Koncepcja diagnostyki samochodowego hamulca tarczowego metodą drganiową

Transkrypt

1 WOJCIECHOWSKI Mateusz 1 SAWCZUK Wojciech 2 Koncepcja diagnostyki samochodowego hamulca tarczowego metodą drganiową WSTĘP Wzrost prędkości jazdy oraz wymagana duża skuteczność hamulca sprawiają, że hamulec tarczowy zarówno w pojazdach osobowych jak i w ciężarowych stał się podstawowym ciernym urządzeniem hamulcowym. Uzasadnieniem jego stosowania są liczne zalety, takie jak stały współczynnik tarcia w funkcji prędkości i wysoka wydajność zamiany energii kinetycznej pojazdu na ciepło. Dzięki temu hamulec tarczowy z powodzeniem znajduje zastosowanie w samochodach jak i w pojazdach szynowych [1]. Pomimo licznych zalet, problematycznym jest diagnozowanie stanu okładzin i powierzchni ciernej tarczy hamulcowej ze względu sposób mocowania układu (zacisku hamulcowego) we wnętrzu felgi koła. Wymusza to na pracownikach obsługi pojazdów częściowy demontaż pojazdu w warunkach warsztatowych. Przegląd literaturowy z zakresu diagnozowania układów hamulcowych pozwala stwierdzić, iż wśród istniejących rozwiązań diagnozujących stan pary ciernej nie ma takiego, który pozwalałby na ciągłą kontrolę zużycia okładziny ciernej i powierzchni tarczy hamulcowej bez demontażu zespołu hamulcowego. Większość z istniejących rozwiązań pozwala jedynie określić moment jego granicznego zużycia sygnalizując ten stan akustycznie lub elektrycznie przy pomocy kontrolki. Taki stan rzeczy może być kłopotliwy w przypadku transportu dalekobieżnego kiedy to nadmierne zużycie pary ciernej układu hamulcowego może przeszkodzić w terminowym zrealizowaniu zadania transportowego. Celem artykułu jest ocena możliwości zastosowania wybranych parametrów drganiowych towarzyszącym procesowi tarcia w hamulcach tarczowych i wykorzystania ich do diagnozowania zużycia klocków hamulcowych. 1. DRGANIA W UKŁADACH HAMULCOWYCH Niezawodność i prawidłowość działania hamulców ciernych w pojazdach samochodowych związane jest w dużej mierze z dynamiką wynikającą ze współpracy okładzin ciernych z powierzchnią cierną tarczy hamulcowej. Niestabilność pracy wynikająca z faktu wystąpienia drgań na powierzchniach styku elementów ciernych powoduje obniżenie sprawności hamowania i trwałości elementów wchodzących w skład układów hamulcowych, a także może być powodem wystąpienia drgań pojazdu. Szczególnie odczuwalne jest to w środkach transportu, ponieważ obniża się w ten sposób komfort podróżowania pasażerów. Każdy hamulec cierny jest węzłem tarcia o charakterze masowo-dysypacyjno-sprężystym, w którym pomimo wielu starań konstruktorów, nie udaje się w pełni kontrolować tarcia. W praktyce oznacza to, że podczas hamowania pojazdów zmienny w czasie opór tarcia może być powodem nierównomierności przebiegu procesu hamowania. Skutki tych zmian mogą się objawić w postaci drgań samowzbudnych relaksacyjnych lub quasi-harmonicznych [6]. Zasadniczą cechą układów w których występują drgania samowzbudne jest występowanie sprzężenia zwrotnego sterującego dopływem energii. Modelem układu realizującego drgania samowzbudne jest masa na sprężynie (układ drgający) przesuwająca się po taśmociągu, który jest w tym przypadku źródłem energii. Zaworem regulującym dopływ energii jest tarcie masy o taśmę. 1 Instytut Pojazdów Szynowych TABOR, ul. Warszawska 181, Poznań. Tel: , Fax: , mati_woj@wp.pl 2 Politechnika Poznańska, ul. Piotrowo 3, Poznań. Tel , Fax: , wojciech.sawczuk@put.poznan.pl 6729

2 Po wprawieniu taśmociągu w ruch jego energia kinetyczna zamieniana jest w energię mechaniczną masy w sposób silnie nieliniowy. Rys.1 Drgania samowzbudne a) na przykładzie modelu taśmociągu b) przykład dla hamulca tarczowego [4, 5] Analizując model rysunku 1a) można zaproponować jego adaptację na rzeczywisty zespół pary ciernej samochodowego hamulca tarczowego (rys. 1b)). Badania eksploatacyjne pojazdów samochodowych pokazały, że trudno jest ustalić przyczynę występujących w danej chwili drgań, gdyż hamulce nie są mechanicznie odizolowane od innych źródeł drgań. Efekty akustyczne oraz wymienione wyżej drgania mogą pochodzić z układu ciernego, elementów zasilających i sterujących pracą hamulca np. ABS, SBC, ale również mogą być związane z innymi układami pojazdu takimi jak np. opona, obręcz, łożyskowanie piasty, zawieszenie pojazdu. 2. METODYKA BADAŃ Badania poligonowe miały na celu wyznaczenie zależności między parametrami sygnału drganiowego, a zużyciem klocków hamulcowych tarczowego hamulca samochodowego w rzeczywistych warunkach pracy. Badania eksploatacyjne zostały wykonane na pojeździe podczas próbnych przejazdów. W czasie badań zmieniano grubości okładzin ciernych hamulca tarczowego i obserwowano ich wpływ na zmianę parametrów wyjściowych sygnałów drganiowych. Rys. 2 Widok obiektu badań: a) Nissan Patrol GR Y60, b) piasta tylnej osi wraz z zdemontowanym zaciskiem Parametrami wejściowymi były grubość okładziny ciernej, prędkość początku hamowania oraz ciśnienie w hydraulicznym układzie hamulcowym. Parametrem wyjściowym były chwilowe przyspieszenia drgań obsady okładziny hamulcowej. Badaniami zostały objęte wentylowane hamulce tarczowe osi tylnej pojazdu Nissan Patrol GR Y60 (rys. 2) o średnicy 316 mm i grubości 16 mm oraz trzy komplety okładzin ciernych osadzanych w jednotłoczkowych zaciskach hamulcowych o średnicy tłoczka wynoszącej 51 mm. Klocki hamulcowe firmy Service Parts (rys. 3) zostały uprzednio przygotowane do badań. We wszystkich wykonano otwory służące do mocowania przetworników drgań. Dwa komplety zostały sfrezowane na grubość 2,5 mm oraz 5,5 mm trzeci komplet składał się z okładzin nowych o grubości 10 mm. 6730

3 Rys.3 Widok okładzin ciernych przygotowanych do badań sygnału przyspieszeń drgań: a) miejsce mocowania trójosiowego przetwornika drgań, b) wykonanie otworów mocujących przetwornik, c) zestawienie badanych grubości okładzin, d) obsada klocka hamulcowego z zamontowanym przetwornikiem i przewodem Badania eksploatacyjne zostały przeprowadzone w Poznaniu na ulicach wokół Politechniki Poznańskiej tj. ul. Jana Pawła II, ul. Kórnicka, ul. Piotrowo oraz ul. Berdychowo dnia 9 lipca 2013 roku w godzinach od 17:00 do 21:00. W czasie badań realizowano hamowania z prędkości w przedziale 60 km/h i 70 km/h z dokładnością pomiaru do 10% przy ciśnieniu w układzie hamulcowym odpowiednio 30 bar i 40 bar z dokładnością do 2,5% wartości. Wykorzystując zależność (1) obliczono siłę docisku okładzin ciernych do powierzchni tarcz hamulcowych: N p A ,0026 7, 8 kn (1) gdzie: p ciśnienie w układzie hamulcowym, [kn], A powierzchnia tłoczka zacisku, A= 0,0026 [m 2 ]. Siła podczas przeprowadzanych badań była różna w zależności od zadanego ciśnienia podczas kolejnej próby hamowania w układzie i wynosiła od 5,2 kn do 7,8 kn. Pomiar ciśnienia płynu w układzie realizowany był przy pomocy manometru włączonego za pomocą trójnika w tylny obwód układu hamulcowego, bezpośrednio przy pompie hamulcowej. W celu uzyskania równego ciśnienia w pompie hamulcowej i zaciskach tylnej osi korektor siły hamowania został zablokowany w pozycji otwartej. Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów każdy komplet okładzin został dotarty do tarczy hamulcowej serią dziesięciu hamowań. Badania poligonowe przeprowadzono dzięki zamocowaniu przetworników drgań do obsady klocków hamulcowych (metalowych blach wzmacniających), co przedstawia rysunek 4. Przetworniki drgań zostały umiejscowione na okładzinach tarczy lewej i prawej od strony obręczy koła. Pomiaru drgań dokonano w trzech kierunkach. 6731

4 Rys.4 Widok tarcz hamulcowych gotowych do rozpoczęcia badań: a) wyprowadzenie wiązki przewodów między jarzmem, a zaciskiem hamulca, b) umiejscowienia przetwornika drgań, c) widok zacisku hamulcowego z przetwornikiem drgań od tyłu pojazdu Do aktywizacji sygnałów drgań wykorzystano układ pomiarowy składający się z (rys. 5 i 6): piezoelektrycznych przetworników drgań B&K typ 4504A, 2 sztuki, kasety pomiarowej typu B&K typu 3560 C [2], oprogramowania systemu PULSE Rys.5 Widok pojazdu gotowego do pomiaru sygnałów drganiowych: a) i b) widoczne umiejscowienie kasety pomiarowej B&K 3560 C z oprogramowaniem PULSE

5 Rys.6 Schemat toru pomiarowego, rysunek poglądowy tylnej osi pojazdu Przeprowadzone badanie miało charakter eksperymentu czynnego, dla każdej pary ciernej hamulca odznaczającej się inną grubością klocków hamulcowych rejestrowano przyspieszenia drgań. Następnie zarejestrowane sygnały analizowane były w dziedzinie czasu i częstotliwości. 3. ANALIZA SYGNAŁÓW W DZIEDZINIE CZASU I CZĘSTOTLIWOŚCI W celu diagnozowania samochodowego hamulca tarczowego w pierwszej kolejności wykonano analizę przebiegów czasowych przyspieszenia drgań. Badania poligonowe wykazały, że przy każdym z rejestrowanych sygnałów przyspieszenia drgań w funkcji czasu istnieje możliwość wyznaczenia momentu, w którym rozpoczęto proces hamowania oraz jego zakończenie. Przebieg hamowania widoczny jest na przebiegach sygnałów we wszystkich trzech badanych kierunkach X stycznym do osi obrotu tarczy, Y stycznym do okręgu tarczy hamulcowej oraz Z - prostopadłym do powierzchni ciernej tarczy hamulcowej. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy przebieg sygnału przyspieszenia drgań w funkcji czasu dla samego procesu hamowania. Rys.7 Przebieg chwilowych przyspieszeń drgań obsady ciernej przy hamowaniu z prędkości początku hamowania v=30 km/h, ciśnienie w układzie 30 bar 6733

6 Analizę sygnałów w dziedzinie częstotliwości przeprowadzono dla kierunku Z ponieważ ten kierunek (prostopadły do powierzchni tarczy) wykazał największą wrażliwość na zmianę grubości okładzin. Celem analizy widmowej sygnałów drgań było wyznaczenie pasm częstotliwości związanych ze zmianą grubości klocka w czasie pracy samochodowego układu hamulcowego. Na rysunku 8 przedstawiono zależność widm amplitudowych przyspieszeń drgań w funkcji zużycia klocków uzyskanych w czasie hamowania z prędkości początku hamowania v=30km/h i przy ciśnieniu płynu hamulcowego p=30bar. Rys. 8 Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości uzyskanej w czasie hamowania przy różnych grubościach klocków hamulcowych przy prędkości początku hamowania v=30km/h i ciśnieniu w układzie hamulcowym p=30bar dla kierunku Y 2 (koło prawe): a) grubość klocka G1=10mm, b) grubość klocka G2=5,5mm, c) grubość klocka G3=2,5mm W pierwszej kolejności dokonano usunięcia składowych widma nie związanych z drganiami klocka o różnej grubości w czasie hamowania. W tym celu zarejestrowano przyspieszenia drgań klocków w czasie jazdy z zadaną prędkością a następnie z tych fragmentów poprzedzających hamowanie wyznaczono widma amplitudowe. Na tej podstawie dokonując obserwacji widm, możliwe było określenie składowych związanych z drganiami klocka spowodowanych jazdą samochodu pomiarowego. Rozpatrywane prędkości jazdy samochodu oraz jego wpływ na drgania klocka to 30, 60 i 70km/h. Na rysunku 9 przedstawiono widma amplitudowe wywołane drganiami klocka nie dociskanego do tarczy hamulcowej w czasie jazdy przy stałej prędkości poprzedzających hamowanie zatrzymujące. Na czerwono zaznaczono składowe widma cechujące się zmianami przekraczającymi 6dB okładziny o najmniejszej grubości względem okładziny nowej. A RMS 1 T T s( t) gdzie: T czas uśredniania [s], s(t) wartość chwilowa przyspieszeń drgań [m/s 2 ]. 0 2 dt [m/s 2 ] (2) Na rysunku 10 przedstawiono widmo amplitudowe z hamowania przy trzech rozpatrywanych grubościach klocków hamulcowych z zaznaczonymi na zielono pasmami częstotliwości gdzie zaobserwowano zmiany w amplitudzie skutecznej przyspieszeń drgań (A RMS ) z zależności (2) [3]. 6734

7 Rys. 9 Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości uzyskanej w czasie jazdy z prędkością v=70km/h, pomiar w kierunku Z 1 (koło lewe): a) grubość klocka G1=10mm, b) grubość klocka G2=5,5mm, c) grubość klocka G3=2,5mm Rys. 10 Zależność amplitudy przyspieszeń drgań od częstotliwości uzyskanej w czasie hamowania przy różnych grubościach klocków hamulcowych przy prędkości początku hamowania v=60km/h i ciśnieniu w układzie hamulcowym p=20bar dla kierunku Z 1 (koło lewe) z zaznaczonymi pasmami częstotliwości 1, 17 i 25Hz: a) grubość klocka G1=10mm, b) grubość klocka G2=5,5mm, c) grubość klocka G3=2,5mm Analizując rysunek 11 zmiany amplitudy skutecznej A RMS w funkcji częstotliwości i grubości klocka hamulcowego, stwierdza się, że dla pomiaru przyspieszeń drgań w kierunku Z widoczne są zmiany amplitudy są zakresie 1-20Hz. Natomiast zakres Hz związany będzie w 6735

8 oddziaływaniem innych elementów pojazdu, np. masą zacisku hamulcowego, masą koła czy wpływem prędkości jazdy samochodu na drgania klocków przy wyłączonym układzie hamulcowym. Rys. 11 Zależność A RMS od częstotliwości i rozpatrywanych grubości klocków hamulcowych przy prędkości początku hamowania v=60km/h i ciśnieniu w układzie hamulcowym p=30bar dla kierunku Z 1 (koło lewe) Rys.12 Zależność A RMS od rozpatrywanych grubości klocków hamulcowych dla częstotliwości 17Hz dla kierunku Z 1 (koło lewe) Przykładowo dla pasma częstotliwości 17 Hz na rysunku 12 przedstawiono zależność wartości skutecznej przyspieszeń drgań A RMS od rozpatrywanych grubości klocków hamulcowych dla 4-ech analizowanych hamowań. Wartości A RMS zostały uśrednione dla wszystkich hamowań a następnie aproksymowano funkcją potęgową ze względu na najwyższy współczynnik determinacji R 2 względem innych funkcji aproksymujących. 6736

9 Rys. 13 Zależność oszacowanej grubości klocka G na podstawie funkcji regresyjnej od wartości skutecznej przyspieszeń drgań A RMS wyznaczonej z danego pasma częstotliwości (17 lub 25Hz) Natomiast na rysunku 13 przedstawiono zależność oszacowanej grubości klocka hamulcowego na podstawie nieliniowych funkcji regresyjnych (3-4) od wartości skutecznej przyspieszeń drgań wyznaczonych dla dwóch pasm częstotliwości: G G 1, Hz 2,8336 ARMS ( dla17hz) R 0, 99 dla (3) 1, Hz 2,2105 ARMS ( dla 25Hz) R 0, 99 dla (4) gdzie: G ( ) grubość klocka hamulcowego, A ( ) wartość danej miary punktowej przyspieszeń drgań w m/s 2. Analiza wyników badań w dziedzinie częstotliwości wykazała, że dla poszczególnych pasm częstotliwości możliwe jest diagnozowanie zużycia klocków hamulcowych przy znanej wartości skutecznej przyspieszeń drgań. Dynamika zmian wartości skutecznej przyspieszeń drgań dla klocków G 1, G 2 i G 3 mieści się, w przedziale 4,8-15 db. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz stwierdza się, że istnieje możliwość oceny stanu technicznego hamulca tarczowego pojazdu samochodowego na podstawie wybranych parametrów sygnału drganiowego. Analizując przebiegi chwilowych przyspieszeń drgań istnieje także możliwość pomiaru czasu hamowania z wyszczególnieniem samego procesu hamowania, jego początku oraz końca. Na podstawie przeprowadzonych badań poligonowych opracowano regresyjne modele diagnostyczne umożliwiające ocenę grubości okładzin ciernych w oparciu o analizę sygnałów przyspieszeń drgań w dziedzinie częstotliwości. Analizy czasowe przyspieszeń drgań pozwalają obserwować przyrosty drgań okładzin zużytych względem nowych. Przeprowadzone badania mogą być wstępem do dalszych prac, które pozwolą dokładniej poznać zjawiska zachodzące w samochodowych hamulcach tarczowych i zweryfikować uzyskane wyniki na 6737

10 innych układach hamulcowych pojazdów samochodowych. Aby dokładnie wyodrębnić drgania klocka hamulcowego należałoby uwzględnić czynniki generujące dodatkowe zakłócenia. Należą do nic m.in. rodzaj powierzchni, po której porusza się pojazd, ciśnienie ogumienia, rodzaj rzeźby bieżnika, stan techniczny pojazdu (łożyska piast, sprawność amortyzatorów, luzy zawieszenia). Streszczenie Niezawodność działania układu hamulcowego danego pojazdu uzależniona jest w dużej mierze od współpracy elementów hamulcowych stanowiących parę cierną np. tarcza hamulcowa-okładzina cierna. Niestabilność pracy wynika między innymi z występowania drgań na styku elementów ciernych, co wpływa na obniżenie sprawności procesu hamowania. W praktyce oznacza to, że podczas hamowania pojazdów występujący zmienny w czasie opór tarcia może być powodem nierównomiernego przebiegu procesu hamowania. Skutki tych zmian zgodnie z pracą [6] mogą objawić się w postaci drgań samowzbudnych. Drgania generowane przez układ hamulcowych przenoszone są na pojazd, co również niekorzystnie wpływa na pogorszenie komfortu jazdy. Celem artykułu jest ocena możliwości zastosowania wybranych parametrów drganiowych towarzyszącym procesowi tarcia w hamulcach tarczowych i wykorzystania ich do diagnozowania zużycia klocków hamulcowych. The concept of diagnostics of car disc brake using vibration method Abstract The reliability of the operation of the braking system of the vehicle depends to a large extent on the cooperation of the brake components forming a pair of friction e.g. brake disc-friction pad. Work instability arises between the occurrence of vibrations on friction element, which affects the lower efficiency of the braking process. In practice, this means that, during braking the vehicles currently alternative at a time of friction resistance may cause uneven braking process. The effects of these changes in accordance with the work [6] may be revealed in the form of a self-excited vibration. The vibrations generated by the assemblies are moved per vehicle, which also adversely affects ride comfort. The purpose of the article is to assess the possibility of selected vibration parameters accompanying processes of friction in the disk brakes and use it for diagnostics of brake pad wear. BIBLIOGRAFIA 1. Bosch Szkolenie z diagnozowania nowoczesnych układów hamulcowych, 5 lipca 2013, organizator szkolenia firma InterCars. 2. Brüel&Kjaer, Deklaracja producenta kasety pomiarowej typu B&K 3560 C i oprogramowania systemu PULSE Cempel C., Diagnostyka wibroakustyczna maszyn, PWN Warszawa Mario Triches Junior, Samir N. Y. Gerges, Roberto Jordan, Analysys of brake squale noise using finite element method: A parametric study, Federal universyty of Santa Caterina, Brazylia Strona internetowa: http%3a%2f%2fmeil.pw.edu.pl%2fzm%2fcontent%2fdownload%2f19842%2f106298%2ffile %2FDrgZao_Inne_13.pdf&ei=ikMQU8SLD8P_ygPC- IDIBg&usg=AFQjCNETfAwLIRmFr3Af4hioztbIhriK-Q&bvm=bv ,d.Yms 6. Ścieżka S.F., Hamulce cierne. Zagadnienia materiałowe, konstrukcyjne i tribologiczne, Wydawnictwo Gliwice-Radom