DIAGNOSTIKA ÚČINKU VOZIDLOVÝCH BRZD NA RYCHLOBĚŽNÝCH VÁLCÍCH

Prof. ing. Ladislav Pejša, DrSc. - Doc. ing. Josef Pošta, CSc.

technická fakulta ČZU v Praze

Resumé

Příspěvek se zabývá některými technickými možnostmi a přednostmi dynamického měření silových vlastností vozidlových brzd na rychloběžné válcové zkušebně a jeho využití k výpočtové simulaci průběhu brzdění z hlediska dosažitelného minima brzdné dráhy a dalších dílčích ukazatelů technického stavu a účinku brzd.

Klíčová slova: brzdy vozidel, brzdný účinek, brzdná dráha, ovládací síla, součinitel adheze,

1. Úvod

Na brzdy vozidel jsou s ohledem na zajištění bezpečnosti provozu kladeny požadavky, kterým musí brzdové soustavy vyhovovat po celou dobu provozu vozidla. Moderní brzdové soustavy jsou schopny tyto požadavky bez problémů splňovat s velkou rezervou. Ale i zde se stále zřetelněji ukazuje, že limitujícím prvkem se stává lidský činitel. Proto je přirozená snaha vývojářů a konstruktérů přesunout všechny rutinní činnosti na technický řídicí systém a řidiči ponechat jen nejvyšší rozhodovací úkony, tj. vydání impulsu k brzdění a základní nastavení jeho intenzity.

Tyto tendence vedou ke stále složitějším systémům, které i při velmi rychle se měnících okamžitých podmínkách využívají celou oblast vymezenou fyzikálními zákony rychleji, dokonaleji a úplněji než je schopen kterýkoliv řidič. To však zároveň vyžaduje trvalé nezávislé diagnostikování takovéhoto systému. Metody a způsoby diagnostiky je proto třeba také stále vyvíjet a zlepšovat, jednak jako základ pro řízení údržby systému, jednak pro potřeby jeho dalšího vývoje.

Z hlediska skutečné, reálně dosažitelné brzdné dráhy je třeba zkoumat nejen technický stav samotné brzdové soustavy, ale i další faktory. V tomto příspěvku se autoři zabývají možností dynamického zkoušení brzd na rychloběžných válcích a vlivem ovládací síly na celkovou brzdnou dráhu vozidla.

2. Metoda dynamického zkoušení brzd

V rámci řešení grantového projektu COST 319 byla navržena a ověřována metoda dynamického zkoušení brzd silničních vozidel na rychloběžné válcové zkušebně brzd.

Zkušebna sestává ze dvou dvojic válců o průměru 200 mm a dvou elektromotorů, z nichž každý pohání samostatně jednu dvojici válců na jmenovitou obvodovou rychlost 70 km/h. Každá dvojice válců je opatřena optickým snímačem napojeným na sběrač dat a poskytujícím po vyhodnocení okamžité hodnoty obvodových rychlostí a zrychlení. Při známých hodnotách momentů setrvačnosti rotujících částí je v každém okamžiku měření známa rychlost a obvodová síla ve styku jednotlivých kol s válci.

Na začátku měření jsou kola vozidla volně protáčena elektromotory válcové zkušebny jmenovitou obvodovou rychlostí. Poté je rázně sešlápnut brzdový pedál a jak je zřejmé z obr. 1, klesá obvodová rychlost v důsledku působení vyvozených brzdných sil na straně jedné a obvodových sil vyvozených elektromotory včetně vlivu decelerace setrvačných hmot na straně druhé. Při poklesu obvodové rychlosti na předvolenou hodnotu (zhruba 1/3 rychlosti jmenovité) je brzdový pedál rázně uvolněn a celý elektromechanický systém akceleruje do počátečního rovnovážného stavu a nabývá opět jmenovitou obvodovou rychlost. Na obr. 1 je na vodorovné ose počet časových impulsů (otočení válců). Při použitém konstrukčním provedení zkušebny trvá celý popsaný cyklus řádově sekundy.

V porovnání se statickým měřením na pomaloběžných válcích je základní předností uvedeného dynamického způsobu měření skutečnost, že brzdy jsou zde namáhány způsobem odpovídajícím jejich zatěžování v reálném provozu. Je to jednak důležité z hlediska třecích vlastností brzdících elementů a dále pak z hlediska vytvoření předpokladů pro kontrolu obslužných systémů, tj. ABS a různých brzdových asistentů, které jsou při malých obvodových rychlostech kol zpravidla automaticky vyřazovány z činnosti a při měření na pomaloběžných válcích se tudíž neprojevují.

Obr. 1 Průběh obvodových rychlostí v a zrychlení a při dynamickém měření účinku vozidlových brzd na rychloběžné válcové zkušebně

Obr. 2 Průběh obvodových sil

F = skutečná celková brzdná síla

F_a = brzdná síla na zpomalení rotujících hmot zkušebny, zmenšená o pasivní odpory a točivý moment elektromotoru

F_b = síla na překonání pasivních odporů zkušebny a točivý moment elektromotoru

Ze získaných dynamických průběhů, včetně doby prodlevy a náběhu brzd lze stanovit brzdnou sílu odpovídající ovládací síle na brzdovém pedálu, vždy pro obě kola jedné nápravy. Na obr. 2 je znázorněn průběh tečných sil na obvodu kola, vypočtený ze zjištěných průběhů zrychlení.

3. Interaktivní protokol ze zkoušky brzd

Obr. 3 Protokol z dynamické zkoušky brzd

Popsaný postup zkoušky brzd dává prvotní údaje ve formě časových intervalů a po jejich matematickém zpracování vyhodnocovacím programem se získají výsledky ve formě tečných (brzdných) sil pro každé brzděné kolo zvlášť. Tyto výsledky, bez závěrů, jsou graficky znázorněny v protokolu z měření, obr. 3. Číselně jsou uvedeny také další důležité hodnoty.

Součástí protokolu je vyhodnocení rovnoměrnosti brzdění pravého a levého kola každé nápravy, které je vyjádřeno jako souměrnost účinku brzd jednotlivých náprav a jako souměrnost účinku brzd celého vozidla. Součástí protokolu je také „poměrný účinek brzdy“, což je poměr brzdné síly na obvodu kola a normálového zatížení kola. Pro praktické posuzování se jeví výhodné, zahrnout do normálového zatížení nejen složku statickou, vyvozenou odpovídajícím podílem hmotnosti vozidla, ale též složku dynamickou, vyvozenou jednoznačně definovaným klopným momentem vozidla při brzdění. Poměrný účinek brzdy u každého z kol pak věrně vystihuje, do jaké míry dané kolo využívá přítlačné normálové síly k vyvození obvodové síly brzdné.

Souhrnným výsledkem uvedeným v protokolu je celková brzdná dráha, kterou vozidlo dosáhne za předpokladu standardních adhezních podmínek z výchozí rychlosti předepsané pro danou kategorii vozidel. Tento výsledek je získán matematickým modelováním průběhu brzdění, tj. okamžité rychlosti jízdy vozidla v závislosti na brzdné dráze. Tak je získána také celková brzdná dráha vozidla.

Je-li protokol generován použitým programem, je tato část protokolu interaktivní a umožňuje simulovat vliv různých provozních podmínek (počáteční rychlost brzdění, adheze pneumatik, velikost ovládací síly působící na pedál brzdy) na průběh brzdění a výslednou brzdnou dráhu. Model však umožňuje také obrácený postup, tj. např. zadat požadovanou výslednou brzdnou dráhu a kontrolovat, zda a za jakých podmínek může být dosažena.

4. Vliv ovládací síly na pedál při měření účinku brzd

Při dynamické zkoušce brzd popsaným způsobem je stejně jako při měření statickém nutno dbát, aby nedošlo k zablokování kol. To je možno vyřešit buď úpravou zkušebního zařízení, které bude doplněno signalizací otáčení kol, nebo využitím možností matematického modelu průběhu brzdění, kde jednou z proměnných bude ovládací síla působící na pedál brzd. Tato druhá možnost je výhodná také z toho důvodu, že při měření každé nápravy zvlášť se vždy nepodaří působit na brzdový pedál stejnou silou.

Na obr. 3 je takto stanovena celková brzdná dráha pro uvedené vozidlo a zjištěné parametry brzdění pro počáteční rychlost 80 km/h, standardní adhezi a konkrétně použitou ovládací sílu na pedál. Za těchto podmínek je brzdná dráha delší než dovoluje předpis a brzdy tedy nevyhovují, přestože by bylo zřejmě možno předepsanou brzdnou dráhu dosáhnout zvýšením ovládací síly. To by při zkoušení na běžné zkušebně znamenalo opakovat měření se zvýšenou ovládací silou. Použitím navrženého matematického modelu lze za určitých okolností toto opakování vyloučit.

Obr. 4 Modelovaný průběh brzdění vozidla z rychlosti 80 km/h
1 – brzdná dráha z naměřených hodnot
2 – brzdná dráha po korekci ovládací síly

Na obr. 4 je výsledek matematického modelování průběhu brzdění stejného vozidla jako v protokolu na obr. 3 z počáteční rychlosti 80 km/h. Naměřené hodnoty jsou stejné, tj.:

· ovládací síla na pedál brzdy při zkoušce přední nápravy F_pp = 215 N, brzdné síly Fm1 = 1743 N, Fm2 = 1601 N,

· ovládací síla na pedál brzdy při zkoušce zadní nápravy F_pz = 225 N, brzdné síly Fm3 = 1367 N, Fm4 = 1628 N.

Při ovládací síle na pedál použité při měření nedosáhly brzdy předepsaného účinku (křivka 1 na obr. 4). Pomocí matematického modelu bylo zpětně vypočteno, při jaké korigované ovládací síle na pedál by bylo předepsaného účinku dosaženo (křivka 2 na obr. 4). Takto zjištěná korigovaná ovládací síla činí v tomto případě F_pk = 246 N při stejné hodnotě součinitele adheze. Je zřejmé, že potřebná vyšší ovládací síla může být reálně snadno dosažena, nepřekračuje také maximálně povolenou hodnotu. Proto lze již na základě prvního měření (křivka 1) konstatovat, že brzdová soustava vyhovuje předpisu.

Na obr. 5 je výsledek matematického modelování průběhu brzdění stejného vozidla jako v protokolu na obr. 3 z počáteční rychlosti 100 km/h. Požadovaná brzdná dráha je zde zvolena 38,5 m, což je nejlepší v současnosti dosahovaný výsledek. Od modelu se očekává rozhodnutí, zda je s danou brzdovou soustavou možno tento výsledek dosáhnout. Naměřené hodnoty jsou stejné, tj.:

· ovládací síla na pedál brzdy při zkoušce přední nápravy F_pp = 215 N, brzdné síly Fm1 = 1743 N, Fm2 = 1601 N,

· ovládací síla na pedál brzdy při zkoušce zadní nápravy F_pz = 225 N, brzdné síly Fm3 = 1367 N, Fm4 = 1628 N.

Obr. 5 Modelovaný průběh brzdění vozidla z rychlosti 100 km/h
1 – brzdná dráha z naměřených hodnot
2 – brzdná dráha po korekci ovládací síly = požadovaná (38,5 m)

Vypočtené modelové výsledky: Brzdná dráha 38,8 m by byla dosažena při ovládací síle na pedál brzdy 533 N a součiniteli adheze μ = 1,12. To jsou nereálné hodnoty a je tedy zřejmé, že daná brzdová soustava nemůže tento požadavek splnit.

5. Diskuse a závěry

Hodnotit technický stav brzd z hlediska jejich účinku v podobě dosažené nebo za volených podmínek dosažitelné brzdné dráhy vyžaduje použití matematického modelu průběhu brzdění. Je to však výhodný způsob hodnocení, který zajišťuje respektování platných předpisů, zjednodušuje přímé zkoušení brzd na rychloběžné válcové zkušebně a za určitých podmínek zjednodušuje i konstrukci samotné zkušebny.

Postup celé zkoušky a hodnocení účinku brzd, ověřovaný autory na rychloběžné válcové zkušebně je následující:

· na rychloběžných válcích se provede měření každého kola (nápravy) zvlášť,

· naměřené hodnoty se zpracují a vyhodnotí pomocí matematického modelu průběhu brzdění, který jako jeden z výsledků vypočítá tzv. korigovanou hodnotu ovládací síly působící na pedál brzd,

· jestliže korigovaná hodnota není příliš vzdálená od skutečné, tj. není-li rozdíl skutečné a korigované hodnoty větší než 15 %, lze s velmi dobrou přesností přijmout za naměřenou hodnotu brzdnou dráhu stanovenou aproximací z korigované ovládací síly na pedál; v tom případě není nutno měření opakovat,

· jestliže hodnota korigované ovládací síly je o více než 15 % odlišná od skutečné ovládací síly, je vydán pokyn k opakování měření,

· jestliže je nerovnoměrnost brzdění menší než dovolená a doba prodlevy a náběhu působení brzdného účinku kratší než dovolená a jestliže je hodnota korigované ovládací síly menší než dovolená a jestliže je brzdná dráha kratší než předepsaná pro danou výchozí rychlost brzdění, potom vyhovují takové brzdy platnému předpisu (vyhláška č. 102/95 Sb.).

Použití matematického modelu průběhu brzdění je výhodné. Umožňuje na základě jednoduše, rychle a přesně měřitelných údajů stanovit všechny hodnoty, předepsané platným předpisem pro brzdy silničních vozidel. Navíc model umožňuje analyzovat chování zkoušených brzd při změnách podmínek či požadavků. Tím nepřímo umožňuje stanovit „rezervy splnění předepsaných požadavků“ zkoušených brzd. Umožňuje tím však také systémovou analýzu dané konstrukce brzd a nalezení jejich „nejslabších“ článků. Proto se takovýto model jeví jako otevřené, perspektivní řešení pro zkoušení brzd na jednoduché rychloběžné válcové zkušebně brzd.

6. Použitá literatura

1. AEN: Třicet – a dost! In: AutoEXPERT, č. 5/2001, s. 40, ISSN 1211-2380

2. BALOG, J.: Počítačová podpora diagnostiky vznětového motora. /Habilitační práce/. SPU, Nitra, 1999, 198 s.

3. PEJŠA, L. - KADLEČEK, B. – ČERVENKA,V.: Dynamická měření účinku vozidlových brzd na válcové zkušebně. In: Sborník příspěvků semináře „Aplikovaná mechanika v dopravě ´99“, Univerzita Pardubice, 1999, str. 34, ISBN 80-7194-195-6

4. POŠTA, J. - NÁLEVKA, S.: Diagnostika vozidlových brzd. In: Sborník z 6. mezinárodního symposia "Kvalita a spoľahlivosť strojov 2001", SPU, Nitra, 2001, s. 201, ISBN 80-7137-873-9

5. POŠTA, J. - PEJŠA, L.: Dynamická diagnostika vozidlových brzd. In: Sborník z mezinárodní vědecké konference "Agrotech Nitra 2001", SPU, Nitra, 2001, s. 312, ISBN 80-7137-874-7

6. RÓM, C. - DANKO, M. - DANKO, B.: Prevádzkové skúšky brzd na lesníckom kolesovom ťahači s využitím digitálnej techniky. In: Sborník z 6. mezinárodního symposia "Kvalita a spoľahlivosť strojov 2001", SPU, Nitra, 2001, s. 204, ISBN 80-7137-873-9

7. VLK, F.: Dynamika motorových vozidel. Nakladatelství a vydavatelství VLK, Brno, 2000, 434 s., ISBN 80-238-5273-6