Hamulce hydrauliczne - Polskie Towarzystwo Inżynierów

Hamulce hydrauliczne - Polskie Towarzystwo Inżynierów

Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
Hamulce hydrauliczne
Autor: Piort Gębiś
20.04.2010.
Zmieniony 20.04.2010.
Hydrauliczne systemy hamulcowe używane są obecnie we wszystkich samochodach osobowych i
dostawczych, a także w większości jednośladów i niektórych lekkich przyczepach samochodowych.
Fot. Bosch viewonly=Public} Dostęp do pełnej wersji artykułu po zalogowaniu. {/viewonly}
{hidefrom=Public}
Rozwiązanie polegające na hydraulicznym przenoszeniu siły z pedału hamulca do mechanizmów
hamujących poszczególne koła pojawiło się w technice motoryzacyjnej ponad 80 lat temu i zastąpiło
układy mechaniczne działające wówczas tylko na tylne koła samochodów. Nacisk wywierany na tłok
pompy powodował, zgodnie z prawem Pascala, jednakowy we wszystkich kierunkach wzrost ciśnienia
płynu w zamkniętym układzie rurowych przewodów, dzięki czemu oba hamulce tylnej osi, uruchamiane
tłokowymi siłownikami, działały zawsze jednakowo bez konieczności częstych regulacji i niezależnie od
aktualnej pozycji tylnego zawieszenia. W dodatku przy zastosowaniu średnicy tłoka mniejszej w pompie
niż w cylindrach siłowników uzyskiwało się hydrauliczną przekładnię zmniejszającą potrzebną siłę nacisku
na pedał za cenę wydłużenia jego roboczego skoku (w układach mechanicznych podobny, choć mniej
ergonomiczny efekt dawało wydłużenie ramienia pedału). Potem wprowadzenie przewodów elastycznych
umożliwiło równoczesne hamowanie przednich kół kierowanych, co więcej niż dwukrotnie zwiększyło
ogólną skuteczność całego układu hamulcowego. W ten sposób ujawniły się wszystkie zalety hamulców
hydraulicznych, a dalszy ich rozwój polegał już tylko na kolejnym usuwaniu ich rozmaitych wad.
Hamowanie przy zmiennym obciążeniu osi Najpierw okazało się, że skuteczność przednich i tylnych
hamulców nie powinna być jednakowa, ponieważ w trakcie hamowania przód pojazdu ulega dociążeniu, a
tył – odciążeniu. Słabszy skutkiem tego docisk tylnych kół do podłoża powoduje ich blokowanie
się, grożące niebezpiecznym poślizgiem bocznym, zwłaszcza na łukach drogi. Zaczęto więc montować z
tyłu hamulce o mniejszej powierzchni ciernej, z siłownikami hydraulicznymi o mniejszych średnicach
cylindrów albo z pojedynczymi siłownikami z tyłu przy podwójnych z przodu. Nie rozwiązało to jednak
problemu całkowicie, gdyż docisk kół do nawierzchni zależy przecież także od stopnia i rozkładu
obciążenia pojazdu. Inne proporcje siły hamowania przednich i tylnych kół są optymalne dla samochodu z
kompletem pasażerów i bagażu, a inne – przy obciążeniu samym kierowcą. Dlatego w
hydraulicznych układach hamulcowych pojawił się dodatkowy element, zwany korektorem lub
ogranicznikiem siły hamowania kół tylnych. Jest to przeważnie zawór suwakowy, ograniczający dopływ
płynu do tylnych hamulców na skutek działania jednego z trzech stosowanych systemów:
- mechanicznego czujnika ugięcia zawieszenia,
- bezwładnościowego czujnika zmian prędkości jazdy,
- hydraulicznego czujnika szybkiego wzrostu ciśnienia w układzie. Pierwsze z wymienionych rozwiązań
uzależnia siłę hamowania kół tylnych od statycznego i dynamicznego obciążenia pojazdu, a dwa pozostałe
– od intensywności jego hamowania, co również wiąże się (pośrednio) z rozkładem obciążenia obu
osi. Ryzyko awarii Równoczesne i równomierne działanie hydraulicznego układu hamulcowego, złożonego
z jednej tłokowej pompy, czterech siłowników przy kołach pojazdu i przewodów łączących te elementy,
oznacza, oprócz wspomnianych uprzednio zalet, także pewną, bardzo istotną wadę. Otóż każda utrata
szczelności, niezależnie od tego, której z tych części dotyczy, wiąże się nieuchronnie z pełną awarią
całego systemu. Gdy taka sytuacja ujawnia się w trakcie jazdy, przy próbie hamowania, pozostaje do
dyspozycji kierowcy jedynie mechaniczny hamulec pomocniczy o niewielkiej skuteczności działania. W
związku z tym opracowano konstrukcję układu z dwoma niezależnymi obwodami hydraulicznymi,
obsługiwanymi przez oddzielne sekcje podwójnej pompy hamulcowej. Ma ona dwa tłoki poruszające się
współosiowo we wspólnym cylindrze. Nacisk pedału hamulca przekazywany jest na tłok zewnętrzny, a
wytworzone w ten sposób ciśnienie działa zarówno na hamulce kół połączonych z pierwszym obwodem
hydraulicznym, jak i na tłok wewnętrzny, który przesuwając się, zwiększa ciśnienie w hamulcach drugi
ego obwodu. Ewentualna nieszczelność pierwszego obwodu sprawia, że tłok zewnętrzny, nie napotkawszy
oporu płynu, wsuwa się bardziej w głąb cylindra i naciska bezpośrednio na tłok wewnętrzny, zwiększając
ciśnienie w jego obwodzie. Przy nieszczelności drugiego obwodu tłok wewnętrzny podczas naciskania
pedału dochodzi do końca cylindra pompy, a funkcję sprężającą pełni (dla pierwszego obwodu) wyłącznie
tłok wewnętrzny. W przypadku utraty szczelności któregoś z tłoków pompy zaczyna ona działać jako
jednosekcyjna: na oba obwody (gdy uszkodzone jest uszczelnienie tłoka wewnętrznego) albo tylko na
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 7-03-2017, 20:10
Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
obwód drugi (jeśli nieszczelny jest tłok zewnętrzny). Obowiązek stosowania w samochodach z hamulcami
hydraulicznymi układów wieloobwodowych wprowadzono w roku 1967 w Stanach Zjednoczonych, a nieco
później także w Europie. Ustanowione wówczas przepisy wymagają, by awaria jednego obwodu
hamulcowego nie zmniejszała całkowitej skuteczności hamowania bardziej niż do 30%. Obwody
początkowo dzielono na przedni i tylne, potem korzystniejsze okazało się łączenie hamulców po
przekątnych podwozia, ale w takich układach trzeba było stosować już po dwa ograniczniki siły
hamowania (po jednym dla każdego tylnego koła). Ryzykownym elementem hydraulicznych układów
hamulcowych jest również sam płyn roboczy. Najczęściej stosowane płyny poliglikolowe są substancjami
higroskopijnymi, więc niezależnie od sposobu i warunków eksploatacji układu hamulcowego, a także od
stopnia zużycia innych jego części, ulegają z czasem rozcieńczeniu wodą. Obniża się wówczas
temperatura wrzenia płynu i rośnie (w skali bezwzględnej) temperatura jego krzepnięcia. Pierwszy z tych
czynników grozi utratą skuteczności hamowania z powodu tworzenia się pęcherzyków pary wodnej w
rozgrzanych siłownikach hamulcowych, drugi daje skutki podobne, gdy płyn zamarza w układzie podczas
mrozów. Z tych względów konieczne jest regularne diagnozowanie (za pomocą specjalnych testerów) i
cykliczna wymiana płynu hamulcowego, co komplikuje obsługę pojazdu i może (w przypadku zaniedbań)
wpływać negatywnie na ogólne bezpieczeństwo ruchu drogowego. Konieczność wspomagania Dodatkowe
urządzenia wspomagające siłę kierowcy w trakcie uruchamiania hamulców pedałem pojawiły się najpierw
w samochodach luksusowych, by zwiększyć komfort ich prowadzenia. Szybko okazało się jednak, że
mechanizmy wspomagające mają do spełnienia zadania znacznie poważniejsze i bardziej powszechne.
Przy coraz większych prędkościach i przyspieszeniach pojazdów wszystkich kategorii, w tym także
dostawczych, musiała wzrastać skuteczność ich układów hamulcowych, zależna w krytycznych sytuacjach
zarówno od siły, jak i od szybkości naciskania pedału, czego nie można było poprawić za pomocą
wspomnianej wcześniej zmiany przełożeń mechanicznych i hydraulicznych. Poza tym źle jest, gdy w
intensywnym ruchu drogowym rzeczywista droga hamowania warunkowana jest przez indywidualne
fizyczne predyspozycje kierowców. Pierwszym rozwiązaniem tych problemów był (najpopularniejszy i
obecnie) wspomagający system podciśnieniowy. Polegał on na umieszczeniu pomiędzy pedałem hamulca
a pompą hamulcową siłownika przeponowego, połączonego do układu dolotowego silnika z zapłonem
iskrowym. W układach tych po przymknięciu przepustnicy wytwarza się znaczne podciśnienie
wywoływane ssącym działaniem tłoków. Podczas hamowania przepustnica jest z reguły przymknięta,
ponieważ kierowca przekłada wówczas prawą nogę z pedału przyspieszenia na pedał hamulca. Jeśli
naciśnięcie tego pedału powoduje otwarcie zaworu łączącego tylną komorę siłownika przeponowego z
atmosferą przy podciśnieniu panującym w komorze przedniej, następuje ugięcie przepony i nacisk jej
trzpienia na zewnętrzny tłok pompy hamulcowej. Cofnięcie pedału wiąże się z ponownym zamknięciem
zaworu i zrównoważeniem się ciśnienia po obu stronach przepony, a następnie z jej ruchem powrotnym
pod naciskiem sprężyny. Awaria siłownika wspomagającego oznacza konieczność silniejszego naciskania
pedału, lecz nie zakłóca działania pozostałych części układu hamulcowego. Przekazywanie sił hamowania
do wszystkich kół równocześnie i równomiernie za pośrednictwem płynu było rozwiązaniem bardzo
racjonalnym do czasu, gdy praca ludzkich mięśni przestała być jedynym, a nawet głównym źródłem
napędu pomp hamulcowych. Do lat 80. zeszłego stulecia podciśnieniowe systemy wspomagania znalazły
zastosowanie we wszystkich wprowadzanych na rynek modelach samochodów osobowych, dostawczych i
terenowych. Pewne kłopoty wystąpiły w przypadku lżejszych pojazdów z silnikami wysokoprężnymi (w
ciężarówkach i autobusach już znacznie wcześniej układy hydrauliczne zastąpiono pneumatycznymi).W
układach dolotowych silników wysokoprężnych nie ma z reguły przepustnic, więc podciśnienie musi być
wytwarzane dodatkową pompą napędzaną od układu korbowego, przez co całe urządzenie wspomagające
staje się dość skomplikowane, a tym samym – bardziej podatne na awarie.
Skuteczność
hamowania wzrasta wraz z siłą wzajemnego docisku elementów ciernych hamulca, lecz tylko do
momentu tzw. zerwania przyczepności, czyli nagłej utraty ciernego sprzężenia między bieżnikiem opony a
nawierzchnią jezdni. Koło ulega wówczas zablokowaniu i ślizga się zamiast toczyć, więc droga hamowania
znacznie się wydłuża, a stabilność toru jazdy może zostać łatwo zakłócona. Graniczna wartość siły
hamowania zależy tutaj od rodzaju drogi, stanu ogumienia, warunków klimatycznych, prędkości pojazdu
itp. Nieliczni kierowcy umieją opanowywać takie sytuacje, zwalniając na krótko pedał hamulca w celu
odzyskania przyczepności kół i podejmując ponowne hamowanie, lecz auta są przecież przeznaczone dla
wszystkich.
Systemem wyręczającym kierowców w trudnej sztuce sekwencyjnego hamowania jest
ABS. Jego część elektroniczna rozpoznaje za pomocą czujników prędkości obrotowej poszcze- gólnych kół
zbliżający się moment utraty przyczepności i podejmuje automatycznie stosowne przeciwdziałania,
ingerując w funk- cjonowanie hydraulicznego układu hamulcowego. Odblokowanie hamulców jest w tym
wypadku stosunkowo proste: elektrycznie uruchamiany zawór umieszczony w hydraulicznym obwodzie
otwiera pod wpływem impulsu wysłanego przez elektroniczny sterownik ujście płynu do połączonego
z atmosferą zbiornika rezer- wowego. Następuje więc całkowity zanik nadciśnienia i roz- dzielenie
ciernych powierzchni hamulców.
Do rozpoczęcia ponownego hamowania nie wystarczy jednak
zamknięcie wspomnianego elektrozaworu, gdyż trzeba poza tym zwiększyć ciśnienie płynu w obwodzie.
Do tego służy drugi zawór elektryczny, łączący obwód z wysokociśnieniowym, zamkniętym zbiornikiem
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 7-03-2017, 20:10
Polskie Towarzystwo Inżynierów Motoryzacji SIMP
płynu, czyli tzw. akumulatorem ciśnienia wytwarzanego przez dodatkową pompę elektryczną. Po jego
otwarciu hamowanie rozpoczyna się ponownie już bez udziału kierowcy w cyklach trwających aż do
cofnięcia pedału. Podczas automatycznego hamowania pedał ten pozostaje zablokowany w nadanej mu
przez kierowcę pozycji, gdyż w przeciwnym razie poruszałby się on w trakcie kolejnych cykli na całej
długości swego roboczego skoku. Układ hydrauliczny z zewnętrznym źródłem ciśnienia może z udziałem
odpowiednio zaprogramowanych sterowników dozować siłę hamującą osobno dla każdego z hamowanych
kół, korygować hamulcami tor jazdy (system ESP) lub samoczynnie zwiększać do maksimum ciśnienie
płynu w siłownikach hamulcowych, gdy kierowca na pedał naciska raptownie, choć z niedostateczną siłą
(funkcja tzw. asystenta hamowania). Niezawodność tak skomplikowanych systemów zapewnia
dublowanie układów elektronicznych i stosowanie w jednostce sterującej programu samodiagnozy.
Wszelkie informacje odbiegające od zakodowanego wzorca poprawności powodują natychmiastowe
wyłączenie
ABS-u, sygnalizowane żółtą kontrolką na tablicy przyrządów. Układ hamulcowy działa wówczas jak
zwykły dwuobwodowy ze wspomaganiem, które może być realizowane siłownikiem hydraulicznym
zasilanym z akumulatora ciśnienia (co wymaga dodatkowych zabezpieczeń na wypadek awarii ABS) albo
tradycyjnie – siłownikiem podciśnieniowym. Nawet tak ogólny opis najnowszych hydraulicznych
systemów hamulcowych mógłby budzić podziw dla finezji stosowanych w nich rozwiązań technicznych,
gdyby nie fakt, że dotyczy to w większości urządzeń... całkowicie zbędnych! Wszystkie wspomniane
funkcje automatyczne są przy nadciśnieniowych, pneumatycznych układach hamulcowych ciężkich
pojazdów uzyskiwane w sposób prostszy, tańszy i bardziej niezawodny. Wystarczą do tego tylko
odpowiednio umieszczone elektrozawory, nie potrzeba dodatkowych akumulatorów ciśnienia, pomp,
mechanicznych blokad i siłowników wspomagających, a co najważniejsze: jakakolwiek awaria hamulców
pneumatycznych nie powoduje całkowitej ani nawet częściowej utraty kontroli nad pojazdem, lecz jego
niezwłoczne zatrzymanie.
Rys.: Elementy systemu ESP – hydrauliczna część
wysokociśnieniowa jest wspólna z ABS {/hidefrom}
http://ptim.simp.pl/ptim
Kreator PDF
Utworzono 7-03-2017, 20:10