POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Laboratorium Samochodów i Ciągników

Instrukcja do ćwiczenia nr 3B:

Badanie układu hamulcowego na stanowisku bezwładnościowym

Opracowali: Piotr Bialczyk

mgr inż. Piotr Strachowski

Kielce 1999

l. Wstęp

Układ hamulcowy stanowi w samochodzie ogniwo bezpośrednio odpowiedzialne za stan bezpieczeństwa czynnego w ruchu pojazdów. Z faktu tego wynika konieczność sprostania wymaganiom jakie stawiają normy techniczne (PN-76/S-47000 i Regulamin Nr 13 ECE) oraz Ustawa z dnia 20 czerwca 1997r. Prawo o ruchu drogowym.

Poprawa bezpieczeństwa czynnego drogą polepszenia skuteczności działania układu hamulcowego należy do czynników priorytetowych podczas konstrukcji elementów układu hamulcowego.

Istnieje więc konieczność stałego prowadzenia badań całych pojazdów, grup oraz elementów układu hamulcowego w rzeczywistych warunkach drogowych oraz laboratoryjnych Badania na stanowiskach bezwładnościowych łączą zalety obydwu metod badawczych. Symulując rzeczywisty przebieg hamowania samochodu pozwalają jednocześnie na zastosowanie precyzyjnych urządzeń rejestrujących oraz pomiarowych trudnych do zainstalowania w warunkach drogowych.

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami i możliwościami badania hamulców samochodowych na stanowisku SBUH (Stanowisko do Badania Układów Hamulcowych) a także przeprowadzenie serii prób, których efektem będzie wykreślenie (przy użyciu programu komputerowego „Analiza SBUH") przebiegów czasowych prędkości samochodu, momentu hamującego, siły nacisku na tłok pompy hamulcowej, ciśnienia w układzie hydraulicznym a także utworzenie pliku danych z serii pomiarowej, będącego zapisem z kolejnych pomiarów: siły nacisku na tłok pompy hamulcowej, prędkości początkowej samochodu, oraz obliczonych: opóźnienia i drogi hamowania Obróbkę zapisanych wartości (pliku z rozszerzeniem *.DAT) należy wykonać za pomocą dostępnego arkusza kalkulacyjnego (np Grapher, Excel).

3. Podstawy teoretyczne

Ogólne równanie ruchu samochodu przy hamowaniu z wyłączonym sprzęgłem wygląda następująco:

a_h - średnie opóźnienie występujące podczas hamowania,

m - masa samochodu,

- współczynnik mas wirujących kół jezdnych,

- suma momentów bezwładności kół samochodu,

- promień dynamiczny

F_h - łączna wartość siły hamowania,

F_t - siła oporu toczenia,

F_p - siła oporu powietrza,

F_w - siła oporu wzniesienia (znak „-" oznacza spadek).

Łączna wartość siły hamowania wynosić będzie:

Ideą stanowisk bezwładnościowych jest symulacja przebiegu hamowania samochodu rozpędzonego do określonej prędkości początkowej i obciążonego pewną masą poprzez zastąpienie energii kinetycznej rozpędzonego samochodu energią kinetyczną mas bezwładnościowych stanowiska badawczego.

gdzie:

I_zs - moment bezwładności masy samochodu (podczas hamowania z określoną intensywnością)

zredukowany do badanego koła,

I_zs - moment bezwładności masy obrotowej stanowiska,

- prędkość kątowa koła jezdnego,

- prędkość kątowa stanowiska.

W przypadku samochodów Żuk A03 oraz Fiat 125p (dla badania których stanowisko było pierwotnie przeznaczone) istnieje prosta analogia:

gdyż dwa z czterech wariantów momentów bezwładności masy obrotowej stanowiska są zbliżone do momentów bezwładności masy samochodu zredukowanych do koła jezdnego odpowiednio: samochodu Żuk lub Fiat. Wychodząc jednak z równości energii kinetycznych można rozszerzyć zagadnienie na samochody innych marek. Należy wówczas wyznaczyć odpowiednią prędkość obrotową stanowiska odpowiadającą prędkości początku hamowania dla badanego samochodu (gdyż momenty bezwładności masy zredukowanej na koło jezdne podczas hamowania różnią się od momentu bezwładności stanowiska SBUH).

Zestawienie odpowiednich parametrów pracy stanowiska odwzorowujących rzeczywiste parametry hamowania dla dwóch wybranych samochodów dołączono do niniejszej instrukcji

4. Obliczenia parametrów pracy stanowiska dla samochodów Żuk A03 oraz Fiat 125p

Obliczenia te można prowadzić dwoma sposobami stosując jednak pewne uproszczenia oraz dane szacunkowe.

Zaprezentowany schemat obliczeniowy parametrów pracy stanowiska dla samochodu Żuk A03 stworzono zakładając 30% dociążenie osi przedniej podczas hamowania z opóźnieniem (6-7m/s²) od prędkości początkowej 8Okm/h.

Przy pełnym zestawie tarcz i pierścieni masy obrotowej stanowisko odwzorowuje warunki pracy hamulca przedniego koła samochodu Żuk A03 z pełnym obciążeniem i pozwala na wykonanie pomiarów odpowiadających hamowaniu z prędkości 80/cm/h, przy zachowaniu współczynnika przyczepności między oponą a jezdnią równego 0,5-0,7.

Ciężar samochodu Żuk z obciążeniem nominalnym.

Q_c=23740 N

Ciężar przypadający na jedno koło przednie.

Q_p =4954 N

Przyjmując współczynnik dociążenia osi przedniej przy hamowaniu z opóźnieniem 6-7m/s²; jako k_h = 1,3; największe obciążenie przedniego koła podczas hamowania wynosi:

Q_ph=Q_p* k_h =6425 N

Moment bezwładności masy samochodu zredukowany na jedno koło przednie podczas hamowania (dla ogumienia 6,50x16; r_d=0,35 m).

Odpowiada to wariantowi IV instalacji mas bezwładnościowych (rys. 2).

Prędkość obrotowa bębna hamulcowego odpowiada prędkości jazdy V=8Okm/h (dla ogumienia jw.).

Taki sposób określania parametrów pracy stanowiska jest dość nieprecyzyjny z uwagi na pojawienie się współczynnika dociążenia osi koła podczas hamowania oraz podanie nieprecyzyjnej wartości opóźnienia podczas hamowania jako przedział(6-7m/s²).

Sposób ten jednak zdecydowano się przedstawić z uwagi na fakt, że niekiedy oszacowanie wartości geometrii środka masy w samochodzie (zwłaszcza dostawczym) może nastręczać trudności.

Parametry pracy stanowiska dla samochodu Fiat 125p obliczono korzystając z danych wielkości geometrycznych i masowych tego pojazdu.

Reakcja pionowa osi przedniej podczas hamowania wynosi:

gdzie:

m - masa samochodu

/ - rozstaw osi samochodu

b - odległość środka masy od osi przedniej

h - wysokość środka masy

- opóźnienie hamowania

g - przyśpieszenie ziemskie

Dla samochodu Fiat 125p obciążonego czterema osobami, promienia dynamicznego koła jezdnego
oraz dla opóźnień 6m/s² i 7m/s² obciążenie hamowanego koła przedniego przyjmuje wartości:

Obliczony przy tych założeniach moment bezwładności jest równy odpowiednio:

Wartość momentu bezwładności dla opóźnienia 7m/s² odpowiada wariantowi instalacji mas bezwładnościowych (rys.2).

Jak widać z powyższego podanie wartości opóźnienia w zakresie (6-7m/s²) powoduje nieznaczne różnice w wartościach obliczonych momentów bezwładności.

5. Opis i zasada działania stanowiska bezwładnościowego

Na rysunku l znajduje się schemat konstrukcyjny stanowiska bezwładnościowego uwzględniający jego modernizację (zamianę czujników analogowych i mechanicznych na czujniki tensometryczne i termoemisyjne oraz włączenie ich w system komputerowej rejestracji i analizy danych).

System komputerowej rejestracji i analizy danych pozwala usprawnić sposób gromadzenia i obróbki parametrów pracy stanowiska, oraz umożliwia wychwycić subtelności niezauważalne przy użyciu czujników mechanicznych (z uwagi na dużą inercję). Tak np. możliwe do zaobserwowania jest bicie bębna hamulcowego, nieszczelność siłownika pneumatycznego uruchamiającego pedał hamulca, pulsacje w przewodach hydraulicznych.

Główna masa wirująca stanowiska została dobrana w ten sposób aby odwzorować siłę bezwładności samochodu znajdującego się w ruchu opóźnionym, przypadającą na jedno koło Warianty instalacji tarcz powodują, iż można uzyskać cztery różne wartości momentów bezwładności (rys. 2).

Rys. I. Schemat konstrukcyjny stanowiska bezwładnościowego do badania układu hamulcowego.

Elementy stanowiska SBUH (zgodnie z rysunkiem l):

1. Silnik elektryczny SZUe78b o mocy 17lkW i obrotach nominalnych 720obr/min (
).

2. Główna masa wirująca.

3. Sprzęgło jednotarczowe służące do odłączania silnika

4. Sprzęgło wielotarczowe.

5. Badany hamulec przedniego koła.

6. Ramię reakcyjne.

7. Czujnik tensometryczny do pomiaru siły na ramieniu reakcyjnym (do momentu hamowania)

8. Hamulce do pomiaru statycznego.

9. Pompa hamulcowa.

10. Czujnik tensometryczny mierżący siłę nacisku na tłok pompy hamulcowej.

11. Układ hydrauliczny przewodów hamulcowych.

12. Czujnik tensometryczny ciśnienia w układzie hydraulicznym.

13. Czujnik prędkości obrotowej bębna.

14. Kanały do pomiarów temperatury (2 szt.).

15. Wzmacniacz impulsów OST-6k.

16. Komputer przenośny klasy PC z kartą analogowo-cyfrową DAQCard-700.

Wariant I - 36,3 Nms²

Rys. 2. Różne warianty montażu mas bezwładnościowych.

6. Przebieg ćwiczenia

Podczas wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na przepisy BHP obowiązujące w czasie pracy na stanowisku badawczym. Stanowisko SBUH z uwagi na wirującą ze znaczną prędkością masę należy do najniebezpieczniejszych urządzeń znajdujących się na wyposażeniu laboratorium. Zabrania się przebywania w płaszczyźnie obwodowej tarcz wirujących oraz w bliskiej odległości od nich podczas pracy stanowiska! (bezpieczną obsługę stanowiska umożliwiają urządzenia sterowania i kontroli zgrupowane w pulpicie sterowniczym umieszczonym w pewnej odległości od stanowiska). Zabrania się samowolnego uruchamiania stanowiska oraz użytkowania go bez osłon mas wirujących! Zabrania się dotykania urządzeń elektrycznych z uwagi na groźbę porażenia prądem z trójfazowej instalacji elektrycznej! Wszelkie uwagi w kwestii bezpieczeństwa i prawidłowości pracy urządzeń stanowiska należy niezwłocznie zwracać prowadzącemu ćwiczenie. Ze względu na dużą bezwładność układu oraz liczbę wykonywanych prób sprzęgło odłączające silnik od układu powinno pracować płynnie (istnieje niebezpieczeństwo przepalenia tarczy sprzęgła ).

Załącznik Zestawienie parametrów pracy stanowiska dla samochodów wybranych marek.

W tablicach l i 2 zebrano niektóre parametry hamowania oraz pracy stanowiska w zależności od różnych opóźnień oraz prędkości początku hamowania dla samochodów Citroen Saxo l. l i Mereedes-Benz C250 T DT.

Parametry hamowania i pracy stanowiska dla samochodu Citroen Saxo 1.1 obciążonego dopuszczalną masą całkowitą - 1310 kg
Reakcja pionowa osi przedniej [N]		Opóźnienie podczas hamowania w [ m/s^2].
				3	S	7
				7159	7733	8308
Reakcja pionowa osi tylnej [N]		5692	5118	4543
Moment bezwładności przypadający na dane koło przednie podczas hamowania [Nms^2]		26	28	30
Wariant instalacji mas bezwładnościowych stanowiska (rys.2)		I (36,3 Nms^2)	I (36,3 Nms^2)	I (36,3 Nms^2)
Prędkość obrotowa stanowiska symulująca hamowanie od danej prędkości liniowej samochodu [obr/min]	30 km/h	252	262	272
		50 km/h	420	437	453
		80 km/h	672	698	724

Parametry hamowania i pracy stanowiska dla samochodu Mercedes-Bens C250 T DT obciążonego dopuszczalną masą całkowitą - 2000 kg
Reakcja pionowa osi przedniej [N]		Opóźnienie podczas hamowania w [m/s^2]
				3	5	7
				10835	11650	12464
Reakcja pionowa osi tylnej [N]		8785	7970	7156
Moment bezwładności przypadający na dane koło przednie podczas hamowania [Nms^2]		52	56	60
Wariant mstałacji mas bezwładnościowych stanowiska (rys. 2)		II (51 Nms^2)	II (51 Nms^2)	III (65,7 Nms^2)
Prędkość obrotowa stanowiska symulująca hamowanie od danej prędkości liniowej samochodu [obr/min]	30 km/h	262	271	247
		50 km/h	426	452	412
		80 km/h	698	723	659

Przeprowadzenie próby stanowiskowej:

- Zainstalować badany element układu hamulcowego (bęben)

- Napełnić zbiornik powietrza sprężonym powietrzem.

- Dobrać odpowiednie parametry pracy stanowiska (prędkość obrotową początku hamowania, siłę na pedale hamulca, moment bezwładności - odpowiedni wariant instalacji mas bezwładnościowych).

- Włączyć zasilanie układu elektrycznego stanowiska.

- Po osiągnięciu przez masę wirującą prędkości obrotowej silnika 700obr/min wyłączyć zasilanie silnika.

- Odczekać aż prędkość obrotowa masy wirującej spadnie do żądanej wartości np. SOOobr/min, uruchomić system komputerowej rejestracji danych oraz siłownik pneumatyczny.

- Zapisać plik tekstowy z zebranymi danymi.

- Po zakończeniu pomiaru wypuścić sprężone powietrze z siłownika.

- Przy użyciu programu „Analiza SBUH" wczytać plik tekstowy, zamienić go na plik z rozszerzeniem *.DAT, wykreślić charakterystyki i zapisać uśrednione dane z serii pomiarowej (dokładny opis wymienionych czynności zawarty został w instrukcji obsługi programu).

7. Sprawozdanie

Dla wyników z serii pomiarów należy wyznaczyć (w postaci charakterystyk sporządzonych przy użyciu programu Grapher lub innego dostępnego arkusza kalkulacyjnego);

- Zależność między opóźnieniem hamowania i drogą hamowania a prędkością początkową, dla serii hamowań ze stałą siłą nacisku na tłok pompy hamulcowej.

- Zależność między opóźnieniem hamowania i drogą hamowania a siłą nacisku na tłok pompy hamulcowej, dla serii hamowań ze stałą prędkością początkową.

- Zależność między opóźnieniem hamowania i drogą hamowania a numerem próby dla serii ze stałą siłą nacisku na tłok pompy hamulcowej i stałą prędkością początkową, (kolejne pomiary następują w krótkich odstępach czasu bez chłodzenia bębna).

Sporządzenie sprawozdania do ćwiczenia ułatwia opcja „Raport", dostępna w programie „Analiza SBUH", pozwalająca na wydruk danych i przebiegów czasowych z każdego pomiaru. Należy dołączyć do sprawozdania wydruki raportów z kilkoma wykresami przebiegów czasowych.

We wnioskach do ćwiczenia powinny się znaleźć:

• omówienie poszczególnych etapów próby stanowiskowej (na podstawie jednego z wykresów: prędkości, momentu hamowania, siły nacisku na tłok pompy hamulcowej lub ciśnienia hydraulicznego w funkcji czasu),

• wskazanie wszelkich „uchybień" świadczących o błędach rejestracji danych,

• wskazanie i wyjaśnienie różnic pomiędzy wykresami otrzymanymi podczas próby stanowiskowej a znanymi z teorii ruchu pojazdów

• analiza charakterystyk z serii pomiarów.

Odpowiada warunkom badania koła

przedniego samochodu Fiat 125 z czterema osobami.

Wariant II- 51 Nms²

Wariant III - 65,7 Nms²

Wariant IV - 80,4 Nms²

Odpowiada warunkom badania kota

przedniego samochodu Żuk A03 z pełnym

obciążeniem.

---