ANALIZA WPŁYWU NIERÓWNOMIERNOŚCI SIŁ HAMOWANIA NA STATECZNOŚĆ RUCHU SAMOCHODU

Transkrypt

1 ANALIZA WPŁYWU NIERÓWNOMIERNOŚCI SIŁ HAMOWANIA NA STATECZNOŚĆ RUCHU SAMOCHODU Andrzej Gajek 1 Stanisław Walczak, STRESZCZENIE W niniejszym referacie autorzy przedstawili wyniki badań symulacyjnych wpływu nierównomierności momentów tarcia w hamulcach (momentów hamujących) na stateczność ruchu samochodu osobowego, dla różnych warunków przyczepności nawierzchni i różnych parametrów pojazdu. Rozważono kryterium granicznej wartości współczynnika nierównomierności sił hamowania. Słowa kluczowe: hamulce, diagnostyka, modelowanie, badania symulacyjne. WPROWADZENIE Układ hamulcowy pojazdu jest zespołem mającym podstawowy wpływ na bezpieczeństwo czynne w ruchu drogowym. Sprawność tego układu kontrolowana jest podczas okresowych badań technicznych. Badania odbywają się w warunkach stanowiskowych lub drogowych. Metodyka badań ustalona jest odpowiednimi przepisami [1, ]. W warunkach stanowiskowych pomiarom podlegają wartości sił hamujących, w warunkach drogowych opóźnienie hamowania samochodu. Ocena hamulców, poza oceną organoleptyczną poszczególnych elementów, obejmuje obliczenie wskaźnika skuteczności hamowania oraz wskaźnika nierównomierności sił hamujących. Wskaźnik skuteczności hamowania powinien osiągać wartości określone przepisami W zależności od kategorii pojazdu zawiera się on w przedziale 5% dla hamulca roboczego [1,]. Problemy związane z wyznaczaniem tego parametru przedstawiono między innymi w pracach [3,]. Wskaźnik nierównomierności sił hamowania wyraża się zależnością [1]: 1 dr inż. Andrzej Gajek Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Aleja Jana Pawła II 37, 31- Kraków mgr inż. Stanisław Walczak Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Aleja Jana Pawła II 37, 31- Kraków 1

2 Fhl - Fhp k = 1% (1) Fhw F hl, F hp mierzone wartości sił hamowania na kole prawym i lewym badanej osi pojazdu, F hw większa z mierzonych wartości sił Dopuszczalna nierównomierność k sił hamowania badanej osi, dla hamulca roboczego nie powinna przekraczać 3% []. Jest to aktualnie obowiązujące kryterium. W literaturze dotyczącej diagnostycznych badań hamulców podawane są również mniejsze wartości tego parametru: dla hamulców bębnowych k<%, dla hamulców tarczowych k<15%, jednak nie ma merytorycznego uzasadnienia tych wartości [5]. W pracy [] autorzy przedstawili rezultaty badań symulacyjnych, z których wynika, że przy 3% asymetrii rozdziału momentów hamowania na strony pojazdu istnieje możliwość przemieszczania się samochodu poza zajmowany pas ruchu, zarówno w tzw. teście otwartym bez udziału kierowcy, jak i w teście zamkniętym, przy oddziaływaniu kierowcy na układ kierowniczy. Badania niemieckie wykonywane w latach 7-tych wskazują, że dla ówczesnych konstrukcji hamulców i jakości okładzin ciernych oraz dokładności stanowisk diagnostycznych, właściwe było przyjęcie dopuszczalnej nierównomierności sił hamowania do 3% [7]. W niniejszej pracy autorzy przedstawili wyniki badań symulacyjnych wpływu nierównomierności momentów tarcia w hamulcach na poprzeczne przemieszczenie samochodu osobowego, dla różnych warunków przyczepności nawierzchni. 1. MATEMATYCZNY MODEL POJAZDU Model pojazdu stanowi układ 9 brył sztywnych o 17 stopniach swobody. Główną bryłą jest nadwozie, które posiada stopni swobody. Ruch pozostałych brył względem nadwozia ograniczony jest za pomocą więzów. Zawieszenie przednie opisano za pomocą pięciu stopni swobody, zawieszenie tylne opisano za pomocą dwóch stopni swobody, każde z kół posiada jeden stopień swobody (obrót własny). Przyjęto nieliniowe charakterystyki sprężysto-tłumiące zawieszeń wyznaczone na podstawie badań eksperymentalnych. Zastosowano model opony [1], uwzględniający własności sprężysto-tłumiące opony w kierunku pionowym, wzdłużnym i poprzecznym. Model opony wg [1] rozszerzono o wpływ współczynnika przyczepności na wartości sił stycznych między oponą a jezdnią [11]. Do wyprowadzenia równań ruchu wykorzystano zasadę Jourdaina [9], [1], zgodnie z którą moc wirtualna wszystkich sił i momentów wewnętrznych układu mechanicznego złożonego z k ciał sztywnych o f stopniach swobody równa jest zeru. Równania ruchu w postaci macierzowej można zapisać: M z& = Q () pq p p

3 gdzie: z& prędkości uogólnione, p M pq macierz masowa o wymiarze fxf, Q p wektor sił uogólnionych o wymiarze fx1. z 5 z N j O 5 N x 5 q y5 x N y N r Ni,N z 1 O x y 1 1 Rys.1. Widok samochodu z zaznaczonymi układami współrzędnych. BADANIA SYMULACYJNE r N, O z y x y Do analizy wybrano dwa typy samochodów osobowych: samochód mały o rozstawie osi. m i masie własnej 9 kg (oznaczony jako 1) oraz samochód klasy średniej wyższej o rozstawie osi ok..5 m i masie własnej 13 kg (oznaczony jako ). Badano zachowanie się pojazdów na jezdni o dużym współczynniku przyczepności, m =.7 (jezdnia asfaltowa sucha), oraz o małym współczynniku przyczepności, m =. (jezdnia asfaltowa mokra). Symulacje wykonywano dla warunków, w których nie występowało blokowanie kół na jezdni suchej i dla przypadku zablokowania kół na jezdni mokrej. W obu przypadkach momenty tarcia w hamulcach miały taką samą wartość. W modelu uwzględniono oddziaływanie ciśnieniowego regulatora sił hamowania osi tylnej. Przyjęto nierównomierności momentów tarcia w hamulcach kół k: %, 3%. Nierównomierności te występowały równocześnie dla kół osi przedniej i tylnej, lub tylko dla kół osi przedniej. Symulowano hamowanie w ruchu prostoliniowym przy kołach ustawionych do jazdy na wprost. Wymuszenie zadawano w postaci przebiegu czasowego momentu hamującego dla przedniego lewego koła. Moment hamujący dla prawego koła wynikał z przyjętej nierównomierności, dla kół tylnych wynikał z przyjętej charakterystyki ciśnieniowego regulatora sił hamowania oraz przyjętej nierównomierności. Kierowca nie oddziaływał na ruch samochodu (test otwarty). Początkowa prędkość hamowania wynosiła 7 m/s. Czas narastania momentów hamowania dla kół osi przedniej t n =. s, dla kół osi tylnej t n =.5 s. 3

4 3. KRYTERIUM DOPUSZCZALNEJ NIERÓWNOMIERNOŚCI SIŁ HAMOWANIA Niesprawność hamulców polegająca na nierównomiernych momentach tarcia w hamulcach kół prawej i lewej strony pojazdu może być szczególnie niebezpieczna w sytuacjach nagłego zagrożenia, gdy kierujący zmuszony jest do gwałtownego, intensywnego hamowania. W tych warunkach może wystąpić nagłe odchylenie toru ruchu samochodu od zamierzonego, a kierowca nie ma możliwości lub czasu na zniwelowanie tego odchylenia. Dla takich sytuacji, jako kryterium dopuszczalnej nierównomierności sił hamowania przyjęto poprzeczne przemieszczenie samochodu Dy względem pierwotnego kierunku jazdy, jakie wystąpiło po czasie Dt mierzonym od momentu rozpoczęcia nacisku na pedał hamulca. Czas Dt ustalono arbitralnie na 1.5 sek. Czas ten jest sumą czasów: narastania momentów hamowania przy hamowaniu gwałtownym (..3 s), reakcji psychofizycznej kierowcy na stwierdzone nieprawidłowe zachowanie się samochodu oraz zadziałania na układ kierowniczy (1. 1.3s). W czasie Dt nie dochodzi jeszcze do skrętu kół, co mogłoby wprowadzić korektę toru ruchu samochodu. Przyjęto, że w czasie Dt hamujący samochód nie powinien zmienić pasa ruchu, na którym znajdował się przed hamowaniem. Według wytycznych projektowania dróg i ulic przeciętna szerokość pasa ruchu wynosi m. Przyjmując przeciętną szerokość samochodu osobowego m i jazdę w odległości około 1 m od prawej krawędzi jezdni, samochód osobowy nie powinien zbaczać z toru jazdy więcej niż o 1 m. Tą wartość przyjęto jako graniczne poprzeczne przemieszczenie Dy gr samochodu po czasie Dt gr =1.5s.. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH Wyniki wybranych symulacji zamieszczono na wykresach (rys. 7). Przedstawiają one zależności poprzecznego przemieszczenia samochodu y N w funkcji czasu hamowania t. Początek układu współrzędnych oznacza moment rozpoczynania narastania ciśnienia w układzie hamulcowym kół osi przedniej..1. Badania na nawierzchni o dużym współczynniku przyczepności Dla nierównomierności momentów tarcia w hamulcach kół przednich i tylnych wynoszącej 3%, poprzeczne przemieszczenie obu badanych samochodów, po czasie t gr wynosiło około 1m (rys. ), czyli osiągnęło wartość graniczną Dy gr. Dla nierównomierności momentów hamujących %, na kołach przednich i tylnych, poprzeczne przemieszczenie obu badanych samochodów było znacznie mniejsze i wynosiło około. m. Przy nierównomierności momentów hamujących występujących tylko na kołach osi przedniej, poprzeczne przemieszczenie pojazdu wynosiło. m po 1.5 s (dla nierównomierności 3%, rys. 3).

5 1 1 Rys.. Przemieszczenie poprzeczne pojazdu podczas hamowania z niesymetrycznym rozdziałem momentów hamujących na kołach obu osi pojazdu: a) k = 3%, b) k = %, współczynnik przyczepności m = Rys. 3. Przemieszczenie poprzeczne pojazdu podczas hamowania z niesymetrycznym rozdziałem momentów hamujących na kołach osi przedniej: a) k = 3%, b) k = %, współczynnik przyczepności m =.7.. Badania na nawierzchni o małym współczynniku przyczepności Symulacje przeprowadzono dla tej samej wartości siły nacisku na pedał hamulca jak dla nawierzchni o współczynniku przyczepności m =.7. Oznacza to taką samą reakcję kierowcy na zagrożenie na jezdni suchej i mokrej. Dla przyjętego modelu pojazdu oraz wymuszeń otrzymano odmienne zachowanie się samochodów dla nierównomierności % i 3% (rys. ). Wynika to z faktu, że dla % nierównomierności momentów tarcia w hamulcach wystąpiło zablokowanie 5

6 obu kół przednich, natomiast dla 3% nierównomierności wystąpiło zablokowanie tylko przedniego lewego koła. Podczas hamowania z zablokowaniem kół występuje znacznie mniejszy moment odchylający, a przemieszenie samochodu w kierunku poprzecznym jest mniejsze niż w przypadku hamowania bez blokowania kół na suchej nawierzchni. Po czasie 1.5 s wynosiło ono około.5 m. Taki wynik symulacji sugeruje, że hamowanie z blokowaniem kół na jezdniach o niskim współczynniku przyczepności, zwłaszcza dla większych samochodów, stwarza mniejsze niebezpieczeństwo zarzucenia samochodu niż na jezdni suchej. Należy jednak pamiętać, że w warunkach rzeczywistych jezdnie o małym współczynniku przyczepności (mokre, zaśnieżone) posiadają z reguły nawierzchnię niejednorodną o zmiennej przyczepności. To powoduje, że przy zablokowanych kołach mogą pojawić się różne wartości sił stycznych i moment odchylający samochód (yaw moment) może gwałtownie narastać. Ponieważ na śliskiej jezdni zablokowane koła mogą przenosić tylko niewielkie siły poprzeczne, nawet niewielka wartość momentu odchylającego może spowodować zarzucanie samochodu z dużą prędkością kątową. 1,5 -,5-1 -1,5 - Rys.. Przemieszczenie poprzeczne pojazdu podczas hamowania z niesymetrycznym rozdziałem momentów hamujących: a) k = 3%, b) k = %, hamowanie z blokowaniem kół, współczynnik przyczepności m =..3. Wpływ rozkładu masy i wymiarów geometrycznych pojazdu Na zachowanie się pojazdu, na który działają nierównomierne momenty hamujące na kołach lewej i prawej strony ma wpływ wartość momentu bezwładności względem jego osi pionowej. Moment ten zależy głównie od wymiarów geometrycznych pojazdu, rozmieszczenia pasażerów i bagażu. Na rys. 5 przedstawiono wpływ rozmieszczenia bagażu na poprzeczne przemieszczenie samochodu osobowego przy nierównomiernych momentach hamujących.

7 W symulacji zmieniano położenie ładunku o masie 1 kg z przedniego fotela pasażera do bagażnika samochodu. Wyniki badań wskazują, że przy hamowaniu z nierównomiernymi momentami hamującymi, zmiana rozmieszczenia bagażu może spowodować wzrost poprzecznego przemieszczenia samochodu nawet o około 3% (po 3 s hamowania, rys. 5) Rys. 5. Wpływ zmian rozmieszczenia ładunku na przemieszczenie poprzeczne pojazdu, a) ładunek na fotelu obok kierowcy b) ładunek w bagażniku, m =.7 Przeanalizowano również wpływ stanu obciążenia pojazdu na jego przemieszczenie poprzeczne. Badano ruch samochodu z kierowcą oraz obciążonego dodatkowo 3 pasażerami i bagażem o masie kg. 1 1 Rys.. Wpływ zmian stanu obciążenia na przemieszczenie poprzeczne pojazdu przy stałej intensywności hamowania: a) samochód tylko z kierowcą b) samochód z kierowcą oraz 3 pasażerami i bagażem kg, współczynnik przyczepności m =.7 7

8 Porównanie przeprowadzono dla dwóch przypadków: stałych wartości momentów hamujących oraz dla stałej intensywności hamowania. Wyniki zamieszczono na rys. i Rys. 7. Wpływ zmian stanu obciążenia na przemieszczenie poprzeczne pojazdu przy stałej wartości momentów hamujących: a) samochód tylko z kierowcą b) samochód z kierowcą oraz 3 pasażerami i bagażem kg, współczynnik przyczepności m =.7 5. WNIOSKI 1. Przy asymetrycznym rozdziale wartości momentów tarcia w hamulcach kół prawych i lewych obu osi pojazdu, powodującym nierównomierność sił hamowania k=3%, samochód osobowy przemieszcza się w kierunku poprzecznym o około 1 m w czasie 1.5 sekundy. Takie przemieszczenie może spowodować opuszczenie pasa ruchu i zagrożenie bezpieczeństwa jazdy.. Przy 3% asymetrii momentów tarcia w hamulcach, tylko na kołach osi przedniej, występuje poprzeczne przemieszczenie samochodu o około. m po 1.5 s. 3. Analiza symulacyjna wskazuje, że stosowane dotychczas kryterium dopuszczalnej nierównomierności sił hamowania powinno być zmodyfikowane. Jeżeli występuje nierównomierność sił hamowania kół tylko jednej osi, to kryterium 3% nierównomierności sił hamowania jest dopuszczalne. Jeżeli występuje nierównomierność na obu osiach, to aby przemieszczenie poprzeczne pojazdu było mniejsze od granicznego (Dy gr ), dopuszczalną nierównomierność sił hamowania należałoby ograniczać do %.. Przy ustalaniu dopuszczalnej wartości nierównomierności sił hamowania należy również mieć na uwadze rozrzut wartości współczynnika tarcia produkowanych obecnie okładzin hamulcowych (rzędu 5%) oraz dokładność stanowisk, na których mierzone są siły hamujące (również rzędu 5%).

9 LITERATURA 1. Rozporządzenie Min. Transportu i Gosp. Morskiej z r. w sprawie warunków technicznych i badań pojazdów (Dz. U. nr /1999 z ).. Rozporządzenie Min. Transportu i Gosp. Morskiej z r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów. Monitor Polski nr 1 z Gajek A.: Niektóre problemy diagnozowania hamulców samochodów w warunkach stanowiskowych. Materiały Instytutu Ekspertyz Sądowych nr /1 Kraków 1.. Gajek A. Kuranowski Al.: Analiza wyników badań skuteczności hamowania samochodów osobowych w warunkach stanowiskowych i drogowych. V Konferencja Naukowo Techniczna Diagnostyka Pojazdów Samochodowych, Instytut Transportu Politechniki Śląskiej, Katowice, XI/. 5. Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. WKŁ, Warszawa Lozia Z., Marcinkowski G.: Zagrożenie bezpieczeństwa ruchu samochodu wynikające z asymetrycznego rozdziału sił hamowania na koła strony prawej i lewej. Konferencja Hamulcowa 91. Politechnika Łódzka Hirschberger H., Miedel H., Ewald W., Bisimis E.: Bewertung der Messergebnisse von Bremsprufungen bezuglich der Gleichmassigkeit zwischen rechten und linken Radern von Krftfahrzeugen. Deutsche Kraftfahrtforschung und Strassenverkehrstechnik VDI nr 1/ Szczepaniak C.: Urządzenia przeciwblokujące. Studium teorii i konstrukcji. Praca zbiorowa, Zeszyty Naukowe ITS, Warszawa Kane, T.R. and D.A. Levinson.: Multibody dynamics. Journal of Applied Mechanics, Transactions ASME 5(b), 193, pp Rill G.: Simulation von Kraftfahrzeugen. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft, Braunschweig/Wiesbaden Uffelmann F.: Rechenmodell eines Reifens für Seiten-und Umfangskraftübertragung. Institut für Fahrzeugtechnik Braunschweig 197. ANALYSIS OF INFLUENCE OF ASYMMETRICAL BRAKE FORCES ON THE CAR MOTION STABILITY SUMMARY The paper presents the results of the simulation research of the influence of asymmetrical brake moments on the car motion stability, for different tyre road interaction and different car parameters. The authors have considered the value of acceptable asymmetrical brake force factor. 9