Wpływ stałych drobin w terenowej eksploatacji pojazdu na działanie tarczowych mechanizmów hamulcowych

Transkrypt

1 SZCZYPIŃSKI-SALA Wojciech 1 Wpływ stałych drobin w terenowej eksploatacji pojazdu na działanie tarczowych mechanizmów hamulcowych WSTĘP Tarczowe mechanizmy hamulcowe stosowane są powszechnie w pojazdach samochodowych, jednak wciąż zagadnienia eksploatacyjne związane z ich funkcjonowaniem analizowane są w pracach teoretycznych i rozpoznawane w testach doświadczalnych, tego bowiem wymaga dalsze doskonalenie istniejących rozwiązań. Ocena pracy i skuteczności działania układu hamulcowego już w takcie eksploatacji pojazdu jest źródłem cennych informacji konstrukcyjnych, a także warunkiem bezpiecznej eksploatacji pojazdu [4, 10, 11]. Charakter procesów, mających miejsce podczas pracy hamulców ciernych jest bardzo złożony. O tej złożoności, oraz dynamice ich przebiegu decyduje bardzo szeroki zakres warunków pracy, w jakich muszą skutecznie działać mechanizmy hamulcowe. Oddziaływania środowiska w połączeniu z zaawansowaną technologią materiałową skojarzenia ciernego sprawiają, iż mamy w efekcie do czynienia ze złożonym systemem. [2, 3, 7, 8, 9]. Przebieg procesów tribologicznych na styku ciernym w mechanizmach hamulcowych zależy zarówno od cechy konstrukcyjno materiałowych, jak i technologicznych rozwiązania, oraz parametrów roboczych i oddziaływania czynników zewnętrznych. Należy zwrócić uwagę, iż cechą konstrukcyjną tarczowych mechanizmów hamulcowych jest właśnie ich podatność na oddziaływania zewnętrzne. Wynika to z łatwości, z jaką czynniki z otoczenia mogą dostawać się w strefę współpracy elementów ciernych. Jak wynika z powyższego w warunkach ruchu pojazdu skuteczność hamowania może ulęgać zmianie i uzależniona będzie od oddziaływania czynników pochodzących z otoczenia, a mogących wpływać na zmiany wartości współczynnika tarcia pomiędzy tarczą i nakładką cierną. W szczególności w terenowych warunkach pracy pojazdu przy przejazdach po bardzo zanieczyszczonych lub zabłoconych drogach. W przypadku pojazdów osobowych i użytkowych eksploatowanych na co dzień na drogach utwardzonych, możemy mieć z takimi warunkami do czynienia incydentalnie w sytuacjach zdarzeń losowych. Celem przeprowadzonych pomiarów na stanowisku modelowym w warunkach laboratoryjnych była ocena zmian współczynnika tarcia w parze ciernej tarczowego mechanizmu hamulcowego podczas pracy w obecności stałych cząstek pyłu i błota. Wykonano także próby drogowe dla oceny skuteczności działania zanieczyszczonych mechanizmów hamulcowych. 1. OBIEKTY BADAŃ I METODY POMIAROWE 1.1. Pomiary na stanowisku modelowym Pomiary w warunkach laboratoryjnych wykonano na stanowisku modelowym realizującym współpracę pary trącej trzpień-dysk. Próbkę współpracującą z dyskiem będącym tarczą hamulcową stanowił fragment nakładki ciernej. Mocowanie próbki w swobodnie przesuwającym się uchwycie umożliwiające wykonanie pomiarów siły tarcia pokazano na rysunku 1. Stanowisko posiadało napęd elektryczny i wyposażone było w zestaw przetworników umożliwiających pomiar momentu hamującego, siły docisku elementów trących i temperatury powierzchni współpracy. Najpowszechniej stosowanym połączeniem materiałowym stosowanym w tarczowych mechanizmach hamulcowych jest tarcza z żeliwa szarego z wydzieleniami grafitu w postaci płatków 1 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny; Kraków; al. Jana Pawła II 37, Tel: , Fax: , ws@mech.pk.edu.pl 1295

2 współpracująca z polimerowo-organiczną nakładką cierną. Jest to rozwiązanie, gwarantujące niewygórowane kosztów związanych z eksploatacją przy zapewnieniu skuteczności hamowania [1, 2, 8, 9]. Dlatego też na stanowisku modelowym wykorzystano taką parę cierną. Na stanowisku wykonano ocenę zmiany współczynnika tarcia pary tarcza hamulcowa nakładka cierna w zmieniających się warunkach współpracy. Wykonano serie prób z podawaniem stałych drobin w strefę współpracy. W pierwszej serii pomiarów drobiny umieszczano na tarczy, a następnie wprowadzano ją w ruch obrotowy. W kolejnej serii drobiny podawano podczas ruchu tarczy. Rys. 1. Uchwyt mocowania próbki okładziny ciernej i tarcza hamulcowa stanowiska trzpień dysk 1.2. Badania drogowe Ponieważ podstawowym wskaźnikiem skuteczności działania układu hamulcowego jest droga hamowania, to znaczy odcinek drogi, który przebywa pojazd od chwili naciśnięcia przez kierowcę na pedał hamulca, do momentu zatrzymania, dla oceny wpływu zmian współczynnika tarcia pomiędzy okładziną cierna i tarczą wykonane zostały drogowe próby hamowania [4,5,6]. Na moment hamujący w mechanizmach hamulcowych bezpośrednio wpływa oprócz siły docisku okładziny ciernej do tarczy również współczynnik tarcia pomiędzy tymi elementami. Droga hamowania uzależniona jest w dużej mierze od momentu hamującego na kołach pojazdu. Pojazdem, na którym przeprowadzono badania był samochód osobowy klasy średniej, o zawieszeniu niezależnym z kolumnami typu McPherson z przodu pojazdu oraz z wahaczami wzdłużnymi połączonymi sztywną belką z tyłu pojazdu. Zarówno z przodu jak i z tyłu zamontowane były amortyzatory teleskopowe hydrauliczne dwustronnego działania. Pomiary wykonano na oponach typu letniego o rozmiarze 195/65/15. Pomiary przeprowadzono w jednakowych warunkach drogowych dla uzyskania porównywalnych wyników. Wszystkie pomiary opóźnień hamowania wykonywano na suchej nawierzchni na tym samym odcinku pomiarowym, przy temperaturze otoczenia około 25oC. Wszystkie próby wykonał ten sam kierowca. Początkowa prędkość podczas prób hamowania wynosiła 40 km/h. Podczas każdej z prób do rejestracji opóźnień wykorzystywano opóźnieniomierz VZM-300, umożliwiający rejestracje przebiegu zmian opóźnienia hamowania, oraz siły nacisku na pedał hamulca podczas próby. Umiejscowienie opóźnieniomierza w pojeździe pokazano na rysunku 2. Wszystkie próby wykonywano przy średniej sile nacisku na pedał hamulca 200 [N]. Wykonano trzy serie pomiarów. W każdej z nich przed pierwszym hamowaniem na wilgotne okładziny naniesiono drobiny pyłu, poczym wykonywano serię hamowań. Na podstawie zarejestrowanych wartości opóźnienia hamowania w funkcji czasu obliczono średnie opóźnienie hamowania. 1296

3 a) b) Rys. 2. Czujnik siły nacisku na pedał hamulca a) i opóźnieniomierz w pojeździe badawczym b) 2. ANALIZA WYNIKÓW 2.1. Wyniki uzyskane na stanowisku modelowym Na stanowisku modelowym pomiary wykonano dla prędkości obrotowej tarczy hamulcowej 320 obr/min., co odpowiada prędkości pojazdu około 40 km/godz. Podczas testu nakładka dociskana była do tarczy tak by uzyskać naciski średnie rzędu 0,5 i 2,0 MPa. W pierwszej serii pomiarów przy ustalonej prędkości obrotowej tarczy wprowadzano w strefę tarcia dawkę pyłu. Uzyskane uśrednione wartości z pomiarów przedstawiono na rysunku 3. Jak można zauważyć dostawanie się pyłu w strefę tarcia powodowało krótkotrwały wzrost współczynnika tarcia o prawie 54% w stosunku do początkowego poziomu dla tego złożenia wynoszącego 0,42. Konsekwencją w dalszym czasie były wahania wartości współczynnika tarcia na poziomie około 22%. Widoczna jest, zatem niestabilność współpracy pary trącej. Drobiny w strefie współpracy mogą zarówno wbijać się w powierzchnie elementów współpracujących, jak i poruszać w obszarze kontaktu, tak, iż stopniowo będzie następowało samooczyszczania się tarczy. W procesie tym będzie również miała udział siła odśrodkowa działająca na drobiny wynikająca z ruchu obrotowego tarczy. Przy wyższych naciskach jednostkowych efekt zmiany współczynnika tarcia praktyczne przestaje być widoczny. Wytłumaczyć to można dostawaniem się w strefę współpracy mniejszej ilości drobin. Ich wnikanie pomiędzy powierzchnie tarczy i nakładki jest, bowiem w takich warunkach utrudnione. Przy rozpoczynaniu ruchu względnego nakładki i tarczy z wstępnym naniesieniem drobin możemy obserwować narastanie wartości współczynnika tarcia. Podobnie jednak, jak i w poprzednim przypadku, widoczna jest niestabilność współpracy pary trącej. Początkowe narastanie współczynnika tarcia może wynikać z przesuwania się nakładki w tym etapie współpracy po warstwie pyłu, który dopiero po chwili jest częściowo odrzucany z tarczy. Uzyskane przebiegi przedstawiono na rysunku 4. Zjawiskiem zachodzącym w czasie pracy hamulcowego skojarzenia ciernego w warunkach obecności pyłu na powierzchni styku nakładki i tarczy jest mikroskrawanie. Wynika to z obecności w tej strefie cząstek, których kształt umożliwia działania ich krawędzi analogicznie do działania krawędzi skrawających. Dodatkowo sprzyjają temu zjawisku różnice twardości materiałów nakładki i tarczy, oraz koncentracja nacisków. Drobinami pełniącymi funkcję narzędzi skrawających mogą być oprócz cząsteczek dostających się z otoczenia, także fragmenty elementów skojarzenia. Działanie drobin z otoczenia może być szczególnie intensywne ze względu na ich znaczną twardość i kształt. Spośród nich decydującą rolę odgrywają cząsteczki kwarcu obecne w pyle. Względny ruch elementów złożenia daje możliwość przemieszczania materiału względem skrawającego ostrza przyczyniając się do intensyfikacji zużycia, ale z drugiej strony jednocześnie zapewnia możliwość usuwanie produktów zużycia. 1297

4 wsp tarcia wsp tarcia 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Rys. 3. Zmiany współczynnika tarcia dla pary trącej tarcza hamulcowa nakładka cierna w momencie pojawienia się drobin stałych czas [s] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, czas [s] Rys. 4. Zmiany współczynnika tarcia w momencie rozpoczynania ruchu względnego nakładki po tarczy 2.2. Wyniki uzyskane w testach drogowych Podczas prób hamowania w ramach testów drogowych uzyskano przebiegi opóźnienia pojazdu. Dla porównania, w jakim stopniu różnice w chwilowych wartościach zarejestrowanych opóźnień hamowania wpływają na wartości uśrednione, wykonano obliczenia dla każdego z uzyskanych przebiegów, tak by uzyskać wartość tzw. średniego pełnego opóźnienia względem drogi. Jest to, bowiem średnia wartość opóźnienia hamowania bardzo często przyjmowana do oceny wskaźnika skuteczności hamowania, który jest normowany przepisami [5,6]. Uzyskane z obliczeń wartości przedstawiono graficznie na rysunku 5. Jak można zaobserwować dla kolejnych prób uzyskiwane przy tej samej sile nacisku na pedał hamulca opóźnienia były coraz mniejsze. W serii dziesięciu kolejnych hamowań średnie opóźnienia różniły się o ponad 8%. Największe średnie wartości opóźnienia uzyskano podczas pierwszego hamowania w serii. Średnie opóźnienia hamowania w kolejnych przebiegach ulegały obniżeniu, odpowiada to również widocznemu pewnemu wydłużeniu drogi hamowania. Widoczny w drugiej serii prób spadek wartości opóźnienia hamowania przy jednoczesnym minimalnym skróceniu drogi hamowania wynika ze sposobu szacowania wartości opóźnienia obliczanej z przedziału czasu tb te, a nie rejestrowanego początku narastania opóźnienia w chwili t1, zgodnie z poniższa zależnością: t t B E t ( a 1 t ( a 2 max max / 2) / 2) 0,3s 0,2s (1) 1298

5 opznienie [m/s2] droga [m] 5,8 5,6 5,4 5, ,8 4, ,4 4, opozn max opozn sr. ISO droga ham. 2 0 Rys. 5. Wartości maksymalnego chwilowego oraz średniego opóźnienia hamowania uzyskane w seriach dziesięciu kolejnych prób Dodatkowo należy zauważyć, że jazda w zabłoconym terenie przyczynia się do osiadania brudu na elementach hamulca. Oprócz tego, że zanieczyszczenia te dostają się w strefę tarcia pomiędzy nakładkę i tarczę, to dodatkowo osadzając się na wszystkich elementach mechanizmu mogą utrudniać pracę zacisku doprowadzając nawet do uszkodzenia osłon gumowych prowadnic i blokowania ruchu zacisku. Duże ilości zanieczyszczeń mogą prowadzić do zatykania kanałów w tarczach wentylowanych ograniczając chłodzenie i dalszym czasie doprowadzać do przegrzania tarcz. Będą to w takim przypadku kolejne czynniki decydujące o działaniu mechanizmów tarczowych. WNIOSKI Uzyskane w przeprowadzonych próbach wyniki pozwalają stwierdzić, iż zarówno w próbach drogowych jak i podczas testów w warunkach laboratoryjnych obserwuje się istotny wpływ zanieczyszczenia drobinami pyłu powierzchni tarczy hamulcowej na przebieg uzyskiwanego momentu hamującego. W szczególności można sformułować poniższe wnioski. Dostawanie się w strefę współpracy nakładki i tarczy hamulcowej stałych drobin zanieczyszczeń powoduje niestabilności wartości współczynnika tarcia sięgające 54%. Drobiny usuwane są stopniowo z tarczy jednak wahania wartości współczynnika tarcia utrzymują się od kilku do kilkunastu sekund, a zatem praktycznie obejmują całkowity czas pojedynczego hamowania pojazdu. Wyniki uzyskane podczas pomiarów opóźnienia hamowania pojazdu pokazały, iż po wprowadzeniu zanieczyszczeń w strefę pracy nakładek ciernych największe średnie wartości opóźnienia uzyskano podczas pierwszego hamowania w serii, a w kolejnych próbach uzyskiwane przy tej samej sile nacisku na pedał hamulca opóźnienia różniły się o ponad 8%. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań, których celem była ocena wpływu obecności stałych cząstek zanieczyszczeń i piasku na elementach trących tarczowych mechanizmów hamulcowych na działanie tych mechanizmów, a tym samych ich skuteczność i uzyskiwane opóźnienia hamowania pojazdu. Ponieważ w mechanizmach tego typu istnieje możliwość łatwego dostępu wszelkiego rodzaju substancji do tarczy i nakładek ciernych, ocenie poddano wpływ oddziaływania zanieczyszczeń zawierających twarde cząsteczki na działanie mechanizmu hamulcowego. Wykonano pomiary w warunkach laboratoryjnych na stanowisku testowym, umożliwiającym pomiar siły tarcia pomiędzy nakładka i tarczą hamulcowa przy danej prędkości obrotowej tarczy. Uzyskane w testach wyniki wartości współczynnika tarcia porównano z wynikami prób drogowych. 1299

6 Prawidłowe i skuteczne działanie układu hamulcowego ma decydujący wpływ na bezpieczeństwo podczas ruchu pojazdu, dlatego przeprowadzono również pomiary opóźnienia hamowania pojazdu wykonane przy obecności drobin stałych na nakładkach i tarczach hamulcowych. Omówiono metodologię badań i przedstawiono analizę uzyskanych wyników. The impact of grit and dust particles on car brake disc system during off road ride Abstract The paper presents the results of experiments carried out to investigate influence of grid and dust presence on the friction surface of the brake disc on the car brake operation. Due to the easy access of grid contains hard particles to the area of interaction between friction elements of disc brake system, make it operation temporarily non regular. The tests in laboratory conditions on a test stand provided with appropriate instruments and equipment were carried out. The stand was equipped with systems enabling taking measurements of the parameters as rotational speed of the brake disc, fiction force and temperature of brake disc surface. The car brake deceleration tests for different operation vehicle brake disc conditions were conducted too. Due to in brake mechanisms, the braking torque is directly influenced by the value of the friction coefficient between the elements rubbing against each other, obtained results have been compared. In the paper research methodology, exemplary test results and general analysis of obtained data have been presented. BIBLIOGRAFIA 1. Berns H., Comparison of wear resistant MMC and white cast iron, Wear 254, Eriksson M., Jacobson S., Tribological surfaces of organic brake pads, Tribology International 33, Fleury E., Lee S.M., Kim J.S., Kim D.H., Kim W.T., Ahn H.S., Tribological properties of Al.-Ni-Co-Si quasicrystalline coatings against Cr-coated cast iron disc, Wear 253, Norma ISO/DTR F: Braking of road vehicles - Definition of mean fully developed deceleration. 5. Rozporządzenie Min. Infrastruktury z 18 września 2009 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach. Dz. U. nr 155/2009, poz Rozporządzenie Min. Infrastruktury z 31 grudnia 2002r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia. Dz. U. nr 32/ Seong J.K., Min H. C., Ho J.: Complementary effects of solid lubricants in the automotive brake linings, Tribology International 40, Sherrington I., Hayhurst P., Simultaneous observation of the evolution of debris density and friction coefficient in dry sliding steel contacts, Wear 249, Stadle Z., Kornel k., Kosmac T.: Friction and wear of sintered metallic brake linings on a C/C-SiC composite brake disc. Wear 265, Szczypiński-Sala W., Strzępek P.: Dokładność i błędy w drogowych pomiarach opóźnienia hamowania, Logistyka 2011, nr Szczypiński-Sala W., Strzępek P., Janczur R.: Weryfikacyjne metody pomiaru opóźnienia hamowania pojazdu, Logistyka 2012, nr