Zużycie tarcz i klocków hamulcowych motocykla klasy E2 w zależności od warunków ich użytkowania 2

Transkrypt

1 Grzegorz Chomka 1, Jerzy Chudy 1, Kamil Zubrzycki 1 Politechnika Koszalińska Zużycie tarcz i klocków hamulcowych motocykla klasy E2 w zależności od warunków ich użytkowania 2 Wprowadzenie Motocykle terenowe klasy enduro w czasie rajdów poddawane są zróżnicowanym obciążeniom. Typowa trasa wyścigu obejmuje odcinki zarówno szosowe, jak i terenowe, błotniste oraz szutrowo-piaskowe. W związku z tym rodzi się pytanie jak jazda na poszczególnych podłożach będzie wpływała na stan układu hamulcowego oraz jak, w takich warunkach, zachowają się klocki i tarcze hamulcowe. Częściową odpowiedź można znaleźć w literaturze [1,3]. Dlatego też, celem pełnej oceny geometrycznego zużycia tarcz oraz objętościowego zużycia okładzin klocków hamulcowych, przeprowadzono szereg badań pozwalających wykazać różnice w charakterze zużycia pod wpływem poszczególnych czynników zanieczyszczających. Badania przeprowadzono wykorzystując motocykl KTM EXC klasy Enduro2, charakteryzujący się typową dla tej klasy pojemnością skokową 193cm 3. Motocykle terenowe klasy Enduro Motocykle o przeznaczeniu terenowym konstrukcyjnie są przystosowane do jazdy w bardzo ciężkich warunkach. Podwozia są wysoko zawieszone po to, by zmniejszyć ryzyko uszkodzeń w wyniku kontaktu z podłożem. Współcześnie stosowane są zawieszenia typu upside-down, gdzie prowadnice będące elementami ruchomymi kolumn są zamocowane w półkach. Odwrócone układy teleskopów pozwoliły na zwiększenie zakresu pracy oraz sztywności, nie pogarszając przy tym ich trwałości, co dało większe możliwości regulacji pracy zawieszenia. Tylne zawieszenia sprowadzają się do pojedynczego elementu sprężysto-tłumiącego umieszczonego w środkowej części wahacza tuż przed kołem tylnym. Zbiorniki paliwa, osłony oraz błotniki są wykonane z tworzywa sztucznego, głównie z polipropylenu. Silniki chłodzone cieczą są montowane w środkowej części ramy tuż pod zbiornikiem paliwa. Współcześnie tradycyjne gaźniki zastępują systemy elektronicznego wtrysku paliwa, dzięki czemu zmiana map zapłonowych pozwala dostosować charakter pracy silników do wymagań zawodnika. Obok silników czterosuwowych nadal stosuje się silniki dwusuwowe, których przewagą jest dużo mniejsza waga i prosta konstrukcja, co przekłada się na mniejszą awaryjność. Moce generowane przez dwusuwy osiągane w poszczególnych klasach pojemnościowych są większe nawet o 30% niż w silnikach czterosuwowych. W technologii układów wydechowych, tradycyjne materiały zastępują stopy metali lekkich, jak aluminium i tytan, a także materiały kompozytowe na bazie włókna węglowego. Powszechnie stosowane są kolektory wydechowe ze zmiennym przekrojem. Rozprężnik spalin umożliwia powrót większej ilości niedopalonej mieszanki do cylindra i ułatwia wydostanie się spalin z układu wydechowego, co przekłada się na przyrost mocy silnika oraz ekonomikę jazdy. Napęd przekazywany jest za pośrednictwem zębatek stalowych lub aluminiowych. Elementem pośrednim jest rolkowy łańcuch napędowy o dużej wytrzymałości na rozciąganie. Z uwagi na żywotność zaczęto stosować, znajdujące się w każdym ogniwie, uszczelki w postaci o-ringów, które zapobiegają dostawaniu się zanieczyszczeń w miejsca łączenia ogniw. Obręcze oraz piasty kół wytwarzane są z twardych stopów aluminium, szprychy zaś ze stali stopowej lub stali nierdzewnej, zapewniającej dużą wytrzymałość mechaniczną. W motocyklach terenowych stosowane są dwa niezależne układy hamulców tarczowych. Pompa przedniego hamulca sterowana jest przez dźwignię ręczną, znajdującą się przy rękojeści kierownicy, tylna sterowana dźwignią nożną, zamocowaną przy podnóżku. Motocykl KTM EXC 200 Badania przeprowadzono na motocyklu KTM EXC 200, przedstawionym na rysunku 1, wyprodukowanym w 2004 r. Jest on napędzany jednocylindrowym, dwusuwowym silnikiem o pojemności 193 cm 3 i stopniu sprężania wynoszącym 11:1. Średnica cylindra wynosi 64 mm, zaś skok tłoka to 60 mm. Silnik zasilany jest gaźnikowo i chłodzony cieczą. Podwozie wykonano z rur chromowo - molibdenowych. Zawieszenie przednie jest odwróconego typu upside-down a tylne oparte na wahaczu wleczonym z amortyzatorem centralnym. W motocyklu tym wykorzystano hamulce hydrauliczne, tarczowe. Masa motocykla wynosi 102,4kg, rozstaw osi 1471mm, prześwit 390mm a wysokość siedzenia 925 mm. 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Zakład Teorii Mechanizmów i Podstaw Konstrukcji Maszyn, Koszalin ul. Racławicka 15-17, grzegorz.chomka@tu.koszalin.pl; jerzy.chudy@tu.koszalin.pl 2 Artykuł recenzowany. Logistyka 1/

2 Rys. 1. Motocykl KTM EXC 200. Budowa zespołu hamulca przedniego i tylnego W motocyklach marki KTM stosowane są hydrauliczne hamulce tarczowe. firmy BREMBO. Przedni hamulec uruchamiany jest poprzez wciśnięcie dźwigni ręcznej, połączonej z hydrauliczną pompką hamulcową o średnicy tłoczka 10 mm. Wzdłuż lewego teleskopu poprowadzony jest elastyczny przewód hamulcowy łączący pompkę z zaciskiem hamulca przedniego posiadającym dwa tłoki o średnicach 28 mm. Zacisk zamocowany jest na jarzmie, które jest przykręcone do dolnej części wewnętrznej rury amortyzatora. Do piasty koła przykręcona jest tarcza hamulcowa o średnicy 260 mm. Tylny hamulec uruchamiany jest poprzez wciśnięcie dźwigni nożnej, umieszczonej w dolnej części ramy, nieopodal podnóżka kierowcy. Do stopki hamulca przykręcony jest przegubowy trzpień, który podczas uruchomienia hamulca dociska tłok pompy hamulcowej wypierając płyn hamulcowy przez elastyczny przewód hamulcowy, naciskający na tłok hamulcowy zacisku tylnego. Tłok zacisku ruchomego ma średnicę 26 mm, zaś średnica tarczy hamulcowej wynosi 220 mm. Metodyka badań Badania trwałości okładzin ciernych motocyklowego hamulca tarczowego przeprowadzono w warunkach rzeczywistych. Wykonano próby zużyciowe dla dwóch typów okładzin wykonanej ze spiekanych proszków metali (popularnie nazywanej sintermetalową ) i organicznej wykonanej z grafitu i składników organicznych. Równolegle badaniom poddano tarcze hamulcowe o dwóch różnych kształtach powierzchni trącej. Chcąc odwzorować charakter eksploatacji, testy wykonano w warunkach suchych, na nawierzchni asfaltowej i piaszczysto-żwirowej oraz na nawierzchni błotnistej, co ilustruje schemat zamieszczony na rysunku 2. Badania eksploatacyjne zostały prowadzone w trzech etapach, z uwagi na zróżnicowanie warunków terenowych. W każdej części do badań wykorzystano dwa rodzaje tarcz, różniących się kształtem geometrycznym. Do badań użyte zostały nowe elementy układu hamulcowego, dlatego przed rozpoczęciem badań każda para cierna została poddana procesowi docierania. Próby hamowań podzielono na 10 serii po 20 zahamowań, z przerwami czasowymi trwającymi ok. 60 sekund. Z uwagi na bezpieczeństwo i większe możliwości opanowania pojazdu, do badań wykorzystany został zespół hamulca tylnego. Prędkość początkowa w każdym hamowaniu wynosiła 50 km/h. Po każdym cyklu odbywano przerwę trwającą ok. 15 minut, potrzebną do schłodzenia zespołu hamującego. Pomiaru grubości okładzin dokonywano przy użyciu mikrometru. Celem wyeliminowania wpływu ich rozszerzalności cieplnej na wynik pomiaru, temperatura okładziny podczas każdego pomiaru wynosiła ok 25 C. W badaniach wykorzystano organiczne klocki hamulcowe typu TT oraz klocki ze spieków metalicznych. Klocki hamulcowe typu TT są powszechnie stosowane w motocyklach enduro. Tradycyjny skład mieszanki oparty jest na bazie grafitu i składników organicznych. Atutem klocków organicznych jest dobra przewodność cieplna, korzystnie wpływająca na odprowadzanie ciepła do elementów współpracujących z wkładkami, które oddają je następnie do otoczenia. Zasadniczą wadą okładzin na bazie węgla (grafitu) jest niski współczynnik tarcia, wynoszący zaledwie 0,4 [2]. Logistyka 1/

3 Rys. 2. Schemat przebiegu badań zużycia okładzin klocków hamulcowych. Logistyka 1/

4 Klocki ze spieków metalicznych, z uwagi na dobre własności eksploatacyjne, stały się standardem na rynku motoryzacyjnym. Klocki te charakteryzuje współczynnik tarcia wynoszący około 0,7. Ich znaczącą zaletą jest duża odporność na wysokie temperatury, brak konieczności docierania oraz zachowanie jednakowej skuteczności hamowania w dużym zakresie temperaturowym. Wadą klocków ze spieków jest większy wpływ na zużycie tarczy hamulcowej oraz znacznie wyższa cena, w porównaniu do klocków organicznych Badaniom poddano dwa rodzaje tarcz, przedstawionych na rysunku 3, różniących się geometrią zewnętrznych i wewnętrznych krawędzi powierzchni roboczej. Tarcza prosta zamieszczona na rysunku 3a cechuje się jednakową szerokością powierzchni trącej na całym obwodzie. Drugi rodzaj tarczy typu wave zobrazowany na rysunku 3b, posiada falistą zewnętrzną krawędź obwodową, a od wewnętrznej strony znajdują się wycięcia technologiczne. Tarcza pełna waży 754 g, natomiast tarcza o pofalowanej krawędzi zewnętrznej 477 g. Dodatkowe nacięcia zwiększają powierzchnię wymiany ciepła oraz poprawiają skuteczność odprowadzania zanieczyszczeń z powierzchni tarcia. a) b) Rys. 3. Tarcza hamulcowa a) prosta b) pofalowana typu wave Zestawienie wyników i analiza badań Na wykresie zamieszczonym na rysunku 4 przedstawiono zmiany grubości okładzin klocków hamulcowych, eksploatowanych podczas jazdy motocykla na suchym podłożu asfaltowym w funkcji liczby zahamowań. Stwierdzono, że okładzina ze spieków ma większą trwałość, gdyż po pierwszych 50 cyklach hamowań różnica zużycia wyniosła prawie 50%, a na końcu badań nadal wynosiła około 10-15% w porównaniu do okładziny organicznej Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że geometria tarcz eksploatowanych w takich warunkach nie ma znacznego wpływu na zużycie okładzin wkładek hamulcowych. 0,04 Zużycie okładziny [mm] 0,03 0,02 0, Liczba zahamowań [n] okładzina sintermetalowa - tarcza pełna okładzina organiczna - tarcza pełna okładzina sintermetalowa - tarcza wave okładzina organiczna - tarcza wave Rys. 4. Wykres zmian grubości badanych próbek okładzin eksploatowanych na suchym podłożu asfaltowym, w funkcji liczby zahamowań. Logistyka 1/

5 Przedstawione na rysunku 5 krzywe zużycia okładzin eksploatowanych na suchym podłożu piaszczysto-żwirowym pozwalają na stwierdzenie, że największa zmiana grubości okładziny nastąpiła w przypadku okładziny organicznej współpracującej z tarczą pełną. Zarówno w przypadku wkładki organicznej jak i sintermetalowej większe zużycie nastąpiło podczas współpracy z tarczą pełną. Powodem tego efektu mógł być pokruszony piasek kwarcowy, dostający się między powierzchnie trące pary ciernej, powodujący większą destrukcję struktury okładziny. Zauważalną zaletą zmiennej szerokości powierzchni tarcia tarczy hamulcowej jest więc lepsze odprowadzenie, dostających się między powierzchnie tarcia, drobinek piasku i pyłu. 0,05 Zużycie okładziny [mm] 0,04 0,03 0,02 0, Liczba zahamowań [n] okładzina sintermetalowa - tarcza pełna okładzina sintermetalowa - tarcza wave okładzina organiczna - tarcza pełna okładzina organiczna - tarcza wave Rys. 5. Wykres zmian grubości okładzin badanych próbek, eksploatowanych na suchym podłożu piaszczysto żwirowym, w funkcji liczby zahamowań. Na podłożu błotnistym można dostrzec różnice zużycia okładzin, które są zależne od współpracy z danym rodzajem tarczy. Ilustrują to krzywe zamieszczone na rysunku 6. Każdorazowo mniejsze zużycie ma miejsce przy współpracy z tarczą typu wave. Przykładowo, zmniejszenie grubości okładziny o 0,65 mm w przypadku okładziny organicznej współpracującej z tarczą pełną nastąpiło po 130 zahamowaniach, zaś w przypadku okładziny organicznej współpracującej z tarczą pofalowaną taka sama zmiana nastąpiła dopiero po 200 zahamowaniach. Tak samo jak w poprzednich badaniach, tak i w tym przypadku mniej zużyły się okładziny ze spieków. Zużycie okładziny [mm] 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, Liczba zahamowań [n] okładzina sintermetalowa-tarcza pełna okładzina sintermetalowa - tarcza wave okładzina organiczna-tarcza pełna okładzina organiczna - tarcza wave Rys. 6. Wykres zmian grubości badanych próbek okładzin, eksploatowanych na podłożu błotnistym. Logistyka 1/

6 Pomiar profili powierzchni trącej tarcz Dokonano również pomiarów struktury geometrycznej powierzchni tarcz eksploatowanych w różnych warunkach. Pomiary profilu chropowatości powierzchni trącej tarcz przeprowadzono przy użyciu profilometru Hommelwerke Waverline 60. Profilogramy sporządzone zostały prostopadle do kierunku obrotów. Wyniki badań profilu tarczy w zmiennych podłożach jazdy przedstawiono na kolejnych rysunkach 8, 9 i 10. Pierwszy profilogram wykonany dla powierzchni tarczy fabrycznie nowej (rys. 7), stanowi referencyjny profil porównawczy. Parametr Ra chropowatości tej tarczy wynosi jedynie 0,16 µm co świadczy o dużej gładkości powierzchni. Rys. 7. Profilogram powierzchni roboczej nowej, pełnej tarczy hamulcowej. Można domniemywać, że widoczny na kolejnych rysunkach wzrost chropowatości spowodowany jest przedostawaniem się do pary trącej cząstek zanieczyszczeń, najczęściej pokruszonych ziarenek piasku kwarcowego. Na podłożu asfaltowym (rysunek 8) starte na pył ziarenka nieznacznie zmieniają chropowatość tarczy i parametr Ra wynosi jedynie 0,23 µm. Jazda po podłożu piaszczysto-żwirowym (rysunek 9) zwiększa chropowatość prawie pięciokrotnie w stosunku do tarczy nowej i ponad trzykrotnie w stosunku do jazdy po asfalcie. Najwyższe wartości chropowatości wystąpiły w czasie jazdy po podłożu błotnistym (rysunek 10). Unoszone z wodą i błotem zanieczyszczenia nie są pokruszone i łatwo oblepiają elementy pary trącej, stąd wartość Ra osiąga 1,5µm czyli dziesięciokrotnie więcej niż w tarczy nowej. Nie bez znaczenia jest tu też fakt, że wraz ze zmianą podłoża od asfaltowego do błotnistego rośnie droga hamowania. Rys. 8. Profilogram powierzchni roboczej tarczy hamulcowej pełnej współpracującej z wkładką ze spieków, eksploatowanej na suchym podłożu asfaltowym. Logistyka 1/

7 Rys. 9. Profilogram powierzchni roboczej tarczy hamulcowej pełnej współpracującej z wkładką ze spieków, eksploatowanej na suchym podłożu piaszczysto-żwirowym. Rys. 10. Profilogram powierzchni roboczej tarczy hamulcowej pełnej współpracującej z wkładką ze spieków, eksploatowanej na podłożu błotnistym. Wnioski Na podstawie powyższych analiz wysnuto następujące wnioski. 1. Zużycie elementów ciernych hamulca jest zależne od zewnętrznych warunków eksploatacyjnych. 2. Zużycie okładzin ciernych klocków hamulcowych jest zależne od chropowatości powierzchni roboczej tarczy hamulcowej. 3. Właściwości materiałów stosowanych na okładziny cierne mają wpływ na zużycie tarcz. 4. Większy wpływ na zużycie powierzchni roboczej tarczy hamulcowej ma okładzina wykonana ze spieków metalicznych. 5. Okładzina organiczna zużywa się szybciej niż okładzina sintermetalowa, niezależnie od warunków pracy, lecz ma mniejszy wpływ na zużycie tarcz hamulcowych. 6. Zmiany geometryczne w tarczy typu wave korzystnie wpływają na odprowadzanie zanieczyszczeń z obszaru tarcia elementów hamulca. Logistyka 1/

8 Streszczenie W artykule omówiono wyniki badań zużycia klocków i tarcz hamulcowych, stosowanych w układzie tylnego hamulca tarczowego, w motocyklu enduro KTM EXC 200 rocznik Badania przeprowadzono na trzech różnych podłożach terenowych, w warunkach suchych i mokrych dla dwóch rodzajów wkładek hamulcowych i dwóch odmiennych tarcz hamulcowych. Objęły one określenie zmian grubości okładzin klocków oraz pomiary chropowatości profilu tarcz. Słowa kluczowe: motocykle terenowe, hamulce, zużycie, okładziny cierne, chropowatość powierzchni. Wear of break discs and pads of class E2 motorcycle depending on their operational conditions Abstract This paper discusses the results of wear of brake pads and discs used in a rear disc brake of the motorcycle enduro KTM EXC 200 year Tests were conducted on three different terrain substrates, in dry and wet conditions for the two types of brake pads and two different brake discs. These included the determination of thickness changes of brake pads linings and discs roughness profile measurements. Keywords: dirt bikes, brakes, wear, friction pads, surface roughness. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1] Grzybek J., Kołodziej E.: Czasopismo Techniczne: Wpływ czynników zewnętrznych na działanie tarczowych mechanizmów hamulcowych.wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 7/2000. [2] Materiały informacyjne firmy EBC: Piątkowski P., Grajper M., Lewkowicz R.: Badania wpływu wybranych cech materiałów okładzin ciernych na efektywność tarczowego mechanizmu hamulca. Logistyka. 6/2014, 1-2. Logistyka 1/