Gajek Andrzej, Możliwość prognozowania - Autobusy

Andrzej GAJEK
MOŻLIWOŚĆ PROGNOZOWANIA ZUŻYCIA
OKŁADZIN CIENRYCH HAMULCÓW
W SYSTEMIE DIAGNOSTYKI POKŁADOWEJ
POJAZDÓW
Streszczenie
W publikacji przedstawiono budowę i zasadę działania czujnika zużycia okładzin ciernych hamulców tarczowych oraz algorytm obliczania przebiegu pojazdu do koniecznej wymiany okładzin, na podstawie wskazań tego czujnika. Metoda ta pozwala rozszerzyć zakres diagnostyki pokładowej pojazdów
samochodowych na elementy mechaniczne układu hamulcowego oraz prognozować trwałość okładzin
ciernych.
WSTĘP
Dotychczas stosowane czujniki zużycia okładzin ciernych hamulców tarczowych samochodów osobowych mierzą osiągnięcie zużycia granicznego okładziny. Realizowane jest to
na drodze elektrycznej, lub mechanicznej. Pomiar elektryczny polega na tym, że w okładzinę
cierną wklejone, lub wciśnięte są dwa izolowane przewody elektryczne. Umieszczone są na
określonej głębokości, odpowiadającej zużyciu granicznemu. Gdy zużycie okładziny osiągnie
wartość graniczną, izolacja przewodów zostanie starta i poprzez materiał tarczy hamulcowej
są one zwierane. Zamknięcie obwodu powoduje włączenie lampki sygnalizacyjnej [1, 7].
Rozwiązanie mechaniczne polega na tym, że do stalowej podkładki korpusu okładziny przymocowany jest element sprężysty – blaszka. Gdy okładzina cierna ulegnie zużyciu do wartości granicznej, blaszka dotyka elementu wirującego – tarczy hamulcowej, co powoduje charakterystyczny dźwięk, słyszalny przez kierującego. Takie rozwiązanie stosowała, np. firma
Toyota.
W hamulcach samochodów ciężarowych stosowane są niekiedy układy ciągłego pomiaru
zużycia okładzin ciernych [6, 8]. Przemieszczenie okładziny względem elementu stałego,
spowodowane jej zużyciem, jest przekazywane przez układ śrubowy, lub dźwigniowy na potencjometr. Sygnał z potencjometru jest przekazywany do sterownika hamulców i porównywany z wartością występującą przy zużyciu granicznym. Rozwiązanie to jest droższe od czujników drutowych sygnalizacji zużycia granicznego. Ten sposób pomiaru stosowany jest
w hamulcach pneumatycznych sterowanych elektronicznie (EBS), w których stosowana jest
funkcja wyrównywania zużycia okładzin ciernych hamulców kół: prawego i lewego.
AUTOBUSY
1
1. BUDOWA I DZIAŁANIE CZUJNIKA
Czujnik posiada cztery izolowane przewody elektryczne wbudowane na różną głębokość
w okładzinę cierną nakładki hamulcowej (rys. 1), lub przymocowane do krawędzi okładziny
(rys. 4). Podłączony jest do źródła zasilania o napięciu U0 poprzez rezystory R1 …. R4. Przewody 1 i 2 umieszczone są w okładzinie na tej samej głębokości. Przewód 3 jest umieszczony
około 2 mm wyżej niż przewód 2, a przewód 4 na głębokości odpowiadającej granicznemu
zużyciu okładziny. Czujnik zasilany jest prądem stałym o napięciu około 5 V. Zasilanie jest
doprowadzane w czasie nacisku na pedał hamulca.
Po początkowym zużyciu okładziny do głębokości osadzenia przewodów 1 i 2 (głębokość z1), następuje ich zwarcie poprzez materiał tarczy hamulcowej. Na skutek zwarcia występuje przepływ prądu przez rezystory R1 i R4 (rys. 1). Powoduje to spadek napięcia ΔU1 na
rezystorze R4. Ten sygnał, rejestrowany przez sterownik ABS, powoduje zapamiętanie w programie diagnostycznym sterownika aktualnego przebiegu s1 samochodu w chwili osiągnięcia
głębokości zużycia z1. Po następnym okresie eksploatacji hamulców dochodzi do zwarcia
przewodów 1 i 3 poprzez materiał tarczy hamulcowej. Odpowiada to zużyciu okładzin do
głębokości z2. Prąd przepływa przez rezystory R1 i R2 (R2«R1), a na rezystorze R4 następuje
spadek napięcia ΔU2. Sygnał ten powoduje zapamiętanie przebiegu s2 samochodu w chwili
osiągnięcia głębokości zużycia z2. Ponieważ znana jest odległość między końcami przewodów 1 i 3, można obliczyć intensywność zużycia okładziny jako:
Iz = (z2 – z1)/(s2-s1) [mm/km]
(1)
Przewód 4 znajduje się na głębokości odpowiadającej zużyciu granicznemu z3. Ponieważ
znana jest odległość między głębokością zatopienia przewodów 3 i 4 Δz = z3 – z2, można wyliczyć przebieg pojazdu s3, przy którym zostanie osiągnięte zużycie graniczne:
s3 = Δ z / I z + s 2 = ( z 3 − z 2 ) / I z + s 2 [ km ]
(2)
oraz pozostający do dyspozycji przebieg do wymiany okładzin:
Δ s = s3 − s2 [km]
(3)
Przy obliczeniu przebiegu do wymiany okładzin przyjmuje się liniową zależność zużycia
od przebiegu.
Z3
Z2
Z1
Rys. 1. Zasada działania czujnika czteroprzewodowego i układu pomiarowego do oceny intensywności zużycia okładzin ciernych hamulca i szacowania okresu ich wymiany oraz do
sygnalizacji zużycia granicznego
2 AUTOBUSY
a)
b)
Rys. 2. Czteroprzeewodowy czu
ujnik zużyciaa okładzin hamulca,
h
a) przekrój,
p
b) widok od sttrony
stalowej płyytki mocowaania okładziiny ciernej, 1,
1 2, 3, 4 – prrzewody elek
ktryczne, 5 – krzyżak, 6 – tullejka z kołniierzem, 7 – okładzina
o
ciierna, 8 – staalowa płytkaa nakładki hamulh
cowej, 9 – izolacja
i
Pow
wyżej opisanne działaniee czujnika pozwala
p
na indywiduallne oszacow
wanie przeb
biegu danego poojazdu do wymiany
w
okłładzin, dla konkretnych
k
h warunków
w jego użytkkowania i stylu
s
jazdy kieruującego.
Druugi cel stosoowania czuujnika, to syygnalizacja zużycia grranicznego. Zużycie ok
kładziny
do głębookości osaddzenia przew
wodu 4 pow
woduje zwaarcie tego prrzewodu z pprzewodem 1, przepływ prrądu przez rezystor
r
R3 (R3«R2) i syygnalizowan
nie spadku napięcia ΔU
U3 na rezysttorze R4.
Jest to sygnał
s
osiąggnięcia zużyycia graniczznego.
Przeewody 1-4 umieszczonne są w okłaadzinie cierrnej (rys. 3), lub naklejone na niej (rys. 4),
a elemeenty elektrycczne (rezysstory) poza okładziną. Obniża
O
to koszt
k
wymiaany okładziin z tego
typu czuujnikiem. Rezystory
R
R1….R4 są taak dobrane, że występpuje wyraźnna różnica spadków
s
napięć ΔU
Δ przy zw
wieraniu kollejnych przeewodów, o około 2-3 V.
V Układ elektryczny działa
d
na
zasadziee dzielnika napięcia ze
z skokowoo zmienną rezystancją
r
1000, 1000, 10 kΩ. Zasilanie
Z
czujnikaa i pomiar spadku
s
napiięcia na rezystorze R4 jest
j realizow
wane poprzez program
m diagnostycznyy w sterownniku ABS. W rozwiąązaniu upro
oszczonym czujnik poosiada 3 prrzewody
umieszcczone w okłładzinie, poołączone ze źródłem naapięcia poprrzez rezystoory R1…R3. Drugim
przewoddem obwoddu elektryczznego jest masa
m
samoch
hodu, a obw
wód zwieranny jest poprrzez materiał taarczy hamullcowej i elem
menty zawiieszenia. Jest to rozwiąązanie mnieej pewne, z powodu
możliwoości pojawiienia się przzypadkowycch rezystanccji między tarczą
t
hamuulcową, piaastą koła,
zawieszzeniem, naddwoziem i stterownikiem
m.
Zapproponowanno dwa rozwiązania konstrukcyjn
k
ne. W rozw
wiązaniu pieerwszym prrzewody
elektrycczne umieszzczone są w krzyżaku, lub w trzpieeniu z otwoorami, wykoonanym z tw
worzywa
termooddpornego (rrys. 2, 3). Pozwala to odizolować
o
je od przyppadkowych elementów
w metalowych (oopiłków) w okładzinie hamulca. Drugie
D
rozw
wiązanie konnstrukcyjnee jest prostssze i tańsze w prrodukcji (ryys. 4). Do krawędzi
k
okłładziny zam
mocowano bezpośredni
b
io 4 przewo
ody elektryczne przy pomoocy specjalnnego kleju. Przycięte na
n odpowieddnią długośść spełniają tę samą
p
Icch ułożenie powinno byyć takie aby
y ścierarolę co przewody w czujniku opisanym powyżej.
nie się przewodów
p
w nie powoddowało wzajjemnego zw
wierania, czzyli na różnyych promien
niach sił
tarcia. Istotny
I
jest rodzaj izolaacji i materiiał przewod
dów. Izolacjja powinna być termoo
odporna,
a przew
wody najkorrzystniej elaastyczne węglowe,
w
uleegające stoppniowemu ścieraniu i nieniszczące taarczy hamullcowej. Może to być czzujnik trzy-- lub czteropprzewodow
wy. Układ ellektryczny tego czujnika jeest taki jak dla
d czujnikaa wbudowan
nego w okłaadzinę.
AU
UTOBUSY
Y
3
Rys. 3. Widok czujjnika zużyciia okładzinyy i umiejscow
wienie czujn
nika w boczn
nej części ok
kładziny
hamulcoweej
Rys. 4. Widok czteeroprzewodoowego czujn
nika zużycia
a okładziny z przewodam
mi przyklejo
onymi
do bocznej powierzchn
ni okładzinyy
Czuujniki powinnny być um
mieszczone w okładzinaach obu kół przednich, lub wszystk
kich kół,
a odczyyt prognozoowanego przebiegu do wymiany okładzin poowinien być możliwy poprzez
komputter pokładow
wy. Przebieeg do wym
miany okład
dzin może być
b odczytyywany na życzenie
ż
kierowccy, a zużycie granicznee jest sygnallizowane niezależnie, po
p jego osiąągnięciu.
Szyybkość zużyywania się okładzin hamulcowyc
h
ch zależy przede
p
wszystkim od techniki
jazdy orraz od waruunków użytkkowania pojjazdu. W prraktyce wysstępują barddzo duże rozzbieżności w prrzebiegach samochodów
s
w tej samej marki do wymiany
w
okkładzin. Zaletą propono
owanego
czujnikaa jest możliiwość indyw
widualnej oceny intenssywności zuużywania sięę okładzin w samochodziee, z uwzględdnieniem warunków
w
icch użytkowaania i stylu jazdy. Wiaarygodne prrzewidyistotne przzy użytkowaaniu pojazd
wanie teerminu konniecznej napprawy jest szczególnie
s
du na dalekich dystansach
d
i pozwala uniknąć
u
nieeprzewidzian
nych, a konniecznych oobsług podcczas długich poddróży.
WNIO
OSKI
1. Opraacowana kooncepcja i konstrukcjaa czujnika stanu
s
okładdzin pozwalla zrealizow
wać dwa
cele:
– osszacować inntensywnośćć zużycia okładzin i naa tej podstaw
wie prognozować przeebieg pojaazdu do ich wymiany,
w
– zaasygnalizow
wać zużycie graniczne okładziny
o
w celu jej wyymiany.
2. Opraacowane roozwiązanie pozwala roozszerzyć zaakres diagnnostyki pokłładowej uk
kładu hamulccowego na elementy mechaniczn
m
ne tego ukłaadu. Biorąc pod uwagęę duże roczzne przebieggi samochoddów, kontroola pokładoowa jest ważżnym uzupełnieniem ookresowych
h, stacjonarnnych badań hamulców w stacji konntroli pojazd
dów.
3. Metody prognoozowania w diagnostycce techniczznej pozwallają na zwięększenie niezawodnoścci eksploatoowanych obbiektów. Proponowan
ne rozwiązaanie daje m
możliwość poprawy
p
niezzawodności układu ham
mulcowego.
4 AUTOBU
USY
BIBLIOGRAFIA
1. Jaworski J.: Materiały cierne hamulców i sprzęgieł. WKŁ, Warszawa 1986.
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.: Zgłoszenie projektu wynalazczego (patentu): „Czujnik zużycia okładzin ciernych, zwłaszcza okładzin hamulca tarczowego”. Nr zgłoszenia P 385990. Kraków
10/2008.
4. Gajek A., Świder P.: Ocena nierówności momentów hamujących kół w pokładowym systemie diagnostycznym pojazdu samochodowego. Archiwum Motoryzacji. Polskie Towarzystwo Naukowe Motoryzacji. Wyd. PWN, Warszawa nr 3/2009.
5. Merkisz J., Mazurek St.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych.
WKŁ, Warszawa 2002
6. Materiały firmy Knorr Bremse: Disc Brake – description and function. KNORRBREMSE 2007.
7. Gronowicz W.: Brake pad wear sensor. US Pat. 6302241. 10/2001.
8. Materiały firmy Wabco: Continuous wear sensor for air disc brakes. WABCO.
www.wabco-auto.com
Badania zrealizowano w ramach projektu badawczego nr NN 509 1758 33
FORECASTING OF THE BRAKE PADS WEAR
IN THE ON BOARD DIAGNOSTIC SYSTEM
FOR THE VEHICLES
Abstract
The paper presents the construction and principle of the operation of the brake pads wear sensor
for disc brakes. The algorithm of the mileage calculation to the replacement of the brake pads is presented. The method allows to extend the on board diagnostic system on the mechanical parts of the
brakes .
Recenzent: dr hab. inż. Tadeusz Cisowski, prof. WSEI
Autor:
dr hab. inż. Andrzej GAJEK - Politechnika Krakowska
AUTOBUSY
5