LABORATORIUM PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN WICZENIE LABORATORYJNE NR 2 Oracował: Tadeusz Likiewicz Temat: Wyznaczanie odstawowych arametrów rocesu hamowania 1. Wrowadzenie Dla zmniejszenia rdkoci ojazdu lub jego zatrzymania konieczne jest wywołanie sił działajcych na ojazd o zwrocie rzeciwnym do jego ruchu. Siły te owstaj w układzie hamulcowym. Zamienia on energi kinetyczn hamowanego ojazdu najczciej na energi cieln (hamulce cierne). Wymagania stawiane układom hamulcowym ojazdów ujmuj odowiednie normy (atrz literatura). Okrelaj one zbiór arametrów charakteryzujcych roces hamowania oraz odaj ich wymagane wartoci liczbowe. Najczciej okrela si douszczaln drog hamowania rzy srecyzowanych warunkach trakcyjnych ( rdko ocztkowa ojazdu, wsółczynnik tarcia midzy kołem a nawierzchni, oónienie, brak blokady - olizgu kół it.). Warunkiem rawidłowego rzebiegu rocesu hamowania jest toczenie si wszystkich kół jezdnych ojazdu. Blokada koła owoduje olizg ojazdu o nawierzchni, zmniejszajc warto siły hamujcej i uniemoliwiajc kierowcy kontrolowanie ruchu ojazdu. Przebieg hamowania ojazdu rzedstawiono na rysunku 1. Oisuje on zmian w czasie t momentu hamowania M h na kołach ojazdu. Rys. 1. Przebieg momentu hamowania M h w czasie t t 1 - czas reakcji kierowcy, t 2 - czas narastania momentu hamowania, t 3 czas hamowania właciwego, t 4 - czas luzowania hamulca W chwili t = 0 kierowca odejmuje decyzj o hamowaniu; realizacja decyzji orzez czynnoci motoryczne (nacisk nog na dwigni hamulca) wymaga czasu, nazywanego czasem reakcji kierowcy t 1. Czas t 1 wynosi 0,2 1,5 s. Czas t 2 od ocztku naciskania dwigni hamulcowej do osignicia maksymalnego momentu hamowania dzieli si na cz t 2 1, kiedy to likwidowane s luzy układu a do zetknicia si owierzchni ciernych hamulca i cz t 2 2 1
stanowic okres narastania momentu. Czas t 2 zaley od rodzaju układu sterujcego hamulca; w rzyadku układu hydraulicznego wynosi ok. 0,25s. Czas hamowania t 3 z maksymalnym momentem zaley od warunków trakcyjnych i masy ojazdu. Czas t 4 - luzowania hamulca - wynosi ok. 1 s. Suma czasów t 1 i t 2 1 dla sterowania hydraulicznego wynosi ok. 0,65 s. W tym czasie ojazd rzebywa bez hamowania drog zalen od rdkoci ruchu V 0. Doiero o czasie t > (t 1 + t 2 1 ) rozoczyna si roces hamowania. Po uruchomieniu systemu hamulcowego rozoczyna si roces hamowania - zamiany energii kinetycznej ojazdu w energi cieln. Energia ta wynosi: E = m V 0 2 /2 (1) gdzie: m - masa ojazdu, V 0 - rdko ojazdu w chwili rozoczcia hamowania. Do uruchomienia hamulców tarczowych lub bbnowych stosuje si układy hydrauliczne, układy mechaniczne, neumatyczne, mieszane. Proces hamowania wymaga znacznych sił nacisku na owierzchni ciernej (rzy ograniczonych moliwociach nacisku nogi na dwigni), zaewnienia roorcjonalnoci sił na szczkach hamulca w stosunku do siły nacisku na dwigni hamulca oraz minimalizacj czasu działania tych sił. Warunki te dobrze sełnia układ hydrauliczny. Bardzo wane w rocesie hamowania jest takie obcienie dwigni hamulca, by moment hamulca nie był wikszy od moliwego do uzyskania momentu siły tarcia midzy oon a jezdni i nie owodował blokowania kół. Siły tarcia midzy oon a jezdni zale od arametrów fizycznych oony i jezdni. 2. Układ hamulcowy i hamulec w ojedzie Przedstawiony na rys. 2 układ to hydrauliczny, dwuobwodowy układ hamulcowy z hamulcami tarczowymi na kołach rzednich i bbnowymi na tylnych. Hydrauliczny mechanizm uruchamiajcy składa si z obrotowej dwigni hamulcowej 1, omy głównej 2, zbiornika cieczy roboczej 3, rzewodów 4 i mechanizmu rozierajcego tyu cylinder - tłoczek 5. Nacisk na dwigni 1 wywołuje w układzie hydraulicznym cinienie hydr, które działa na tłoczki siłownika. Tłoczki dociskaj elementy cierne w ostaci szczk hamulcowych lub łaskich wkładek odowiednio do bbna lub tarczy hamulca. Z duej liczby stosowanych tyów hamulców jako rzykład wybrano rzedstawiony na rys. 3, oularny hamulec bbnowy firmy LUKAS stosowany w samochodzie POLONEZ CARO. Hamulec ten składa si z bbna 1, ołczonego z iast 2 koła jezdnego, szczk hamulcowych 3 i 4, odartych w unktach 9,10 (z moliwoci obrotu) na osłonie hamulca 5 oraz rozieraka hydraulicznego 6, dociskajcego szczki do owierzchni roboczej bbna. Hamowanie inicjowane jest rzez kierujcego, który naciska edał hamulca. Powstałe w układzie hydraulicznym cinienie hydr wywołuje dociskanie szczk hamulcowych 3 i 4 z okładzinami 7, 8, do obracajcego si bbna 1. Pomidzy owierzchniami ciernymi okładzin szczk i bbna owstaje siła tarcia wywołujca moment obrotowy w hamulcu rzeciwdziałajcy momentowi obrotowemu koła ojazdu, którego warto wynika z energii hamowania ojazdu. Po zakoczeniu hamowania szczki hamulcowe odcigane s sryn do ierwotnego ołoenia, co umoliwia swobodne obracanie si koła ojazdu. 2
Rys. 2. Układ hamulcowy w ojedzie: 1 - dwignia hamulca, 2 - oma główna, 3 - zbiornik cieczy roboczej, 4 - rzewody hydrauliczne, 5 - cylinder tłoczek Rys. 3. Hamulec bbnowy dwuszczkowy: 1- bben, 2- iasta, 3 - szczka wsółbiena, 4 - szczka rzeciwbiena, 5 - tarcza hamulcowa, 6 - rozierak hydrauliczny, 7 - okładzina wsółbiena, 8 - okładzina rzeciwbiena, 9, 10 unkty odarcia/obrotu szczk 3
3. Moment hamowania Mechanizm hamulcowy bbnowy najczciej wyosaony jest w dwie szczki, z których kada wytwarza moment hamujcy o innej wartoci. Dla rozrónienia szczk nazwano je szczk wsółbien i rzeciwbien. Pierwsza z nich obraca si rzy włczeniu hamulca w tym samym kierunku, w którym obraca si bben odczas hamowania jadcego ojazdu, druga w kierunku rzeciwnym. Moment tarcia M tw, wytwarzany rzez szczk wsółbien wynosi: 1 w 1 W 2 M tw = µ* B 0 *r 2 b * W d (2) a moment tarcia M t wytwarzany rzez szczk rzeciwbien wynosi: M t = µ *B 0 *r b 2 * 2 1 1 d (3) Mona je obliczy, gdy znane s wielkoci arametrów: µ - wsółczynnik tarcia omidzy okładzin szczki i bbnem, B 0 - szeroko okładziny szczki, r b - romie bbna hamulca oraz wartoci i charakter rozkładu nacisków jednostkowych 1w i 1 midzy okładzinami i bbnem. Rozkłady 1w i 1 nacisków szczk na bbnie s usoidami nawinit na koło. Przykładowe rozkłady nacisków ( usoidalny i równomierny ) rzedstawiono na rys.4. Poniewa ani bben, ani szczka nie s idealnie sztywne a jednoczenie mog zmieni si siły rozierajce szczk P, rozkłady rzeczywistych nacisków jednostkowych 1w i 1 nie s usoidalne, lecz złoone. Rys. 4. Rozkłady nacisków jednostkowych szczka - bben: a - usoidalny, b równomierny 4
Rozkładowi romieniowych nacisków jednostkowych na długoci szczki owicono szereg rac dowiadczalnych i teoretycznych, w których charakter zmiennoci nacisków okre- lany jest na odstawie rónych załoe. Najczciej rzyjmuje si jedno z oniszych zało- e: naciski na owierzchni okładziny s roorcjonalne do srystego odkształcenia okładziny, w rocesie racy hamulca zachodzi docieranie elementów w wyniku czego naciski na owierzchniach roboczych wyrównuj si: 1w = const, 1 = const (4) Punktem wyjcia do wyznaczenia nacisków szczki wsółbienej 1w i nacisków szczki rzeciwbienej 1 w funkcji wielkoci geometrycznych jest szczka wsółbiena wraz z układem działajcych na ni sił, rzedstawiona na rys. 5. Rys. 5. Schemat układu; bben szczka hamulcowa, uwzgldniajcy stan obcienia szczki a, c, r b - arametry geometryczne, 0w - kt rzylegania szczki wsółbienej, 0 - kt rzylegania szczki rzeciwbienej, 1w - kt ocztku rzylegania szczki wsółbienej, 1 - kt ocztku rzylegania szczki rzeciwbienej, δ w - kt asymetrii okładziny wsółbienej, δ - kt asymetrii okładziny rzeciwbienej, α 0w - kt odarcia szczki wsółbienej, α 0 - kt odarcia szczki rzeciwbienej, T - siła tarcia omidzy okładzin hamulcow a bbnem hamulcowym,n - wywierana siła nacisku owierzchni okładziny na bben hamulcowy, P, R zw, R z - siły rozierajce i siły reakcji szczki hamulcowej. Traktujc obcienie szczki jako statyczne w rzyjtym układzie wsółrzdnych, równania równowagi maj osta: 2 P Z = R ZW + P * cosα 0w - w 2 dn (π ) + w dt cos (π ) = 0 (5) 1w 1w 5
2 M 0 = P * a + r b * w 1w dt R ZW * c = 0 (6) Poniewa dn = r b *B 0 * 1w * d * (7) wic 2 w 1w dn= 1/2 *r b *B 0 * 1w ( 0w + 0w *cos2δ w ) (8) dt = µ * dn = µ *r b *B 0 * 1w * d * (9) to : cos dt = - 1/2 *r b *B 0 * µ * 1w * 0w * 2δ w (10) dt = 2 * r b * B 0 * µ * 1w * (1/2 0w ) * cosδ w (11) gdzie: δ w = 1/2π - ( 1w + 1/2 0w ) - kt asymetrii okładziny 0w = 2w - 1w - kt rzylegania szczki B 0 - szeroko okładziny Dokonujc odowiednich odstawie wyrae (7,8) do równa (5,6) otrzymuje si o rzekształceniach, oszukiwane funkcje dla rozkładu równomiernego okrelajce 1w i 1 : 1w P a * ( + cosα0w) B0 * rb c = (12) 0w 0w *[2 * 2 rb *cos *( 2 * 2 0w δ w µ *δ w)] c 0w 0w 1 P a *( + cosα0 ) B0 * rb c = (13) 0 0 *[2 * 2 rb *cos * ( 2 * 2 0 δ + µ *δ )] c 0 Przedstawione funkcje okrelajce teoretyczne rozkłady nacisków o długoci szczk, w zalenoci od wartoci odstawowych arametrów geometrycznych układu kinematycznego danego hamulca, głównie wykorzystywane s w rocesie konstruowania hamulców bbnowych. Dla dalszych rozwaa rzyjto załoenie uraszczajce, e 1w = const i 1 = const. Wtedy, całkujc równanie 2 i 3 otrzymujemy gdzie: 0 M tw = µ * B 0 * r b 2 * 1w * 0w, (14) M t = µ * B 0 * r b 2 * 1 * 0, (15) 6
M tw 0w = 2w - 1w, - kt rzylegania szczki wsółbienej (w radianach), 0 = 2-1,- kt rzylegania szczki rzeciwbienej (w radianach). Dla szczki wsółbienej i rzeciwbienej otrzymano: a µ * rb * P *( + cosα0w) = c (16) 0w 0w *[2* 2 rb * cos * ( 2 * 2 0w δ w µ *δ w)] c 0w 0w M t a µ * rb * P * ( + cosα0 ) = c (17) 0 0 *[2* 2 rb * cos * ( 2* 2 0 δ + µ *δ )] c 0 Całkowity moment tarcia ojedynczego hamulca z lewej lub rawej strony ojazdu wynosi: 7 0 M HC = M tw + M t (18) Całkowity moment tarcia hamulca osi ojazdu wynosi: gdzie: M HC = M twl + M tl + M twp + M tp (19) M twl - moment tarcia szczki wsółbienej lewej strony hamulca ojazdu, M tl - moment tarcia szczki rzeciwbienej lewej strony hamulca ojazdu, M twp - moment tarcia szczki wsółbienej rawej strony hamulca ojazdu, M tp - moment tarcia szczki rzeciwbienej rawej strony hamulca ojazdu. Do obliczenia wartoci momentu tarcia konieczna jest znajomo (orócz arametrów geometrycznych) wsółczynnika tarcia midzy okładzin szczki i bbnem oraz siły rozierajcej szczki P. Wsółczynnik tarcia zaley od wielu czynników, moe by okrelony odczas bada tribologicznych. Do obliczenia siły P stosuje si zaleno: P = ¼ *π * d 2 * hydr (20) gdzie: d - rednica tłoczka rozieraka, hydr - cinienie w układzie hydraulicznym 4. Zjawiska cielne w hamulcu Efektem działania hamulca czyli zmiany energii kinetycznej ojazdu na energi cieln jest wzrost temeratury bbna, okładziny ciernej, szczk oraz innych elementów. Wielokrotne hamowania albo hamowanie owstrzymujce owoduje wzrost temeratury hamulca, który ustaje w temeraturze równowagi. W temeraturze tej emisja termiczna bbna, który jest głównym elementem odrowadzajcym cieło, równoway doływ energii hamowania. Ana-
liza teoretyczna zjawisk cielnych w hamulcu jest złoona. Na rysunku 6. rzedstawiono wykres wzrostu temeratury bbna hamulcowego zachodzcy odczas kolejnych hamowa. Midzy okresami wzrostu temeratury w okresie hamowania wystuj okresy schładzania hamulca. Temeratura równowagi w tym rzykładzie wynosi ok. 250 ºC. Rys. 6. Zmiana temeratury objtociowej τ rzeczywistego bbna hamulcowego rzy hamowaniu wielokrotnym w czasie t 5. Cel i rzebieg wiczenia Celem wiczenia jest oznanie i raktyczne wykorzystanie niektórych technik omiarowych stosowanych w analizie dowiadczalnej układów hamulcowych, oanowanie odstaw działania i budowy układów hamulcowych stosowanych w ojazdach oraz orównanie arametrów uzyskanych dowiadczalnie i teoretycznie. 5.1 Pomiary zasadniczych arametrów hamowania Uwaga: Przed rzystieniem do wiczenia naley si zaozna z onisz instrukcj dotyczc bezieczestwa odczas całego toku wiczenia. Stanowisko i silnik zasilane s naiciem 380 V, natomiast aaratura omiarowa naiciem 220V. Wszelka ingerencja do wntrza rzyrzdów jest zagroeniem dla wykonujcego wiczenie. Podczas wykonywania wiczenia nie naley dotyka jakichkolwiek elementów wirujcych. Zagroeniem jest take rzekładnia asowa jeli wykonujcy wiczenie osiada luno zwisajce elementy ubrania lub długie włosy. Stanowisko badawcze umoliwia rzerowadzenie omiarów rzez obcianie hamulca w sosób zbliony do warunków trakcyjnych. Budow jego rzedstawia rys. 7. 8
a) b) c) Rys. 7. Stanowisko do bada rocesu hamowania a) widok ogólny b) aaratura kontrolno-omiarowa c) schemat stanowiska badawczego Silnik nadowy (1) o regulowanej rdkoci obrotowej za omoc rzekładni asowej (2) nadza koło zamachowe (5). Prdko obrotowa koła zamachowego moe by łynnie zmieniana w zakresie n = 0-900 obr/min. Po osigniciu wymaganej rdkoci obrotowej nad zewntrzny zostaje wyłczony. Rozdzona masa orzez mechanizm rónicowy tylnego mostu ojazdu (3), rzekazuje energi ruchu obrotowego do hamulców (6). Nacinicie dwigni (7) omy hydraulicznej (4), wywołuje w układzie hydraulicznym hamulca cinienie hydr. Cinienie w układzie hydraulicznym roziera tłoczki siłowników hamulca a te działaj na szczki z sił P. Wsółraca szczk z, wirujcymi bbnami hamulców ołczonymi z ółosiami nadowymi tylnego mostu, mechanizmem rónicowym, wałem nadowym i srzgłem koła zamachowego, owoduje odbiór energii kinetycznej koła zamachowego rzez ar ciern szczki bben. Energia ta zostaje zamieniona na cieło, co dorowadza do zahamowania i zatrzymania ruchu stanowiska. 9
Do omiaru zasadniczych arametrów hamowania stanowisko laboratoryjne wyosaono w układ umoliwiajcy rejestrowanie: rdkoci obrotowej masy zamachowej, momentów hamowania i cinienia w układzie hydraulicznym: - do omiaru rdkoci obrotowej masy zamachowej słuy tachometr cyfrowy wyskalowany w obr/min, - omiarów zmian momentów hamowania w czasie dokonuje si za omoc układu tensometrycznego zamocowanego na obudowie (ochwie mostu rys.7.). - omiarów zmian cinienia w układzie hydraulicznym w czasie dokonuje si za omoc czujnika cinienia witego do układu hydraulicznego. 5.2. Wykonanie omiaru 1) Mostek AR 923 / 402 naley wyzerowa zgodnie z instrukcj. 2) Przed wykonaniem omiaru naley srowadzi do wartoci zerowej okrtło rdkoci obrotowej silnika nadzajcego stanowisko badawcze. Wykonujemy to rzez całkowite wcinicie okrtła i obrócenie go do ooru w lewo. 3) Włcznikiem uruchomi silnik stanowiska, rzekrcajc go w rawo. 4) Wybra dowoln rdko obrotow. Dokonujemy tego rzekrcajc okrtłem silnika w rawo. Za omoc miernika obrotów (tachometru rcznego) naley srawdzi j, wrowadzajc kocówk miernika do stokowego rozwiercenia znajdujcego si w tylnej czci masy zamachowej. 5) Po osigniciu właciwej rdkoci obrotowej silnika naley włczy rejestracj mierzonych rzebiegów w zainstalowanym rogramie AGIMAG komutera omiarowego. Nastnie wyłczy nad stanowiska okrtłem z jednoczesnym naciniciem edału hamulca z dowoln sił, dorowadzajc do wyhamowania masy zamachowej. 6) Naley zaisywa zmiany momentów hamowania i cinienia układu hydraulicznego a do całkowitego zatrzymania si elementów wirujcych stanowiska. 5.3. Oracowanie wyników W celu okrelenia wartoci momentów hamowania, cinienia wystujcego w układzie hydraulicznym oraz czasu hamowania naley, rzesła dane uzyskane w czasie omiaru w rogramie AGIMAG do rogramu EXCEL w celu ich dalszej obróbki i oracowania wyników. Otrzymane wielkoci z omiaru naley orówna z wartociami teoretycznymi, które mona obliczy na odstawie oniszych danych i zalenoci. 5.4. Obliczenie momentu tarcia. Dla hamulca wykorzystywanego w wiczeniu mona rzyj nastujce dane: r b = 0,101 [m], B 0 = 0,035 [m], a = 0,0785 [m], c = 0,088 [m], 10
hamulec: masa zamachowa: r b = 0,101 [m] D = 0,50 [m] a = 0,078 [m] B = 0,20 [m] B 0 = 0,035 [m] m = 306 [kg] c = 0,088 [m] ow = 90,76 / 1,58415 [ ] / [rad] o = 90,76 / 1,58415 [ ] / [rad] 1w = 24 / 0,41888 [ ] / [rad] 1 = 38 / 0,66323 [ ] / [rad] α ow = 14 / 0,24435 [ ] / [rad] α 0 = 14 / 0,24435 [ ] / [rad] δ w = 21 / 0,36652 [ ] / [rad] δ = 7 / 0,12217 [ ] / [rad] d = 0,020 [m] µ = 0,45 [-] Przekładnia główna tylnego mostu: i = 4,1 Znajomo owyszych danych umoliwia wyznaczenie teoretycznej wartoci momentu tarcia M HC moliwego do uzyskania w hamulcu dla rónych wartoci cinienia układu hydraulicznego zaleno (14-20) 5.5. Obliczenie czasu hamowania. Obliczone i zmierzone arametry hamowania umoliwiaj okrelenie wartoci energii hamowania. Obliczone wartoci energii hamowania oraz momentów hamowania ozwalaj wyznaczy teoretyczne czasy hamowania. Teoretycznie wyznaczony czas hamowania wynosi E i t H = (21) M ω HC gdzie: ω - rdko ktowa bbna hamulca, E - energia koła zamachowego (obliczona), M HC - moment tarcia hamulca (zmierzony), i rzełoenie rzekładni głównej tylnego mostu. Poniewa odczas hamowania rdko ktowa bbna hamulca maleje od wartoci ocztkowej ω do zera w rzyblieniu liniowo, we wzorze 21 mona rzyj warto rd- ocz koci ktowej ω = 1/2 ω ocz. Rzeczywiste czasy hamowania wynikaj z zarejestrowanych momentów hamowania w funkcji czasu. 11
Pytania kontrolne 1. Omówi rzebieg rocesu hamowania w ojedzie samochodowym. 2. Wymieni rodzaje oraz zastosowanie hamulców. 3. Omówi owstawanie oraz wływ zjawisk cielnych na roces hamowania. Literatura [1] cieszka S., Hamulce cierne. Wyd.Inst. Technologii Eksloatacji. Radom 1998r. [2] Studziski K., Samochód. Teoria, konstrukcji i obliczanie. WKŁ. Warszawa 1980r. [3] Bochman J., Metoda badania cech konstrukcyjnych hamulców bbnowych ze szczkami o jednym stoniu swobody. Rozrawa doktorska. Politechnika Wrocławska IKEM. Wrocław 1978r. [4] Polskie normy: a) PN-6/S-47000 Pojazdy samochodowe i rzyczey. Skuteczno działania układów hamulcowych. Wymagania i badania. Zast. cz rzez PN-89/S-02006 w zakresie rozdziału 2. b) PN-ISO 6314:1994 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Odorno na działanie wody, roztworu soli, oleju i łynu hamulcowego. Metoda badania. c) PN-92/S-47041 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Wytrzymało Materiału okładzin na cinanie. Metoda bada. d) PN-92/S-47042 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Wływ cieła na wymiary i kształt nakładek ciernych hamulców tarczowych. Metody bada. e) PN-93/S-47045 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Korozyjne zakleszczenie na wsółracujcych owierzchniach eliwnych. Metody bada. f) PN-93/S-47046 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Wytrzymało na cinanie nakładek ciernych hamulców tarczowych i szczk hamulców bbnowych. Metoda bada. g) PN-93/S-47048 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Ocena charakterystyk materiałów ciernych. Metoda badania małych róbek. 12