ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014 Zdzisław Chłopek 1, Andrzej Jakubowski 2, Anna Kieracińska 3, Jakub Lasocki 4 PROTOTYPY URZĄDZEŃ DO ZMNIEJSZANIA EMISJI PYŁÓW Z UKŁADÓW HAMULCOWYCH SAMOCHODÓW 1. Wprowadzenie Pod pojęciem pyłu rozumie się fazę rozproszoną układu dwufazowego, składającego się z ciała stałego małych cząstek stałych zawieszonych w gazowej fazie rozpraszającej powietrzu [1]. Pyły stanowią poważne zagrożenie zdrowia i środowiska ludzi. Pyły PM10 (o wymiarach charakterystycznych mniejszych od 10 μm), a szczególnie pyły PM2.5 (o wymiarach charakterystycznych mniejszych od 2.5 μm), powodują liczne choroby układu oddechowego, takie jak astma i chroniczny bronchit, prowadzą także do osłabienia czynności płuc, przyczyniając się nawet do przedwczesnej śmierci [2 5]. Istnieje wiele prac jednoznacznie potwierdzających, że zanieczyszczenie powietrza pyłami jest czynnikiem wzmagającym objawy przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP) [6]. Do pyłów szczególnie szkodliwych dla zdrowia należą cząstki zawierające związki metali ciężkich (przede wszystkim arsenu, ołowiu, kadmu, niklu i rtęci), z których wiele ma właściwości mutagenne lub kancerogenne. Szczególnie toksyczne są również cząstki zawierające ciężkie węglowodory pierścieniowe, będące związkami kancerogennymi. Podstawowymi źródłami emisji pyłów z transportu samochodowego są [7, 8]: silnik spalinowy emitujący cząstki stałe wraz ze spalinami, węzły trybologiczne w pojeździe, ogumienie kół jezdnych i materiał nawierzchni jezdnej, ścierane w wyniku współpracy, materiały innych części pojazdu, ulegających zużyciu oraz pył wzniecany z nawierzchni jezdnej przez poruszające się po niej pojazdy. Spośród par trybologicznych w samochodach szczególną rolę w wytwarzaniu pyłów odgrywa układ hamulcowy. Pary trące w układzie hamulcowym są znaczącym źródłem emisji pyłów w związku z zadaniem spełnianym przez układ hamulcowy w postaci rozpraszania energii kinetycznej pojazdu. Ocenia się, że przeciętny samochód zużywa rocznie około 0,5 kg materiału ciernego z układu hamulcowego [9]. W związku z zagrożeniem zdrowia ludzi i ich środowiska przez pyły emitowane z układu hamulcowego podjęto w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji zadanie opracowania urządzenia do zmniejszenia ich emisji z układów hamulcowych. Zaprojektowano prototypy urządzeń przeznaczone do układów zarówno tarczowych, jak i bębnowych. W niniejszej pracy opisano zasadę działania urządzenia oraz szczegóły konstrukcji zbudowanych prototypów. 1 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 2 Mgr inż. Andrzej Jakubowski, Przemysłowy Instytut Motoryzacji. 3 Mgr inż. Anna Kieracińska, Przemysłowy Instytut Motoryzacji. 4 Mgr inż. Jakub Lasocki, doktorant, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 41

2 2. Metoda zmniejszania emisji pyłów z układów hamulcowych Metoda ograniczania emisji pyłów powstających w układach hamulcowych podczas hamowania, opracowana w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji, polega na usuwaniu pyłów z miejsc styku par trących w układach hamulcowych za pomocą przepływającego powietrza, którego ruch wymuszony jest przez podciśnienie albo nadciśnienie w układzie pneumatycznym, a następnie skierowanie zanieczyszczonego powietrza do specjalnego pojemnika z filtrem, w którym pyły są gromadzone. Podejście to przedstawiono w zgłoszeniach patentowych nr P [10] i P [11]. Schemat urządzenia do ograniczania emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego przedstawiono na rysunku 1. Urządzenie składa się z dwóch zacisków, w których wykonano dwa otwory ssące, po obu stronach tarczy hamulcowej tak, że obracająca się tarcza hamulcowa przy hamowaniu ma w pierwszej kolejności kontakt z nakładkami ciernymi, a następnie przesuwa się obok otworów ssących połączonych przewodami metalowymi z trójnikiem, który jest połączony przewodem elastycznym z tworzywa sztucznego z filtrem, zaś filtr połączony jest przewodem z kolektorem ssącym silnika samochodowego. Dokładny opis urządzenia do zmniejszania emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego zamieszczono w zgłoszeniu patentowym nr P [12] A A Rys. 1. Schemat urządzenia do ograniczania emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego: 1 i 2 zaciski, 3 tarcza hamulcowa, 4 i 5 otwory ssące, 6 i 7 nakładki cierne, 8, 9, 13 przewody metalowe, 10 trójnik, 11 przewody elastyczne, 12 filtr, 14 kolektor ssący Schemat urządzenia do ograniczania emisji pyłów z bębnowego układu hamulcowego przedstawiono na rysunku 2. Urządzenie składa się z dwóch szczęk hamulcowych z okładzinami ciernymi, w których wykonano dwa otwory ssące, po jednym w każdej szczęce hamulcowej tak, że obracający się bęben hamulcowy przy hamowaniu ma najpierw kontakt z okładzinami ciernymi szczęk hamulcowych, 3 42 Fig. 1

3 F a następnie przesuwa się w kierunku otworów ssących połączonych przewodami metalowymi z trójnikiem, który jest połączony przewodem elastycznym z tworzywa sztucznego z filtrem, zaś filtr połączony jest przewodem z kolektorem ssącym silnika samochodowego. Dokładny opis urządzenia do zmniejszania emisji pyłów z bębnowego układu hamulcowego zamieszczono w zgłoszeniu patentowym nr P [13]. 1 5 Kierunek obrotu bębna Rys. 2. Schemat urządzenia do ograniczania emisji pyłów z bębnowego układu hamulcowego: 1 i 2 szczęki hamulcowe, 3 i 4 otwory ssące, 5 bęben hamulcowy, 6, 7 i 11 przewody metalowe, 8 trójnik, 9 przewody elastyczne, 10 filtr, 12 kolektor ssący 3. Prototypy urządzeń do zmniejszania emisji pyłów z układów hamulcowych 3.1. Informacje ogólne W pracach nad projektami prototypów urządzeń do zmniejszania emisji pyłów wykorzystano elementy konstrukcyjne układu hamulcowego samochodu Citroen Berlingo, który jest wyposażony w tarczowy układ hamulcowy kół osi przedniej i bębnowy układ hamulcowy kół osi tylnej. Samochód ten został wybrany do zabudowy prototypów urządzeń do zmniejszania emisji pyłów, które w późniejszych etapach pracy badano na hamowni podwoziowej i w warunkach rzeczywistego ruchu drogowego. Do zaprojektowania prototypów urządzeń do ograniczania emisji pyłów zastosowano program Autodesk Inventor Prototyp urządzenia dla tarczowych układów hamulcowych Opracowano modele wybranych części układów hamulcowego i kierowniczego oraz zawieszenia kół osi przedniej samochodu Citroen Berlingo. Zgodnie z przyjętą koncepcją, do jarzma koła został dopasowany odpowiednio wyprofilowany wspornik wraz z uchwytem do mocowania ssawek. Wspornik, jarzmo i zwrotnicę połączono za pomocą śrub. Dzięki takiemu rozwiązaniu urządzenie do zmniejszania emisji pyłów nie powinno w znaczący sposób wpływać na pracę zawieszenia i układu hamulcowego samochodu. Sposób zamocowania urządzenia przedstawiono na rysunku 3. Fig. 3 43

4 Klocek hamulcowy Zacisk Zwrotnica Tarcza hamulcowa Wspornik ze ssawkami Piasta Rys. 3. Sposób zamocowania urządzenia do tarczowego układu hamulcowego Ze względu na ograniczoną przestrzeń między obręczą koła, zwrotnicą i elementami układu hamulcowego zaprojektowane ssawki mają kompaktowe wymiary. Ssawki nie dotykają tarczy hamulcowej, lecz znajdują się w niewielkiej odległości od niej, tworząc szczeliny o regulowanej szerokości. Możliwość regulacji jest niezbędna, gdyż podczas eksploatacji pojazdu niektóre elementy układu hamulcowego ulegają zużyciu. Zastosowanie ssawek bez możliwości regulacji ich odległości od tarczy hamulcowej spowodowałoby zwiększanie się szczelin w miarę zużywania się tarczy hamulcowej. Przygotowano lewą i prawą wersję ssawki (stanowią one swoje lustrzane odbicia), do zamontowania z obydwu stron tarczy hamulcowej. Model prototypu urządzenia ze ssawkami przedstawiono na rysunku Rys. 4. Model prototypu urządzenia do ograniczania emisji pyłów dla tarczowego układu hamulcowego: 1, 2 ssawki, 3 wspornik, 4 uchwyt ssawek, 5 śruba M5x

5 W celu zwiększenia skuteczności urządzenia zaprojektowano dodatkowe elementy osłaniające hamulec tarczowy, które zapobiegają rozpraszaniu pyłów, zwłaszcza podczas eksploatacji urządzenia w warunkach trakcyjnych (rysunek 5). Zadanie to spełniają trzy specjalnie ukształtowane części z blachy stalowej. Dwie z nich połączono śrubami ze ssawkami, trzecią zaś umieszczono pod zaciskiem hamulca. Rys. 5. Hamulec tarczowy z urządzeniem do ograniczania emisji pyłów bez elementów osłaniających (z lewej) i z elementami osłaniającymi (z prawej) Widok prototypu urządzenia do ograniczenia emisji pyłów dla hamulców tarczowych, zamontowanego w samochodzie, przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Prototyp urządzenia do ograniczenia emisji pyłów dla hamulców tarczowych zabudowany w samochodzie 45

6 3.3. Prototyp urządzenia dla bębnowych układów hamulcowych W celu zaprojektowania i zaplanowania rozmieszczenia przestrzennego elementów prototypu urządzenia do ograniczenia emisji pyłów z bębnowego układu hamulcowego opracowano modele wybranych części samochodu Citroen Berlingo: bębna hamulcowego, tarczy kotwicznej bębna, szczęk hamulcowych, sworznia, piasty, cylinderka hamulcowego, zespołu samoregulatora szczęk hamulcowych oraz wahacza. Ze względu na konieczność zmniejszenia szczeliny między powierzchniami szczęk, na których zamocowano ssawki, i wewnętrznymi powierzchniami bębnów, w celu uszczelnienia, na krawędzie szczęk naniesiono silikon odporny na działanie wysokiej temperatury rysunek 7. Rys. 7. Sposób uszczelnienia szczęk hamulcowych: 1 ssawka, 2 uszczelnienie z silikonu, 3 szczęka hamulcowa W tarczy kotwicznej bębna hamulcowego zaprojektowano otwory, przez które poprowadzono ze ssawek do filtra elastyczne przewody z tworzywa sztucznego. Przewody odprowadzające pył z dwóch ssawek połączono ze sobą za pomocą trójnika. Kompletny model prototypu urządzenia do zmniejszenia emisji pyłu z bębnowego układu hamulcowego przedstawiono na rysunku 8, zaś na rysunku 9 urządzenie zabudowane w samochodzie. 4. Podsumowanie Pyły pochodzące z układów hamulcowych samochodów należą do najbardziej groźnych zarówno ze względu na wymiary są to pyły bardzo drobne, o wymiarach charakterystycznych w przeważającej mierze mniejszych od 1 μm, jak i ze względu na skład dużą zawartość metali ciężkich, przede wszystkim żelaza. W Przemysłowym Instytucie Motoryzacji opracowano prototypy urządzeń do zmniejszania emisji pyłów z układów hamulcowych, zarówno tarczowych, jak i bębnowych. Opracowana metoda polega na pochłanianiu w filtrze pyłów z układu hamulcowego dzięki zastosowaniu wymuszonego przepływu powietrza opływającego okładziny cierne. Prototypy urządzeń zostały wykonane i zamontowane w samochodzie Citroen Berlingo. Poddano je badaniom w testach na hamowni podwoziowej i w czasie użytkowania trakcyjnego samochodu. Wyniki tych badań zostały opublikowane w innych pracach [14 16]. 46

7 Rys. 8. Model prototypu urządzenia do ograniczenia emisji pyłów dla hamulców bębnowych: 1 czujnik temperatury (pirometr), 2, 3 szybkozłącza, 4 piasta koła, 5 tarcza kotwiczna bębna, 6 cylinderek, 7 szczęka hamulcowa, 8 ssawka Rys. 11. Urządzenie do ograniczenia emisji pyłów dla hamulców bębnowych zabudowane w samochodzie 47

8 Podziękowania Badania zostały zrealizowane w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji w ramach pracy naukowej NR /2010 pt. Opracowanie urządzeń do ograniczania emisji pyłów z tarczowych i bębnowych układów hamulcowych pojazdów samochodowych, finansowanej ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Praca naukowa Jakuba Lasockiego jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego, projekt Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej realizowany przez Centrum Studiów Zaawansowanych. Literatura: [1] EN 481: Workplace atmospheres. Size fraction definitions for measurement of airborne particles. [2] Dominici F., Peng R. D., Bell M. L., Pham L., McDermott A., Zeger S. L., Samet J. M.: Fine particulate air pollution and hospital admission for cardiovascular and respiratory diseases, Journal of American Medical Association, 2006, z. 295(10), s [3] Forsberg B., Hansson H. C., Johansson C., Areskoug H., Persson K., Jarvholm B.: Comparative health impact assessment of local and regional particulate air pollutants in Scandinavia, Ambio, 2005, z. 34, s [4] Juda Rezler K.: Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na środowisko, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, [5] Rabczenko D., Wojtyniak B., Wysocki M., Goryński P.: Krótkookresowy wpływ zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego dwutlenkiem siarki, pyłami zawieszonymi i dwutlenkiem azotu na umieralność mieszkańców miast w Polsce, Przegląd Epidemiologiczny, 2005, z. 59, s [6] MacNee W., Donaldson K.: Exacerbations of COPD environmental mechanizm, Chest, 2000, z. 117, s [7] Chłopek Z.: Ocena stanu zagrożenia środowiska przez cząstki stałe PM2.5 ze źródeł transportu drogowego, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 2011, z. 82(1), s [8] Chłopek Z.: Testing of hazards to the environment caused by particulate matter during use of vehicles. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability, 2012, z. 2, s [9] Chłopek Z., Jakubowski A.: A study of the particulate matter emission from the braking systems of motor vehicles. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability, 2009, z. 4, s [10] Zgłoszenie patentowe nr P z dn r. nr rej 300 Sposób zmniejszenia emisji pyłów z układów hamulcowych pojazdów samochodowych. [11] Zgłoszenie patentowe nr P z dn r. nr rej 301 Sposób zmniejszenia emisji pyłów z układów hamulcowych pojazdów samochodowych. [12] Zgłoszenie patentowe nr P z dn r. nr rej 309 Urządzenie zmniejszające emisje pyłów z zespołu hamulca tarczowego. [13] Zgłoszenie patentowe nr P z dn r. nr rej 310 Urządzenie zmniejszające emisje pyłów z zespołu hamulca bębnowego. [14] Chłopek Z., Jakubowski A., Kieracińska A.: Examination of a laboratory system to reduce dust emission from braking systems of automotive vehicle, The Archives of Automotive Engineering Archiwum Motoryzacji, 2011, z. 53(3), s

9 [15] Kieracińska A., Chłopek Z., Biedrzycki J., Jakubowski A., Lasocki J., Wójcik P.: Badania układu do zmniejszania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego samochodu osobowego, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 2013, z. 92(1), s [16] Kieracińska A., Chłopek Z., Biedrzycki J., Jakubowski A., Lasocki J., Wójcik P.: Evaluation of the effectiveness of operation of a system to reduce particulate matter emission from the motor vehicle braking system in the conditions of special driving tests, Combustion Engines, 2013, z.154(3), s Streszczenie Pyły stanowią poważne zagrożenie zdrowia i środowiska ludzi. Istotnym źródłem antropogenicznej emisji pyłów jest transport. Duża ilość pyłów jest wytwarzana w układach hamulcowych samochodów. W Przemysłowym Instytucie Motoryzacji podjęto zadanie opracowania sposobu ograniczenia emisji pyłów z samochodowych układów hamulcowych. Zaproponowana metoda polega na pochłanianiu w filtrze pyłów odprowadzanych z układu hamulcowego dzięki zastosowaniu wymuszonego przepływu powietrza opływającego okładziny cierne. W artykule przedstawiono zasadę działania oraz szczegóły konstrukcji zaprojektowanych urządzeń do zmniejszania emisji pyłów z tarczowych i bębnowych układów hamulcowych samochodu osobowego. Prototypy urządzeń zostały wykonane i zamontowane w samochodzie oraz poddano je badaniom w testach na hamowni podwoziowej i w czasie użytkowania trakcyjnego samochodu. Słowa kluczowe: samochód osobowy, układ hamulcowy, emisja pyłów. PROTOTYPES OF DEVICES TO REDUCE DUST EMISSIONS FROM VEHICLES BRAKING SYSTEMS Abstract The dust poses a serious threat to human health and the environment. An important source of anthropogenic emission of dust is transport. A large amount of dust is generated in the braking systems of cars. The Automotive Industry Institute developed a way to reduce dust emissions from automotive braking systems. The proposed method consists of the absorption of the dust discharged from a braking system in a filter through the use of air flow over the friction lining. The article presents the principle of operation and the details of construction of designed devices to reduce emissions of dust from disc and drum braking systems in a passenger car. Prototypes of the devices have been built and mounted in a car and subjected to the tests on a chassis dynamometer as well as to the road tests. Keywords: passenger car, braking system, dust emission. 49