Andrzej GAJEK MOŻLIWOŚĆ PROGNOZOWANIA ZUŻYCIA OKŁADZIN CIENRYCH HAMULCÓW W SYSTEMIE DIAGNOSTYKI POKŁADOWEJ POJAZDÓW Streszczenie W publikacji przedstawiono budowę i zasadę działania czujnika zużycia okładzin ciernych hamulców tarczowych oraz algorytm obliczania przebiegu pojazdu do koniecznej wymiany okładzin, na podstawie wskazań tego czujnika. Metoda ta pozwala rozszerzyć zakres diagnostyki pokładowej pojazdów samochodowych na elementy mechaniczne układu hamulcowego oraz prognozować trwałość okładzin ciernych. WSTĘP Dotychczas stosowane czujniki zużycia okładzin ciernych hamulców tarczowych samochodów osobowych mierzą osiągnięcie zużycia granicznego okładziny. Realizowane jest to na drodze elektrycznej, lub mechanicznej. Pomiar elektryczny polega na tym, że w okładzinę cierną wklejone, lub wciśnięte są dwa izolowane przewody elektryczne. Umieszczone są na określonej głębokości, odpowiadającej zużyciu granicznemu. Gdy zużycie okładziny osiągnie wartość graniczną, izolacja przewodów zostanie starta i poprzez materiał tarczy hamulcowej są one zwierane. Zamknięcie obwodu powoduje włączenie lampki sygnalizacyjnej [1, 7]. Rozwiązanie mechaniczne polega na tym, że do stalowej podkładki korpusu okładziny przymocowany jest element sprężysty blaszka. Gdy okładzina cierna ulegnie zużyciu do wartości granicznej, blaszka dotyka elementu wirującego tarczy hamulcowej, co powoduje charakterystyczny dźwięk, słyszalny przez kierującego. Takie rozwiązanie stosowała, np. firma Toyota. W hamulcach samochodów ciężarowych stosowane są niekiedy układy ciągłego pomiaru zużycia okładzin ciernych [6, 8]. Przemieszczenie okładziny względem elementu stałego, spowodowane jej zużyciem, jest przekazywane przez układ śrubowy, lub dźwigniowy na potencjometr. Sygnał z potencjometru jest przekazywany do sterownika hamulców i porównywany z wartością występującą przy zużyciu granicznym. Rozwiązanie to jest droższe od czujników drutowych sygnalizacji zużycia granicznego. Ten sposób pomiaru stosowany jest w hamulcach pneumatycznych sterowanych elektronicznie (EBS), w których stosowana jest funkcja wyrównywania zużycia okładzin ciernych hamulców kół: prawego i lewego. AUTOBUSY 1
1. BUDOWA I DZIAŁANIE CZUJNIKA Czujnik posiada cztery izolowane przewody elektryczne wbudowane na różną głębokość w okładzinę cierną nakładki hamulcowej (rys. 1), lub przymocowane do krawędzi okładziny (rys. 4). Podłączony jest do źródła zasilania o napięciu U 0 poprzez rezystory R 1. R 4. Przewody 1 i 2 umieszczone są w okładzinie na tej samej głębokości. Przewód 3 jest umieszczony około 2 mm wyżej niż przewód 2, a przewód 4 na głębokości odpowiadającej granicznemu zużyciu okładziny. Czujnik zasilany jest prądem stałym o napięciu około 5 V. Zasilanie jest doprowadzane w czasie nacisku na pedał hamulca. Po początkowym zużyciu okładziny do głębokości osadzenia przewodów 1 i 2 (głębokość z 1 ), następuje ich zwarcie poprzez materiał tarczy hamulcowej. Na skutek zwarcia występuje przepływ prądu przez rezystory R 1 i R 4 (rys. 1). Powoduje to spadek napięcia ΔU 1 na rezystorze R 4. Ten sygnał, rejestrowany przez sterownik ABS, powoduje zapamiętanie w programie diagnostycznym sterownika aktualnego przebiegu s 1 samochodu w chwili osiągnięcia głębokości zużycia z 1. Po następnym okresie eksploatacji hamulców dochodzi do zwarcia przewodów 1 i 3 poprzez materiał tarczy hamulcowej. Odpowiada to zużyciu okładzin do głębokości z 2. Prąd przepływa przez rezystory R 1 i R 2 (R 2 «R 1 ), a na rezystorze R 4 następuje spadek napięcia ΔU 2. Sygnał ten powoduje zapamiętanie przebiegu s 2 samochodu w chwili osiągnięcia głębokości zużycia z 2. Ponieważ znana jest odległość między końcami przewodów 1 i 3, można obliczyć intensywność zużycia okładziny jako: I z = (z 2 z 1 )/(s 2 -s 1 ) [mm/km] (1) Przewód 4 znajduje się na głębokości odpowiadającej zużyciu granicznemu z 3. Ponieważ znana jest odległość między głębokością zatopienia przewodów 3 i 4 Δz = z 3 z 2, można wyliczyć przebieg pojazdu s 3, przy którym zostanie osiągnięte zużycie graniczne: s3 = Δz / I + s2 = ( z3 z2 ) / I z + s z 2 [ km ] (2) oraz pozostający do dyspozycji przebieg do wymiany okładzin: Δ s = s3 s2[ km] (3) Przy obliczeniu przebiegu do wymiany okładzin przyjmuje się liniową zależność zużycia od przebiegu. Z1 Z2 Z3 Rys. 1. Zasada działania czujnika czteroprzewodowego i układu pomiarowego do oceny intensywności zużycia okładzin ciernych hamulca i szacowania okresu ich wymiany oraz do sygnalizacji zużycia granicznego 2 AUTOBUSY
a) b) Rys. 2. Czteroprzewodowy czujnik zużycia okładzin hamulca, a) przekrój, b) widok od strony stalowej płytki mocowania okładziny ciernej, 1, 2, 3, 4 przewody elektryczne, 5 krzy- żak, 6 tulejka z kołnierzem, 7 okładzina cierna, 8 stalowa płytka nakładki hamul- cowej, 9 izolacja Powyżej opisane działanie czujnika pozwala na indywidualne oszacowanie przebiegu dastylu jaz- nego pojazdu do wymiany okładzin, dla konkretnych warunkóww jego użytkowania i dy kierującego. Drugi cel stosowania czujnika, to sygnalizacja zużycia granicznego. Zużycie okładziny do głębokości osadzenia przewodu 4 powoduje zwarcie tego przewodu z przewodem 1, prze- R 4. pływ prądu przez rezystor R 3 (R 3 «R 2 ) i sygnalizowanie spadku napięcia ΔUU 3 na rezystorze Jest to sygnał osiągnięcia zużycia granicznego. Przewody 1-4 umieszczone są w okładzinie ciernej (rys. 3), lub naklejone na niej (rys. 4), a elementy elektryczne (rezystory) poza okładziną. Obniża to koszt wymiany okładzin z tego typu czujnikiem. Rezystory R 1.R 4 są tak dobrane, że występuje wyraźna różnica spadków napięć ΔU przy zwieraniu kolejnych przewodów, o około 2-3 V. Układ elektryczny działa na zasadzie dzielnika napięcia ze skokowoo zmienną rezystancją 1000, 100, 10 kω. Zasilanie czujnika i pomiar spadku napięcia na rezystorze R 4 jest realizowane poprzez program diagno- umieszczone w okładzinie, połączone ze źródłem napięcia poprzez rezystory R 1 R 3. Drugim stycznyy w sterowniku ABS. W rozwiązaniu uproszczonym czujnik posiada 3 przewody przewodem obwodu elektrycznego jest masa samochodu, a obwód zwierany jest poprzez mapowodu teriał tarczy hamulcowej i elementy zawieszenia. Jest to rozwiązanie mniej pewne, z możliwości pojawienia się przypadkowych rezystancji między tarczą hamulcową, piastą koła, zawieszeniem, nadwoziem i sterownikiem. Zaproponowano dwa rozwiązania konstrukcyjne. W rozwiązaniu pierwszym przewody elektryczne umieszczone są w krzyżaku, lub w trzpieniu z otworami, wykonanym z tworzywa termoodpornego (rys. 2, 3). Pozwala to odizolować je od przypadkowych elementów metalo- i tań- wych (opiłków) w okładzinie hamulca. Drugie rozwiązanie konstrukcyjne jest prostsze sze w produkcji (rys. 4). Do krawędzi okładziny zamocowano bezpośrednio 4 przewody elektę samą tryczne przy pomocy specjalnego kleju. Przycięte na odpowiednią długość spełniają rolę co przewody w czujniku opisanym powyżej. Ich ułożenie powinno być takie aby ściera- sił nie się przewodóww nie powodowało wzajemnego zwierania, czyli na różnych promieniach tarcia. Istotny jest rodzaj izolacji i materiał przewodów. Izolacja powinna być termoodporna, a przewody najkorzystniej elastyczne węglowe, ulegające stopniowemu ścieraniu i nienisz- czące tarczy hamulcowej. Może to być czujnik trzy- lub czteroprzewodowy. Układ elektrycz- ny tego czujnika jest taki jak dla czujnika wbudowanego w okładzinę. AUTOBUSY 3
Rys. 3. Widok czujnika zużycia okładziny i umiejscowienie czujnika w bocznej części okładziny hamulcowej Rys. 4. Widok czteroprzewodowego czujnika zużycia okładziny z przewodami przyklejonymi do bocznej powierzchni okładziny Czujniki powinny być umieszczone w okładzinach obu kół przednich, lub wszystkich kół, a odczyt prognozowanego przebiegu do wymiany okładzin powinien być możliwy poprzez komputer pokładowy. Przebieg do wymiany okładzin może być odczytywany na życzenie kierowcy, a zużycie graniczne jest sygnalizowane niezależnie, po jego osiągnięciu. Szybkość zużywania się okładzin hamulcowych zależy przede wszystkim od techniki jazdy oraz od warunków użytkowania pojazdu. W praktyce występują bardzo duże rozbieżno- czujnika jest możliwość indywidualnej oceny intensywności zużywania sięę okładzin w samo- ści w przebiegach samochodów tej samej marki do wymiany okładzin. Zaletą proponowanego chodzie, z uwzględnieniem warunków ich użytkowania i stylu jazdy. Wiarygodne przewidy- na da- wanie terminu koniecznej naprawy jest szczególnie istotne przy użytkowaniu pojazdu lekich dystansach i pozwala uniknąć nieprzewidzianych, a koniecznych obsług podczas dłu- dwa gich podróży. WNIOSKI 1. Opracowana koncepcja i konstrukcja czujnika stanu okładzin pozwala zrealizować cele: oszacować intensywnośćć zużycia okładzin i na tej podstawie prognozować przebieg po- ha- jazdu do ich wymiany, zasygnalizować zużycie graniczne okładziny w celu jej wymiany. 2. Opracowane rozwiązanie pozwala rozszerzyć zakres diagnostyki pokładowej układu mulcowego na elementy mechaniczne tego układu. Biorąc pod uwagęę duże roczne prze- stacjo- biegi samochodów, kontrola pokładowa jest ważnym uzupełnieniem okresowych, narnych badań hamulców w stacji kontroli pojazdów. 3. Metody prognozowania w diagnostyce technicznej pozwalają na zwiększenie niezawod- poprawy niezawodności układu hamulcowego. ności eksploatowanych obiektów. Proponowane rozwiązanie daje możliwość 4 AUTOBUSY
BIBLIOGRAFIA 1. Jaworski J.: Materiały cierne hamulców i sprzęgieł. WKŁ, Warszawa 1986. 2. Gajek A.: System diagnostyki pokładowej układów hamulcowych pojazdów samochodowych. Polskie Towarzystwo Diagnostyki Technicznej przy Wydziale Nauk Technicznych PAN. Diagnostyka. Zeszyt 1(45)/2008. 3. Gajek A.: Zgłoszenie projektu wynalazczego (patentu): Czujnik zużycia okładzin ciernych, zwłaszcza okładzin hamulca tarczowego. Nr zgłoszenia P 385990. Kraków 10/2008. 4. Gajek A., Świder P.: Ocena nierówności momentów hamujących kół w pokładowym systemie diagnostycznym pojazdu samochodowego. Archiwum Motoryzacji. Polskie Towarzystwo Naukowe Motoryzacji. Wyd. PWN, Warszawa nr 3/2009. 5. Merkisz J., Mazurek St.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych. WKŁ, Warszawa 2002 6. Materiały firmy Knorr Bremse: Disc Brake description and function. KNORR- BREMSE 2007. 7. Gronowicz W.: Brake pad wear sensor. US Pat. 6302241. 10/2001. 8. Materiały firmy Wabco: Continuous wear sensor for air disc brakes. WABCO. www.wabco-auto.com Badania zrealizowano w ramach projektu badawczego nr NN 509 1758 33 FORECASTING OF THE BRAKE PADS WEAR IN THE ON BOARD DIAGNOSTIC SYSTEM FOR THE VEHICLES Abstract The paper presents the construction and principle of the operation of the brake pads wear sensor for disc brakes. The algorithm of the mileage calculation to the replacement of the brake pads is presented. The method allows to extend the on board diagnostic system on the mechanical parts of the brakes. Recenzent: dr hab. inż. Tadeusz Cisowski, prof. WSEI Autor: dr hab. inż. Andrzej GAJEK - Politechnika Krakowska AUTOBUSY 5