwblokującego kół, c hamowanie z zapowietrzonymi przewodami hamulcowymi i działającym układem przeciwblokującym kół, d hamowanie z zapowietrzonymi przewodami hamulcowymi i bez układu przeciwblokującego, Źródło: opracowanie własne. Logistyka /5 37

6 a) b) z ABS z ABS zap. bez ABS bez ABS zap. 5 z ABS z ABS zap. bez ABS bez ABS zap. 3 3 sr sr zmiana sr sr zmiana Rys. 3. Graficzne zestawienie uśrednionych wartości przyspieszeń w osi wzdłużnej i poprzecznej pojazdu uzyskanych podczas prób hamowania: a z prędkości 9 m/s, b z prędkości m/s, Źródło: opracowanie własne. Wnioski Układy przeciwdziałające blokowaniu kół są jednym z podstawowych stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych mających wpływ na bezpieczeństwo czynne pojazdów. Wykonane drogowe badania przebiegu procesu hamowania pojazdu pozwoliły na porównanie efektywności ich działania przy zakłóceniach występujących w pracy obwodu hydraulicznego. Zastosowanie podczas testów pomiaru przyspieszeń w poprzecznej i wzdłużnej osi pojazdu dało możliwość oceny zmian dynamiki ruchu w wyniku występujących zakłóceń. Na podstawie przeprowadzonych badań można w szczególności wyprowadzić następujące wnioski:. Zmiana ściśliwości czynnika roboczego w hydraulicznym w układzie hamulcowym, której konsekwencją jest spadek ciśnienia płynu hamulcowego w rozpieraczu hydraulicznym może prowadzić do obniżenie maksymalnego uzyskiwanego opóźnienia hamowania o 5%;. Początkowa faza hamowania, faza narastania ciśnienia stanowi newralgiczną część procesu - rejestrowane przyspieszenia poprzeczne osiągają w tej fazie najwyższe wartości; 3. Przy braku układu przeciwblokującego kół przy hamowania w trakcie jazdy na wprost przyspieszenia poprzeczne były o % większe niż przy działaniu tego układu i sięgały wartości do, m s - ;. Układ przeciwdziałający blokowaniu kół jest w stanie korygować dysfunkcje układu hydraulicznego. Streszczenie W pracy omówiono wyniki badań drogowych, których celem była ocena przebiegu hamowania pojazdu wyposażonego w układ ABS i niepełnej sprawności układu hydraulicznego. Obecnie wszystkie nowe pojazdy posiadają systemy wspomagające kierowcę takie jak układy przeciwdziałające blokowaniu kół pojazdu podczas hamowania. Na długość drogi hamowania wpływa wartość opóźnienia hamowania, jakie można uzyskać bez blokowania kół pojazdu, a z kolei o tym decyduje rozkład sił hamujących na poszczególne koła. Dodatkowo kierowalność pojazdu uzależniona jest jednak nie tylko od wyposażenia konstrukcyjnego, ale również od sprawności działania elementów układu hydraulicznego. W celu oceny wpływu dysfunkcji hydraulicznego układu hamulcowego na działania systemu przeciwblokującego kół pojazdu wykonano badania drogowe przebiegu procesu hamowania w różnych warunkach drogowych. Podczas tych testów oceniano dynamikę ruchu pojazdu. W badaniach wykorzystano bezwładnościowe czujniki przyspieszeń zamontowane w pojeździe tak by możliwa była rejestracja przebiegu zmian przyspieszeń we wzdłużnej i poprzecznej osi pojazdu. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo, ABS, efektywność hamowania. 3 Logistyka /5

7 The impact of dysfunction of the braking hydraulic circuit on the process of braking of the vehicle with the ABS circuit Abstract The paper presents the results of on-road tests of the braking process of vehicle equipped with antilock braking systems. Currently, vehicles are equipped with many kinds of devices that assist drivers in emergency situations, as for example, ABS. These devices focus on active safety, by a targeted intervention of the brakes on the individual wheels. But vehicle ride control depends on vehicle design, and also on the condition of the vehicle braking hydraulic circuit components. The minimum stopping distance of a vehicle depends on the mimum deceleration achievable prior to the wheel lock-up. Braking force distribution has an important role in the vehicle stopping distance and its stability. Additionally, dysfunction in braking hydraulic circuit has influence on a braking process. To examine how this dysfunction impacts the ABS system, road tests were carried out. During the road tests, the parameters of vehicle dynamics were recorded. The orientation of sensors during experiment was such, that one of them was placed in the parallel, and the other in the perpendicular is of the vehicle. Results obtained from measurements in different road conditions were compared. Key words: safety, ABS braking, efficiency of breaking. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY []. Botero J.C., Gobbi M., Mastinu G., Di Piazza N., Martorana R., On the reformulation of the ABS logic by sensing forces and moments at the wheels, Proceedings of the Fifth IFAC Symposium on Advances in Automotive Control, 7. []. D T.D., Roberts G., A simulation model for vehicle braking systems fitted with ABS, SAE Paper (--559),. [3]. Hegeduš H., Ilić D., Comparison of measurement methods for vehicle acceleration. XVIII IMEKO World Congress, Metrology for a Sustainable Development. Rio de Janeiro, Brazil. []. Kudarauskas N., Analysis of emergency braking of a vehicle, Transport, 7, vol. XXII, no 3. [5]. Norma ISO/DTR 37 F: Braking of road vehicles - Definition of mean fully developed deceleration. []. Roger L., Vehicle sensitivity to brake torque differences test and simulation results, Int. Conf. on Aut. Braking, Leeds. [7]. Rozporządzenie Min. Infrastruktury z września 9 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach. Dz. U. nr 55/9, poz. 3. []. Sokolovskij E., Experimental investigation of the braking process of automobiles, Transport, 5, vol. XX, no 3. [9]. Szczypiński-Sala W., Wykorzystanie trójosiowego pomiaru przyspieszeń w drogowych badaniach opóźnienia hamowania pojazdu, Logistyka,, nr. []. Szczypiński-Sala W., Strzępek P., Janczur R., Weryfikacyjne metody pomiaru opóźnienia hamowania pojazdu. Logistyka,, nr 3. []. Yasui Y., Nitta H., Yoshida T., Hosome T., Kawamura K., Experimental approach for evaluating tire characteristics and ABS performance, World Congress, SAE, March. Logistyka /5 39