Wpływ zanieczyszczenia tarcz hamulcowych na opóźnienie hamowania pojazdu

SZCZYPIŃSKI-SALA Wojciech 1 Wpływ zanieczyszczenia tarcz hamulcowych na opóźnienie hamowania pojazdu WSTĘP Obecnie w pojazdach samochodowych najpowszechniej stosowanym rozwiązaniem w układach hamulcowych są mechanizmy tarczowe. Skuteczne i niezawodne działanie układu hamulcowego w zasadniczy sposób wpływa na bezpieczeństwo użytkowania pojazdu samochodowego. Dlatego też znacząca uwaga poświęcana jest jego modernizacji i rozwojowi w fazie projektowania, tym niemniej, ocena już w trakcie eksploatacji pojazdu jest źródłem cennych informacji konstrukcyjnych, a także warunkiem bezpiecznej eksploatacji pojazdu [4,10,11]. 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. Z kolei ta droga uzależniona jest w dużej mierze od momentu hamującego na kołach pojazdu. Na moment hamujący w mechanizmach hamulcowych bezpośrednio wpływa oprócz siły docisku okładziny ciernej do tarczy również współczynnik tarcia pomiędzy tymi elementami [4,5,6]. Najpowszechniej stosowanym połączeniem materiałowym stosowanym w tarczowych mechanizmach hamulcowych jest tarcza z żeliwa szarego z wydzieleniami grafitu w postaci płatków współpracująca z polimerowo-organiczną nakładką cierną. Przy odpowiedniej konstrukcji tych elementów jest to wciąż bardzo dobre rozwiązanie, zarówno pod względem skuteczności hamowania jak również niezbyt wygórowanych kosztów związanych z eksploatacją. Chociaż wprowadzane są innowacje techniczne w konstrukcji tarcz, czy kompozyty na bazie lekkich stopów metalicznych [1,2,8,9]. Cechą konstrukcyjną tarczowych mechanizmów hamulcowych jest ich podatność na oddziaływania zewnętrzne. Wynika to z łatwości, z jaką wszelkie substancje zanieczyszczające mogą dostawać się w strefę współpracy elementów ciernych. Jak wynika z powyższego w warunkach drogowych skuteczność hamowania może ulęgać zmianie i uzależniona będzie od obecności na powierzchni tarczy czynników pochodzących z otoczenia a mogących wpływać na zmiany wartości współczynnika tarcia pomiędzy tarczą i nakładką cierną. Celem przeprowadzonych prób była ocena zakłócenia pracy hamulca tarczowego przez wodę, a więc czynnik atmosferyczny, który może wystąpić podczas eksploatacji hamulców, a także płyn hamulcowy mogący dostać się na elementy układu na skutek nieszczelności lub niedbałości podczas obsługi pojazdu. W tym celu wykonane zostały drogowe próby hamowania, a także pomiary w warunkach laboratoryjnych. 1. OBIEKTY BADAŃ I METODY POMIAROWE Dla oceny stopnia zakłócenia pracy hamulca tarczowego przez obecność cieczy na powierzchniach jego elementów podczas eksploatacji wykonane zostały drogowe próby hamowania, a także pomiary w warunkach laboratoryjnych. Pojazdem, na którym przeprowadzono badania był samochód osobowy klasy średniej, o zawieszeniu niezależnym z kolumnami typu McPherson, ze stabilizatorami porzecznymi i podwójnymi wahaczami z przodu. Zarówno z przodu jak i z tyłu zamontowane były amortyzatory teleskopowe hydrauliczne dwustronnego działania. Pojazd wyposażony był w hamulce tarczowe na 1 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny; 31-864 Kraków; al. Jana Pawła II 37. Tel: + 48 12 628-35-40, Fax: + 48 12 648-13-44, e-mail: ws@mech.pk.edu.pl 6110

obu osiach. Zastosowano hamulce tarczowe z jarzmem ruchomym i otwartym prowadzeniem ślizgowym, gdzie tłok znajduje się po stronie przeciwnej do obręczy koła. Tarcza dociskana jest z obydwu stron przez wkładki cierne, z których jedna znajduje się między tarczą a tłokiem, a druga między zaciskiem a tarczą. W badanym pojeździe wykonano specjalną instalację umożliwiającą doprowadzenie cieczy na tarczę hamulcową i zaciski podczas hamowania. Ciecz ze zbiornika za pomocą pompy przetłaczającej podawana była nad nakładki cierne. Na rys.1 pokazano tarczę z zaciskiem, gdzie widoczny jest również przewód doprowadzający ciecz. Podczas prób podawanie cieczy rozpoczynano podczas ruchu pojazdu przed hamowaniem. Rys. 1. Tarcza hamulcowa i zacisk w badanym pojeździe, widoczny przewód doprowadzający wodę na tarczę i nakładki cierne 1 2 3 11 12 5 6 4 8 7 9 10 ω Rys. 2. Schemat stanowiska pomiarowego: 1- pompa hamulcowa, 2- siłownik hydrauliczny, 3-przetwornik ciśnienia, 4-tensometryczny przetwornik siły docisku nakładki ciernej, 5- uchwyt, 6- nakładka cierna, 7-tarcza hamulcowa 8-napęd tarczy hamulcowej 9- tensometryczny przetwornik siły tarcia, 10- przetwornik analogowo- cyfrowy ze wzmacniaczem, 11-komputer rejestrujący, 12- pirometr do pomiaru temperatury tarczy Tarcza hamulcowa i zacisk w badanym pojeździe, widoczny przewód doprowadzający wodę na tarczę i nakładki cierne Wykonano kilka serii pomiarów dla dwu różniących się konstrukcyjnie tarcz hamulcowych, mianowicie tarczy gładkiej oraz tarczy nacinanej z nawierceniami. Pomiary wykonano na oponach typu letniego o rozmiarze 195/65/15. Pomiary przeprowadzono w jednakowych warunkach drogowych dla uzyskania porównywalnych wyników. Wszystkie pomiary 6111

opóźnień hamowania wykonywano na suchej nawierzchni na tym samym odcinku pomiarowym, przy temperaturze otoczenia około 20 o C. Początkowa prędkość podczas prób hamowania wynosiła 50 km/h. Podczas każdej z prób do rejestracji opóźnień wykorzystywano opóźnieniomierz VZM-300. Na podstawie zarejestrowanych wartości sporządzono wykresy przebiegu opóźnienia hamowania w funkcji czasu oraz obliczono następnie na tej podstawie średnie rozwinięte opóźnienie hamowania. W dalszym etapie wykonano pomiary w warunkach laboratoryjnych, oceniając zmiany współczynnika tarcia pary tarcza hamulcowa nakładka cierna w zmieniających się warunkach współpracy wynikających z pojawienia się cieczy na powierzchni tarcia. Schemat stanowiska pomiarowego pokazano na rys.2. Stanowisko posiadało napęd elektryczny i wyposażone było w zestaw przetworników umożliwiających pomiar momentu hamującego, siły docisku elementów trących i temperatury powierzchni współpracy. 2. ANALIZA WYNIKÓW 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 [6]. Jest to, bowiem średnia wartość opóźnienia hamowania bardzo często przyjmowana do oceny wskaźnika skuteczności hamowania, który jest normowany przepisami [1,2]. Wartość średniego pełnego opóźnienia względem drogi obliczono w przedziale czasu t B t E, przy czym do obliczeń przyjęto następujące wartości: t t ( a / 2) 0,3s t B E 1 t 2 ( a max max / 2) 0,1s gdzie odpowiednio czas t 1 to moment, w którym w początkowej fazie hamowania uzyskiwane jest opóźnienie równe połowie maksymalnego zarejestrowanego podczas próby, a czas t 2 moment spadku wartości opóźnienia poniżej tej wartości na końcu hamowania. Uzyskane z obliczeń wartości przedstawiono graficznie na wykresie rys.3. Jak można zaobserwować dla poszczególnych warunków pracy i rozwiązań tarcz hamulcowych różnice w średnim opóźnieniu przekraczają 15%. Największe średnie wartości opóźnienia uzyskano podczas hamowania na tarczach nacinanych i nawiercanych. Najmniejsze różnice wystąpiły podczas hamowań z tarczami suchymi. Większe różnice obserwowano po zamoczeniu tarcz. W takich warunkach tarcze gładkie pozwalały uzyskiwać opóźnienie o około 8 % mniejsze w porównaniu z tarczami nacinanymi. Zdecydowanie najmniejsze opóźnienia dla obydwu tarcz uzyskano w warunkach obecności na powierzchni tarcia płynu hamulcowego. Również w tym przypadku dla tarczy gładkiej opóźnienia były mniejsze niż uzyskane dla tarczy nacinanej. Różnica w tych warunkach wynosiła około 7%. Praktycznie, zatem dla każdych warunków pracy opóźnienia uzyskane dla tarczy gładkiej były mniejsze niż dla tarczy nacinanej. Stwierdzone różnice w średnim opóźnieniu hamowania będące następstwem dostawania się wody pomiędzy tarcze i nakładki cierne, wynoszące dla gładkich tarcz 1m/s 2, w warunkach drogowych będą przekładały się na wydłużenie drogi hamowania z tej samej prędkości początkowej, przy jakiej były wykonywane pomiary, to znaczy 50 km/h., o ponad 1,5 m. Z punktu widzenia bezpieczeństwa jest to różnica niebagatelna, może bowiem przy prędkości dopuszczalnej w ruchu miejskim uniemożliwić zatrzymanie pojazdu w awaryjnej sytuacji. Ponieważ w warunkach eksploatacji układu hamulcowego występują sytuacje zawilgocenia okładzin, chwilowego lub ciągłego zamoczenia tarcz hamulcowych oraz zanieczyszczenia tych elementów, to w celu ilościowej oceny wpływu tego rodzaju warunków pracy, to znaczy zawilgocenia powierzchni ciernych hamulca, wykonano również badania stanowiskowe wpływu wody oraz płynu hamulcowego na przebieg współczynnika tarcia pary okładzina cierna tarcza hamulcowa. Badania wykonano dla prędkości obrotowej tarczy hamulcowej 400 obr/min., co odpowiada prędkości pojazdu około 50 km/godz. Podczas testu nakładka dociskana była do tarczy tak by uzyskać dociążenie rzędu 420 N/cm 2. Wyniki przedstawiono na rys. 4-5. (1) 6112

wsp. tarcia średnie opóźnienie [m/s2] 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 tarcza gładka sucha tarcza gładka mokra tarcza gładka płyn hamul. tarcza nacinana sucha tarcza nacinana mokra tarcza nacinana płyn hamul. Rys. 3. Wartości średniego pełnego opóźnienia hamowania uzyskane dla badanych tarcz hamulcowych w różnych warunkach pracy Przy rozpoczynaniu hamowania od prędkości obrotowej 400 obr/min. z suchą tarczą hamulcową i następnie naniesieniu na jej powierzchnię wody, występował gwałtowny spadek współczynnika tarcia o około 40%, a po około 2 3 sekundach współczynnik tarcia stopniowo narastał praktycznie do osiągnięcia wartości dla tarczy suchej. Przy czym już po jednej sekundzie była to wartość około 50% wartości dla tarczy suchej. Temperatura tarczy po badaniu wynosiła około 40 C. Taki przebieg współczynnika tarcia wynikał z samooczyszczania się tarczy z wody pod działaniem siły odśrodkowej. Pomiary przy mniejszych prędkościach obrotowych wykazały, że po jednorazowym naniesieniu wody na powierzchnię tarczy hamulcowej współczynnik tarcia obniżał się, a jego niska wartość utrzymywała się nawet przez kilkanaście sekund, czyli znacznie dłużej niż przy wyższych prędkościach, co można tłumaczyć mniejszym samooczyszczaniem tarczy z powodu mniejszych sił odśrodkowych działających na krople wody. Przebieg zmian współczynnika tarcia w momencie naniesienia wody pokazano na rys.4. Zaznaczono również zakres rozrzutu uzyskanych wyników w kolejnych dziesięciu pomiarach. 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 czas [s] Rys. 4. Zmiany współczynnika tarcia dla pary trącej tarcza hamulcowa nakładka cierna w momencie pojawienia się wody Próba hamowania na tarczy ciągle nawilżanej wykazała stałe utrzymywanie się niskiej wartości współczynnika tarcia poniżej 0.3, podczas gdy na suchej tarczy wynosił on 0.4 0.45. Należy zauważyć, iż taki efekt można obserwować przy prędkościach obrotowych rzędu 200 obr/min. Odpowiadałoby to, zatem prędkości pojazdu około 30 km/godz., czyli prędkości spotykanej w warunkach jazdy miejskiej, przy niewielkim samooczyszczaniu tarczy hamulcowej z wody. 6113

wsp. tarcia 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 czas [s] Rys. 5. Zmiany współczynnika tarcia dla pary trącej tarcza hamulcowa nakładka cierna w momencie pojawienia się płynu hamulcowego W przypadku naniesienia na powierzchnię tarczy hamulcowej płynu hamulcowego, początkowo charakter przebiegów zmian współczynnika tarcia jest analogiczny jak dla przypadku pojawienia się wody. Pojawienie się nawet niewielkiej ilości płynu na powierzchni tarcia powoduje gwałtowny spadek współczynnika tarcia w stosunku do tarczy suchej. Jest to spadek bardzo znaczący, mogący sięgać nawet 70%. Dodatkowo w przeciwieństwie do przypadku zwilżenia powierzchni wodą płyn hamulcowy, który raz dostał się na powierzchnie współpracy elementów ciernych, nie jest szybko usuwany i przez długi okres utrzymuje się na tej powierzchni, czego skutkiem jest znacznie zmniejsza wartość współczynnik tarcia. Wyraźnie widoczne jest to na rys.5., zatem zanieczyszczenie powierzchni tarczy płynem hamulcowym ma długotrwały wpływ na skuteczność działania układu hamulcowego w pojeździe. WNIOSKI Uzyskane w przeprowadzonych próbach wyniki pozwalają stwierdzić, iż zarówno w próbach drogowych jak i podczas testów w warunkach laboratoryjnych obserwuje się bardzo istotny wpływ zanieczyszczenia powierzchni tarczy hamulcowej na uzyskiwany moment hamujący. Na tej podstawie można sformułować poniższe wnioski. Obliczane według wytycznych normy ISO na podstawie uzyskanych przebiegów opóźnienia średniego w testach drogowych wartości średniego pełnego opóźnienia hamowania mogą różnić się nawet o ponad 1m/s 2, dla suchych i zanieczyszczonych tarcz hamulcowych. Nagłe zamoczenie tarcz hamulcowych może powodować spadek wartości współczynnika tarcia pomiędzy tarczą hamulcowa a nakładką nawet o 40%. Badania drogowe pokazują, że taka zmiana prowadzi do obniżenia uzyskiwanego średniego opóźnienia hamowania nawet o ponad 1m/s 2,.gdy do takiego zamoczenia dochodzi tylko na jednej tarczy nierównomierność sił hamujących na jednej osi pojazdu będzie przekraczała 40%, co jest wartością niedopuszczalną podczas oceny układu hamulcowego pojazdu. Biorąc pod uwagę czas trwania hamowania pojazdu z prędkości poniżej 50 km/h., po nagłym zamoczeniu tarcz hamulcowych pierwotny poziom współczynnika tarcia będzie uzyskiwany dopiero w kolejnym cyklu hamowania. Zanieczyszczenie powierzchni tarczy płynem hamulcowym powoduje spadek wartości współczynnika tarcia nawet o 70 %, a dodatkowo ta obniżona wartość będzie się utrzymywał przez wiele kolejnych cykli hamowania. 6114

Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań, których celem była ocena wpływu obecności cieczy na elementach trących tarczowych mechanizmów hamulcowych na opóźnienia hamowania pojazdów w warunkach drogowych. Ponieważ w mechanizmach tego typu istnieje możliwość łatwego dostępu wody lub inny cieczy takich jak przykładowo płyn hamulcowy do tarczy i nakładek ciernych ocenie poddano wpływ tych czynników na działanie mechanizmu hamulcowego. Prawidłowe i skuteczne działanie tego układu ma decydujący wpływ na bezpieczeństwo w ruchu drogowym. Przeprowadzono próby drogowe opóźnienia hamowania pojazdu dla dwu różnych konstrukcji tarcz hamulcowych pracujących na sucho i przy zawilgoceniu. Wykonano również pomiary w warunkach laboratoryjnych na stanowisku testowym, a otrzymane wyniki wartości współczynnika tarcia porównano z wynikami prób drogowych. Omówiono metodologię badań i przedstawiono analizę uzyskanych wyników. The influence of contaminants on brake disc surface on car brake deceleration Abstract The paper presents the results of experiments carried out to investigate influence water and brake fluid presence on the friction surface of the brake disc on the car brake decelerations. Due to the easy access of water to the area of interaction between friction elements of disc braking systems, brake pads get damp and brake discs are temporarily wet. The on-road car brake deceleration tests for two different brake discs design and various vehicle operation conditions was conducted. The tests in laboratory conditions on a test stand provided with appropriate instruments and equipment were carried out 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, 2003. 2. Eriksson M., Jacobson S., Tribological surfaces of organic brake pads, Tribology International 33, 2000. 3. 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, 2002. 4. Norma ISO/DTR 13487 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. 1232. 6. Rozporządzenie Min. Infrastruktury z 31 grudnia 2002r. w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia. Dz. U. nr 32/2003. 7. Seong J.K., Min H. C., Ho J.: Complementary effects of solid lubricants in the automotive brake linings, Tribology International 40, 2007. 8. Sherrington I., Hayhurst P., Simultaneous observation of the evolution of debris density and friction coefficient in dry sliding steel contacts, Wear 249, 2001. 9. Stadle Z., Kornel k., Kosmac T.: Friction and wear of sintered metallic brake linings on a C/C-SiC composite brake disc. Wear 265, 2008. 10. Szczypiński-Sala W., Strzępek P.: Dokładność i błędy w drogowych pomiarach opóźnienia hamowania, Logistyka 2011, nr 3. 11. Szczypiński-Sala W., Strzępek P., Janczur R.: Weryfikacyjne metody pomiaru opóźnienia hamowania pojazdu, Logistyka 2012, nr 3. 6115