CC BY
0УДК 629.3.017.5
ИНТЕРАКТИВНЫЙ СТЕНД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ НОВЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ТОРМОЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
КОКАРЕВ ОЛЕГ ПЕТРОВЧ
Преаодаватель кафедры «Автомобильный транспорт, безопасность и управление качеством» (АТБиУК) Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ)
г. Владимир, Россия
ШЕЛЕНБЕРГЕР АЛЕКСАНДР ЮРГЕНОВИЧ
Студент гр. АТ-121 кафедры АТБиУК ВлГУ г. Владимир, Россия
Аннотация: в данной научной работе рассмотрены результаты прикладных исследований процесса торможения, основанного на базовых принципах энергетической теории изнашивания элементов тормозной системы (ТорС) с гидравлическим приводом легковых автомобилей категории М1. Обеспечение требуемого уровня надежности ТорС достигается наличием работоспособных ее элементов. Апробированный ранее подход энергетического анализа процесса торможения позволяет прогнозировать ресурс тормозных колодок и тормозных дисков с учетом применяемых материалов при их изготовлении, интенсивности работы ТорС и режимов технического обслуживания. Разработанная методика прогнозирования остаточного ресурса элементов ТорС и современные электронно-программные компоненты способствуют созданию интерактивного стенда для изучения и наглядного моделирования влияние процесса торможения на ресурс элементов ТорС. Разработанный интерактивный стенд позволяет теоретически оценить ресурс тормозных колодок (ТК) и тормозных дисков (ТД) с учетом энергонагруженности.
Ключевые слова: тормозная система, прогнозирование ресурса, энергетический анализ, режимы технического обслуживания автомобилей, надежность.
Современная автомобильная промышленность в мире значительно изменилась за последние 15 лет. Сегодня производятся автомобили, имеющие большое количество электронных компонентов, систем и датчиков, направленных на повышение уровня активной и пассивной безопасности автомобиля, комфортных условий в салоне, динамических характеристик и пр., делающих эксплуатацию автомобилей безопасней и удобней.
Тормозная система наряду с системой рулевого управления и др., как основополагающая, от которой зависит активная безопасность автомобиля требует определенного подхода в рамках технической эксплуатации для обеспечения необходимого уровня надёжности. В теории надежности технических систем рассматривается несколько стратегий обеспечения работоспособности: 1) эксплуатации до наступления отказа, 2) по контролю структурного параметра и 3) по назначенной наработке [1]. Для тормозных колодок (ТК) и тормозных дисков (ТД) применяется стратегия по контролю структурного параметра, т.е. по остаточной толщине рабочих тел. Например, для автомобилей Kia cee'd предельное значение остаточной толщины ТК составляет 2 мм, передних ТД - 20 мм, задних ТД - 8,4 мм. Данные значения прописаны в нормативно технической документации (НТД) завода изготовителя автомобилей марки Kia [2]. В процессе эксплуатации автомобиля, когда ТК и ТД находятся в работоспособном состоянии, а значение их структурных параметров соответствует допустимому, но стремится к предельному (рис. 1), выполнить оценку
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
остаточного ресурса элементов не предоставляется возможным - из-за отсутствия в НТД соответствующих методик прогнозирования остаточного ресурса и интенсивности работы ТорС.
Работоспособное
Рисунок 1 - Изменение структурного У параметра элементов тормозной системы;
Уп, Уд - предельное и допустимое значение парметра, ^ - наработка, в течение которой элемент находится в исправном состоянии; t2 - наработка, в течение которой элемент находится в предотказном состоянии; tз - наработка, в течение которой эксплуатация запрещена; Y - значение структурного параметра.
Для оценки интенсивности работы ТорС были выполнены прикладные исследования [3], в результате которых установлено, что интенсивность работы ТорС существенно различается только между I и V категорией дорог в соответствии с ГОСТ Р 52398-2005 [4], в связи с чем предложено два режима движения: режим «Город» и режим «Трасса», а введенный коэффициент Кокарева позволяет судить о интенсивности работы ТорС в определенных соотношениях режимов движения [5].
Результаты проведенных теоретических исследований влияния процесса торможения на ресурс элементов колесного тормозного механизма (ТМ) свидетельствуют о том, что материалы, из которых выполнены ТК и ТД оказывают влияние в соответствующей мере на процесс изнашивания [6]. ТД в гражданском автомобилестроении выполняются из серого чугуна (рис. 2а), твердость которых находится в диапазоне 187 - 241 КБ в соответствии со стандартом БАБ 1431. ТК могут различаться по соотношению компонентов, из которых они выполнены, что отражается на коэффициенте трения, классификация которого осуществляется в соответствии со стандартом БАЕ 1661 (рис. 26).
Рисунок 2 - Элементы колесного ТМ автомобиля Kia cee'd: а) чугунный тормозной диск; б) маркировка коэффициента трения сертифицированных в РФ тормозных колодок
В маркировке ТК, показанных на рис. 2б присутствуют буквенные обозначения (GF, CC и прочие), отражающие значение их коэффициента трения д, в зависимости от
материалов изготовления С = 0,15; D = 0,15 — 0,25; E = 0,25 — 0,35; F = 0,35 — 0,45; G = 0,45 — 0,55; H = 0,55 — 0,8), которые оказывает влияние на их ресурс.
В процессе торможения автомобиля совершается работа трения в ТМ. На основании положений теории энергетического изнашивания работа трения оценивается такими параметрами, как давление тормозной жидкости в гидравлическом приводе, скоростью в начале торможения и путем автомобиля, в течение которого осуществлялось торможение. В математическом выражении работа трения будет выглядеть:
йАтр1 = рВ^, (1)
где р — давление в приводе тормозного механизма, кН/м2; В^ — комплексный параметр тормозного механизма, м2; йБ — путь автомобиля за время трения пары колодка-диск, м.
Комплексный параметр тормозного механизма /-ой оси оценивается значениями конструктивных параметров элементов ТМ.
Вг — Fцi—^-Kэ^^,
(2)
где Рщ -площадь цилиндра тормозного суппорта /-ой оси, см2; г^ - средний радиус трения тормозных дисков и колодок /-ой оси, см; гд - динамический радиус колеса, см; Кэ -коэффициент эффективности дисковых тормозных механизмов, принимается равным коэффициенту трения ц - коэффициент полезного действия тормозного механизма.
Подход энергетического анализа процесса торможения позволяет оценить реализацию ресурса различающихся между собой элементов ТМ передней и задней оси за счет удельной работы трения при соответствующем соотношении режимов движения автомобиля с учетом межсервисного интервала технического обслуживания:
pBi I v0tw ± jycr ) L
ТО^К
ЧТ —
ZFiH рВ^о^рЬтоКк
-, при v0 Ф VK
при Vo - Vk
Чмт —
pBi I VotTp ± iycr-^r- ) L
то^к
(3)
-, при v0 Ф vk
rn^maxi
рВ^о^рЬто^к
2 Fin Umaxi
при Vo — Vk.
2
2
v
где Цд™ - межсервисная удельная работа трения ТМ /-ой оси автомобиля (кДж/см2) -позволяет оценить требуемый объем работы для элемента на последующий межсервисный интервал ТО с учетом интенсивности работы ТорС;
р - давление тормозной жидкости в гидравлическом приводе ТорС при торможении (кН/м2);
Bi - комплексный параметр, характеризующий ТМ /-ой оси автомобиля с учетом коэффициента трения ТК (м2);
v0 - скорость автомобиля вначале процесса торможения (м/с);
tTp - время, в процессе которого осуществляется взаимодействие пары колодка-диск
(с);
jycr - установившееся замедление в процессе торможения (м/с2); Ljo - межсервисный интервал технического обслуживания (км); Кк - коэф-т Кокарева, характеризующий интенсивность работы ТорС при различном соотношении режимов движения «Город»/ «Трасса» (км-1);
Е - суммарная площадь накладок ТК г-й оси автомобиля (см2);
рк - скорость автомобиля в конце процесса торможения (м/с);
- остаточная удельная работа элемента 1-й оси автомобиля ((кДж/см2), оценивающая какой объем работ он способен выполнить с учетом остаточной толщины элемента;
итаХ1 - максимальное значение износа элемента г-й оси автомобиля (мм);
N - количество рабочих циклов ТорС (р.ц.).
Математическая модель энергетического анализа процесса торможения способствовала составлению условия прогнозирования остаточного ресурса элементов ТМ: qдf: > qMiИ с учетом регламентированных межсервисных интервалов ТО автомобиля.
Опираясь на основные положения, полученные в результате энергетического анализа процесса торможения [7], разработан интерактивный стенд прогнозирования ресурса ТК и ТД (рис.3).
Рисунок 3 - внешний вид интерактивного стенда прогнозирования ресурса элементов
ТорС:
1 -информационная панель энергетического анализа; 2 - электронный блок управления стенда; 3 - кнопки выбора коэффициента трения применяемых ТК (жесткость колодок); 4 - зона с кнопками выбора режим движения автомобиля; 5 - регулятор скорости движения автомобиля; 6 - педаль тормоза; 7 - информационная панель с техническими характеристиками ТК из разного материла; 8 - действующая модель автомобиля; 9 -таблица с установленными средними параметрами торможения; 10 - экран отображения текущих параметров процесса торможения; 11 - главный экран.
Разработанный интерактивный стенд, представленный на рисунке 3, предназначен для оценки ресурса элементов ТМ при моделировании различных режимов движения, принятия во внимание применяемых ТК с определенными коэффициентом трения и соответствующей
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
интенсивности работы ТорС. Информационная панель 1 содержит математическое описание энергетического анализа процесса торможения автомобиля, проведенного в ходе прикладных исследований в реальных условиях эксплуатации автомобиля в центральном федеральном округе РФ. Установленные зависимости параметров при торможения отображены графическими трехмерными моделями и полиномами второго порядка. Информационная панель 7 содержит информацию о технических характеристиках различных ТК: результаты испытаний по оценке коэффициента трения, максимальную температуру нагрева без потери работоспособности и материалы, применяемые при изготовлении.
Регулятор скорости 5 потенциометрического типа позволяет задавать скорость движения действующей модели автомобиля 8. При моделировании процесса торможения с помощью педали тормоза 6 и регулятора скорости 5 определяются текущие значения параметров торможения для оценки энергонагруженности ТМ.
Электронный блок 2 содержит несколько блоков кнопок. Блок кнопок 3 предназначен для выбора применяемых ТК колодок с определенным коэффициентом трения (жесткость ТК). Блок кнопок 4 предназначен для выбора условий движения, в которых реализуется эксплуатация автомобиля с различной интенсивностью работы ТорС. На главном экране 11 отображаются установленные значения режима движения и жёсткости тормозных колодок с помощью кнопок блоков 3 и 4, а также результаты расчета математического аппарата по оценке ресурса элементов ТМ с распределением по осям автомобиля. На экране 10 отображаются текущие значения скорости движения, давления тормозной жидкости и время трения в зависимости от усилия и длительности нажатия на педаль тормоза 6 (рис4).
Рисунок 4 - Электронный блок управления интерактивного стенда прогнозирования
ресурса элементов ТорС
Функциональность электронного блока 2 осуществляется на базе 16-битного микроконтроллера Arduino nano и др. электронных smd компонентов. Написанный специальный код программного обеспечения, который выполняет микроконтроллер, позволяет в оперативном режиме спрогнозировать ресурс элементов ТМ в зависимости от условий движения автомобиля, применяемых ТК и усредненных значений параметров торможения.
Взаимодействие со стендом осуществляется следующим образом: после подачи питания на стенд 12 В, запускается режим выбора ТК, затем выбор условий движения; затем регулятором 6 на боковой панели блока управления выставляется начальная скорость торможения, и нажатием на педаль 6 имитируется процесс торможение автомобиля. В зависимости от начальной скорости, усилия на педали и продолжительности торможения на основе установленной математической модели, показанной на информационной панели 1 оценивается давление в гидроприводе тормозной системы. Текущие значения параметров
имитируемого процесса торможения выводятся на экран 10. С помощью математического аппарата энергетического анализа оценивается объем работы трения, который способен выполнить элемент ТМ передней и задней оси автомобиля. После операционных расчётов на главный экран 11 выводится результаты оценки ресурсов элементов передней и задней оси с учетом режимов движения автомобиля, интенсивности работы ТорС и применяемых ТК с определенном коэффициентом трения (рис.5). Расчет выполняется с допущениями:
- применялись усредненные значения параметров торможения за рабочий цикл ТорС;
- эксплуатируемый автомобиль категории М1 оснащен антиблокировочной системой;
- на автомобиле установлены задние дисковые ТМ; коробка переключения передач механического типа.
Рисунок 5 - Работа интерактивного стенда прогнозирования ресурса элементов ТорС
Для изменения режима движения необходимо на лицевой панели электронного блока 2 зажать две верхние кнопки (О и Е) и удерживать нажатыми не менее одной секунды. После этого стенд вернётся в режим выбора режима движения. Для изменения жёсткости тормозных колодок требуется нажать и удерживать нажатыми не менее одной секунды нижние две кнопки (Р и G). Общий алгоритм работы интерактивного стенда представлен на схеме рис. 6.
Начало
Выбор жесткости ТК (блок кнопок 3) —
Выбор условий движения (блок кнопок 4)
Экран 1
Установка скорости движения автомобиля (регулятор 5)
Нажать на педаль тормоза 6
т
Ы Экран 2
Запрос микроконтроллера значений параметров торможения
Скорость начала торможения
Время трения в процессе торможения
Давление тормозной жидкости вприводе
Передача данных в микроконтрллер
т
Расчет удельной работы элемента передней оси Л/1
Расчет удельной работы элемента задней оси Л/2
Вывод значений ресурса на экран 1
Рисунок 6 - Схема алгоритма работы интерактивного стенда
В данной работе рассмотрено практическое применение теоретических положений, полученных в результате прикладных исследований процесса торможения за счет базовых принципах энергетической теории изнашивания. Разработанный интерактивный стенд прогнозирования ресурса элементов ТМ применяется в учебном процессе в качестве экспоната для наглядной демонстрации влияния энергонагруженности ТорС на ресурс ее элементов с целью обеспечения уровня надежности всей тормозной системы в определенных пределах. От технического состояния ТорС напрямую зависит безопасность дорожного движения. Прогнозирование ресурса позволяет более полно реализовывать ресурс элементов ТорС, что положительно отражается на эффективности эксплуатации автомобилей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Баженов, Ю.В. Основы надежности и работоспособности технических систем : учебное пособие / Ю.В. Баженов, М.Ю. Баженов. - Влвдимир : ВлГУ, 2017. - 267 с. - ISBN 9785-9984-0785-7.
2. Руководства по ремонту автомобилей компании Kia : сайт. - URL: http://www.kmanual.net/Ceed/ED/chassis/brake/tehnicheskie-harakteristiki-tormoznoy-sistemy (дата обращения: 17.02.2025).
3. Кокарев, О.П., Исследование влияния режимов работы тормозных механизмов на надежность элементов тормозной системы / Кокарев О.П., Кириллов А.Г, Нуждин Р.В // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2022. - №1(59). - С. - 23-27.
4. Классификация автомобильных дорог. Основные параметры и требования : дата введения 2006-05-01. - Москва : Стандартинформ, 2006. - 4 с.
5. Определение коэффициента Кокарева: свидетельство регистрации программы ЭВМ № 2022619257/ О.П. Кокарев, А.Г. Кириллов, Р.В. Нуждин. - № 2022615236: заявл. 25.03.2022; опубл. 19.05.2022.
6. Кокарев, О.П. Исследование влияния применяемых тормозных колодок с разными коэффициентами трения / О.П. Кокарев, А.Д. Цыганков // Студенческий : электронный журнал. - URL: https://sibac.info/archive/journal/student/3(89_2). - Дата публикации: 2020/
7. Кокарев, О. П. Оценка ресурса элементов тормозной системы / О. П. Кокарев, А.Г. Кириллов, Р.В. Нуждин // Мир транспорта и технологических машин. - 2023. - № 3-3(82). - С. 16-23.
