Wyznaczanie zasadniczych parametrów procesu hamowania
Transkrypt
Wyznaczanie zasadniczych parametrów procesu hamowania
LABORATORIUM PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN WICZENIE LABORATORYJNE NR 2 Opracował: Tadeusz Li kiewicz Temat: Wyznaczanie podstawowych parametrów procesu hamowania 1. Wprowadzenie Dla zmniejszenia pr dko ci pojazdu lub jego zatrzymania konieczne jest wywołanie sił działaj cych na pojazd o zwrocie przeciwnym do jego ruchu. Siły te powstaj w układzie hamulcowym. Zamienia on energi kinetyczn hamowanego pojazdu najcz ciej na energi ciepln (hamulce cierne). Wymagania stawiane układom hamulcowym pojazdów ujmuj odpowiednie normy (patrz literatura). Okre laj one zbiór parametrów charakteryzuj cych proces hamowania oraz podaj ich wymagane warto ci liczbowe. Najcz ciej okre la si dopuszczaln drog hamowania przy sprecyzowanych warunkach trakcyjnych ( pr dko pocz tkowa pojazdu, współczynnik tarcia mi dzy kołem a nawierzchni , opó nienie, brak blokady - po lizgu kół itp.). Warunkiem prawidłowego przebiegu procesu hamowania jest toczenie si wszystkich kół jezdnych pojazdu. Blokada koła powoduje po lizg pojazdu po nawierzchni, zmniejszaj c warto siły hamuj cej i uniemo liwiaj c kierowcy kontrolowanie ruchu pojazdu. Przebieg hamowania pojazdu przedstawiono na rysunku 1. Opisuje on zmian w czasie t momentu hamowania Mh na kołach pojazdu. Rys. 1. Przebieg momentu hamowania Mh w czasie t t1 - czas reakcji kierowcy, t2 - czas narastania momentu hamowania, t3 – czas hamowania wła ciwego, t4 - czas luzowania hamulca W chwili t = 0 kierowca podejmuje decyzj o hamowaniu; realizacja decyzji poprzez czynno ci motoryczne (nacisk nog na d wigni hamulca) wymaga czasu, nazywanego czasem reakcji kierowcy t1. Czas t1 wynosi 0,2–1,5 s. Czas t2 od pocz tku naciskania d wigni hamulcowej do osi gni cia maksymalnego momentu hamowania dzieli si na cz t21, kiedy to likwidowane s luzy układu a do zetkni cia si powierzchni ciernych hamulca i cz t22 1 stanowi c okres narastania momentu. Czas t2 zale y od rodzaju układu steruj cego hamulca; w przypadku układu hydraulicznego wynosi ok. 0,25s. Czas hamowania t3 z maksymalnym momentem zale y od warunków trakcyjnych i masy pojazdu. Czas t4 - luzowania hamulca wynosi ok. 1 s. Suma czasów t1 i t21 dla sterowania hydraulicznego wynosi ok. 0,65 s. W tym czasie pojazd przebywa bez hamowania drog zale n od pr dko ci ruchu V0. Dopiero po czasie t > (t1 + t21) rozpoczyna si proces hamowania. Po uruchomieniu systemu hamulcowego rozpoczyna si proces hamowania - zamiany energii kinetycznej pojazdu w energi ciepln . Energia ta wynosi: E = m V02/2 (1) gdzie: m - masa pojazdu, V0 - pr dko pojazdu w chwili rozpocz cia hamowania. Do uruchomienia hamulców tarczowych lub b bnowych stosuje si układy hydrauliczne, układy mechaniczne, pneumatyczne, mieszane. Proces hamowania wymaga znacznych sił nacisku na powierzchni ciernej (przy ograniczonych mo liwo ciach nacisku nogi na d wigni ), zapewnienia proporcjonalno ci sił na szcz kach hamulca w stosunku do siły nacisku na d wigni hamulca oraz minimalizacj czasu działania tych sił. Warunki te dobrze spełnia układ hydrauliczny. Bardzo wa ne w procesie hamowania jest takie obci enie d wigni hamulca, by moment hamulca nie był wi kszy od mo liwego do uzyskania momentu siły tarcia mi dzy opon a jezdni i nie powodował blokowania kół. Siły tarcia mi dzy opon a jezdni zale od parametrów fizycznych opony i jezdni. 2. Układ hamulcowy i hamulec w poje dzie Przedstawiony na rys. 2 układ to hydrauliczny, dwuobwodowy układ hamulcowy z hamulcami tarczowymi na kołach przednich i b bnowymi na tylnych. Hydrauliczny mechanizm uruchamiaj cy składa si z obrotowej d wigni hamulcowej 1, pompy głównej 2, zbiornika cieczy roboczej 3, przewodów 4 i mechanizmu rozpieraj cego typu cylinder - tłoczek 5. Nacisk na d wigni 1 wywołuje w układzie hydraulicznym ci nienie phydr, które działa na tłoczki siłownika. Tłoczki dociskaj elementy cierne w postaci szcz k hamulcowych lub płaskich wkładek odpowiednio do b bna lub tarczy hamulca. Z du ej liczby stosowanych typów hamulców jako przykład wybrano przedstawiony na rys. 3, popularny hamulec b bnowy firmy LUKAS stosowany w samochodzie POLONEZ CARO. Hamulec ten składa si z b bna 1, poł czonego z piast 2 koła jezdnego, szcz k hamulcowych 3 i 4, podpartych w punktach 9,10 (z mo liwo ci obrotu) na osłonie hamulca 5 oraz rozpieraka hydraulicznego 6, dociskaj cego szcz ki do powierzchni roboczej b bna. Hamowanie inicjowane jest przez kieruj cego, który naciska pedał hamulca. Powstałe w układzie hydraulicznym ci nienie phydr wywołuje dociskanie szcz k hamulcowych 3 i 4 z okładzinami 7, 8, do obracaj cego si b bna 1. Pomi dzy powierzchniami ciernymi okładzin szcz k i b bna powstaje siła tarcia wywołuj ca moment obrotowy w hamulcu przeciwdziałaj cy momentowi obrotowemu koła pojazdu, którego warto wynika z energii hamowania pojazdu. Po zako czeniu hamowania szcz ki hamulcowe odci gane s spr yn do pierwotnego poło enia, co umo liwia swobodne obracanie si koła pojazdu. 2 Rys. 2. Układ hamulcowy w poje dzie: 1 - d wignia hamulca, 2 - pompa główna, 3 - zbiornik cieczy roboczej, 4 - przewody hydrauliczne, 5 - cylinder – tłoczek Rys. 3. Hamulec b bnowy dwuszcz kowy: 1- b ben, 2- piasta, 3 - szcz ka współbie na, 4 - szcz ka przeciwbie na, 5 - tarcza hamulcowa, 6 - rozpierak hydrauliczny, 7 - okładzina współbie na, 8 - okładzina przeciwbie na, 9, 10 – punkty podparcia/obrotu szcz k 3 3. Moment hamowania Mechanizm hamulcowy b bnowy najcz ciej wyposa ony jest w dwie szcz ki, z których ka da wytwarza moment hamuj cy o innej warto ci. Dla rozró nienia szcz k nazwano je szcz k współbie n i przeciwbie n . Pierwsza z nich obraca si przy wł czeniu hamulca w tym samym kierunku, w którym obraca si b ben podczas hamowania jad cego pojazdu, druga w kierunku przeciwnym. Moment tarcia Mtw, wytwarzany przez szcz k współbie n wynosi: β2W β Mtw = µ* B0 *rb2 * p1w dβ (2) β1W a moment tarcia Mtp wytwarzany przez szcz k przeciwbie n wynosi: β2 p Mtp = µ *B0 *rb2 * p1p dβ β (3) β1p Mo na je obliczy , gdy znane s wielko ci parametrów: µ - współczynnik tarcia pomi dzy okładzin szcz ki i b bnem, B0 - szeroko okładziny szcz ki, rb - promie b bna hamulca oraz warto ci i charakter rozkładu nacisków jednostkowych p1w i p1p mi dzy okładzinami i b bnem. Rozkłady p1w i p1p nacisków szcz k na b bnie s sinusoidami nawini t na koło. Przykładowe rozkłady nacisków ( sinusoidalny i równomierny ) przedstawiono na rys.4. Poniewa ani b ben, ani szcz ka nie s idealnie sztywne a jednocze nie mog zmieni si siły rozpieraj ce szcz k P, rozkłady rzeczywistych nacisków jednostkowych p1w i p1p nie s sinusoidalne, lecz zło one. Rys. 4. Rozkłady nacisków jednostkowych szcz ka - b ben: a - sinusoidalny, b – równomierny 4 Rozkładowi promieniowych nacisków jednostkowych na długo ci szcz ki po wi cono szereg prac do wiadczalnych i teoretycznych, w których charakter zmienno ci nacisków okrelany jest na podstawie ró nych zało e . Najcz ciej przyjmuje si jedno z poni szych załoe : naciski na powierzchni okładziny s proporcjonalne do spr ystego odkształcenia okładziny, w procesie pracy hamulca zachodzi docieranie elementów w wyniku czego naciski na powierzchniach roboczych wyrównuj si : p1w = const, p1p = const (4) Punktem wyj cia do wyznaczenia nacisków szcz ki współbie nej p1w i nacisków szcz ki przeciwbie nej p1p w funkcji wielko ci geometrycznych jest szcz ka współbie na wraz z układem działaj cych na ni sił, przedstawiona na rys. 5. Rys. 5. Schemat układu; b ben – szcz ka hamulcowa, uwzgl dniaj cy stan obci enia szcz ki a, c, rb - parametry geometryczne, β0w - k t przylegania szcz ki współbie nej, β0p - k t przylegania szcz ki przeciwbie nej, β1w - k t pocz tku przylegania szcz ki współbie nej, β1p - k t pocz tku przylegania szcz ki przeciwbie nej, δw - k t asymetrii okładziny współbie nej, δp - k t asymetrii okładziny przeciwbie nej, α0w - k t podparcia szcz ki współbie nej, α0p - k t podparcia szcz ki przeciwbie nej, T - siła tarcia pomi dzy okładzin hamulcow a b bnem hamulcowym,N - wywierana siła nacisku powierzchni okładziny na b ben hamulcowy, P, Rzw, Rzp - siły rozpieraj ce i siły reakcji szcz ki hamulcowej. Traktuj c obci enie szcz ki jako statyczne w przyj tym układzie współrz dnych, równania równowagi maj posta : PZ = RZW + P * cos α 0 w - β2w dN sin ( π − β ) + β1 w β2w β1 w 5 dT cos ( π − β ) = 0 (5) M0 = P * a + rb * β2w dT – RZW * c = 0 (6) β1 w Poniewa dN = rb *B0 * p1w * d β * sin β β2w wi c (7) sin β dN= 1/2 *rb *B0 *p1w ( β 0w+sin β 0w *cos2 δ w) (8) β1 w dT = µ * dN = µ *rb *B 0* p 1w * d β * sin β to : (9) cos β dT = - 1/2 *rb *B0 * µ * p1w * sin β 0w * sin2 δ w (10) dT = 2 * rb * B0 * µ *p1w * sin (1/2 β 0w ) * cos δ w (11) - k t asymetrii okładziny gdzie: δ w = 1/2 π - ( β 1w + 1/2 β 0w ) β 0w = β 2w - β 1w - k t przylegania szcz ki B0 - szeroko okładziny Dokonuj c odpowiednich podstawie wyra e (7,8) do równa (5,6) otrzymuje si po przekształceniach, poszukiwane funkcje dla rozkładu równomiernego okre laj ce p1w i p1p : p1w = β 0 w * [2 * sin sin β0w (12) 2 * cos δ − µ * ( rb − 2 * 2 * sin δ )] w w β0w β0w c p1 p = β 0 p * [2 * β0w P a * ( + cosα 0 w ) B0 * rb c sin β0 p P a * ( + cosα 0 p ) B0 * rb c β0 p (13) sin 2 * cos δ + µ * ( rb − 2 * 2 * sin δ )] p p β0 p c β0 p Przedstawione funkcje okre laj ce teoretyczne rozkłady nacisków po długo ci szcz k, w zale no ci od warto ci podstawowych parametrów geometrycznych układu kinematycznego danego hamulca, głównie wykorzystywane s w procesie konstruowania hamulców b bnowych. Dla dalszych rozwa a przyj to zało enie upraszczaj ce, e p1w = const i p1p = const. Wtedy, całkuj c równanie 2 i 3 otrzymujemy Mtw = µ * B0 * rb2 * p1w * β0w , (14) Mtp = µ * B0 * rb2 * p1p * β0p , (15) gdzie: 6 - k t przylegania szcz ki współbie nej (w radianach), β0w = β2w - β1w , β0p =β2p - β1p , - k t przylegania szcz ki przeciwbie nej (w radianach). Dla szcz ki współbie nej i przeciwbie nej otrzymano: a c µ * rb * P * ( + cosα 0 w ) M tw = β 0 w * [2 * sin β0w sin β0w (16) β0 p (17) 2 * cos δ − µ * ( rb − 2 * 2 * sin δ )] w w β0w c β0w a c µ * rb * P * ( + cosα 0 p ) M tp = β 0 p * [2 * sin β0 p sin 2 * cos δ + µ * ( rb − 2 * 2 * sin δ )] p p β0 p c β0 p Całkowity moment tarcia pojedynczego hamulca z lewej lub prawej strony pojazdu wynosi: MHC = Mtw + Mtp (18) Całkowity moment tarcia hamulca osi pojazdu wynosi: MHC = MtwL + MtpL + MtwP+ MtpP (19) gdzie: MtwL - moment tarcia szcz ki współbie nej lewej strony hamulca pojazdu, MtpL - moment tarcia szcz ki przeciwbie nej lewej strony hamulca pojazdu, MtwP - moment tarcia szcz ki współbie nej prawej strony hamulca pojazdu, MtpP - moment tarcia szcz ki przeciwbie nej prawej strony hamulca pojazdu. Do obliczenia warto ci momentu tarcia konieczna jest znajomo (oprócz parametrów geometrycznych) współczynnika tarcia mi dzy okładzin szcz ki i b bnem oraz siły rozpieraj cej szcz ki P. Współczynnik tarcia zale y od wielu czynników, mo e by okre lony podczas bada tribologicznych. Do obliczenia siły P stosuje si zale no : P = ¼ *π * d2 * phydr (20) gdzie: d - rednica tłoczka rozpieraka, phydr - ci nienie w układzie hydraulicznym 4. Zjawiska cieplne w hamulcu Efektem działania hamulca czyli zmiany energii kinetycznej pojazdu na energi ciepln jest wzrost temperatury b bna, okładziny ciernej, szcz k oraz innych elementów. Wielokrotne hamowania albo hamowanie powstrzymuj ce powoduje wzrost temperatury hamulca, który ustaje w temperaturze równowagi. W temperaturze tej emisja termiczna b bna, który jest głównym elementem odprowadzaj cym ciepło, równowa y dopływ energii hamowania. Ana7 liza teoretyczna zjawisk cieplnych w hamulcu jest zło ona. Na rysunku 6. przedstawiono wykres wzrostu temperatury b bna hamulcowego zachodz cy podczas kolejnych hamowa . Mi dzy okresami wzrostu temperatury w okresie hamowania wyst puj okresy schładzania hamulca. Temperatura równowagi w tym przykładzie wynosi ok. 250 ºC . Rys. 6. Zmiana temperatury obj to ciowej τ rzeczywistego b bna hamulcowego przy hamowaniu wielokrotnym w czasie t 5. Cel i przebieg wiczenia Celem wiczenia jest poznanie i praktyczne wykorzystanie niektórych technik pomiarowych stosowanych w analizie do wiadczalnej układów hamulcowych, opanowanie podstaw działania i budowy układów hamulcowych stosowanych w pojazdach oraz porównanie parametrów uzyskanych do wiadczalnie i teoretycznie. 5.1 Pomiary zasadniczych parametrów hamowania Uwaga: Przed przyst pieniem do wiczenia nale y si zapozna z poni sz instrukcj dotycz c bezpiecze stwa podczas całego toku wiczenia. Stanowisko i silnik zasilane s napi ciem 380 V, natomiast aparatura pomiarowa napi ciem 220V. Wszelka ingerencja do wn trza przyrz dów jest zagro eniem dla wykonuj cego wiczenie. Podczas wykonywania wiczenia nie nale y dotyka jakichkolwiek elementów wiruj cych. Zagro eniem jest tak e przekładnia pasowa je li wykonuj cy wiczenie posiada lu no zwisaj ce elementy ubrania lub długie włosy. Stanowisko badawcze umo liwia przeprowadzenie pomiarów przez obci anie hamulca w sposób zbli ony do warunków trakcyjnych. Budow jego przedstawia rys. 7. 8 a) b) c) Rys. 7. Stanowisko do bada procesu hamowania a) widok ogólny b) aparatura kontrolno-pomiarowa c) schemat stanowiska badawczego Silnik nap dowy (1) o regulowanej pr dko ci obrotowej za pomoc przekładni pasowej (2) nap dza koło zamachowe (5). Pr dko obrotowa koła zamachowego mo e by płynnie zmieniana w zakresie n = 0 - 900 obr/min. Po osi gni ciu wymaganej pr dko ci obrotowej nap d zewn trzny zostaje wył czony. Rozp dzona masa poprzez mechanizm ró nicowy tylnego mostu pojazdu (3), przekazuje energi ruchu obrotowego do hamulców (6). Naci ni cie d wigni (7) pompy hydraulicznej (4), wywołuje w układzie hydraulicznym hamulca ci nienie phydr. Ci nienie w układzie hydraulicznym rozpiera tłoczki siłowników hamulca a te działaj na szcz ki z sił P. Współpraca szcz k z, wiruj cymi b bnami hamulców poł czonymi z półosiami nap dowymi tylnego mostu, mechanizmem ró nicowym, wałem nap dowym i sprz głem koła zamachowego, powoduje odbiór energii kinetycznej koła zamachowego przez par ciern szcz ki – b ben. Energia ta zostaje zamieniona na ciepło, co doprowadza do zahamowania i zatrzymania ruchu stanowiska. 9 Do pomiaru zasadniczych parametrów hamowania stanowisko laboratoryjne wyposa ono w układ umo liwiaj cy rejestrowanie: pr dko ci obrotowej masy zamachowej, momentów hamowania i ci nienia w układzie hydraulicznym: - do pomiaru pr dko ci obrotowej masy zamachowej słu y tachometr cyfrowy wyskalowany w obr/min, - pomiarów zmian momentów hamowania w czasie dokonuje si za pomoc układu tensometrycznego zamocowanego na obudowie (pochwie mostu – rys.7.). - pomiarów zmian ci nienia w układzie hydraulicznym w czasie dokonuje si za pomoc czujnika ci nienia wpi tego do układu hydraulicznego. 5.2. Wykonanie pomiaru 1) Mostek AR 923 / 402 nale y wyzerowa zgodnie z instrukcj . 2) Przed wykonaniem pomiaru nale y sprowadzi do warto ci zerowej pokr tło pr dko ci obrotowej silnika nap dzaj cego stanowisko badawcze. Wykonujemy to przez całkowite wci ni cie pokr tła i obrócenie go do oporu w lewo. 3) Wł cznikiem uruchomi silnik stanowiska, przekr caj c go w prawo. 4) Wybra dowoln pr dko obrotow . Dokonujemy tego przekr caj c pokr tłem silnika w prawo. Za pomoc miernika obrotów (tachometru r cznego) nale y sprawdzi j , wprowadzaj c ko cówk miernika do sto kowego rozwiercenia znajduj cego si w tylnej cz ci masy zamachowej. 5) Po osi gni ciu wła ciwej pr dko ci obrotowej silnika nale y wł czy rejestracj mierzonych przebiegów w zainstalowanym programie AGIMAG komputera pomiarowego. Nast pnie wył czy nap d stanowiska pokr tłem z jednoczesnym naci ni ciem pedału hamulca z dowoln sił , doprowadzaj c do wyhamowania masy zamachowej. 6) Nale y zapisywa zmiany momentów hamowania i ci nienia układu hydraulicznego a do całkowitego zatrzymania si elementów wiruj cych stanowiska. 5.3. Opracowanie wyników W celu okre lenia warto ci momentów hamowania, ci nienia wyst puj cego w układzie hydraulicznym oraz czasu hamowania nale y, przesła dane uzyskane w czasie pomiaru w programie AGIMAG do programu EXCEL w celu ich dalszej obróbki i opracowania wyników. Otrzymane wielko ci z pomiaru nale y porówna z warto ciami teoretycznymi, które mo na obliczy na podstawie poni szych danych i zale no ci. 5.4. Obliczenie momentu tarcia. Dla hamulca wykorzystywanego w wiczeniu mo na przyj rb = 0,101 [m], B0 = 0,035 [m], a = 0,0785 [m], c = 0,088 [m], 10 nast puj ce dane: hamulec: rb a B0 c = = = = βow = βop = β1w = β1p = αow = α0p = δw = δp = d = µ = 0,101 0,078 0,035 0,088 90,76 / 1,58415 90,76 / 1,58415 24 / 0,41888 38 / 0,66323 14 / 0,24435 14 / 0,24435 21 / 0,36652 7 / 0,12217 0,020 0,45 masa zamachowa: [m] D = [m] B = [m] m = [m] [°] / [rad] [°] / [rad] [°] / [rad] [°] / [rad] [°] / [rad] [°] / [rad] [°] / [rad] [°] / [rad] [m] [-] 0,50 0,20 306 [m] [m] [kg] Przekładnia główna tylnego mostu: i = 4,1 Znajomo powy szych danych umo liwia wyznaczenie teoretycznej warto ci momentu tarcia MHC mo liwego do uzyskania w hamulcu dla ró nych warto ci ci nienia układu hydraulicznego – zale no (14-20) 5.5. Obliczenie czasu hamowania. Obliczone i zmierzone parametry hamowania umo liwiaj okre lenie warto ci energii hamowania. Obliczone warto ci energii hamowania oraz momentów hamowania pozwalaj wyznaczy teoretyczne czasy hamowania. Teoretycznie wyznaczony czas hamowania wynosi tH = E ⋅i M HC ⋅ ω (21) gdzie: ω - pr dko k towa b bna hamulca, E - energia koła zamachowego (obliczona), MHC - moment tarcia hamulca (zmierzony), i – przeło enie przekładni głównej tylnego mostu. Poniewa podczas hamowania pr dko k towa b bna hamulca maleje od warto ci pocz tkowej ω pocz do zera w przybli eniu liniowo, we wzorze 21 mo na przyj warto pr dko ci k towej ω = 1/2 ωpocz . Rzeczywiste czasy hamowania wynikaj z zarejestrowanych momentów hamowania w funkcji czasu. 11 Pytania kontrolne 1. Omówi przebieg procesu hamowania w poje dzie samochodowym. 2. Wymieni rodzaje oraz zastosowanie hamulców. 3. Omówi powstawanie oraz wpływ zjawisk cieplnych na proces hamowania. Literatura [1] cieszka S., Hamulce cierne. Wyd.Inst. Technologii Eksploatacji. Radom 1998r. [2] Studzi ski K., Samochód. Teoria, konstrukcji i obliczanie. WKŁ. Warszawa 1980r. [3] Bochman J., Metoda badania cech konstrukcyjnych hamulców b bnowych ze szcz kami o jednym stopniu swobody. Rozprawa doktorska. Politechnika Wrocławska IKEM. Wrocław 1978r. [4] Polskie normy: a) PN-6/S-47000 Pojazdy samochodowe i przyczepy. Skuteczno działania układów przez PN-89/S-02006 w zakresie hamulcowych. Wymagania i badania. Zast. cz rozdziału 2. b) PN-ISO 6314:1994 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Odporno na działanie wody, roztworu soli, oleju i płynu 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. Wpływ ciepła na wymiary i kształt nakładek ciernych hamulców tarczowych. Metody bada . e) PN-93/S-47045 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Korozyjne zakleszczenie na współpracuj cych powierzchniach eliwnych. Metody bada . f) PN-93/S-47046 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Wytrzymało na cinanie nakładek ciernych hamulców tarczowych i szcz k hamulców b bnowych. Metoda bada . g) PN-93/S-47048 Pojazdy drogowe. Okładziny hamulcowe. Ocena charakterystyk materiałów ciernych. Metoda badania małych próbek. 12