Kontakt opony z nawierzchnią podczas hamowania Autor: Piort Gębiś 15.03.2007. Zmieniony 18.03.2007. Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP Skuteczność hamowania jest uzależniona między innymi od tego, z jaką siłą koło naciska na nawierzchnię drogi. Omówienie warunków, w których nacisk ten ulega zmianie i jego wpływ na proces hamowania jest tematem tego artykułu. {viewonly=public} Dostęp do pełnej wersji artykułu po zalogowaniu. {/viewonly} {hidefrom=public} Zmiana siły nacisku koła na powierzchnię drogi Fnk Ma ona miejsce w następujących sytuacjach: 1. zmiana obciążenia pojazdu, 2. zmiana rozkładu sił na osie podczas hamowania, 3. zmiana kierunku ruchu (ogólnie jazda po łuku), 4. ruchy koła wzgl. nadwozia (drgania koła), Zmiany tej siły, w każdej sytuacji, wywołują zmiany w zachowaniu się pojazdu. Są one jednak szczególne, gdy sytuacjom 1, 3, i 4 towarzyszy hamowanie. Zmiana obciążenia pojazdu a hamowanie Wzrost siły nacisku koła na drogę Fnk, powoduje przy stałej wartości współczynnika przyczepności wzdłużnej opony, wzrost siły hamowania Fh. Wynika z tego, że po załadowaniu pojazdu można uzyskać większe wartości sił hamowania, co wymaga jednak wytworzenia większej wartości momentu hamującego Mh, a więc wytworzenia w układzie hamulcowym wyższych ciśnień maksymalnych czynnika roboczego (płynu hamulcowego lub sprężonego powietrza). W przypadku samochodu obciążonego, większe siły hamowania, są niezbędne dla uzyskania większych wartości opóźnień, zbliżonych do wartości występujących przy hamowaniu samochodu nieobciążonego. Ponieważ odwrotna zależność występuje również, jeśli więc ten sam samochód będzie hamowany w stanie nieobciążonym to wartości możliwych do uzyskania sił hamowania będą mniejsze. Wymaga to zmniejszenia wartości maksymalnych ciśnień panujących w układzie hamulcowym, bo w przeciwnym wypadku wystąpienie ciśnienia dostosowanego do pojazdu obciążonego doprowadzi do blokowania kół podczas hamowania i wszystkich wynikających z tego konsekwencji. Zmiana rozkładu sił na osie podczas hamowania Podczas hamowania każdego pojazdu, występuje zjawisko zmiany rozkładu sił na osie. Jeśli pojazd poruszał się do przodu (rys.1), to podczas hamowania następuje zmniejszenie nacisku na oś tylną od wartości Fnt1 do wartości Fnt2 (odciążenie) oraz zwiększenie nacisku na oś przednią od wartości Fnp1 do wartości Fnp2. Umożliwia to uzyskanie większych sił hamowania Fh na osi przedniej, wskutek jej dociążenia. Natomiast odciążenie osi tylnej, stwarza niebezpieczeństwo blokowania kół tej osi. Rozkład nacisków na osie pojazdu, zależny od konstrukcji pojazdu (np. od rozłożenia elementów zespołu napędowego), zmienny podczas hamowania, wymusza taką konstrukcję układu hamulcowego, która umożliwi uzyskanie większych sił hamowania na kołach osi przedniej i mniejszych na kołach osi tylnej, oraz zagwarantuje, że koła osi tylnej nie ulegną zablokowaniu przy hamowaniu. Rys.1 Typowa zmiana rozkładu sił nacisku na osie dla samochodu, który poruszał się ze stałą prędkością (a) i następnie hamuje (b). Oznaczenia: Fnt1, Fnt2 - siły nacisku na oś tylną; Fnp1, Fnp2 - siły nacisku na oś przednią.
Korektory sił hamowania Są to urządzenia, które redukują i dostosowują ciśnienie płynu hamulcowego (wytwarzane przez pompę hamulcową) lub ciśnienie sprężonego powietrza w układzie hamulcowym, do: 1. zmiennego obciążenia danej osi, wynikającego ze zmiany obciążenia pojazdu lub rozkładu sił podczas hamowania - stopień obciążenia osi określają na podstawie jej odległości od nadwozia; przykładem takiego rozwiązania jest korektor w standardowym układzie hamulcowym samochodu Polonez; 2. wartości opóźnienia występującego podczas hamowania - miarą opóźnienia jest siła bezwładności działająca na mechanizm korektora; w korektor taki jest wyposażony układ hamulcowy firmy Lucas samochodu Polonez. W samochodach osobowych stosuje się korektory hamowania obu wymienionych typów. W innych pojazdach, zarówno w hydraulicznych jak i pneumatycznych układach hamulcowych, są stosowane korektory dostosowujące ciśnienie czynnika roboczego, dla następujących osi: 1. samochody ciężarowe - korektor hamowania tylko dla osi tylnej lub oddzielne korektory hamowania dla osi przedniej i tylnej; 2. przyczepy - wspólny korektor hamowania dla osi przedniej i tylnej; 3. autobusy - bez korektorów, lub wspólny korektor dla osi przedniej i tylnej. Rozkład sił hamowania na strony pojazdu Warunkiem gwarantującym stabilność pojazdu podczas hamowania jest, by suma sił hamowania dla kół prawej strony pojazdu była równa sumie sił hamowania dla kół lewej strony pojazdu. Jeśli warunek ten nie jest zachowany, co przykładowo pokazuje rys. 2, to powstaje dodatkowy moment obrotowy M, powodujący obrót całego samochodu. Jeśli suma sił hamowania jest większa po prawej stronie, to obrót samochodu nastąpi w prawo, a jeśli suma ta jest większa po lewej stronie pojazdu, to obrót nastąpi w lewo. Takie zachowanie pojazdu wynika z faktu, że przynajmniej przy jednym kole, nie wystąpiła wymagana siła hamowania, wskutek za małej wartości współczynnika tarcia pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi lub braku możliwości wytworzenia przez układ hamulcowy potrzebnego momentu hamowania. Rys.2 Jeśli suma sił hamujących po jednej stronie pojazdu jest większa niż po drugiej, to powstaje moment sił obracający samochód. Zachowanie pojazdu podczas hamowania a amortyzatory Każda firma produkująca amortyzatory przekonuje klientów, że niesprawny amortyzator wydłuża drogę hamowania. Podkreśla się, że w przypadku samochodu wyposażonego w ABS, spadek skuteczności pracy układu hamulcowego może być nawet większy niż dla pojazdu bez ABS-u. To prawda, tak jest. Aby to wyjaśnić, muszę skrótowo zapoznać Państwa z zagadnieniem doboru amortyzatorów do samochodu. Dobór amortyzatorów do samochodu Podstawowym parametrem pracy amortyzatora jest siła jego tłumienia, czyli w uproszczeniu siła dławiąca ruch drgający koła (właściwie całego zawieszenia). Jeśli siła tłumienia jest duża, to amortyzator jest w stanie w krótkim czasie zgasić drania koła, natomiast gdy siła ta jest mniejsza, to proces gaszenia drgań będzie trwał dłużej. Dobierając charakterystykę amortyzatora do danego pojazdu, oraz wymagane wartości siły tłumienia, konstruktorzy muszą zdecydować czy amortyzator ma spełnić kryterium maksymalnego bezpieczeństwa czy maksymalnej płynności ruchu pojazdu. Kryterium maksimum bezpieczeństwa. Amortyzator zapewnia maksimum bezpieczeństwa, gdy opona ma zapewniony jak najdłużej trwający kontakt z drogą. Amortyzator taki musi być w stanie szybko wytłumić drgania koła, musi więc charakteryzować się dużymi siłami tłumienia. Niestety przy takim amortyzatorze, osoby jadące w pojeździe, wskutek większych przyspieszeń działających w kierunku pionowym, odczuwają większe wartości sił bezwładności, które mogą być źle odbierane przez pasażerów i traktowane jako wynik złej pracy zawieszenia. Amortyzatory wg tego kryterium są dobierane głównie do samochodów o sportowej charakterystyce, gdyż przy mocach ich silników połączonych z przewidywanym dynamicznym stylem jazdy kierowców, muszą one zapewnić kołom pojazdu maksymalny kontakt z drogą, by mogły być skutecznie przenoszone siły podczas przyspieszania lub hamowania. Kryterium maksymalnej płynności ruchu pojazdu. Przy wyborze tego kryterium, celem głównym jest zapewnienie takich wartości przyspieszeń działających w osi pionowej pojazdu, występujących podczas tłumienia drgań, by występujące siły bezwładności działające na jadących pojazdem, nie były odbierane jako nieprzyjemne. Amortyzatory dobrane wg tego kryterium, charakteryzują się mniejszymi wartościami sił tłumienia. Powoduje to wydłużenie czasu tłumienia drgań, a w konsekwencji koło w czasie ich trwania
na dłuższy okres traci kontakt z drogą. Obniża to niestety bezpieczeństwo ruchu samochodu. Amortyzatory wg takiego kryterium są dobierane dla pojazdów, od których wymaga się, by zapewniły przede wszystkim jadącym wrażenie komfortu. Jak widać jednoczesne spełnienie obydwóch kryteriów jest niemożliwe. Ponadto niezależnie wg jakiego kryterium zostały dobrane amortyzatory, wzrost obciążenia pojazdu, prędkości jego ruchu lub pogorszenie jakości nawierzchni drogi, wymaga dla uzyskania pracy amortyzatora z jednakową skutecznością, wzrostu wartości sił tłumienia. Spełnienia tych licznych, często sprzecznych wzajemnie wymagań, jest możliwe tylko dzięki zastosowaniu amortyzatorów o regulowanej sile tłumienia. Hamowanie drgającego koła poruszającego się po linii prostej Jeśli pojazd poruszający się po drodze najedzie na przeszkodę np. próg, to zostaną pobudzone drgania nadwozia w kierunku pionowym, które w wyniku prawidłowej pracy amortyzatorów zostaną wytłumione (rys. 3a). Rys.3 Tłumienie drgań nadwozia samochodu, wywołanych przejazdem przez nierówność, przez amortyzatory sprawne (a) i niesprawne (b). Dla hamowania i zachowania się samochodu podczas jazdy po łuku, niebezpieczne są odciążenia kół. Jednak nawet przy prawidłowej pracy amortyzatora nastąpi kilkukrotne odciążenie koła, czyli zmniejszenie siły nacisku koła na powierzchnię drogi, oraz dociążenie czyli zwiększenie tej siły. Z punktu widzenia hamowania odciążenie koła jest zjawiskiem zdecydowaniem niekorzystnym. Prześledźmy na rys. 4 jak zmieniają się siły działające na drgające, hamowane koło. Rys.4 Odciążenie koła podczas hamowania (zmniejszenie siły Fnk), stwarza ryzyko zablokowania koła i znacznego spadku siły hamowania Fh. Opis w tekście. W pozycji wyjściowej (rys. 4a), siła nacisku koła na powierzchnię drogi Fnk ma wartość taką, jaka działała by, gdyby koło nie podlegało żadnym drganiom. W momencie odciążenia koła (gdy koło oddala się od nadwozia) następuje zmniejszenie siły Fnk. Jeśli siła Fh, występująca na styku opony i powierzchni drogi, nie będzie w stanie wytworzyć momentu obrotowego, który zrównoważy moment hamujący Mh, nastąpi zablokowanie koła, co można zapisać równaniem: Mh > Fh x rd W powyższym wzorze rd oznacza tzw. dynamiczny promień koła, czyli odległość osi obrotu koła od powierzchni drogi. Bezpośrednim następstwem zablokowania koła jest: - zmniejszenie wartości współczynnika przyczepności wzdłużnej opony m, a więc zmniejszenie wartości siły hamowania Fh (rys.4b); - utrata przez oponę zdolności do przenoszenia sił bocznych, co powoduje utratę możliwości zmiany kierunku ruchu koła. Po dociążeniu koła, wartość siły nacisku koła na powierzchnię drogi Fnk wzrasta, co pozwoliłoby na wzrost siły hamowania Fh, jeśli zwiększona by została wartość momentu hamującego Mh. Jeśli jednak w momencie odciążenia nastąpiło zablokowanie koła, to w wyniku spadku wartości współczynnika tarcia wzdłużnego, może się okazać, że nawet po dociążeniu koła, rosnąca siła hamowania Fh nie będzie w stanie ponownie wprawić koła w ruch obrotowy i pojazd dalej będzie się poruszał na zablokowanych kołach (jeśli kierowca nie zareaguje prawidłowo, zdejmując nogę z pedału hamulca). Z punktu widzenia teorii, w momencie odciążenia koła, należało by zmniejszyć nacisk na pedał hamulca, a w czasie dociążania można zwiększyć ten nacisk, ale jest to prawie niewykonalne w praktyce. Dlatego więc podczas każdych drgań koła, tłumionych przez amortyzator, następuje obniżenie skuteczności hamulców. Jeśli pojazd posiada niesprawne amortyzatory, to po przejechaniu pojazdu przez nierówność (rys.3b): - amplituda drgań nadwozia jest większa, czyli siła nacisku koła na powierzchnię drogi Fnk, w czasie odciążenia jeszcze silniej maleje; - czas wytłumiana drgań nadwozia będzie dłuższy, co spowoduje w przypadku jednoczesnego hamowania, wydłużenie drogi hamowania, w porównaniu do drogi hamowania pojazdu ze sprawnymi amortyzatorami.
Drgające koło poruszającego się po łuku Aby poznać zachowanie drgającego koła pojazdu, jadącego po łuku w czasie hamowania, rozpatrzmy najpierw jak zachowuje się drgające koło, ale nie hamowane (z pewnym uproszczeniem, gdyż pomijam np. zagadnienia odkształcania się opony). Rys.5 Każda opona poruszająca się po łuku, podlega tzw. bocznemu znoszeniu. Koło porusza się dodatkowo z prędkością Vp, prostopadłą do płaszczyzny koła, a powstająca przy tym siła Fb, równoważy siłę odśrodkową. Koło porusza się po torze wypadkowym (a). Odciążenie koła powoduje wzrost bocznego znoszenia opony, co jest niezbędne dla utrzymania wymaganej wartości siły Fb - koło porusza się po innym torze wypadkowym (b), o większym promieniu. Koło w trakcie ruchu po łuku ulega tzw. znoszeniu bocznemu, czyli zaczyna poruszać się z określoną prędkością Vp, w kierunku prostopadłym do koła (prócz ruchu z prędkością leżącą w płaszczyźnie koła). Na koło działa więc siła Fb, skierowana prostopadle do płaszczyzny koła. Wartość tej siły zależy od iloczynu współczynnika przyczepności bocznej opony b i siły nacisku koła na powierzchnię drogi Fnk. Suma sił Fb, wszystkich kół pojazdu, równoważy siłę odśrodkową działającą na poruszający się pojazd. Jeśli koło podlega drganiom, to w chwili odciążenia koła, obniża się wartość siły nacisku koła na powierzchnię drogi Fnk. Następuję wzrost bocznego uślizgu opony. Jeśli związany z tym wzrost wartości współczynnika przyczepności bocznej opony b, pozwoli mimo spadku wartości siły Fnk, na utrzymanie wymaganej wartości siły bocznej Fb, to koło porusza się nadal po łuku, ale o większym promieniu (rys.5 a i b). Jeśli natomiast odciążenie koła jest na tyle silne, że wartość siły bocznej Fb, ulegnie obniżeniu, to siła odśrodkowa działająca na samochód zacznie przemieszczać dane koło w momentach odciążeniach, skokowo, w kierunku na zewnątrz zakrętu. Ponowne dociążenie koła hamuje tylko częściowo ten proces, ponieważ trudniej jest odzyskać przyczepność oponie, która utraciła wcześniej przyczepność. Jak pracę amortyzatorów na zakręcie odczuje kierowca? Jeśli są one sprawne, to w wielu sytuacjach może on nawet nie odczuć znoszenia pojazdu na zewnątrz zakrętu (rys.6a). Zjawisko to wystąpi jednak w każdym samochodzie, nawet jeśli posiada sprawne amortyzatory, gdy porusza się z małą prędkością po łuku o znacznych nierównościach, lub porusza się z dużą prędkością po łuku z nawet nieznacznymi nierównościami. Każdy samochód posiada ponadto określony typ nierówności np. pofałdowań poprzecznych jezdni, przy których pokonywaniu szczególnie niepewnie się zachowuje. Rys.6 Tor ruchu samochodu poruszającego się po łuku o nierównej nawierzchni: a - przy sprawnych amortyzatorach, b - przy niesprawnych amortyzatorach. Jeśli amortyzatory są zużyte, to ponieważ wytłumianie drgań nadwozia trwa dłużej a odciążanie kół jest większe, to samochód taki już przy mniejszych nierównościach lub mniejszej prędkości, zaczyna mieć tendencję do jazdy po coraz to większym łuku (rys.6b). Jeśli w chwilach odciążania, siła boczna działająca na koła nie jest w stanie zrównoważyć siły odśrodkowej, to jadący samochodem odczują to jako skokowe, boczne przemieszczanie samochodu na zewnątrz zakrętu. Dobrze jeśli starczy jeszcze miejsca na drodze. Jeśli prowadzący samochód wchodzi w zakręt z dużą prędkością, która przy równej nawierzchni drogi zapewnia bezpieczny przejazd, to przy nierównej nawierzchni i nieuwzględnieniu tego faktu przez kierowcę może spowodować wypadnięcie samochodu z zakrętu. Wszystkie czynniki obniżające przyczepność opony do nawierzchni drogi oraz niesprawne amortyzatory znacznie zwiększają to ryzyko. Wielu kierowców nie zdaje sobie sprawy z tego ryzyka, gdyż amortyzatory tracą swoją sprawność stopniowo. Drgające, hamowane koło poruszające się po łuku Podczas hamowania koła poruszającego się po łuku, zawsze spada wartość współczynnika przyczepności bocznej opony b, w porównaniu z sytuacją gdy koło porusza się po łuku, ale nie jest hamowane. W przypadku zablokowania koła podczas hamowania koła poruszającego się po łuku, wartość współczynnika przyczepności bocznej opony b osiąga wartość bliską zeru. W czasie odciążania (podczas drgań koła) hamowanego koła poruszającego się po łuku, jeszcze bardziej dają znać o sobie wszystkie niekorzystne zjawiska: - niebezpieczeństwo zablokowania koła i znaczne obniżenie siły hamowania Fh; - obniżenie wartości siły bocznej Fb, lub nawet spadek wartości tej siły do zera, w przypadku zablokowania koła przy hamowaniu. Tak więc spadek skuteczności tłumienia drgań przez amortyzator, ogranicza możliwość bezpiecznego
hamowania na zakręcie. Stan techniczny amortyzatorów a praca układu ABS Okazało się, że nawet najbardziej nowoczesne konstrukcje układów ABS, warunkują swoją całkowitą skuteczność działania od stanu technicznego amortyzatorów. Wynika to faktu, że układy ABS rejestrują tylko moment zablokowania koła, ale nie potrafią rozróżnić czy: 1. jest to wynikiem tylko zbyt silnego hamowania; 2. hamowanie było mało intensywne, a zablokowanie koła nastąpiło w następstwie odciążenia koła. Kolejnym czynnikiem jest to, że w każdym cyklu pracy układu ABS, pomiędzy jego kolejnymi etapami, występują określone przerwy, niezbędne np. na przełączenie rozdzielacza hydraulicznego lub pneumatycznego. Jeżeli samochód wyposażony w całkowicie sprawny ABS, ma niesprawne amortyzatory, to przy hamowaniu, podczas jazdy po nierównościach (np. ulicy wyłożonej kostką brukową) występują błędne reakcje układu, obniżające skuteczność hamowania. Taki zakłócony przebieg regulacji układu ABS przebiega w sposób podany poniżej. 1. Pojazd porusza się po nierównej nawierzchni i jest hamowany. Dla lepszej prezentacji załóżmy, że jeśli pojazd poruszał by się po równej nawierzchni lub miałby sprawne amortyzatory, to przy hamowaniu tym układ ABS nie został by włączony. 2. W momencie odciążenia koła, następuje jego zablokowanie, co zostaje wykryte przez układ ABS. 3. Jednostka sterująca wysyła polecenie do rozdzielacza, by ten został przełączony i obniżył ciśnienie czynnika roboczego w układzie hydraulicznym danego koła, celem jego odblokowania. 4. Rozdzielacz wykonuje to polecenie i po chwili ciśnienie czynnika roboczego ulega redukcji a koło zaczyna się obracać. 5. Równocześnie, gdy wykonywane są czynności 2, 3 i 4, koło zaczyna być dociążane. W momencie jednak, gdy zostaje ono dociążone, ciśnienie czynnika roboczego w układzie hydraulicznym jest niewielkie, bo zostało wcześniej zredukowane. Dzieje się tak, mimo, że kierowca nie zmniejszył nacisku na pedał hamulca, ale przecież właśnie tak pracuje ABS - niezależnie od kierowcy. Właśnie w tym momencie występuje to niekorzystne zjawisko: koło jest dociążone można by było skutecznie hamować, a układ ABS-u obniżył ciśnienie. 6. Oczywiście, po upływie chwili układ zarejestruje, że koło się toczy i po następnej chwili wydaje polecenie układowi rozdzielaczowi hydraulicznemu, by ten podniósł ciśnienie czynnika roboczego do poprzedniej wartości. Rozpoczyna się znów skuteczne hamowanie. 7. Koło jednak nadal drga i zbliża się kolejne odciążenie. Jeśli znów nastąpi podczas niego zablokowanie koła, to cały ten cykl zostanie powtórzony. Z przedstawionego opisu widać, że teoretycznie winny jest za to za mały stopień inteligencji tych układów. Usunięcie tej wady znacznie zwiększyło by ich koszt. Przyjmuje się więc, że dobrze dobrane, sprawne amortyzatory minimalizują to zjawisko. Artykuł przygotował: mgr inż. Stefan Myszkowski - Studio Konstrukcyjno-Konsultacyjne, Smolec k. Wrocławia {/hidefrom}