Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Необходимость совершенствования тормозной системы автомобиля и направления развития 10
1.2 Конструкция и особенности функционирования АБС тормозной системы с гидравлическим приводом 17
1.3 Средства и методы исследования долговечности элементов гидравлического тормозного привода автомобиля с АБС 25
1.4 Цель и задачи исследования 33
Глава 2. Анализ влияния антиблокировочной системы на изменение технического состояния элементов главного тормозного цилиндра автомобиля 35
2.1 Особенности конструкции главного тормозного цилиндра и общий анализ изменения условий работы его элементов при установке АБС на автомобиль 35
2.2 Нормативные требования, предъявляемые к состоянию и функционированию главных тормозных цилиндров 42
2.3 Исходные данные для аналитического исследования 44
2.4 Сравнительная оценка основных особенностей функционирования главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных и не оснащенных АБС 48
Глава 3. Разработка средств и методики ресурсных испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей с АБС 63
3.1 Разработка стенда для ресурсных испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных АБС 63
3.1.1 Определение параметров модулятора давления 66
3.1.2 Обоснование характеристик упругодемпфирующего элемента имитатора ноги водителя 76
3.2 Разработка методики проведения ресурсных испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных АБС 89
3.3 Определение режима испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных АБС 94
Глава 4. Результаты экспериментального исследования влияния антиблокировочной системы на долговечность элементов главного тормозного цилиндра автомобиля 106
4.1 Оборудование для измерения и регистрации основных параметров при испытаниях главных тормозных цилиндров и оценка точности измерений 106
4.2 Основные результаты проведенных испытаний главных тормозных цилиндров на разработанном стенде 111
4.3 Сравнительный анализ изменения размеров и состояния поверхностей элементов главного тормозного цилиндра 112
4.3.1 Корпус главного тормозного цилиндра 112
4.3.2 Поршни главного тормозного цилиндра 114
4.3.3 Пружины главного тормозного цилиндра 116
4.3.4 Уплотнительные манжеты главного тормозного цилиндра 116
4.4 Оценка упругих свойств уплотнительных манжет главного тормозного цилиндра 120
4.5 Обобщение результатов и формулирование рекомендаций по корректированию требований нормативно-технической документации 125
Заключение 132
Список сокращений и условных обозначений 135
Список литературы 136
Приложение 150
- Конструкция и особенности функционирования АБС тормозной системы с гидравлическим приводом
- Сравнительная оценка основных особенностей функционирования главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных и не оснащенных АБС
- Определение режима испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных АБС
- Обобщение результатов и формулирование рекомендаций по корректированию требований нормативно-технической документации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Тормозная система автомобиля играет первостепенную роль в обеспечении его активной безопасности. Для повышения эффективности торможения автомобиля с сохранением устойчивости и управляемости в любых дорожных условиях были разработаны и широко применяются в настоящее время антиблокировочные системы (АБС). АБС позволяет автоматизировать наиболее опасный режим движения автомобиля - экстренное торможение, не допуская юза колес и, тем самым, существенно снижая риск возникновения ДТП.
Вместе с тем, внедрение в конструкцию автомобиля АБС способствует принципиальному изменению рабочего процесса узлов тормозной системы, что не может не сказаться на надежности ее элементов. Поэтому важной задачей является всестороннее исследование факторов, влияющих на надежность элементов тормозной системы в новых для них условиях работы при установке на автомобиль АБС. В гидравлическом тормозном приводе, модуляция давления рабочего тела при функционировании антиблокировочной системы преимущественно должна сказаться на ресурсе тормозных цилиндров и, в особенности, главного тормозного цилиндра (ГТЦ).
Исследование долговечности главного тормозного цилиндра требует применения специальных средств и методов, учитывающих особенности рабочего процесса АБС, в первую очередь, циклического характера приложения нагрузки, происходящего с малой амплитудой и большой частотой. Вследствие воздействия большого числа трудно учитываемых факторов исследование целесообразно выполнять экспериментальным методом при фиксации ряда факторов на определенном уровне, что достигается в лабораторных условиях. Следовательно, актуальной задачей является разработка средств и методики ускоренных ресурсных испытаний ГТЦ автомобиля с антиблокировочной системой.
Степень разработанности темы. Результаты работ, проводимых в направлении изучения побочных эффектов функционирования автоматизированных тормозных систем, часто скрываются фирмами-производителями таких систем, поскольку подобного рода публикации ставят под сомнение разрекламированный абсолютный положительный эффект их применения на автомобилях. Проведенный патентный поиск, а также анализ информации из различных источников показывают, что данная проблема рассматривается обзорно. Отсутствуют конкретные предложения по методам и средствам испытаний, которые в основном проводятся на автомобильных полигонах, т.е. в дорожных условиях. Это позволяет лишь фрагментарно выявить картину реального положения дел.
В данном направлении в отношении элементов подвески автомобиля выполнено исследование В.Ф. Алонсо, а в работе М.В. Полуэктова изложены результаты исследования в отношении колесных тормозных цилиндров. Однако, по-
прежнему, остается открытым вопрос влияния рабочего процесса АБС на ресурс других элементов тормозного управления автомобиля, в частности - главного тормозного цилиндра.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования - установление характера и степени влияния рабочего процесса АБС на ресурс главного тормозного цилиндра автомобиля и разработка рекомендаций по корректированию нормативов технической эксплуатации элементов автоматизированных тормозных систем.
Задачи исследования:
-
Анализ особенностей условий работы главного тормозного цилиндра автомобиля с АБС.
-
Разработка конструкции лабораторного стенда для проведения ресурсных испытаний главного тормозного цилиндра в условиях функционирования АБС.
-
Разработка методики проведения ресурсных испытаний главного тормозного цилиндра на предлагаемом стенде.
-
Экспериментальное исследование характера и степени влияния рабочего процесса АБС на ресурс главного тормозного цилиндра автомобиля.
-
Разработка рекомендаций по корректированию нормативно-технической документации, в частности, нормативов технической эксплуатации тормозных систем автомобилей, оснащенных АБС.
Научная новизна.
на основе проведенного сравнительного анализа режимов работы главного тормозного цилиндра автомобиля, оснащенного и не оснащенного АБС, установлены принципиальные отличия функционирования элементов ГТЦ, обуславливающие их повышенное изнашивание в процессе работы АБС;
предложены новые технические решения для испытательного оборудования (патенты РФ на полезную модель №88324 и №108744) и методика проведения ресурсных испытаний главного тормозного цилиндра автомобиля в условиях функционирования АБС;
выявлены критические элементы главного тормозного цилиндра, лимитирующие его ресурс в процессе работы АБС;
экспериментально установлены причины наступления предельного состояния элементов ГТЦ при функционировании АБС и влияние антиблокировочной системы на ресурс главного тормозного цилиндра в целом;
- обоснована необходимость совершенствования нормативно-технической
документации и сформулированы рекомендации по ее корректированию, как при
технической эксплуатации автоматизированных тормозных систем, так и при
проведении испытаний их элементов.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что ее результаты способствуют повышению эксплуатационной надежности автоматизированных тормозных систем и, следовательно, повышению активной безопас-
ности автомобиля. Обоснована необходимость совершенствования нормативов технической эксплуатации тормозных систем автомобилей, оснащенных АБС. Предложены соответствующие рекомендации по корректированию нормативно-технической документации.
Методология и методы исследования.
Основными методами исследования являются экспериментальные, проводимые в соответствии с требованиями действующих стандартов. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью аппарата математической статистики с применением современных программных продуктов. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных методов: дедукции, индукции, анализа и синтеза информации, сравнительного анализа и экспертных оценок.
Положения, выносимые на защиту.
результаты сравнительного анализа работы главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных и не оснащенных АБС;
схема и конструктивные особенности лабораторного стенда (патенты РФ на полезные модели №88324 и №108744);
методика лабораторных ресурсных испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей в условиях, имитирующих рабочий процесс АБС;
результаты экспериментального исследования характера и степени влияния рабочего процесса АБС на ресурс ГТЦ автомобиля;
рекомендации по совершенствованию нормативно-технической документации в части технической эксплуатации и испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных АБС.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается преимущественно экспериментальным характером исследований в условиях, адекватных реальной эксплуатации тормозной системы и, в частности, главного тормозного цилиндра автомобиля; применением специализированного исследовательского измерительного и испытательного оборудования; использованием общепринятых методик и рекомендаций при обработке данных.
Данное исследование выполнено при поддержке Гранта Президента РФ МК - 4742.2010.8. За работу по данному направлению автор награжден Премией Президента РФ для поддержки талантливой молодежи и является стипендиатом Правительства РФ. Оригинальный лабораторный стенд отмечен среди лучших разработок ВолгГТУ в 2013 году.
Материалы диссертационной работы докладывались:
на международных научных конференциях «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании л2012», 2012 г., г. Одесса; «Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса», 2012 г., г. Новокузнецк, КузГТУ; «Проблемы и перспективы автомобилестроения и автомобильного транспорта», 2011 г., г. Харьков, ХНАДУ; «The XXIXStudents
Scientific Seminar. Scientific Circles of «Mechanics», 2010 г., г. Варшава, Варшавская военно-техническая академия; «Будущее машиностроения России» (МИКМУС 2006 - 2010), 2006 - 2010 г.г., г. Москва, РАН, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова; «Прогресс транспортных средств и систем - 2009», 2009 г., г. Волгоград, ВолгГТУ; «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России», 2008 г., г. Пенза, ПГУАС АДИ; «Научный потенциал студенчества в XXI веке», 2008 - 2009 г.г., г. Ставрополь, СевКавГТУ;
на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы функционирования систем транспорта», 2011 г., г. Тюмень, ТюмГНГУ;
на XI - XV Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, 2006 - 2010 г.г., г. Волгоград, ВолгГТУ (работы удостоены первой, второй и третьей премий); на ежегодных научных конференциях ВолгГТУ 2007 - 2013 г.г.; на смотрах-конкурсах научных, конструкторских и технологических работ студентов ВолгГТУ 2007 - 2010 г.г. (работы удостоены четырьмя первыми премиями).
По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 патента РФ на полезные модели, 1 монография.
Структура и объем работы.
Конструкция и особенности функционирования АБС тормозной системы с гидравлическим приводом
Основное назначение АБС - обеспечение оптимальной тормозной эффективности (минимального тормозного пути) при сохранении устойчивости и управляемости автомобиля. Это достигается путем автоматического регулирования в процессе торможения величины подводимого к колесам тормозного момента. На рисунке 1.3 приведена функциональная схема классической АБС.
Классическая АБС состоит из электронасоса 1, аккумулятора давления 2, электронного блока управления (ЭБУ) 3, датчиков скорости вращения колеса 4, зубчатых колец 5 и блока электромагнитных клапанов 6. Электронасос и аккумулятор давления необходимы для того, чтобы электроника смогла управлять тормозным усилием независимо от реакции водителя, так как в аварийной ситуации он, как правило, просто давит на педаль с максимальной силой. В каждом из контуров тормозной системы предусмотрено два клапана - впускной, который открывает путь жидкости от главного тормозного цилиндра к колесному, когда надо увеличить тормозное усилие, и выпускной, позволяющий жидкости уйти обратно в расширительный бачок, когда давление необходимо ослабить. Если АБС исправна, то при ее функционировании эти клапаны либо открываются поочередно, либо закрыты, когда давление в контуре должно сохраняться неизменным.
В обесточенном состоянии впускные клапаны открыты, а выпускные - закрыты. Это позволяет при отказе АБС просто отключить ее и тормозить, как на автомобиле, не оборудованном антиблокировочной системой. Зубчатое кольцо установлено на ступице и вращается вместе с колесом. Датчик скорости вращения колеса расположен на расстоянии 1-2 мм от кольца, но уже на неподвижной части подвески. По проходящим мимо зубцам кольца он определяет скорость вращения колеса и постоянно передает сигнал на блок управления. Благодаря одновременной работе всех датчиков, ЭБУ постоянно следит за скоростью вращения каждого колеса. Когда водитель слишком резко нажимает на тормозную педаль, скорость вращения колес уменьшается настолько, что возникает угроза блокировки колес и потери сцепления шин с дорожным покрытием. ЭБУ отслеживает это и в нужный момент закрывает впускные и открывает выпускные электромагнитные клапаны модулятора давления, вмонтированного в тормозную магистраль (рисунок 1.4). При этом сливной насос модулятора начинает откачивать жидкость из контуров. Давление падает, колодки разжимаются, сцепление колес с дорогой улучшается. Выпускные клапаны модулятора вновь перекрываются. Как только от датчиков поступят сигналы, что колеса опять набрали определенную скорость, впускные клапаны будут открыты, давление жидкости снова возрастет, колодки сожмутся, затормаживая колеса. Когда они снова начнут блокироваться, цикл повторится. Таким образом обеспечивается прерывистое торможение, при котором автомобиль сохраняет управляемость [115, 140].
Элементы АБС с интегрированным блоком управления представлены на рисунке 1.5.
Наибольший эффект от применения современных АБС получается на скользкой дороге, когда тормозной путь автомобиля уменьшается на 10 - 30%. На сухой асфальтобетонной дороге такого сокращения тормозного пути автомобиля может и не быть [65, 84, 111, 115, 118].
АБС различаются структурными схемами установки. Он и бывают двух-, трех- и четырехканальные. На бюджетных заднеприводных и полноприводных автомобилях первоначально устанавливали только три зубчатых кольца с датчиками. Причем два из них - для передних колес, а третий — на редукторе заднего моста. Такая схема применялась для снижения стоимости АБС. При четырехка-нальной схеме для каждого из четырех колес устанавливают отдельное зубчатое кольцо, датчик угловой скорости и клапаны в модуляторе давления.
Устройство переднеприводных автомобилей с диагональным разделением тормозных контуров позволяет применять только четырехканальную АБС. Такая схема способна более точно отслеживать скорость вращения каждого колеса автомобиля. Очевидно, что данная конфигурация и самая дорогая, так как для того, чтобы механизм АБС надежно работал, требуется предельная точность изготовления всех ее компонентов.
В целом по соотношению элементов системы к колесам автомобиля различают индивидуальное регулирование давления рабочего тела в тормозной камере каждого из колес (//?), зависимое регулирование с низкопороговым (SLL) или высокопороговым (SHL) принципом управления (совместное управление торможением группы колес в первом случае по первому входящему в юз колесу, а во втором - по второму), модифицированное индивидуальное регулирование (MIR) (сочетающее в себе свойства индивидуального и зависимого низкопорогового регулирования) [84, 109, 115].
Современные АБС характеризуются различной частотой модуляции давления рабочего тела. С повышением частоты увеличивается точность регулирования тормозного момента, поэтому наблюдается тенденция к созданию высокочастотных АБС: первые модели АБС работали с максимальной частотой до 5 Гц, в настоящее время разработаны конструкции, реализующие частоту до 25 Гц.
На основании проведенного анализа литературы и результатов исследований, проводимых в ВолгГТУ [84], можно заключить, что основное отличие работы тормозной системы с АБС от тормозной системы без АБС состоит в том, что в условиях экстренного торможения первая обеспечивает периодическое частичное растормаживание / затормаживание колеса, что позволяет ему катиться на грани блокировки. Величина относительного проскальзывания колеса в процессе работы АБС поддерживается на уровне, соответствующем максимально возможному значению коэффициента сцепления. Это позволяет не только тормозить с максимальной эффективностью, но и дает возможность управления траекторией движения автомобиля при торможении.
Изменение различных параметров в процессе экстренного торможения автомобиля представлены на временной диаграмме [84] (рисунок 1.6), отображающей один из возможных вариантов рабочего процесса, при котором регулирование производится по величине порогового углового замедления колеса СО . На рисунке 1.6 пунктиром показаны зависимости, характеризующие рабочий процесс тормозных систем автомобилей, не оснащенных АБС.
Первоначально при нажатии тормозной педали автомобиля происходит процесс выборки зазоров в тормозном приводе, продолжительность которого для системы с гидравлическим приводом составляет 0,1 - 0,3 с. При этом транспортное средство движется без замедления. Участок ОА кривой Мт на рисунке 1.6 характеризует возрастание давления в гидравлическом приводе по линейному закону на этапе самого торможения. На автомобилях, не оснащенных АБС при достижении некоторой величины тормозного момента (точка А кривой Мт) происходит блокировка колес, что делает невозможным дальнейший рост силы трения и тормозного момента. В таком случае блокировка колес может быть устранена только ослаблением воздействия водителя на тормозную педаль.
Сравнительная оценка основных особенностей функционирования главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных и не оснащенных АБС
Перемещения поршней главного тормозного цилиндра при функционировании АБС обусловлены перекачиванием жидкости из системы при растормажива-нии колес и ее вытеснением обратно при затормаживании колес. В свою очередь, процесс растормаживания/затормаживания обеспечивается соответствующим изменением положения поршней колесных тормозных цилиндров автомобиля. Следовательно, объем жидкости, вытесняемой из КТЦ при растормаживании колес, возвращается в ГТЦ.
Аналитическое исследование изменения технического состояния ГТЦ автомобиля с АБС проводится на примере тормозной системы автомобилей LADA (ВАЗ).
На сегодняшний день на кафедре ТЭРА ВолгГТУ детально исследованы колесные тормозные цилиндры барабанных тормозных механизмов автомобиля ВАЗ [72]. Основное отличие при работе главного тормозного цилиндра заключается в большей амплитуде перемещения его поршней по сравнению с колесными цилиндрами. Причем, следует ожидать, что и в процессе функционирования АБС амплитуда колебания поршней ГТЦ будет существенно выше, чем для колесных тормозных цилиндров. Следовательно, процессы изнашивания в этом случае будут протекать интенсивнее.
В рамках исследования [72] была построена зависимость перемещения поршней КТЦ задних колес автомобиля ВАЗ от изменения давления в системе (рисунок 2.3).
В рамках проведения настоящего исследования аналогичная зависимость была построена и для КТЦ дисковых тормозных механизмов передних колес автомобиля (рисунок 2.4).
Для оценки величины перемещения поршней главного тормозного цилиндра автомобиля при работе АБС необходимо определить, насколько существенным является изменение размеров тормозных магистралей, а именно размера их поперечного сечения, при функционировании тормозной системы.
Вместе с тем, изменение внутреннего диаметра тормозных шлангов в силу своей конструкции не должно происходить. К тому же, по ГОСТ Р 52452 - 2005 [33] не допускается вздутие и потрескивание шлангов даже при испытательном давлении в системе 30 МПа.
Таким образом, ввиду наличия малой величины изменения диаметра сечения тормозных трубопроводов, ее можно не учитывать.
Современные АБС, устанавливаемые на легковые автомобили как отечественного, так и зарубежного производства, в процессе своей работы изменяют давление в тормозной системе на 10 - 50 % при условии движения по асфальтобетону или цементобетону, и на 70 - 90 % при условии движения по льду [84, 87, 115, 128]. Причем это изменение давления происходит с высокой частотой, составляющей 2 — 25 Гц для различных моделей АБС. Пример осциллограммы, полученной в ходе проведенных ранее дорожных испытаний, представлен на рисунке 2.6.
Для расчетного определения перемещений поршней ГТЦ рассматриваемого автомобиля можно воспользоваться графиками перемещения поршней колесных тормозных цилиндров дисковых и барабанных тормозных механизмов, представленных на рисунках 2.4 и 2.3.
Результаты расчета сведены в таблицу 2.4.
Дополнительно, были проведены эксперименты по нахождению зависимости перемещения поршней ГТЦ от изменения давления в системе (рисунок 2.7).
Анализ полученных значений показывает, что они согласуются с предварительно проведенным расчетом, а также с данными, собранными при проведении дорожных испытаний.
При этом необходимо принимать во внимание то, что перемещения поршней главного тормозного цилиндра в зависимости от модели АБС будут происходить от 2 до 25 раз в секунду, что значительно увеличивает путь трения уплотни-тельных манжет ГТЦ и интенсифицирует процесс их изнашивания.
Известно, что элементы ГТЦ работают в несколько более легких условиях, чем колесные цилиндры: лучше защищены от внешних загрязнений, меньше вибрационное воздействие со стороны неровностей дорожного покрытия, стабильнее температурный режим. Но, как было показано выше, в отличие от колесных тормозных цилиндров, влияние рабочего процесса АБС на ресурс главного тормозного цилиндра прежде всего должно проявляться в виде дополнительного износа его элементов (в первую очередь, уплотнительных манжет). Весь комплекс приведенных выше фактов говорит о том, что на автомобилях с АБС главный тормозной цилиндр работает в более сложных условиях и его выход из строя может наступить значительно раньше, чем на автомобилях, не оснащенных АБС.
Анализ информации с СТО и АТП показывает, что главные тормозные цилиндры автомобилей, не оснащенных АБС, обладают достаточно высокими значениями показателей долговечности. Так, у автомобилей ВАЗ, не оснащенных АБС и эксплуатируемых в городах с умеренным климатом, средняя величина ресурса ГТЦ составила 85 тыс. км. Однако, эта величина, в силу особенностей функционирования антиблокировочных систем, может оказаться значительно меньше при установке на автомобиль АБС.
Для количественной оценки происходящих при этом изменений можно использовать методику, изложенную в работе М.В. Полуэктова [72] для колесных тормозных цилиндров. На основе проведенного анализа можно рассчитать отношение количества двойных ходов поршней ГТЦ для тормозной системы с АБС и без нее.
Определение режима испытаний главных тормозных цилиндров автомобилей, оснащенных АБС
Проводимое исследование показало, что для оценки характера и степени влияния рабочего процесса автоматизированной тормозной системы на долговечность элементов главного тормозного цилиндра, важной задачей является определение конкретных значений параметров испытаний. Частично эти параметры упоминались выше.
Параметры испытаний на лабораторном стенде должны отражать режимы работы элементов тормозной системы в реальных условиях эксплуатации. При этом необходимо учитывать, что элементы автомобилей работают в различных условиях, и единообразие при испытаниях не позволяет отразить все особенности протекающих процессов.
В практике испытаний обычно применяются следующие методы [43, 54]:
1) отображение одного из режимов эксплуатации автомобиля без каких-либо коррективов;
2) выделение характерного цикла нагружения и его учащенное воспроизведение;
3) преобразование реального режима эксплуатации, с целью исключения влияния малозначительных факторов;
4) применение комбинированного режима, чередующего несколько реальных режимов эксплуатации;
5) применение условного режима, например, замена переменного цикла колебаний на упорядоченный, т.е. с постоянной амплитудой и частотой;
6) применение режима, более тяжелого, чем реальные.
В настоящем исследовании из всего многообразия режимов работы выделяется цикл работы АБС, замененный на цикл с постоянной частотой и амплитудой. Отправной точкой для выбора параметров испытаний являются требования к испытаниям по оценке долговечности главных тормозных цилиндров в условиях циклического нагружения, предусмотренные ГОСТ Р 52431-2005 [32] и являющиеся критерием пригодности ГТЦ для всех типов автомобильных тормозных систем с гидравлическим приводом.
Сопоставление значений параметров, указанных в стандарте с величинами, полученными в ходе дорожных испытаний автомобилей с АБС, представлено в таблице 3.4.
Проведенные сопоставления показывают, что требования ГОСТ [32] максимально приближены к условиям работы тормозных цилиндров в случае применения водителем прерывистого торможения. Для функционирования автоматизированных тормозных систем характерны принципиально иные значения параметров. Прежде всего, это на порядок возрастающая частота изменения давления рабочего тела. Так, частота модуляции давления в наиболее распространенных конструкциях АБС находится на уровне 10 - 15 Гц, в то время как регламентируемые представленным нормативным документом значения частоты изменения давления в процессе ресурсных испытаний тормозных цилиндров составляют 0,5 - 1 Гц. При этом амплитуда колебаний существенно меньше.
Наряду с этим, одним из определяющих факторов является температурный режим испытаний. Он, главным образом, оказывает влияние на свойства тормозной жидкости и материала уплотнений, что определяет характер и интенсивность процессов изменения технического состояния ГТЦ в целом. Проведенный анализ показывает, что, несмотря на относительную стабильность теплового режима двигателя автомобиля, температура подкапотного пространства меняется в зависимости от температуры окружающей среды.
В результате анализа было выявлено, что температура главного тормозного цилиндра изменяется вместе с температурой подкапотного пространства. В связи с этим актуальным является вопрос исследования влияния температурного режима работы ГТЦ на его элементы.
Согласно ГОСТ Р 52431-2005 [32], тормозные цилиндры необходимо испытывать при температуре 70 ± 15С.
Для оценки соответствия указанного диапазона температур реальным условиям эксплуатации ГТЦ было выполнено экспериментальное исследование. Эксперименты проводились на улицах г. Волгограда при различных температурах воздуха. В эксперименте участвовало 17 легковых автомобилей различных марок. В ходе обработки полученных данных были найдены средние значения температуры главных тормозных цилиндров автомобилей, соответствующие различным температурам воздуха, при которых проводились измерения. Результаты приведены на рисунке 3.28
Анализ полученных данных показывает, что при температуре воздуха на улице в пределах -27 ... +28С, температура главных тормозных цилиндров на различных легковых автомобилях после часового пробега варьируется в пределах -12 ... +45С. Как видно, полученные значения существенно ниже установленных нормативным документом [32]. И лишь при эксплуатации в условиях высоких температур (+35С и выше) воздуха на улице, особенно при динамичном движении в плотном городском потоке с частыми остановками, тепловой режим в отдельных случаях приближается к нормативному.
Вместе с тем, хорошо известно, что срабатывание систем, автоматизирующих тормозное управление автомобиля, гораздо чаще происходит в зимний период времени. Кроме того, низкое значение коэффициента сцепления, обусловленное наличием на дорогах снега и льда, увеличивает также и продолжительность функционирования АБС при каждом включении.
Следовательно, для адекватного воспроизведения условий работы главного тормозного цилиндра автомобиля с АБС при его ресурсных испытаниях в лабораторных условиях, необходимо и достаточно обеспечить температуру окружающего воздуха в пределах 20 ± 15С.
Для всестороннего исследования характеристик долговечности ГТЦ автомобилей с АБС можно также провести отдельной серией испытания в предельных температурных режимах работы, которые определяются как условиями окружающей среды, дорожными условиями, так и конструктивными особенностями автомобиля. Так, в некоторых моделях автомобилей вагонной компоновки, а также при расположении двигателя в базе, главный тормозной цилиндр размещается удаленно и изолированно от двигателя, что создает условия для более низких температур среды, в которой он работает. С целью испытания главных тормозных цилиндров автомобилей в предельных температурных режимах был разработан специальный стенд [68], дополненный в отличие от стенда, представленного на рисунке 3.2, термокамерой. Схема данного стенда представлена на рисунке 3.29 На представленный стенд получен патент РФ на полезную модель №108744.
На рисунке 3.29 условно обозначены: 1 - червячный механизм; 2 - стойка для закрепления главного тормозного цилиндра; 3 - термокамера; 4 — корпус термокамеры; 5 - теплоизоляционный материал; 6 - электрический нагревательный элемент; 7 - датчик температуры; 8 - персональный компьютер (ПК); 9 - расширительный бачок; 10 - главный тормозной цилиндр; 11 - колесный тормозной цилиндр дисковых тормозных механизмов передних колес автомобиля; 12 - колесный тормозной цилиндр барабанных тормозных механизмов задних колес автомобиля; 13 - модулятор давления; 14 - цилиндр модулятора давления; 15 - кулачок; 16 - передача ременная; 17 - электродвигатель; 18 - датчик давления; 19 - шток главного тормозного цилиндра; 20 - упруго-демпфирующий элемент (ИНВ).
Как показало аналитическое исследование, а также опыт эксплуатации автомобилей, основными элементами, лимитирующими ресурс главных тормозных цилиндров, являются уплотнительные манжеты. Поэтому интерес представляет определение влияния различных температурных режимов на физические особенности работы уплотнительных манжет ГТЦ.
Обобщение результатов и формулирование рекомендаций по корректированию требований нормативно-технической документации
В ходе проведенного аналитического и экспериментального исследования, результаты которого изложены выше, было установлено, что оснащение тормозного гидравлического привода автомобиля элементами АБС без внесения каких-либо конструктивных изменений, может привести к преждевременному выходу из строя узлов и деталей тормозной системы и, в частности, главного тормозного цилиндра. Для устранения негативного влияния автоматизации процесса экстренного торможения необходимо принятие мер эксплуатационного или конструктивного характера.
Эксплуатационные меры состоят в корректировании режимов технической эксплуатации автомобилей. Эти режимы задаются конструкторами и для большинства автомобилей, эксплуатируемых в настоящее время, указаны в сервисных книжках (сетках технического обслуживания) (см. рисунки 4.17, 4.18). Режим технической эксплуатации по сервисным книжкам подразумевает выполнение ряда ТО, каждое из которых проводится при достижении автомобилем пробега в определенном интервале и содержит конкретный набор технических воздействий (проверка, регулировка, замена).
В отдельных случаях, при эксплуатации автомобилей автотранспортными предприятиями комплексного типа, применяется планово-предупредительная система ТО и ремонта, в которой предусмотрено чередование двух видов технических обслуживании: ТО-1 и ТО-2. Такая система технической эксплуатации более характерна для грузовых автомобилей и автобусов отечественного производства.
Корректирование режимов технической эксплуатации подразумевает, во-первых, сокращение величины пробега между ТО, а во-вторых, введение в состав некоторых ТО дополнительных видов работ.
В частности, в ходе проведенного исследования было получено, что средний ресурс главных тормозных цилиндров автомобилей Lada, не оснащенных АБС, и эксплуатируемых в городах с умеренным климатом, составил 85 тыс. км. Внешним признаком выхода ГТЦ из строя является невозможность обеспечения должной эффективности торможения, а также подтекание тормозной жидкости вследствие предельного износа уплотнительных манжет. Их величина износа при этом составляет в среднем 0,36 мм, локально достигает 0,5 - 1,0 мм (в местах вы-рывов материала).
Проведенные в лабораторных условиях испытания на оригинальном стенде по специально разработанной методике показали, что в режиме, имитирующем функционирование АБС, средняя величина износа уплотнительных манжет главных тормозных цилиндров составляет 0,35 мм при числе циклов изменения нагрузки, эквивалентном 102 тыс. км пробега для принятых средних условий движения. Полученная величина является минимальной прибавкой величины износа уплотнительных манжет ГТЦ вследствие установки на автомобиль АБС. При этом не учитывается влияние служебных торможений, а также взаимное влияние на элементы от процессов экстренных и служебных торможений. С учетом сказанного, графики изменения диаметра уплотнительных манжет главных тормозных цилиндров будут иметь вид, представленный на рисунке 4.19.
Сопоставление закономерностей, представленных на рисунке 4.19, показывает, что по критерию изнашивания ресурс главного тормозного цилиндра при установке на автомобиль АБС для средних условий эксплуатации снижается на 26 %. Эта величина практически совпадает с полученным в главе 2 расчетным методом значением увеличения пути трения поршней и уплотнительных манжет ГТЦ, вследствие функционирования АБС, равным 27%. Это свидетельствует о сходимости результатов теоретического и практического исследования.
В соответствии с изложенным в главе 2, каждая климатическая зона характеризуется различной степенью влияния антиблокировочной системы на ресурс элементов тормозной системы. В связи с тем, что данные настоящего экспериментального исследования действительны для условий умеренного климатического района, то для других климатических районов необходимо провести корректировку результатов. Из таблицы 4.4 следует, что для обеспечения безопасности дорожного движения, можно порекомендовать выполнение тех видов ТО, в состав которых входит проверка технического состояния главного тормозного цилиндра, при пробеге, меньшем регламентного на 19 - 32%. На практике такая задача невыполнима, поскольку сокращение периодичности ТО приведет к недоиспользованию ресурса иных элементов автомобиля.
Более логичной будет рекомендация включить проверку технического состояния главных тормозных цилиндров автомобилей с антиблокировочной системой в состав ТО, при котором производится замена тормозной жидкости.
Кроме того, поскольку работа АБС может привести не только к количественным изменениям, но и к проявлению иных процессов изменения технического состояния (например, изменение упругих свойств манжет), следует внести изменения в сам процесс диагностирования. В частности, проверка состояния главных тормозных цилиндров на герметичность не может выявить процессов быстродействия тормозного привода. Последнее, в свою очередь, непосредственно сказывается на корректном воспроизведении алгоритма работы АБС при эксплуатации. Для обеспечения возможности своевременного выявления указанных процессов необходимо совершенствование средств и методов диагностирования.
Функциональная диагностика главных тормозных цилиндров автоматизированных тормозных систем может быть выполнена с использованием оригинальной конструкций стенда, описанной выше (см. главу 3). Применение представленных в главе 3 оригинальных стендов возможно в следующих направлениях: разработка новых конструкций главных тормозных цилиндров, внедрение новых материалов для изготовления их элементов; сертификационные испытания автомобилей (например, на автополигоне); оценка состояния главных тормозных цилиндров (включая проверку корректности функционирования в различных режимах) при ТО автомобилей на предприятиях автосервиса или комплексных АТП. В первых двух случаях могут проводиться длительные испытания до достижения предельного состояния элементов, в последнем — экспресс-диагностика на предмет функционального соответствия главных тормозных цилиндров условиям их работы в автоматизированной тормозной системе. Роль диагностирования технического состояния главных тормозных цилиндров значительно возрастает при установке на автомобиль АБС. Причем, для обеспечения контроля исправности работы ГТЦ в процессе эксплуатации перспективным также является развитие средств бортовой диагностики корректности функционирования антиблокировочной системы, с точки зрения временных параметров отработки алгоритма. Это может стать дополнением к имеющейся у современных конструкций АБС системе диагностирования по отказам.
С целью обеспечения высокого уровня безопасности дорожного движения без существенного увеличения времени выполнения регламентных работ можно в отдельных случаях рекомендовать плановую замену главных тормозных цилиндров автомобилей с АБС в процессе одного из ТО. Согласно полученным в настоящем исследовании данным (см. рисунок 4.19), таким может стать ТО, предшествующее пробегу автомобиля, равному для средних условий эксплуатации 63 тыс. км.
Предлагаемая конструкция стендов для испытаний тормозных цилиндров и методика их проведения могут быть включены в соответствующий нормативный документ, в частности, в ГОСТ Р 52431 - 2005 [32], в качестве рекомендации по дополнительной проверке технического состояния элементов главных тормозных цилиндров, предназначенных для работы в составе тормозной системы автомобиля, оснащенного АБС, в том числе при разработке новых конструкций ГТЦ, а также внедрении новых материалов для изготовления их элементов.
