Pobierz artykuł PDF

PROGNOZOWANIE ZUĩYCIA OKŁADZIN CIERNYCH HAMULCÓW
TARCZOWYCH W PROCESIE EKSPLOATACJI POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH
ANDRZEJ GAJEK
Streszczenie
W artykule przedstawiono aktualny stan w zakresie moĪliwoĞci prognozowania
stanu zespołów pojazdu samochodowego. Zaprezentowano nowy algorytm prognozowania okresu uĪytkowania okładzin ciernych hamulców tarczowych z uwzglĊdnieniem
indywidualnych warunków eksploatacji pojazdu. Przedstawiono zasadĊ działania
oraz budowĊ czujnika zuĪycia okładzin. Konstrukcja czujnika umoĪliwia zrealizowanie dwóch celów: oszacowania intensywnoĞci zuĪycia okładzin i na tej podstawie
obliczenia prawdopodobnego przebiegu pojazdu do ich wymiany oraz zasygnalizowania zuĪycia granicznego okładziny. Omówiono strategiĊ sygnalizacji zuĪycia
granicznego i przebiegu do wymiany okładzin. Przedstawione rozwiązanie pozwala
rozszerzyü zakres diagnostyki pokładowej pojazdów samochodowych o funkcjĊ prognozowania trwałoĞci okładzin ciernych.
Słowa kluczowe: diagnostyka, prognozowanie, hamulce, czujniki
1. Wprowadzenie
Problematyka prognozowania stanu obiektu w diagnostyce pojazdów samochodowych związana jest z dynamicznym rozwojem układów mechatronicznych w budowie samochodów.
Praktyczne wprowadzenie algorytmów prognostycznych stało siĊ moĪliwe w chwili wprowadzenia
do układów sterowania pojazdów sterowników z coraz mocniejszymi procesorami. Natomiast podstawy teoretyczne prognozowania były juĪ wczeĞniej opracowywane.
Przykładowo, w pracy [11] przedstawiono ogólny algorytm wyznaczania optymalnych procedur
rozpoznawania stanu maszyn, zaznaczając równoczeĞnie, Īe procedury rozpoznawania stanu maszyn wiąĪą siĊ z przetwarzaniem duĪej iloĞci danych pomiarowych, ze złoĪonymi operacjami
numerycznymi, aproksymacją, modelowaniem, czy teĪ predykcją szeregów czasowych w przypadku prognozowania. Nieodzowne jest wiĊc komputerowe wspomaganie tego procesu w oparciu
o odpowiednie oprogramowanie. W pracy [1] zaprezentowano moĪliwoĞci modelowania prognostycznego w oparciu o tzw. metodĊ szarych szeregów. Przedstawiono metodologiĊ budowy modelu
opartego o tĊ metodĊ, przydatnego w prognozowaniu stanu obiektu za pomocą symptomów drganiowych. Metoda ma zastosowanie zarówno przy duĪej iloĞci danych wejĞciowych, jak
i w modelach z niewielką liczbą niepewnych danych. Zweryfikowano ją w zastosowaniu w dziedzinie drganiowej diagnostyki maszyn, jednouszkodzeniowej, jak i wielouszkodzeniowej. Praca ta
zawiera szeroki zestaw Ĩródeł literaturowych analizujących teoriĊ i zastosowanie metody szarych
szeregów. W pracy [10] przedstawiono problematykĊ dezaktualizacji modelu prognostycznego i metod przeciwdziałania takiemu zjawisku. Według autora najlepszą metodą wypracowania decyzji
83
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 68, 2014
o doborze modelu jest Ğledzenie Ğredniego błĊdu prognozy i na jej podstawie wybór dalszych działaĔ
w zakresie obliczania wartoĞci przyszłych.
Analizując rozwój metod prognozowania stanu zespołów i elementów pojazdów moĪna zauwaĪyü, Īe kaĪde zadanie prognostyczne wymaga indywidualnego podejĞcia, opracowania specjalnych
zestawów czujników i algorytmów obliczeniowych. Analiza danych z czujników wymaga stosowania techniki cyfrowej, a programy diagnostyczne wymagają sterowników o duĪej pamiĊci zarówno
RAM jak i ROM. Zajmują wiĊcej pamiĊci mikroprocesorów niĪ programy sterujące. Istotnym problemem jest wiarygodnoĞü ocen prognostycznych i niezawodnoĞü systemu. UĪytkownik pojazdu
nie analizuje czy system diagnostyczny działa prawidłowo, lecz stosuje siĊ do jego wskazaĔ. JeĪeli
system działałby nieprawidłowo, to producent pojazdu odpowiadałby za skutki, szkody spowodowane nieprawidłową prognozą. Ten aspekt powoduje ostroĪnoĞü we wprowadzaniu systemów
prognostycznych do praktyki eksploatacyjnej pojazdów.
2. MoĪliwoĞci prognozowania stanu zespołów pojazdu samochodowego
Dotychczas w przewidywaniu stanu obiektu na podstawie badania diagnostycznego i prognozowaniu jego trwałoĞci, decydujące znaczenie ma wiedza i doĞwiadczenie doradcy serwisowego
i mechanika. Niemniej obserwuje siĊ tendencjĊ wspomagania tego wnioskowania przez specjalistyczne oprogramowanie. Na podstawie informacji z czujników oraz odpowiedniego
oprogramowania obliczany jest czas, po którym wystąpiü moĪe wartoĞü graniczna parametru diagnostycznego. Stosuje siĊ równieĪ algorytmy pozwalające na predykcjĊ wartoĞci parametru
mającego wpływ na sterowanie obiektem. Jest to szczególnie istotne w układach działających
w dynamicznie zmiennych warunkach. Takie moĪliwoĞci pojawiły siĊ w układach mechatronicznych posiadających sterowniki z bardzo szybkimi mikroprocesorami.
Przykładowe systemy prognostyczne w samochodach to układ szacowania przebiegu pojazdu
do wymiany oleju w silniku, układ oceny stopnia zatkania filtra cząstek stałych silnika z zapłonem
samoczynnym i ustalania sposobu jego regeneracji, algorytm szacowania współczynnika tarcia nawierzchni, na którą wjeĪdĪa pojazd, układ sygnalizacji zuĪycia granicznego okładzin ciernych
hamulców i przebiegu pojazdu do ich wymiany.
System szacowania okresu wymiany oleju w silniku polega na zbieraniu informacji o iloĞci
zimnych rozruchów silnika, czasie pracy w okreĞlonych zakresach temperatur i obciąĪenia, przebiegu pojazdu i zuĪyciu oleju przez silnik. Na tej podstawie specjalny algorytm, opracowany na
podstawie badaĔ degradacji oleju spowodowanej powyĪszymi warunkami, oblicza przewidywany
przebieg pojazdu do wymiany oleju.
W silnikach z zapłonem samoczynnym stosowany jest tzw. dotrysk paliwa w koĔcu suwu pracy
i w fazie suwu wydechu silnika. MoĪe to powodowaü przedostawanie siĊ niespalonego oleju napĊdowego do skrzyni korbowej silnika i rozrzedzanie oleju smarowego. Taki stan (wzrost poziomu
oleju) mierzy elektryczny, lub elektroniczny czujnik poziomu oleju. Na tej podstawie obliczany jest
przebieg do koniecznej wczeĞniejszej wymiany oleju niĪ wynikałoby to z ogólnych zasad uĪytkowania oleju w tym silniku.
W układach wydechowych silników z zapłonem samoczynnym stosowane są filtry cząstek stałych (DPF). W zaleĪnoĞci od stylu jazdy kierowcy ulegają one zatkaniu przez te cząstki (sadzĊ)
w róĪnym stopniu. StopieĔ tego zatkania jest bieĪąco mierzony przez róĪnicowy czujnik ciĞnienia
84
Andrzej Gajek
Prognozowanie zuĪycia okładzin ciernych hamulców tarczowych
w procesie eksploatacji pojazdów samochodowych
i na tej podstawie program diagnostyczny prognozuje sposób i okres regeneracji filtra, czyli wypalania sadzy. MoĪe to byü regeneracja pasywna, lub aktywna podczas normalnej eksploatacji
samochodu, albo koniecznoĞü obsługi i regeneracji w serwisie.
Skomplikowany algorytm prognostyczny stosowany jest do szacowania współczynnika przyczepnoĞci przylgowej koła do nawierzchni jezdni, po której porusza siĊ pojazd. Taka informacja jest
potrzebna w algorytmach sterowania układem ABS, a szczególnie układem ESP. PrzyszłoĞciowo,
ta informacja bĊdzie niezbĊdna w układach automatycznego kierowania pojazdem. Opracowana
metoda szacowania maksymalnej wartoĞci współczynnika przyczepnoĞci koła do jezdni polega na
ciągłym obliczaniu zaleĪnoĞci bieĪącej wartoĞci współczynnika przyczepnoĞci ȝ w funkcji poĞlizgu
koła s, w okresach napĊdu pojazdu [7]. Współczynnik przyczepnoĞci ȝ obliczany jest na podstawie
znanego na bieĪąco obciąĪenia silnika Me i przełoĪenia układu napĊdowego oraz nacisku koła na
jezdniĊ, a poĞlizg koła napĊdzanego s na podstawie jego prĊdkoĞci kątowej Ȧk, promienia dynamicznego rd i prĊdkoĞci pojazdu vs. PrĊdkoĞü vs obliczana jest na podstawie prĊdkoĞci kątowej koła
nienapĊdzanego Ȧkt podczas ruchu prostoliniowego: vs = Ȧkt rd
μ=
ω r − vs
Fn
, s= k d
Zk
vs
(1)
Rys. 1. Wyniki pomiarów poĞlizgu (Slip – s) i współczynnika przyczepnoĞci ȝ oraz aproksymacja
liniowa zaleĪnoĞci ȝ(s) (po filtracji wyników) na suchym asfalcie i nawierzchni pokrytej Ğniegiem
ħródło: [7].
WartoĞci ȝ i s są wyliczane na podstawie mierzonych na bieĪąco wartoĞci Me, Ȧk, bez filtracji.
Obliczenie funkcji
(2)
μ = k (s − δ )
gdzie į jest wartoĞcią s dla ȝ=0 obliczaną na podstawie modelu opony i bieĪącej siły napĊdowej
F, wymaga filtracji z zastosowaniem filtra Kalmana o duĪej szybkoĞci działania.
85
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 68, 2014
Nachylenie k funkcji ȝ(s) jest wyraĨnie zaleĪne od współczynnika tarcia nawierzchni, po której
porusza siĊ pojazd (rys. 1). Im wiĊksza wartoĞü nachylenia k tej funkcji tym wiĊkszy jest współczynnik tarcia nawierzchni, po której porusza siĊ koło.
Na podstawie wartoĞci nachylenia k obliczonego z pomiarów ȝ i s do chwili t, szacujemy wartoĞü współczynnika tarcia w chwili t. Na tej podstawie prognozujemy jaka bĊdzie jego wartoĞü
w chwili t + ǻt, gdzie ǻt~0.01s, stosując aproksymacjĊ liniową.
Badania przeprowadzone przez autora [5] wskazują, Īe moĪliwe jest szacowanie współczynnika
przyczepnoĞci przylgowej miĊdzy kołem, a nawierzchnią jezdni w warunkach hamowania z uruchomionym układem ABS na podstawie analizy przyspieszenia koła dȦk/dt w czasie pierwszego cyklu
odhamowania, przez układ ABS. Metoda ta pozwala oszacowaü przedział współczynnika przyczepnoĞci przylgowej koła do nawierzchni jezdni i prognozowaü przyczepnoĞü w nastĊpnym cyklu
działania ABS.
3. MoĪliwoĞci oceny zuĪycia okładzin hamulcowych
Układ hamulcowy pojazdu jest podstawowym układem decydującym o bezpieczeĔstwie czynnym, a wiĊc o moĪliwoĞci unikniĊcia kolizji, lub wypadku. Z tego wzglĊdu jego sprawnoĞü jest
okresowo, obowiązkowo kontrolowana w stacji kontroli pojazdów. RównoczeĞnie, elementy elektryczne i elektroniczne układu ABS są nadzorowane na bieĪąco przez system diagnostyki
pokładowej [2, 9]. Natomiast elementy mechaniczne są znacznie trudniejsze do bezpoĞredniej kontroli i ciągły nadzór nad nimi jest znacznie ograniczony. Nadmierne zuĪycie elementów ciernych
hamulca ma istotny wpływ na wzrost temperatury pary ciernej i obniĪenia współczynnika tarcia
okładzin. Zmniejszenie gruboĞci okładziny hamulcowej powoduje zwiĊkszenie iloĞci ciepła przenikającego do zacisku hamulca i płynu hamulcowego. W sytuacjach dynamicznych jazd
autostradowych i jazd górskich istnieje niebezpieczeĔstwo nagrzewania zacisków hamulcowych do
temperatury ponad 150°C i osiągniĊcie temperatury wrzenia płynu hamulcowego. Taki stan prowadzi do zaniku sił hamujących i niebezpieczeĔstwa groĨnego wypadku.
Ze wzglĊdu na coraz wiĊksze roczne przebiegi samochodów i normalne, eksploatacyjne zuĪycie
elementów ciernych hamulców, ich stan techniczny powinien byü nadzorowany. Zadanie to spełniają obecnie czujniki zuĪycia okładzin ciernych oraz kontrola stanu hamulców podczas badaĔ
okresowych. Czujniki mierzą i sygnalizują osiągniĊcie zuĪycia granicznego okładziny. Realizowane
jest to na zasadzie elektrycznej, lub mechanicznej. Rozwiązania konstrukcyjne są róĪnorodne (rys.
2). Pomiar na zasadzie elektrycznej polega na tym, Īe w okładzinĊ cierną wklejone, lub wciĞniĊte
są jeden lub dwa przewody elektryczne izolowane. Umieszczone są na okreĞlonej głĊbokoĞci, odpowiadającej zuĪyciu granicznemu. Jeden z przewodów jest zasilany. W rozwiązaniu z jednym
przewodem, gdy zuĪycie okładziny osiągnie wartoĞü graniczną, dotyka on tarczy hamulcowej, czyli
obwód jest zwierany do masy. W przypadku dwóch przewodów zwierane są one wzajemnie poprzez
materiał tarczy hamulcowej. ZamkniĊcie obwodu powoduje włączenie lampki sygnalizacyjnej. Rozwiązanie mechaniczne polega na tym, Īe do stalowej podkładki korpusu okładziny przymocowany
jest metalowy element sprĊĪysty (rys. 2a). Gdy okładzina cierna ulegnie zuĪyciu do wartoĞci granicznej, element ten dotyka wirującej tarczy hamulcowej, co powoduje charakterystyczny dĨwiĊk,
słyszalny przez kierującego. Innym rozwiązaniem mechanicznym jest widoczny z zewnątrz zacisku
hamulca wskaĨnik, którego przemieszczenie wzglĊdem zacisku wskazuje na stopieĔ zuĪycia okładzin i tarczy hamulcowej.
86
Andrzej Gajek
Prognozowanie zuĪycia okładzin ciernych hamulców tarczowych
w procesie eksploatacji pojazdów samochodowych
W hamulcach samochodów ciĊĪarowych sterowanych elektronicznie (EBS) stosowane są
układy ciągłego pomiaru zuĪycia okładzin ciernych [12, 14]. Przemieszczenie okładziny wzglĊdem
elementu stałego, spowodowane jej zuĪyciem, jest przekazywane przez układ Ğrubowy, przekładniĊ
łaĔcuchową, lub trzpieĔ przesuwny na czujnik potencjometryczny. Sygnał z potencjometru jest
przekazywany do sterownika hamulców i porównywany z wartoĞcią wystĊpującą przy zuĪyciu granicznym. Porównywane jest równieĪ zuĪycie okładzin hamulców koła prawego i lewego
nadzorowanej osi pojazdu. W przypadku znacznej róĪnicy zuĪycia okładzin jednego z kół sterownik
ogranicza ciĞnienie hamowania w hamulcu koła o wiĊkszym zuĪyciu okładzin aĪ do wyrównania
siĊ zuĪycia miĊdzy okładzinami hamulca koła prawego i lewego. Ten sposób wyrównywania zuĪycia stosowany jest tylko w czasie hamowaĔ łagodnych, mało intensywnych. Rozwiązania te są
skomplikowane i droĪsze od czujników drutowych sygnalizacji zuĪycia granicznego. Stosowane są
tylko w hamulcach sterowanych elektronicznie (EBS) [12, 13,14].
Rys. 2. Przykłady czujników zuĪycia okładzin ciernych hamulców samochodowych
a) czujnik cierny – dĨwiĊkowy, b) czujniki elektryczne – stykowe, do wieloosiowego samochodu ciĊĪarowego, c, d) czujniki indukcyjne przemieszczenia, e) czujnik do wzrokowej oceny
stopnia zuĪycia i sygnalizacji zuĪycia granicznego
ħródło: [12–15].
87
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 68, 2014
Prognozowanie stanu układu na podstawie wyników badaĔ diagnostycznych jest zagadnieniem
trudnym i jak dotychczas tylko w niewielu systemach pojazdów wprowadzono czujniki i oprogramowanie pozwalające na przewidywanie trwałoĞci uĪytkowanych zespołów lub elementów. Dla
uĪytkownika pojazdu istotne jest, z jakim prawdopodobieĔstwem moĪemy prognozowaü stan
obiektu, lub jego elementów.
W układach hamulcowych prognozowanie przebiegu pojazdu do wymiany okładzin nie było
jak dotąd opracowane.
4. Zasada działania czujnika i prognozowania przebiegu pojazdu do wymiany okładzin
ciernych
Opracowany czujnik posiada cztery, lub trzy izolowane przewody elektryczne umieszczone na
róĪnej wysokoĞci w stosunku do powierzchni ciernej nowej okładziny hamulcowej (rys. 3, 4). Przewody mogą byü wbudowane w okładzinĊ lub przymocowane do jej krawĊdzi (rys. 6, 7). Podłączone
są do Ĩródła zasilania o napiĊciu U0 poprzez rezystory R1 ….R4. Przewody 1 i 2 (rys. 3) umieszczone
są w okładzinie na tej samej głĊbokoĞci. Przewód 3 jest umieszczony około 2 mm wyĪej niĪ przewód
2, a przewód 4 na głĊbokoĞci odpowiadającej granicznemu zuĪyciu okładziny. Czujnik zasilany jest
prądem stałym o napiĊciu około 5V. Zasilanie jest doprowadzane w czasie nacisku na dĨwigniĊ
hamulca.
Po początkowym dotarciu i zuĪyciu nowej okładziny do głĊbokoĞci z1 (głĊbokoĞü osadzenia
przewodów 1 i 2), nastĊpuje ich zwarcie poprzez materiał tarczy hamulcowej. Na skutek zwarcia
wystĊpuje przepływ prądu przez rezystory R4 i R1 (rys. 3). Powoduje to spadek napiĊcia ǻU1 na
rezystorze R4. Ten sygnał, rejestrowany przez sterownik ABS, powoduje zapamiĊtanie w programie
diagnostycznym sterownika aktualnego przebiegu samochodu s1 w chwili osiągniĊcia głĊbokoĞci
zuĪycia z1. Po nastĊpnym okresie eksploatacji hamulców dochodzi do zwarcia przewodów 1 i 3
poprzez materiał tarczy hamulcowej. Odpowiada to zuĪyciu okładzin do głĊbokoĞci z2 przy przebiegu s2. Prąd przepływa przez rezystory R4, R1 i R2 (R2«R1), a na rezystorze R4 nastĊpuje spadek
napiĊcia ǻU2. Sygnał ten powoduje zapamiĊtanie przebiegu s2 samochodu w chwili osiągniĊcia głĊbokoĞci zuĪycia z2. PoniewaĪ znana jest odległoĞü miĊdzy koĔcami przewodów 2 i 3, moĪna
obliczyü intensywnoĞü zuĪycia okładziny jako:
Iz = (z2 – z1)/(s2-s1) [mm/km]
(3)
z1 – zuĪycie okładziny po okresie jej docierania, przy przebiegu s1
z2 – zuĪycie okładziny przy przebiegu s2,
Przewód 4 znajduje siĊ na głĊbokoĞci odpowiadającej zuĪyciu granicznemu z3. OdległoĞü miĊdzy
głĊbokoĞcią umieszczenia przewodów 3 i 4 jest znana: ǻz= z3 – z2. MoĪna wiĊc wyliczyü przebieg
pojazdu s3, przy którym zostanie osiągniĊte zuĪycie graniczne:
s3 = Δ z / I z + s 2 =
z3 − z2
( s 2 − s1 ) + s 2 [ km ]
z 2 − z1
z3 – zuĪycie graniczne okładziny,
s3 – szacowany przebieg pojazdu do granicznego zuĪycia okładziny
(4)
88
Andrzej Gajek
Prognozowanie zuĪycia okładzin ciernych hamulców tarczowych
w procesie eksploatacji pojazdów samochodowych
Przy aktualnym przebiegu pojazdu s2’ pozostający do dyspozycji przebieg do wymiany okładzin wynosi:
Δ s = s3 − s2 '[km]
(5)
s2’ – bieĪący przebieg pojazdu
PowyĪsze związki są waĪne przy załoĪeniu liniowej zaleĪnoĞci zuĪycia okładzin od przebiegu
pojazdu. ZałoĪenie to jest słuszne jeĪeli warunki uĪytkowania pojazdu i styl jazdy kierującego są
podobne w analizowanym okresie eksploatacji pojazdu.
Z3
Z2
Z1
Rys. 3. Zasada działania czujnika czteroprzewodowego do sygnalizacji zuĪycia granicznego okładzin hamulcowych i szacowania okresu ich wymiany
ħródło: [3].
W rozwiązaniu uproszczonym czujnik posiada 3 przewody umieszczone w okładzinie, połączone ze Ĩródłem napiĊcia poprzez rezystory R1…R3 (rys. 4). Drugim przewodem obwodu
elektrycznego jest masa samochodu, a obwód zwierany jest poprzez materiał tarczy hamulcowej
i elementy zawieszenia. Jest to rozwiązanie mniej pewne, z powodu moĪliwoĞci pojawienia siĊ przypadkowych rezystancji miĊdzy tarczą hamulcową, piastą koła, zawieszeniem, nadwoziem
i sterownikiem.
89
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 68, 2014
Rys. 4. Zasada działania czujnika trójprzewodowego
ħródło: [3].
Przedstawiona zasada działania czujnika pozwala na indywidualne oszacowanie przebiegu danego pojazdu do wymiany okładzin z uwzglĊdnieniem konkretnych warunków jego uĪytkowania
i stylu jazdy kierującego.
Drugi cel stosowania czujnika, to sygnalizacja zuĪycia granicznego. ZuĪycie okładziny do głĊbokoĞci osadzenia przewodu 4 (rys. 3), lub 3 (rys. 4) powoduje zwarcie przewodu 4 z przewodem 1
poprzez tarczĊ hamulcową (lub zwarcie przewodu 3 z masą pojazdu), przepływ prądu przez rezystor
R3 i sygnalizowanie spadku napiĊcia ǻU3 na rezystorze R4. Jest to sygnał osiągniĊcia zuĪycia granicznego.
Przewody 1 – 4 umieszczone są w okładzinie ciernej (rys. 6), lub zamocowane na niej (rys. 7),
a układ elektryczny poza okładziną, np. w sterowniku. ObniĪa to koszt wykonania czujnika i okładziny z tego typu czujnikiem. Rezystory R1….R4 są tak dobrane (R3«R2«R1), Īe wystĊpuje wyraĨna
róĪnica spadków napiĊü ǻU przy zwieraniu kolejnych przewodów, o około 2 – 3V. Układ elektryczny działa na zasadzie dzielnika napiĊcia ze skokowo zmienną rezystancją 1000, 100, 10kȍ.
Zasilanie czujnika i pomiar spadku napiĊcia na rezystorze R4 jest realizowane poprzez program diagnostyczny w sterowniku ABS.
5. Budowa czujnika
W rozwiązaniu polegającym na umieszczeniu czujnika w okładzinie, przewody elektryczne
umieszczone są w krzyĪaku 5 (rys. 5), lub w trzpieniu z otworami, wykonanym z tworzywa termoodpornego (rys. 6). Pozwala to odizolowaü je od przypadkowego kontaktu z elementami
metalowymi w okładzinie hamulca.
Drugie rozwiązanie konstrukcyjne polega na zamocowaniu bezpoĞrednio do krawĊdzi okładziny czterech przewodów elektrycznych (rys. 7). PrzyciĊte na odpowiednią długoĞü spełniają tĊ
samą rolĊ co przewody wbudowane wewnątrz okładziny. UłoĪenie przewodów powinno byü takie
aby ich Ğcieranie nie powodowało wzajemnego zwierania. MoĪna to uzyskaü mocując je na róĪnych
promieniach działania sił tarcia miĊdzy okładziną i tarczą hamulcową. Jest to rozwiązanie prostsze
i taĔsze w produkcji.
90
Andrzej Gajek
Prognozowanie zuĪycia okładzin ciernych hamulców tarczowych
w procesie eksploatacji pojazdów samochodowych
a)
b)
Rys. 5. Czteroprzewodowy czujnik zuĪycia okładzin hamulca mocowany wewnątrz okładziny
a) przekrój, b) widok od strony stalowej płytki mocowania okładziny ciernej, 1, 2, 3, 4 –
przewody elektryczne, 5 – krzyĪak, 6 – tulejka z kołnierzem, 7 – okładzina cierna, 8 – stalowa
płytka nakładki hamulcowej, 9 – izolacja
ħródło: [3].
Izolacja powinna byü termoodporna, a przewody najkorzystniej elastyczne wĊglowe, ulegające
stopniowemu Ğcieraniu i nieniszczące tarczy hamulcowej. MoĪe to byü czujnik 3 lub 4-ro przewodowy. Układ elektryczny tego czujnika jest taki jak dla czujnika wbudowanego w okładzinĊ.
Czujniki powinny byü umieszczone w okładzinach obu kół przednich, lub wszystkich kół.
ZuĪycie graniczne okładziny jest sygnalizowane Ğwietlnie – błyskowo, po jego osiągniĊciu. Prognozowany przebieg do wymiany okładzin moĪe byü odczytywany poprzez komputer pokładowy, na
Īyczenie kierowcy.
Rys. 6. Czujnik zuĪycia okładziny i umiejscowienie czujnika w okładzinie hamulcowej
ħródło: [4].
91
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 68, 2014
Rys. 7. Prototyp czteroprzewodowego czujnika zuĪycia okładziny z przewodami mocowanymi
do bocznej powierzchni okładziny
ħródło: [4].
6. Strategia sygnalizacji zuĪycia granicznego
Nadzorowane diagnostycznie okładziny cierne podlegają stopniowemu zuĪyciu – degradacji.
Przekroczenie wartoĞci granicznych zuĪycia nie powoduje natychmiastowych skutków negatywnych i nie jest zauwaĪalne przez kierowcĊ w postaci nagłego zmniejszenia skutecznoĞci hamowania.
Dla tego typu przebiegów, w których pojawienie siĊ uszkodzenia nie powoduje natychmiastowych
reakcji, wskazane jest ustalenie z maksymalnym prawdopodobieĔstwem, Īe usterka wystąpiła. Unikamy przez to wystąpienia tzw. błĊdów typu alfa, czyli fałszywych alarmów, to znaczy sygnalizacji
niesprawnoĞci, podczas gdy obiekt jest sprawny. Takie błĊdy powodują zwiĊkszone koszty niepotrzebnych przeglądów i przestojów. PodwaĪają zaufanie do producenta pojazdu i systemu
diagnostyki pokładowej. Dla układów degradujących siĊ stopniowo moĪe byü stosowana strategia
potwierdzenia symptomu SPS, lub strategia Ğredniej kroczącej z wagą [9]. W strategii SPS, w diagnostyce samochodowej, sygnalizacja uszkodzenia nastĊpuje dopiero w drugim cyklu jezdnym,
w którym powtórzyła siĊ usterka stwierdzona w cyklu pierwszym.
Procedura wykrywania zuĪycia okładzin jest procedurą warunkową, to znaczy stan okładzin
moĪe byü kontrolowany w cyklu jezdnym, w którym wystąpiło hamowanie. W praktyce, w czasie
trwania jednego cyklu jezdnego moĪe wystąpiü wiele hamowaĔ, czyli wiele wyników badania diagnostycznego. W przypadku wykrycia symptomu uszkodzenia, czyli granicznego zuĪycia
okładziny, system diagnostyczny zapamiĊtuje kod uszkodzenia (kod błĊdu oczekującego) i prĊdkoĞü
pojazdu, przy której wykrył usterkĊ. Kierowca nie jest powiadamiany o tym wykryciu, nawet w sytuacji powtórzenia siĊ wyniku negatywnego w tym cyklu. JeĪeli symptom tego samego uszkodzenia
tej samej okładziny został wykryty w nastĊpnym cyklu jezdnym, to jest zapamiĊtywany kod błĊdu
zarejestrowanego i uaktywniana jest sygnalizacja Ğwietlna – błyskowa, w kilku sekwencjach po
kilka impulsów Ğwietlnych. W nastĊpnych cyklach jezdnych sygnalizacja jest włączana po włączeniu zapłonu i gaĞnie po ruszeniu i przekroczeniu około 8 km/godz. JeĪeli w nastĊpnych cyklach
jezdnych z hamowaniem symptom tego uszkodzenia nie został wykryty, to sygnał Ğwietlny zostaje
wyłączony, ale kod błĊdu zarejestrowanego jest pamiĊtany.
92
Andrzej Gajek
Prognozowanie zuĪycia okładzin ciernych hamulców tarczowych
w procesie eksploatacji pojazdów samochodowych
7. Podsumowanie
Podstawowe cele prognozowania diagnostycznego to:
– szacowanie czasu lub przebiegu do osiągniĊcia wartoĞci granicznej obserwowanego parametru,
– oszacowanie parametru diagnostycznego dla zadanego horyzontu diagnozy.
W opracowanej metodzie osiągniĊto cel pierwszy, to znaczy moĪliwoĞü oszacowania przebiegu
pojazdu do koniecznej wymiany okładzin hamulcowych.
SzybkoĞü zuĪywania siĊ okładzin hamulcowych zaleĪy przede wszystkim od techniki jazdy
oraz od warunków uĪytkowania pojazdu. Z tego powodu wystĊpują bardzo duĪe rozbieĪnoĞci
w przebiegach samochodów do wymiany okładzin. Zaletą proponowanego czujnika jest moĪliwoĞü
indywidualnej oceny intensywnoĞci zuĪywania siĊ okładzin w samochodzie, z uwzglĊdnieniem warunków jego uĪytkowania i stylu jazdy kierowcy. Wiarygodne przewidywanie terminu koniecznej
naprawy jest szczególnie istotne przy uĪytkowaniu pojazdu na dalekich dystansach i pozwala uniknąü nieprzewidzianych, a koniecznych obsług podczas długich podróĪy.
Opracowana zasada działania czujnika stanu okładziny pozwala oszacowaü intensywnoĞü jej
zuĪywania i na tej podstawie prognozowaü przebieg pojazdu do wymiany okładzin oraz zasygnalizowaü zuĪycie graniczne okładziny.
Opracowane rozwiązanie pozwala rozszerzyü dotychczasowy zakres diagnostyki pokładowej
układu hamulcowego obejmujący elementy elektryczne układu ABS, na elementy mechaniczne tego
układu. Biorąc pod uwagĊ duĪe roczne przebiegi samochodów, kontrola pokładowa jest waĪnym
uzupełnieniem okresowych, stacjonarnych badaĔ hamulców w stacji kontroli pojazdów.
Bibliografia
1. Cempel Cz., Tabaszewski M.: Zastosowanie teorii szarych systemów do modelowania i prognozowania w diagnostyce maszyn. Diagnostyka 42/2007.
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.: Patent: Czujnik zuĪycia okładzin ciernych, zwłaszcza okładzin hamulca tarczowego. Nr P 385990/2013.
4. Gajek A.: Konstrukcja czujnika zuĪycia okładziny – badania własne, Politechnika Krakowska, Kraków, 2011.
5. Gajek A., Walczak St.: Analiza moĪliwoĞci oceny współczynnika przyczepnoĞci miĊdzy kołem
a jezdnią podczas hamowania prostoliniowego. Archiwum Motoryzacji, nr 2/2006. Polskie
Towarzystwo Naukowe Motoryzacji, Warszawa 2006.
6. Gronowicz W.: Brake pad wear sensor. US Pat. 6302241. 10/2001.
7. Gustafsson F.: Slip-Based Tire-Road Friction Estimation. Automatica, 33/1997.
8. Jaworski J.: Materiały cierne hamulców i sprzĊgieł. WKŁ, W-wa 1986.
9. Merkisz J., Mazurek St.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych
OBD. WKŁ, W-wa 2007.
10. Tabaszewski M.: Metody doboru modeli prognostycznych w automatycznych systemach diagnostycznych. Diagnostyk, 30/2004.
11. Tylicki H.: Problemy rozpoznawania stanu maszyn. Diagnostyka, 30/2004.
93
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 68, 2014
12. Disc Brake – description and function. KNORR-BREMSE 2007.
13. Pneumatic disc brake. KNORR BREMSE 2007, 2013.
14. Continuous wear sensor for air disc brakes. WABCO. www.wabco-auto.com.
15. Brake pad wear indicator for disc brakes with trailers EBS. www.wabco-auto.com.
16. TEBS E. Elektroniczny układ hamulcowy do przyczep WABCO, 2012, www.wabco.info.
17. Vario Compact ABS 2nd generation, WABCO2007. www.wabco-auto.com.
18. European Braking Systems www. europeanbrakingsystems.co.uk.
PREDICTION OF THE DISC BRAKE PADS WEAR DURING EXPLOITATION
OF THE VEHICLES
Summary
The paper presents the possibilities of the diagnostic prediction of the automotive
systems. The construction and principle of the disc brake pads wear sensor operation
is shown. The algorithm of the mileage calculation to the boundary wear of the brake
pads is presented. The strategy of the brake pads wear signalization is shown.
The method allows to calculate the intensity of the brake pads wear and to calculate
the mileage to the necessity replacement of the pads. Proposed method allows to extend the on board diagnostics system on the mechanical parts of the brakes.
Keywords: diagnostic, prediction, brakes, sensors, wear
Andrzej Gajek
Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych
Politechnika Krakowska
email: [email protected]
Praca zrealizowana w ramach tematu nr M-4/84/2013/DS. z dotacji MNiSzW