Proiectarea Unui Sistem de Franare a Unui Autovehicul
UNIVERSITATEA _________________
FACULTATEA: IMT ORADEA
SPECIALIZAREA: AUTOVEHICULE RUTIERE
PROIECTAREA SISTEMULUI DE FRÂNARE PENTRU UN AUTOTURISM CU 5 LOCURI, MASA MAXIMĂ ADMISĂ 1600 KG, ȘI VITEZA MAXIMĂ 220 KM/H
CUPRINS:
CAPITOLUL I
INTRODUCERE
Transportul auto se dezvolta rapid, deținând ponderea principală a deplasărilor de mărfuri și călători. Numărul de automobile existent în lume este de ordinul sutelor de milioane, iar diversificarea construcțiilor acestora a permis să se realizeze transportul oricărui fel de material pe distanțe lungi și in condiții deplină de siguranță.
Transporturile auto au rolul ca împreună și în colaborare cu celelalte mijloace de transport (cale ferată, transportul pe apă și aerian) să asigure deplasările de persoane, materiale și alte bunuri necesare economiei naționale și deservirii populației.
Transporturile auto au o deosebită importantă pentru economia națională, asigurând împreună cu celelalte mijloace de transport: pentru industrie, aprovizionarea cu materii prime și materiale necesare procesului de producție și desfacerea produselor; pentru agricultură, aprovizionarea materială și deplasarea recoltei la locurile de depozitare; pentru comerț, aprovizionarea cu produsele necesare unităților de desfacere, depozitelor, precum și aprovizionarea populației; pentru activități social-culturale, deplasarea utilajelor, materialelor și obiectelor necesare desfășurării acestor activități; deplasarea cetățenilor de la domiciliu la locurile de muncă și înapoi, pentru nevoi personale, turism și alte interese.
Apărut în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, automobilul a revoluționat transporturile și a concentrat cele mai semnificative eforturi științifice și inginerești, pentru continua perfecționare a performanțelor sale.
În construcția automobilelor moderne și-au câștigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activă etc.), pentru ca, în final, întreg automobilul să se transforme într-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigație, X-by Wire, telematică etc.).
Foarte multe eforturi ale proiectanților și constructorilor de vehicule sunt dirijate în scopul creșterii siguranței și confortului pasagerilor și implică subsisteme mecatronice sofisticate.
Sistemele inteligente utilizate pentru asigurarea unui grad sporit de securitate autovehicului și mai ales conducătorului auto, pot fi active sau pasive și au câteva roluri foarte importante: evitarea eficientă a coliziunilor; minimizarea efectelor coliziunilor și evitarea traumatismelor, atât pentru pasagerii vehiculului, cât și pentru pietonii implicați în accident. Sistemele de siguranță active servesc la prevenirea coliziunilor și la minimizarea efectelor acestora.
Sistemele de siguranță active, contribuie la prevenirea sau evitarea unor accidente ce decurg dintr-o manevrare necorespunzătoare a automobilului, de regulă, pe fondul unor condiții neprielnice ale căii de rulare și/sau mediului înconjurător. Deoarece manevrarea necorespunzătoare se traduce printr-o cinematică și poziționare neadecvată a roților cu sau față de calea de rulare, sistemele de siguranță active acționează asupra sistemelor componente ale automobilului ce modifică cuplul și poziția acestora, adică sistemul de frânare, sistemul de propulsie și sistemul de direcție.
În ultima vreme producătorii de automobile pun un accent deosebit pe sistemele de siguranță active și rezultatele pe care le obțin autovehiculele la testele de impact. Aceștia duc o politică de marketing foarte agresivă pentru a crește numărul de unități vândute pe o anumită piață, în special pe cele sărace și renunță la sistemele de siguranță active profitând și de nivelul de cultură automobilistică scăzut de pe piața respectivă.
Pe suprafețele cu aderență mare, uscate sau ude, majoritatea mașinilor echipate cu ABS obțin distanțe de frânare mai bune (mai scurte) decât cele fără ABS, un sofer cu abilități medii pe o mașină fără ABS ar putea printr-o frânare cadențată, să atingă performanțele unui șofer începător pe o mașina cu ABS. Totuși pentru un număr semnificativ de șoferi ABS-ul îmbunătățește distanțele de frânare în varii condiții. Tehnica recomandată pentru șoferi într-o mașină echipată cu ABS, într-o situație de urgență, este să apese pedala de frână până la fund și să ocolească eventualele obstacole. În asemenea situații ABS-ul va reduce semnificativ șansele unui derapaj și pierderea controlului, mai ales pentru mașinile grele.
Pe zăpadă ABS-ul mărește distanțele de frânare. Pe aceste suprafețe, roțile blocate s-ar adânci și ar opri vehicolul mai repede, dar ABS-ul previne acest lucru. Unele modele de ABS reduc acest efect mărind timpul de ciclare, lăsând astfel roțile să se blocheze în mod repetat pentru perioade scurte de timp. Avantajul ABS-ului pe aceste suprafețe este îmbunătățirea controlului mașinii și nu frânarea, deși pierderea controlului pe aceste suprafețe rămâne totuși posibilă.
Odată activat, ABS-ul va face ca pedala să pulseze. Unii șoferi, simțind acest efect, reduc apăsarea pe pedală și măresc astfel distanța de frânare. Acest lucru contribuie la mărirea numărului de accidente. Din acest motiv unii constructori au implementat sisteme de asistență la frânare ce mențin forța de frânare în situații de urgență.
Parlamentul European a validat propunerea Comisiei Europene în privința dotării tuturor autoturismelor, începând din 2009, cu un sistem de asistare la frânare (ABS). Conform statisticilor, dacă toate automobilele aflate în parcul auto european ar fi fost echipate cu acest sistem, circa 1.100 dintre pietonii implicați anual în accidente rutiere ar fi avut viețile salvate. Asta în condițiile în care, în octombrie 2006, doar 41% dintre vehiculele noi erau echipate cu ABS. Următorul pas, în cadrul unui vast program european de ameliorare a securității rutiere, vizează introducerea în dotarea standard a sistemului electronic de control al stabilității (ESP), începând din 2012.
Începerea producției de serie al programului electronic de stabilitate ESP în Europa cu zece ani în urmă a fost o piatră de hotar în dezvoltarea de sisteme de control de frână. Bosch a fost un actor major în dezvoltarea de conducere a acestui sistem de siguranță activă și în 1995, a devenit primul furnizor în întreaga lume pentru ESP.
De la începerea producției de serie Bosch a extins continuu, potențialul de ESP care acum permite integrarea unor noi caracteristici de securitate și comoditate.
Denumirea tehnică a sistemului este ESP, adică Electronic Stability Program, denumire ce sugerează destul de bine utilitatea sa. Faptul că cele mai multe astfel de sisteme instalate pe autovehicule sunt fabricate de Bosch a determinat însă popularizarea sa sub numele ESP, cel pe care producătorul de dispozitive electronice auto l-a instituit încă din 1987, când a început să-l dezvolte alături de Mercedes-Benz.
Studiile asupra accidentelor rutiere demonstrează că cel puțin 40% din totalul celor soldate cu decese sunt cauzate de deraparea autovehiculelor și, mai mult, aproximativ 80% din totalul acestor accidente ar fi putut fi evitate prin utilizarea sistemului ESP.
1.1 Istoric
Compania germană Robert Bosch GmbH (cunoscută, mai popular, drept Bosch) dezvoltă tehnologia ABS din anii 1930, dar primele automobile de serie care să folosească sistemul electronic Bosch au fost disponibile în 1978. Au apărut prima dată pentru camioane și limuzine nemțești Mercedes-Benz. Ulterior sistemele au fost portate și pentru motociclete.
Inițial, sistemele ABS au fost dezvoltate pentru aeronave. Unul din primele sisteme a fost Maxaret al companiei Dunlop, prezentat în anii 1950, și încă în uz pe unele modele de aeronave. Acesta a fost un sistem complet mecanic. A fost utilizat și pe automobile în anii 1960 (mașina de curse Ferguson P99, Jensen FF și mașina experimentală Ford Zodiac cu tracțiune integrală) dar pentru automobile s-a dovedit scump și nu a fost în totalitate de încredere. Un sistem complet mecanic, construit și vândut de Lucas Girling, a fost echipat din fabrică pe Ford Fiesta generația a 3-a. S-a numit Stop Control System (sistemul de control al opririi).
Sistemele care fac parte din siguranța activă a unui automobil sunt următoarele:
Sistemul de frânare antiblocare – ABS – Când roțile se blochează pe drumuri ude sau alunecoase datorită unei frânari bruște, vehicululul datorită aderenței scăzute poate derapa necontrolat. Sistemul de frânare antiblocare (ABS) are calități considerabile de prevenire a blocajului roților, oferindu-i conducătorului un control foarte mare asupra autovehiculului în cazul unor frânări bruște în situații de urgență. Cele mai multe autovehicule oferă ABS fie ca echipament standard fie ca echipament opțional.
Figura nr. 1.1 – Sistemului de frânare cu ABS
Sistemul de control al tracțiunii – TCS – Printre nenumăratele pericole cu care se confruntă conducătorii auto se numără drumurile ude sau alunecoase. Autovehiculele pot intra pe neașteptate în derapaj atunci când sunt frânate sau accelerate reluarea controlului asupras autovehiculului fiind imposibilă. Sistemul de control al tracțiunii – TCS – ajută în astfel de situații, prevenind derapajul roților înbunătățind accelerația și menținând direcția de mers. Senzorii informează sistemul TCS când roțile încep să patineze, acesta trimite un semnal și un instrument de bord informează conducătorul auto de faptul că TCS este activ.
Asistența la frânare – BA – Asistența la frânare este o tehnologie care ajută la îmbunătățirea timpului de reacție a conducătorului auto în situația frânării de urgență. Sistemul se bazează pe descoperirile studiilor accidentelor de circulație prin coliziune efectuate în paralel de firmele Mercedes și Toyota, în care 90% din participanți au ezitat să aplice toată forța de frânare, sau să nu aplice toată forța de frânare în situații de urgență. Sistemul asistenței frânării de urgență folosește senzorii pentru a măsura cât de ușor trebuie apăsată pedala de frână. Când sistemul descoperă intenția conducătorului auto de a aplica întreaga forță de frânare asistența de frânare livrează întreaga presiune de frânare reducând considerabil distanța de frânare a autovehiculului. Asistența la frânare este disponibilă pe un număr mare de noi autovehicule, incluzând Ford Taurus, Ford Focus și Ford Expedition.
Figura nr. 1.2 – Elementele sistemului ABS/ASR
Figura nr. 1.3 – Rata de penetrare a sistemului ESP în lume
Programul electronic de stabilitate – ESP – Aproape 10000 de oameni au murit anul trecut ca urmare a accidentelor prin coliziune, multe dintre ele având loc când vehiculele rulau pe drum ud sau la deplasarea în curbe. Programul electronic de stabilitate este un sistem interactiv de stabilitate dezvoltat, proiectat pentru a detecta și asista electronic situațiile critice în timpul rulării autovehiculului. Este automat furnizând un înalt control în condiții nefavorabile de trafic, comparând constant intenția de menținere a direcției a conducătorului auto cu direcția pe care tinde să o aibă autovehiculul și compensând orice diferență. Numeroși producători de automatizări oferă sisteme electronice de control al stabilității, pe care le vând sub diferite denumiri. Clienții pot întâlni aceste produse sub numele diverselor brand-uri atunci când își achiziționează un nou autovehicul: ESP (Audi, Mercedes, Volswagen), DSC-Dynamic Stability Program (BMW), TM-Advance Trac (Ford, Lincoln, Mercury), Stability Management System (Porsche) and Vehicle Skid Control (Toyota).
1.2 Scurt istoric al sistemelor de siguranță activă
Specialiștii nu pot spune cu certitudine când s-a inventat automobilul, aceasta deoarece automobilul a suferit de-a lungul timpului numeroase modificări și a fost perfecționat în mod continuu. Totuși pentru a avea un reper temporar mai exact, s-a stabilit data de 29 ianuarie 1886 ca mom886 ca moment în care a fost inventat automobilul. Aceasta este de fapt data când inginerul Carl Benz din Mannenheim a obținut brevetul pentru primul vehicul acționat de un motor cu ardere internă.
Carl Benz nu putea ști că acest document urma să fie considerat, mai târziu, certificatul de naștere al automobilului și nici nu putea bănui faptul că brevetul său avea să devină piatra de temelie pentru construirea a milioane de mașini, în lumea întreagă.
Inginerii nici nu au visat că sistemul de frânare antiblocaj patentat acum aproximativ 70 de ani de către Karl Wessel în 1928, pentru controlul forței de frânare, va fi dezvoltat și construit. Sistemul a fost fundamentat și perfecționat de către Robert Bosch (1936) și Fritz Osthaus în 1940. Sistemul ABS a fost patentat în 1936 când Fritz Ostwald, supranumit părintele ABS, își susținea examenul de doctorat în ingineria mecanică la Universitatea Tehnică din München. Îndrumătorul său nu a fost interesat această temă, astfel că își termină doctoratul în fizică, după care lucrează la ATE, ITT, Continental Teves din 1950 până când se retrage în 1978. Deoarece a fost convins că o frână poate lucra corect numai dacă șasiul este corect proiectat, el a facut câteva îmbunătățiri: unghiul de cădere negativ și o nouă concepție a punții spate pentru acea vreme, amândouă fiind folosite la majoritatea mașinilor de azi.
Unghiul negativ al roții este important când în timpul tracțiunii întâlnim suprafețe neregulate sau obstacole în afara drumului, explozie de cauciuc sau defecte ale frânelor. Poate fi numit ESP mecanic. Numele de ABS este derivat din cuvântul Antiblockiersystem. Heinz Leiber la Daimler – Benz a lucrat la ABS-ul automobilelor în 1964 la Teldix și mai târziu la Bosch și Daimler – Benz. El este părintele primului sistem ABS care a lucrat pe automobile. Un prototip ABS pe autovehicul a fost arătat în 1970. Dar a fost nevoie de mai mulți ani pentru a dezvolta un sistem care să fie îndeajuns de fiabil, utilizând circuitele digitale integrate în locul componentelor analogice. Bosch a început prima serie de producție în 1978 cu sistemul ABS 2S fiind folosit de legendarul Euro 81 500SEL Mercedes Benz. ABS-ul era opțional pentru 2599 de mărci, aproape 5% din prețul mașinii care este echivalentul a 5000 de dolari astăzi.
Figura nr. 1.4 – ABS 2S in '81 500SEL
În 1995 ESP se lansează în producție după opt ani de intense cercetări și perfecționări ale sistemului. După ce faza de concepție a fost validată, întreaga durată de realizare a sistemului poate fi împărțită în trei mari decade. În 1959 Prof. Dr. Fritz Nallinger, inginer șef la Daimler Benz a patentat un sistem de control proiectat pentru a preveni alunecarea roților prin intervenția asupra motorului transmisiei și frânelor. Până atunci senzorii și sistemele de control nu erau capabile de performanțe necesare operației de stabilizare cu frecvența necesară sistemului. Totuși mult timp asemenea dispozitive au rămas doar o teorie.
1971 – 1986
Fundamentele ESP au fost realizate de Mercedes Benz între anii ’70, ’80 când compania a dezvoltat sistemul de antiblocare a frânelor (ABS, "Antiblockiersystem"). Bazat pe tehnologia ABS-ului, Mercedes-Benz a dezvoltat Acceleration Skid Control –ASR (controlul alunecării la accelerare, "Antischlupfregelung") ASR intervine atât în sistemul de frânare cât și asupra motorului în reglând forța la roată în funcție de suprafața drumului. Acest sistem nu acționează numai în timpul frânării ca sistemul ABS, ci și în timpul accelerării. ASR a debutat pentru prima dată în 1981 pe Mercedes W-126 S class. În 1985 ASR a fost urmat de sistemul ASD-Automatic Locking Diferential și de inovativul 4Mation un sistem care monitorizează tot timpul cele patru roți. Inginerii de la Mercedes au o nouă țintă, să dezvolte o nouă siguranță activă în toate situațiile: în viraje, manevre evazive sau alte manevre ale autovehiculului care ar afecta dinamica laterală a automobilului și să inducă un risc mare de derapaj.
1987
ABS + (ASR + ASD) = ESP
Urmărind vastele simulări realizate cu ajutorul computerului și a cercetărilor preliminare, în 1987 are loc prima testare a unor vehicule echipate cu așa-numitul Transverse Slip Control System. Acest sistem identifica momentul de alunecare al vehiculului și îl va corecta prin intervenții asupra șasiului, motorului și transmisiei.
1992
După succesul simulărilor dezvoltate de un înalt standard de producție începute în 1992, mai mult de 40 de ingineri de la Mercedes-Benz AG și Robert Bosch GmbH au luat parte la acest proiect de bază. Împreună inventatorii de la Mercedes-Benz AG și Robert Bosch GmbH au exploatat milioane în timpul experimentelor și de asemenea și alte resurse.
Figura nr. 1.5 – Modul de operare al ESP
Figura nr. 1.6 – Prima generație de ABS de la Bosch
1994-1996
În primăvara lui 1995 prima generație de sisteme ESP, intră în producție la Mercedes-Benz/Stuttgart în S 600 coupe. În 1996 sitemul RAM a fost crescut de la 48 de kilobytes la 56 de kilobytes.
1997-2000
În 1997 a doua generație de sisteme ESP a fost introdusă în producție. Pentru o dezvoltare rapidă a presiunii de frânare sistemul de asistență al frânării Brake Assist System (BAS, "Bremsassistent") este acum utilizat. Acest lucru face posibilă renunțarea la pompa de presurizare și la pistonul de încărcare micșorând greutatea cu mai mult de 50%. Cea de-a treia generație de sisteme ESP, cu nume de proiect MK20, a fost introdusă în producție în Mai 2000 la noile Mercedes-Benz C-class.
1.3 Sisteme de frânare antiblocare ABS
Figura nr. 1.7
Automobilele moderne sunt echipate cu sisteme de frânare performante și fiabile, capabile să atingă excelente valori de frânare chiar și la viteze ridicate. Totuși, chiar și cele mai sofisticate sisteme de frânare nu sunt în măsură să evite reacțiile necontrolate și o frânare excesivă din partea conducătorului mașinii, confruntat cu condiții de circulație critice sau cu o situație neașteptată. Specialiștii au estimat că 10 % dintre accidentele de pe drumurile publice au fost produse datorită faptului că vehiculele devin necontrolabile și derapează ca urmare a blocării roților. Sistemul anti-blocaj (ABS) permite remedierea acestei probleme. Vehiculele echipate cu acest dispozitiv își conservă maniabilitatea și stabilitatea direcțională, chiar și în cazul frânarii violente. Sistemul ABS contribuie într-o masură importantă la siguranța rutieră. La ora actuală cumpărătorii de automobile consideră sistemul ABS ca fiind cea mai importantă opțiune (60% din preferințe), devansând airbag-ul (53%) și direcția asistată (51%).
Sistemele de frânare, pe lângă o serie de condiții generale pe care trebuie să le îndeplinească (anumite decelerații impuse, frânare progresivă, fără șocuri, efort minim de acționare, fiabilitate ridicată, intrarea rapidă în funcțiune, construcție simplă și ieftină), trebuie să împiedice blocarea roților sau să mențină alunecare între anumite limite.
Figura nr. 1.8 – Testarea sistemelor de frânare
Realizarea funcțiilor de mai sus este legată de importanța care se acordă asigurării stabilității în timpul rulării. În aceeași măsură se urmărește minimizarea distanței de frânare și reducerea uzurii excesive a pneurilor.
În cazul blocării roților la frânarea automobilului pot să apară următoarele neajunsuri: pierderea stabilității la blocarea roților punții spate; pierderea controlului direcției când se blochează roțile din față; creșterea spațiului de frânare, deoarece coeficientul de aderență la alunecarea roții este mai redus decât cazul în care roata se rotește. Pentru a mări eficacitatea frânării și a îmbunătăți stabilitatea și maniabilitatea autovehiculelor se folosesc sisteme de control automat al frânării prin care se evită blocarea roților indiferent de momentul de frânare aplicat și de coeficientul de aderență.
Sistemul ABS trebuie să mențină alunecarea roții în domeniul stabil pentru a utiliza coeficientul de frecare optim. În cazul în care roata se blochează alunecarea tinde la 100% din domeniul instabil, iar distanța de frânare crește datorită unei forțe de frecare mai mici.
Figura nr. 1.9 – Modul ABS 8 pentru automobile
La frânarea unui vehicul, centru de greutate se deplasează spre puntea din față, acestea nu preiau sarcini egale mai ales la frânări în curbă. Din acest motiv anvelopele din punte spate pot pierde aderența mult mai ușor decât cele de pe puntea din față. Dacă roțile din spate derapează direcția în care se mișcă automobilul nu mai poate fi controlată prin sistemul de direcție.
Sistemul de control automat permite reglarea frânării în următoarele limite:
a. la frânare sub limita de aderență a drumului, sistemul de control automat nu intervine, momentul de frânare menținându-se la valoarea maximă comandată de conducătorul auto.
b. în cazul frânării la limita de aderență a drumului, sistemul de control automat sesizează tendința de blocare a roții frânate și comandă menținerea sau scăderea presiunii în sistemul de frânare astfel încât să fie utilizată aderența maximă a drumului. La apariția tendinței de blocare a roții sistemul de control automat comandă izolarea cilindrului de frână corespunzător, de restul sistemului de frânare. În funcție de accentuarea sau dispariția tendinței de blocare a roților se comandă reducerea sau creșterea presiunii în cilindrul de frânare, executându-se astfel o succesiune de cicluri de frânare-defrânare ce vor menține roata în zona optimă de aderență.
c. o frânare combinată are loc la parcurgerea zonelor cu aderență diferită, sistemul de control automat asigurând prevenirea blocării roților, pe porțiunile cu aderență scăzută, și frânare maximă, pe porțiunile cu aderență ridicată. De asemenea sistemul de control automat acționează eficace și în cazul în care o parte a automobilului se află cu roțile pe porțiuni de drum cu coeficienți de frecare diferiți.
Figura nr. 1.10 – Componentele sistemului de frânare cu ABS de pe automobile
1 – unitatea de control electro-hidraulică; 2 – senzori de turație montați pe roțile automobilului
Figura nr. 1.11 – Circuitul hidraulic al unui sistem de frânare prevăzut cu ABS generația 8 de la Bosch
1 – pompă centrală; 2 – cilindrul de frânare; 3 – modul hidraulic; 4 – supape de admisie; 5 – supape de evacuare; 6 – pompă de retur; 7 – acumulator hidraulic; 8 – electro-motor; SS – stânga spate; DF – dreapta față; SF – stânga față; DS – dreapta spate
Cele două pompe de retur (6) sunt acționate de un singur motor electric (8). Rolul acestor pompe este de a evacua rapid lichidul de frână din cilindrii de frânare (2) înapoi în pompa centrală (1). Pentru a preveni ca presiunea în cilindrii de frânare să depășească presiunea din pompa centrală supapele de admisie (4) sunt prevăzute cu supape de sens.
Dacă sistemul ABS este inactiv, atunci sistemul de frânare se comportă ca un sistem de frânare obișnuit, menținând presiunea din cilindrii receptori în timpul apăsării pedalei de frână. În acest fel doar circuitul prima (pompă centrală – supapă admisie – cilindru de frânare) este activ, supapele de refulare (5) fiind închise. Dacă ABS-ul se activează, atunci scăderea presiunii pe cilindrii receptori, de frână, este realizată de implicarea componentelor circuitului secundar (cilindru de frânare – supapă de refulare – acumulator – pompă centrală).
Avantajele ABS:
împiedică blocarea roților, folosind astfel la maxim aderența la sol;
utilizarea maximă a aderenței între roți și carosabil și astfel scurtarea distanța de frânare;
crește stabilitatea vehiculului, acesta rămânând manevrabil și putând vira chiar și la o frânare totală;
mai bună distribuție a forței de frânare între axele față-spate;
auto-verificare și monitorizare chiar când sistemul nu este activ;
sistem fără întreținere și fără componente de uzură, fiabilitate deosebită garantată de milioanele de sisteme Bosch instalate pe autovehicule;
funcționare independentă față de celelalte componente ale autoturismului și de starea acestora.
Frână și evitarea unui obstacol:
Fără ABS:
1. Șoferul recunoaște pericolul și frânează
2. Șoferul încearcă să vireze pentru a evita mașina care staționează
3. Mașina nu reacționează la rotirea volanului și rămâne pe traiectoria inițială
Figura nr. 1.12
Cu ABS:
1. Șoferul recunoaște pericolul și frânează
2. Șoferul încearcă să vireze pentru a evita mașina care staționează
3. Mașina virează și reușește să oprească, evitând accidentul
Figura nr. 1.13
Frână pe carosabil parțial acoperit cu gheață, zăpadă, apă, ulei sau frunze uscate:
Fără ABS:
1. Șoferul frânează și roțile de pe partea dreaptă se blochează
2. Șoferul încearcă să evite deraparea
3. Mașina nu reacționează la rotirea volanului și derapează
Figura nr. 1.14
Cu ABS:
1. Șoferul frânează și ABS-ul recunoaște tendința roților din dreapta de a se bloca
2. ABS-ul împiedică blocarea roților
3. Mașina rămâne pe bandă și oprește în siguranță
CAPITOLUL II
SCOPUL SISTEMELOR DE FRÂNARE
CONDIȚIILE SISTEMULUI DE FRÂNARE
Frânarea constă în consumarea energiei cinetice (prin frecare), acumulată de autovehicul, ceea ce se realizează cu ajutorul discurilor și a plăcuțelor de frână și a unor forțe (presiuni) acționând asupra lor cu ajutorul unor actuatori hidraulici (figura nr. 2.1).
Figura nr. 2.1
Sistemul de frânare are rolul de a reduce viteza autovehiculului total sau parțial, de imobilizare a autovehiculului staționat sau de asigurare a unei viteze constante la coborârea unei pante.
Încetinirea sau oprirea roților este obținută prin frecarea între un element fix, conectat într-un fel sau altul cu caroseria sau șasiul vehiculului (plăcuțe de frână sau saboți) și un element solidar cu roțile în mișcare (discuri de frână, tamburi).
Sistemul de frânare trebuie să transforme energia cinetică în energie calorică și să evacueze cât mai rapid această căldură.
De aici rezultă că elementele sistemului de frânare între care există frecare trebuie să aibă o bună rezistență la temperatură înaltă și o bună conductibilitate termică.
Sistemele de frânare actuale sunt capabile să obțină decelerații de 6 …6,5 m/s² pentru autoturisme și de 6 m/s² pentru camioane. Efectul este maxim când roțile sunt frânate până la limita de blocare.
Sistemul de frânare trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
să asigure o frânare sigură;
să asigure imobilizarea autovehiculului în pantă;
să fie capabil de anumite decelerații impuse;
frânarea să fie progresivă, fără șocuri;
să nu necesite din partea conducătorului un efort prea mare;
efortul aplicat la mecanismul de acționare al sistemului de frânare să fie proporțional cu decelerația, pentru a permite conducatorului să obțină intensitatea dorită a frânării;
forța de frânare să acționeze în ambele sensuri de mișcare ale automobilului;
frânarea să nu se facă decât la intervenția conducătorului;
să asigure evacuarea căldurii ce ia naștere în timpul frânării,
să se regleze ușor sau chiar în mod automat;
să aibă o construcție simplă și ușor de întreținut.
Figura nr. 2.2 – Ansamblu disc frână
Sistemul de frânare are rolul:
– de a reduce viteza automobilului până la o valoare dorită sau chiar până la oprirea lui;
– de a imobiliza automobilul în staționare, pe un drum orizontal sau în pantă;
– de a menține constantă viteza automobilului în cazul coborârii unor pante lungi.
Frânele sunt mai eficiente cu cât distanța până la oprire este cât mai mică.
Sistemul de frânare perminte realizarea unor decelerații maxime de 6-6.5 m/s2 -pentru autoturisme și de 6m/s2 – pentru autocamioane.
Parametrii capacității de frânare ai automobilului sunt valoarea decelerației maxime și spațiul de frânare minim în funcție de viteză și de valoarea coeficientului de aderență.
Cerințele de securitate impun condiția ca la proietarea automobilelor, sistemul principal de frânare să permită realizarea unei decelerații maxime de 6-6.5 m/s2 pentru autoturisme și de 6 m/s2 pentru autocamioane și autobuze.
Deceleratia recmandată pentru frânarea de siguranță trebuie să fie egală cu cel puțin 30% din decelerația frânei principale. În practică decelerațiile care se realizează cu frâna de siguranță sunt egale cu jumătate din valoarea decelerației frânei principale (2-3m/s2). La proiectare, valorile decelerației pentru frânele de sigranță, se recomandă să fie cuprinse între 3-3.5 m/s2.
Stabilitatea automobilului la frânare depinde de uniformitatea distribuției fortelor de frânare la roțile din partea dreaptă și din partea stângă, de stabilitatea momentului de frânare în cazul unor variații posibile de coeficientul de frânare (de obicei între limitele 0.28-0.30) și de tendința frânelor spre autoblocare.
Cele mai importante cerințe privind timpul de răspuns al sistemului de frânare sunt: defazajul maxim admisibil între intrarea în funcționare a frânelor aceleiași punți (să fie cuprins între limitele 0.05…0.1 s); întârzierea maximă a intrării în funcționare a frânelor celei mai defavorizate punți a automobilului, din punct de vedere al distanței frânelor față de elementul de comandă (trebuie să fie de 0.15…0.35.s); întârzierea maximă a intrării în funcțiune a frânelor celei mai defavorizate punți din componența unui autotren (să nu depășească 0.6 s).
Pentru ca frânele să nu aibă o influență dăunătoare atât asupra pasagerilor cât și asupra încărcăturii, trebuie ca forțele de frânare să crească lin, iar între efortul aplicat de conducător pe pedala de frână si acțiunea de frânare să existe o corelație pe cât posibilă liniară.
Repartizarea ideală a forțelor de frânare pe punțile automobilului are loc atunci când raportul dintre forța de frânare și sarcina pe punte este aceeași indiferent de decelerație sau coeficient de aderență.
Datorită folosirii frecvente a sistemului de frânare (aproximativ 2…3 frânări pe km, într-un oraș având o circulație cu intensitate medie), efortul necesar acționării pedalei trebuie să fie cuprins între anumite limite. Un efort prea mare duce la obosirea rapidă a conducătorului, la mărirea timpului de reacție și în final la obținerea unor decelerații mai reduse.
În mod practic se admite ca la frânarea cu eficiență maximă admisă, eforturile la pedală să nu dapășească: 70 daN la autoturisme și autobuze la o cursă maximă a pedalei de 180 mm; 50 daN la autoturisme pentru o cursă maximă a pedalei de 150 mm; 40 daN la levierele de mână, la o cursă maximă de 300 mm.
În multe țări se alege la proiectare un efort de 4.5 daN la pedala de frână pentru fiecare 1 m/s decelerație la frânare. În cazul utilizării servomecanismelor, cursa maximă a pedalei de frână nu depășește de obicei 40…50 mm, ceea ce ușurează mult conducerea automobilului.
Îndeplinirea condițiilor impuse la efortul la pedală și cursa acesteia se obține prin alegerea corespunzătoare a raportului de transmitere de sistemul de frânare, printr-o rigiditate suficientă și un randament ridicat al mecanismului de acționare.
Regimul termic al frânelor, în cazul unor utilizări normale, nu trebuie să ducă la temperaturi mai mari de 300˚C, pentru a asigura pe cât posibil constanța coeficientului de frecare.
Datorită rolului important pe care îl au sistemele de frânare în asigurarea securității circulației, se impune ca aceasta să aibă o fiabilitate apropiată de 100%.
Fiabilitatea ridicată a sistemului de frânare se obține prin instalarea pe automobil a două sau trei sisteme de frânare, care să fie acționate independent ununl față de altul, sau care să aibă mecanisme de acționare independente pe același sistem de frânare propriu-zis.
Mărirea jocului dintre garniturile de fricțiune și tambur sau disc, are o influență mare asupra stabilității frânării. Cu cât acest joc este mai mare, cu atât momentele de frânare sunt mai reduse. În scopul reducerii cheltuielilor de intreținere datorită unor reglări frecvente a jocurilor, este recomandabilă utilizarea unor dispozitive de reglare automată a jocului. La proiectarea unui automobil este indicat ca panta în cazul unei staționări de lungă durată să fie mai mică de 30% pentru a putea folosi frâna de staționare si ca frână de siguranță. Verificările practice ale calităților frânelor de staționare ale automobilelor și autotrenurilor cu destinație generală să se facă pe pante de 18% și respectiv 12%.
Pentru a nu fi posibilă acționarea concomitentă a pedalei de frână si a pedalei de accelerație, trebuie ca între ele să existe o distanță de cel puțin 80 mm. De asemenea, tot din acest motiv, este indicat ca pedala de frână sa se afle cel puțin la același nivel dacă nu cu 50 mm mai sus decât pedala de accelerație. Lățimea pedalei de frână trebuie să fie de cel puțin 70 mm, iar cursa maximă să nu depășească 180-200 mm. În același timp distanța față de podea nu trebuie să depășească 200 mm.
Funcționarea silențioasă se asigură prin măsuri constructive care împiedică vibrațiile tamburului (discului), ale saboților și ale altor organe ale sistemului de frânare. Lipirea garniturilor de fricțiune pe saboți (în loc de nituire) diminuează de asemenea scârțâitul de frânare, deoarece garnirurile aderă mai etanș și nu pot vibra.
Calitățile sistemului de frânare – eficacitatea, stabilitatea, fidelitatea, confortul.
Eficacitate: în timp și pe o distanță maximă.
Stabilitate: cu păstrarea traiectoriei vehiculului.
Progresivitate: cu o frânare proporțională efortului conducătorului.
Confort: cu un efort minim pentru conducător.
Sistemul de frânare convențional
Conform cu dispozițiile legale, funcționarea echipamentului de frânare pe un autovehicul este repartizată în două dispozitive :
– dispozitivul de frânare principal,
– dispozitivul de frânare de securitate.
Aceste două dispozitive comportă comenzi în întregime independente și ușor accesibile. Ele sunt completate de un sistem de frânare în staționare.
Compunerea
Figura nr. 2.3
1: Pedala de frână : Transmite forța de apăsare a șoferului către cilindrul principal.
2: Servofrâna cu depresiune: Utilizează o sursă de energie exterioară (depresiunea din admisie) pentru a mări forța de apăsare a conducătorului.
3: Pompă centrală tip tandem: Generează și distribuie frânei lichidul atunci când conducătorul apasă pedala de frână.
4: Rezervorul de lichid de frână: Stochează lichidul de frână.
5: Frâna cu disc (față) : Transformă energia cinetică în energie calorică.
6: Repartitorul forței de frânare: Evită blocarea roților spate modificând presiunea din cilindrii receptori.
7: Frâna cu tambur (spate): Transformă energia cinetică în energie calorică.
Conductele și lichidul de frână: Transmit presiunea (forța) din cilindrul principal în cilindrii receptori.
Eficacitatea sistemului de frânare asigură punerea în valoare a performanțelor de viteză ale automobilului, deoarece de el depinde siguranța circulației la viteze mari.
Stabilitatea care constituie calitatea automobilului de menținere a traiectoriei în procesul frânării, depinde de tipul frânelor, natura și starea căii de rulare.
Fidelitatea este calitatea frânelor de a obține decelerații identice la toate roțile, pentru un efort de acționare determinat.
Confortul este calitatea care contribuie la creșterea securității circulației rutiere (progresivitatea fânării, eforturi reduse la pedală, absența zgomotelor și vibrațiilor).
Sistemul de frânare trebuie să asigure decelerarea maximă a automobilului, permisă de aderență, cu condiția ca automobilul să rămână manevrabil, adică sistemul de direcție să poată realiza traiectoria comandată.
Conform legii circulației pe drumurile publice, autoturismele trebuiesc echipate cu două sisteme de frânare independente:
-sistemul de frânare de serviciu, care trebuie să acționeze pe toate roțile;
-sistemul de frânare de staționare, care trebuie să asigure frânarea sigură a automobilului staționat pe panta maximă.
Figura nr. 2.4 – Sistemul de frânare al unui autovehicul
1 – discul de frână; 7 – pedala de frână;
2 – etrier; 8 – tijă;
3 – senzori de turație ; 9 – relee;
4 – conducte de frână; 10 – disc protecție;
5 – unitate hidraulică; 11 – disc;
6 – lampă defecțiune ABS; 12 – butuc.
Efectul frânării este maxim când roțile sunt frânate până la limita de blocare.
Figura nr. 2.5 – Schema sistemului de frânare
Condiții impuse sistemului de frânare:
să asigure o frânare sigură;
să asigure imobilizarea automobilului în pantă;
să fie capabil de anumite decelerații impuse;
frânarea să fie progresivă, fără șocuri;
să nu necesite din partea conducătorului un efort prea mare;
efortul aplicat la mecanismul de acționare al sistemului de frânare să fie proporțional cu decelerația, pentru a permite conducătorului să obțină intensitatea dorită a frânării;
forța de frânare să acționeze în ambele sensuri de mișcare ale automobilului;
frânarea să nu se facă decât la intervenția conducătorului;
să asigure evacuarea căldurii care ia naștere în timpul frânării;
să se regleze ușor sau chiar în mod automat.
Compunerea sistemului de frânare
Sistemul de frânare se compune din:
frânele propriu–zise;
mecanismul de acționare a frânelor.
Funcție de utilizarea lor sistemele de frânarea ale autovehiculelor sunt:
frâna de serviciu (principală, de picior) acționează asupra tuturor roților și are rolul de a reduce viteza autovehiculului până la oprire, indiferent de viteza utilizată sau de încărcătura transportată;
frîna de securitate (de siguranță, de avarie, de urgență) are rolul de a suplini frâna de serviciu în cazul defectării acesteia, iar acționarea sa trebuie să permită oprirea vehiculului fără rodocarea mâinilor de de volan;
frâna de staționare are rolul de a menține autovehicului imobilizat temporar în absența conducătorului. Frâna de staționare trebuie să aibă comandă proprie, indepdendentă de cea a frânei de serviciu;
Sistemul auxiliar de frânare este oo frână suplimentară având același rol ca și frâna de serviciu și se utilizează în caz de necesitate, când efectul ei se cumulează cu cel al frânei de serviciu;
Dispozitivul de încetinire are rolul de a menține constantă viteza autovehiculului, la coborârea pantelor lungi în cazul vehiculelor cu mase mari sau destinate special utilizării în zone cu relief accidentat sau de munte.
Pentru ca autovehiculul să aibă pe timpul frânării o comportare independentă de gradul de încărcare este necesară reglarea forțelor de frânare în funcție de sarcina dinamică pe punte fără a se ajunge la blocarea roților, rol îndeplinit de corectoarele de frânare (limitatoarele, repartizoarele de presiune);
Repartizarea ideală a forțelor de frânare pe punțile autovehiculului are loc atunci când raportul dintre frânare și sarcina pe punte este aceeași indiferent de decelerație sau coeficient de aderență.
Dispozitivele de încetinire (limitatoarele de viteză) sau sistemul suplimentar de frânare, au rolul de a menține constantă viteza automobilului, timp îndelungat, la coborârea pantelor lungi, unde survine încălzirea și uzarea accentuată a frânelor sistemului principal. Prezența dispozitivelor de încetinire sporește securitatea circulației, mărește viteza medie de deplasare a auctovehiculului, micșorează uzura anvelopelor, a motorului și menține sistemul principal de frânare gata de acționare.
Dispozitivele mecanice de încetinire se aseamănă cu frânele sistemului principal (de serviciu). Dispozitivele pneumatice de încetinire se bazează pe utilizarea morotului pentru realizarea momentului de frânarea (obturarea evacuării morotului, schimbarea distribuției motorului în momentul frânării etc.).
Dispozitivele electromagnetice de încetinire realizează efectul de decelerare prin acțiunea unui câmp electromagnetic asupra unui disc rotitor legat cinematic de elemente mobile ale transmisiei autovehiculului.
Sistemul ABS este componenta destinată să prevină blocarea roților la frânare, contribuind la îmbunătățirea capacității și intensității de frânare a vehiculului (permite șoferului să păstreze controlul direcției și reduce spațiul de frânare). Sistemul ABS intervine în momentul frânării puternice pentru a preveni oprirea bruscă a roților de rostogolire. Blocarea roților pe un drum alunecos determină deraparea autovehiculului fără a mai fi menținut pe traiectoria de mers normal. Senzorii ABS constată riscul de blocare și transmit un semnal către unitatea de comandă care va reduce pentru câteva milisecunde presiunea în instalația de frânare permițând rotația roții.
Odată activată elementul ABS face ca pedala de frână apăsată la podea să pulseze. Simțind acest efect unii conducători de vehicule reduc torța de apăsare asupra pedalei de frână și astfel în locul opririi eficiente măresc spațiul de frânare și riscul de accident.
Stabilitatea automobilului la frânare depinde de uniformitatea distribuției forțelor de frânare la roțile din stânga și din dreapta, de stabilitatea forțelor momentului de frânare în cazul unor variații posibile ale coeficientului de frecare (de obicei între 0,28-0,30) și de tendința frânelor spre autoblocare. Dacă momentul de frânare nu se abate de la valoarea de calcul mai mult de 10-15% atunci stabilitatea sistemului de frânare poate fi menținuta ușor cu ajutorul volanului.
Conservarea calităților de frânare a automobilului se obține dacă forțele de frânare realizate de frânele propriu-zise la un efort dat, aplicat elementului de comandă, se mențin constante în toate condițiile de lucru întîlnite în exploatare. În cazul frânelor cu fricțiune, conservarea depinde în primul rând de constanța coeficientului de frecare al garniturilor de fricțiune.
Trebuie arătat ca garniturile de fricțiune actuale (cu deosebirea celor metalo-ceramice) au un coeficient de frecare care variază cu temperatura și starea lor. Regimul termic al frânelor în cazul unor utilizări normale nu trebuie să ducă la temperaturi mai mari de 300°C, pentru a asigura pe cât posibil constant coeficientul de frecare. Pentru realizarea acestui regim termic frânele trebuie să asigure evacuarea energiei calorice ce se produce în timpul procesului de frânare.
Funcționarea silențioasă se asigură prin luarea unor măsuri constructive care împiedică producerea de vibrații datorită mișcării tamburilor sau a discurilor precum și a saboților sau a plăcuțelor de frână, sau datorate altor organe ale sistemului de frânare. Pentru aceasta, mai înainte de toate aceste organe trebuie să fie suficient de rigide. Zgomotele la frânare pot să apară și dacă pe suprafața garniturilor de fricțiune se formează un strat de noroi presat de aceea este necesar ca garniturile să fie protejate împotriva impurităților. Această protecție se realizează în majoritatea cazurilor prin practicarea unor mici canale în care se adună impuritățile prevenind astfel formarea stratului de impurități pe garniturile de fricțiune. Lipirea garniturilor de fricțiune pe saboți diminuează de asemenea zgomotele la frânare, deoarece garniturile aderă pe o suprafață mult mai mare la saboți și nu mai pot vibra.
CAPITOLUL III
REGIMURI DE FRÂNARE
Rezistența la înaintarea automobilului variază mult în funcție de condițiile de deplasare și corespunzător acestora, trebuie modificată și forța de tracțiune. Din această cauză, autovehiculele trebuie înzestrate cu o cutie de viteze care să aibă următoarele caracteristici:
să permită modificarea forței de tracțiune în funcție de variația rezistențelor la înaintare;
să permită deplasarea automobilului cu viteze reduse ce nu pot fi asigurate de motoarele cu ardere internă, care au turații minime stabile relativ mari (mai ales M.A.S.-urile);
să permită mersul înapoi al automobilului fără a inversa sensul de rotație al motorului;
să realizeze întreruperea îndelungată a legăturii dintre motor și restul transmisiei în cazul în care automobilul este oprit, cu motorul în funcțiune;
Cutiile de viteze trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
să asigure automobilului cele mai bune calități dinamice și economice la o caracteristică exterioară dată a motorului;
acționare simplă și comodă;
funcționare silențioasă;
construcție simplă;
randament ridicat;
siguranță în funcționare;
fiabilitate ridicată;
gabarit redus;
întreținere ușoară.
Părțile componente ale unei cutii de viteze cu variație în trepte sunt:
mecanismul reductor (cutia de viteze propriu-zisă);
sistemul de acționare;
dispozitivul de fixare a treptelor;
dispozitivul de zăvorâre a treptelor;
Mecanismul reductor constituie partea principală a cutiei de viteze și servește la modificarea raportului de transmitere, respectiv a momentului motor, funcție de variația rezistențelor la înaintare ale automobilului.
Mecanismul reductor se compune din doi sau trei arbori (funcție de necesitatea obținerii fluxului de putere pe aceiași parte sau pe partea opusă intrării în cutia de viteze), pe care se află montate perechi de roți dințate, cu ajutorul cărora se transmite mișcarea între arbori, și dintr-un carter, cu rol de menținere în angrenare a roților dințate și decreare a unui compartiment etanș cu rol de protecție și baie de ungere.
Sistemul de acționare servește la cuplarea și decuplarea treptelor la comanda conducătorului auto.
Dispozitivul de fixare nu permite trecerea dintr-o treaptă în altă treaptă sau în poziția neutră (decuplat) decât la intervenția conducătorului auto.
Sistemul de zăvorâre (blocare) nu permite cuplarea simultană a mai multor trepte, înlăturând pericolul blocării și/sau avarierii cutiei de viteze.
Cutiile de viteze pentru autoturisme se construiesc cu trei, patru sau cinci trepte de viteză. Dat fiind tendințele soluțiilor similare, deja apărute pe piață, se adoptă o cutie de viteze cu cinci trepte sincronizate.
Figura nr. 3.1
a. Regim de generator:
– indepdendent: energia electrică este consumată în rezistențe. Frânare reostatică sau dinamică.
– cuplat la sursă: energia electrică este recuperată. Frână de recuperare.
b. Regim de motor:
– energia electrică consumată va determina mișcorarea energiei cinetice a utilajului. Frânare prin contra-conectare.
3.1 Frânare cu recuperare
Până acum, frânarea însemna pierdere de energie. Sistemul de recuperare a energiei la frânare schimbă acest lucru: atunci când este acționată frâna, energia este recuperată și bateria este încărcată. Acest lucru reduce presiunea de pe motor, reduce emisiile și economisește combustibil. Generarea de energie electrică avută în vedere are și un alt avantaj. La accelerarea completă, motorul are și forța de propulsie la dispoziția sa, care altfel ar fi canalizată spre încărcarea bateriei în sistemele convenționale. Rezultatul este o creștere nu numai a eficienței costurilor, ci și a plăcerii de a conduce.
Energia este cheltuită în diferite moduri. O parte din ea este pierdută definitiv, de exemplu, cea pierdută din cauza frecărilor interne din motor, din fluxul conducător, iar o parte se pierde prin frânare. Energia cinetică poate fi recuperată dacă există o soluție care poate face recuperarea. Autocamioanele și autobuzele folosesc frecările motorului, frânarile roților și dispozitivele de frânare – întârziere pentru a învinge energia cinetică liberă născută în vehicul prin lucrul mecanic al motorului. Astfel de sisteme descarcă energia cinetică liberă în afară sub forma de căldură, și /sau presiune și zgomot – ce niciodată nu vor fi recuperate.
În prezent, principalele cerințe impuse sistemelor de propulsie pentru autovehicule sunt legate de reducerea emisiilor care contribuie la încălzirea globală și utilizarea altor resurse energetice decât cele petroliere, deoarece acestea sunt limitate, iar necesarul de consum este în continuă creștere.
Preocupările principale, legate direct de sistemele de recuperare a energiei cinetice la frânare, au pornit de la necesitatea economisirii combustibililor folosiți la alimentarea autovehiculelor.
Ulterior problemele importante în atenția cercetatorilor au devenit:
• Recuperarea energiei de frânare în tandem cu conservarea sistemului de frânare existent, printr-o nouă tehnologie;
• Fundamentarea teoretico-experimentală pentru alternativa hidraulică sau electrică de recuperare a energiei cinetice în faza de frânare.
Pentru a rezolva problematica resurselor limitate și a poluării, s-au dezvoltat o serie de soluții tehnice care înseamnă schimbări radicale ale sistemelor de propulsie. Pilele de combustibil utilizează hidrogenul și emit doar vapori de apă. Biocombustibilii utilizează ca materie primă plantele. Autovehiculele electrice utilizează baterii reîncărcabile, iar soluțiile hibride se bazează pe o combinație a motorului convențional cu o sursă alternativă (de exemplu electrică sau hidraulică).
Sistemele hidraulice aplicate la autovehicule au arătat ca este o soluție destul de fiabilă. Economia de combustibil obținută este de 70% și reducerea de CO2 de 40%. Iar tehnologia unică de recuperare a energiei întimpul frânarii reduce uzura frânelor cu 75% reducând costurile de mentenanță.
Într-un ciclu de lucru al autovehiculului, format dintr-o perioadă de accelerare, una de rulare cu viteză constantă și una de decelerare, se constată că puterea necesară, în prima fază, este mult mai mare decât cea necesară rulării cu viteză constantă. Se admite ipoteza că, în faza de frânare, motorul termic funcționează la turația de mers încet în gol. Prin frânarea automobilului, energia cinetică dobândită prin accelerare se transformă în energie calorică în sistemul de frânare și se pierde ireversibil. Se pune problema dacă, în faza de frânare, energia cinetică a automobilului nu s-ar putea recupera și stoca în acumulatoare de energie. Datorită faptului că energia poate fi extrasa din aceste acumulatoare și utilizată din nou, se spune că avem de-a face cu sisteme „regenerative” de recuperare.
Figura nr. 3.2
Dacă UE > UA iA → iF
Frânarea cu recuperare are loc la viteză mai mare decât viteza ideala de mers în gol.
Rețaua (sursa de alimentare a mașinii) trebuie să primească această energie electrică.
Ecuațiile în regim staționar sunt:
Figura nr. 3.3 – Mașina cu excitație derivație
Viteza ideală de mers în gol se poate modifica prin metode cunoscute:
modificarea tensiunii sursei;
modificarea fluxului.
Figura nr. 3.4
Viteza în regim de frânare se poate modifica și prin rezistențe înseriate în circuitul rotoric.
Figura nr. 3.5 – Mașina cu excitație mixtă
Figura nr. 3.6 – Mașina cu excitație mixtă
Fluxul se poate anula, turația crește foarte mult, cuplul de frânare este mic. În acest regim nu pot lucra mașinile cu excitație mixtă, excitația serie se deconectează sau se scurtcircuitează.
La mașina cu excitație serie se modifică schema de conexiune a mașinii din regim de motor.
Figura nr. 3.7 – Mașina cu excitație serie
În timpul modificării schemei mașina nu dezvoltă cuplu și se folosește la viteze mari.
Figura nr. 3.8 – Mașina cu excitație serie
În prezent, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil și reducerea emisiilor poluante s-a materializat în dezvoltarea de vehicule puțin poluante și cu consum redus de combustibil. Din categoria acestora, pe lângă cele care utilizează gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electrică drept surse de energie, fac parte și vehiculele hibride.
Spre deosebire de autovehiculul hibrid-electric care utilizează baterii potențial poluante și grele (densitate de energie redusă), autovehiculul hibrid hidraulic utilizează materiale ușoare și lichide ecologice pentru a propulsa autovehiculul la turații reduse. Deși autovehiculele hibrid-electrice au dovedit că pot reduce la jumătate consumul utilizând energia de frânare, totuși este utilizată numai 30% din energia de frânare.
Aceste condiții au stat la baza motivației cercetărilor Agenției de Mediu a SUA pentru sistemul de propulsie hibrid-hidraulic, care utilizează pentru stocarea energiei un sistem hidraulic. În momentul frânării, roțile antrenează o pompă care comprimă azotul, un gaz ieftin și inert. În momentul accelerării, gazul comprimat antrenează în condiții reversibile pompa, sprijinind propulsia autovehiculului.
Autovehiculele hibride, incluzând cele pe benzină, dar care sunt prevăzute și cu un dinam/motor electric și acumulator, dar și cele pe motorină au devenit noile ținte ale consumatorilor americani cu destul de mult timp în urmă, acum atrăgând atenția și celor din Europa cât și din întreaga lume.
Figura nr. 3.9 – Tipuri de sisteme de stocare a energiei recuperate
Figura nr. 3.10 – Sisteme de acționare pe baza energiei stocate
Datorită posibilității de stocare a energiei există trei modalități de utilizare a acesteia pe automobil:
1. Funcționarea motorului cu ardere internă la regimul cel mai economic;
2. Întreruperea funcționării motorului termic atunci când nu este necesară energia furnizată de acesta (la stop, atunci când ar trebui să funcționeze la sarcini foarte mici sau la coborârea unor pante lungi);
3. Stocarea și reutilizarea energiei de frânare prin utilizarea unei mașini electrice reversibile (motor/generator).
În funcție de modalitatea de transmitere a puterii la roțile automobilului se pot identifica două familii de transmisii hibride – HEV (Hybrid Electric Vehicle), Figura nr. 1.4:
Transmisii hibride la care motorul termic este asistat de o mașină electrică;
Transmisii hibride la care punțile sunt acționate de către un motor electric alimentat de un generator electric.
Figura nr. 3.11 – Clasificarea transmisiilor hibride
Frânarea regenerativă este un mic, însă foarte important pas către independența de combustibilii fosili. Aceste tipuri de frâne permit bateriilor să fie folosite mai mult timp fără necesitatea încărcării de la o sursă externă. De asemenea ele măresc autonomia.
Figura nr. 3.12 – Frânarea regenerativă
Sistemul de frânare regenerativă profită de toată energia cinetică produsă în momentul frânării și o transformă în energie electrică utilă.
Figura nr. 3.13 – Frânarea regenerativă
Sistemul special de propulsie hibridă beneficiază de avantajele vehiculelor electrice: fără emisii de CO2 pe durata deplasării, de cuplul și performanțele vehiculelor cu motor cu ardere internă și de un nivel foarte redus de zgomot. Iar motorul cu ardere internă este utilizat și ca generator pentru încărcarea acumulatorului de propulsie (un acumulator litiu-ion). Acest nou sistem cu conectare la priză dispune și de un sistem de operare, care selectează modul optim de deplasare cu ajutorul controlului integrat al componentelor EV și a motorului pe benzină, precum și al controlului încărcării electrice optime și a puterii, ținând cont de energia rămasă în acumulator, prin monitorizarea continuă a acumulatorului de propulsie. Sistemul economisește energie și, în același timp, asigură o deplasare confortabilă, sigură și fără griji.
3.2 Frânare dinamică sau reostatică
Circuitul rotoric al mașinii se decuplează de la rețeaua (sursa) de alimentare și la bornele sale se conectează un reostat de frânare.
Frânarea electrică este frânare obținută prin transformarea energiei mecanice înmagazinate în masele unui sistem de acționare electrică (cinetice sau potențiale), în energic electrică. Dacă energia electrică obținută este retrocedată rețelei de alimentare, frânarea electrică este recuperativă. Frânarea electrică recuperativă se realizează atunci când turația motorului de acționare devine mai mare decât turația de mers în gol ideal (la mașina sincronă, când se schimbă semnul unghiului de sarcină). În această situație se schimbă sensul curentului (la mașinile de curent continuu), sau defazajul dintre curent și tensiune (la mașinile de curent alternativ), iar motorul trece în regim de generator care debitează pe rețea. Frânarea electrică recuperativă se aplică atunci când este necesară menținerea constantă a vitezei, de exemplu, în tracțiunea electrică la coborârea pantelor lungi, sau la instalațiile de ridicat cu înălțime marc de ridicare, la coborârea sarcinii (frânarea electrică staționară, frânarea electrică de menținere) și este mai puțin utilizată pentru oprire (frânarea electrică nestaționară, frânarea electrică de oprire).
Frecările din mecanisme și rezistențele de natură mecanică acționează în sensul frânării, astfel că puterea de frânare este, în general mai mare decât puterea de acționare (de exemplu, o locomotivă electrică poate frâna recuperativ, la viteză constantă, pe o anumită pantă, un tren de tonaj mai mare decât cel pe care îl poate remorca cu aceeași viteză pe o rampă de aceeași declivitate, fără supraîncălzirea motoarelor). La acționările de curent continuu alimentate din rețeaua de curent alternativ frânarea recuperativă este realizabilă numai atunci când energia de curent continuu recuperată se poate converti în energie de curent alternativ (de exemplu, cu un invertor), sau dacă pe rețeaua de curent continuu există alte receptoare capabile să absoarbă energia recuperată (cazul tracțiunii electrice cu fir de contact alimentat în curent continuu). Prezintă dezavantajul că este dependentă de rețeaua de alimentare; la avarierea acesteia (de exemplu, la ruperea firului de contact), frânarea nu mai este posibilă.
Frânarea electrică reostatică (dinamică) se face deconectând motorul de acționare de la rețea și conectându-l pe un reostat, pe care debitează energia electrică obținută în procesul de frânare. Motorul de curent continuu trece în regim de generator de curent continuu; motorul asincron, excitat în curent continuu pe două faze trece în regim de generator sincron de frecvență proporțională cu turația: motorul sincron, în generator sincron (frânarea cu generator asincron excitat cu condensatoare se aplică rar). Sursa de curent continuu necesară excitării motorului asincron cu rotor bobinat nu mai este necesară dacă se aplică frânarea electrică dinamică autoexcitată, care constă în redresarea tensiunilor culese la perii și alimentarea a două faze statorice cu tensiunea redresată. Frânarea electrică reostatică, mai puțin economică, dar mai sigură, se utilizează în numeroase acționări electrice (tracțiune electrică, instalații de ridicat etc.).
Dacă frânarea se face prin consumare de energie de la rețea, se numește frânare electrică propriu-zisă (frânare electrică prin conectare inversă, frânare electrică în contracurent) și se obține fie prin inversarea sensului de rotație a motorului, păstrând conexiunile cu rețeaua (cazul mașinilor de ridicat la coborârea sarcinii), fie la același sens de rotație, prin inversarea conexiunilor, ca în cazul motoarelor de tracțiune (la motorul de curent continuu schimbarea polarității tensiunii, fie la indus, fie la inductor; la motorul asincron, inversarea succesiunii fazelor, prin schimbarea a două faze între ele). Frânarea electrică propriu-zisă asigură cupluri mari de frânare, ceea ce permite oprirea rapidă a acționării, dar suprasolicită termic motorul de acționare. În momentul opririi, motorul trebuie deconectat de la rețea, altfel pornește în sens invers.
Toate tipurile de mașini se transformă, prin schimbarea conexiunilor, în generatoare cu excitații separate.
Figura nr. 3.14 – Mașina cu excitație derivație
Ecuațiile în regim staționar sunt:
Energia electrică dată de mașină este transformată în energie termică în mașina și în reostatul de frânare.
Figura nr. 3.15 – Mașina cu excitație derivație
Caracteristicile trec prin originea sistemului de coordonate.
Expresia caracteristicii de frânare:
Valoarea curentului inițial de frânare depinde de:
valoarea inițială a vitezei;
valorea rezistenței de frânare.
Cuplul de frânare se modifică prin schimbarea valorii rezistenței.
Modificarea în trepte a rezistenței de frânare
Figura nr. 3.16
Treptele de rezistență se determină ca la pornire.
IFmax = Ipmax
Figura nr. 3.17 – Mașina cu excitație mixtă
Figura nr. 3.18 – Mașina cu excitație serie
3.3. Frânare prin contraconectare
În cazul schimbării sensului de rotație al rotorului față de câmpul învârtitor din stator, apare frânarea prin contraconectare. Această situație apare fie atunci când mecanismul, antrenând motorul în sensul cuplului rezistent, învinge cuplul motor, fie atunci când se face inversarea a două faze ale statorului.
În cazul frânării în regim de recuperare a energiei, se obține o limitare a vitezei, cu avantajul ca prin introducerea de rezistențe corezpunzătoare în circuitul rotoric se pot obține orice valori ale vitezei de coborare mai mici.
Energia provenită de la sarcină, la fel ca și energia electrică absorbită din rețea se consumă aproape integral prin rezistența circuitului rotoric.
Contraconectarea prin inversarea a două faze statorice se poate utiliza atat la motoarele asincrone în scurtcircuit, cât și la cele cu rotorul bobinat. Rezistențele pentru limitarea curenților mari din timpul frânării se introduce în cazul motoarelor în scurtcircuit în circuitul înfășurărilor statorice.
În cazul acestui tip de contraconectare, se modifică sensul de rotație al câmpului învârtitor, prin inversarea a două faze statorice.
Se inversează sensul curentului prin indus, iar excitația rămâne neschimbată. Schimbările sunt făcute în schema de conexiuni.
Ecuațiile în regim staționar:
Expresia caracteristicii mecanice:
Figura nr. 3.19 – Mașina cu excitație derivație
Curentul inițial de frânare:
Fiegura nr. 3.20 – Mașina cu excitație derivație
Se înseriază cu rotorul reostatul de frânare:
În punctul C mașina trebuie decuplată de la rețea.
Este posibilă modificarea în trepte a rezistenței de frânare
La mașina cu excitație mixtă se scurtcircuitează sau nu se leagă excitația serie. În punctul C mașina trebuie decuplată de la rețea.
Figura nr. 3.21
Ecuațiile în regim staționar:
Figura nr. 3.22 – Mașina cu excitație serie
În punctul C mașina trebuie decuplată de la rețea
Figura nr. 3.23 – Mașina cu excitație serie
3.4 Frânarea la cuplu rezistent constant
Cuplul rezistent de la arborele motorului depinde de mașina de lucru antrenată. Se modifică tensiunea la bornele motorului sau se conectează în serie cu circuitul rotoric al mașinii un reostat reglabil.
La modificarea în trepte ale tensiunii sau rezistenței se produc modificări ale curentulului cuplului în timp, dar cuplul staționar nu se modifică, deci nici valoarea staționară a curentului.
Figura nr. 3.24 – Modificarea în trepte a rezistenței
Figura nr. 3.25 – Modificarea în trepte a tensiunii
Se modifică reostatul reglabil conectat în serie cu circuitul rotoric al mașinii.
Reostatul se modifică între RF1 (contraconectare) și 0.
Figura nr. 3.26 – Mașina cu excitație serie
La mașina cu excitație mixtă se poate modifica și tensiunea de alimentare.
3.5 Cazul frânării integrale
unde:
– g = 9,80 m/s2 – accelerația gravitațională;
– = 25° (0,43 radiani);
– – coeficientul de aderență a drumului;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– v – viteza maximă a autovehiculului;
-;
– k – coeficientul aerodinamic al autovehiculului;
–densitatea aerului;
– Cx – coeficientul aerodinamic al autovehiculului;
– S – aria suprafeței frontale a autovehiculului.
3.6 Cazul frânării numai a roților punții față
unde:
– b – distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea spate;
– hg – înălțimea centrului de greutate al autovehiculului;
– L – ampatamentul autovehiculului.
3.7 Cazul frânării numai a roților punții spate
–
unde:
– a – distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea față;
– hg – înălțimea centrului de greutate al autovehiculului;
– L – ampatamentul autovehiculului.
Aprecierea și compararea capacității de frânare a autoturismului se face cu ajutorul decelerației maxime absolute af sau relative aref ,a timpului de frânare tf și a spațiului de frânare minim sf min în funcție de viteză Acești, parametri pot fi determinați în interval a două viteze, dintre care una poate fi egală cu zero la frânarea totală.
La frânarea cu ambreiajul decuplat, ecuația diferențială este :
unde:
– `-coeficientul de influență al maselor aflate în rotație la frânarea cu motorul decuplat ;
– ma – masa autoturismului;
– Ff – forța de frânare;
– R – suma rezistențelor la înaintarea autoturismului.
Acest parametru se exprimă uneori în procente:
Cunoscând că Ff = Zf și considerând `=1, că viteza la care începe frânarea nu este prea mare și atunci Ra 0,că frânarea se face pe un drum orizontal cu 0 și pe toate roțile (Zf’ Ga), ecuația de mișcare în timpul frânarii devine:
afgf
unde:
-coeficientul aderenței.
Dacă toate roțile sunt blocate, atunci f 0 și relația devine :
af gf sau
de unde :
La frânarea totală (v2=0), rezultă:
Figura nr. 3.27 – Procesul de frânare.
După cum se observă din figura nr. 3.27, procesul de frânare poate fi împărțit în patru etape caracterizate de timpii t1, t2, t3 , t4:
unde:
– t1-timpul de reacție al conducătorului din momentul sesizării
necesității frânării până la începerea cursei utile a pedalei de frână;
– t1` – timpul în care conducătorul percepe apariția obstacolului și ia hotărârea de frânare;
– t1„ – timpul necesar mutării piciorului pe pedala de frână;
– t2 – timpul de răspuns al dispozitivului de frânare (timpul total de intrare în acțiune a dispozitivului de frânare);
– t2`- timpul din momentul apăsării pe pedala de frână și până la începerea acțiunii de frânare;
– t2„- în acest interval decelerația crește de la zero la valoarea maximă;
– t3 – timpul de frânare propriu-zis cu menținerea forței de frânare la o valoare constantă, el reprezentând tfmin din relația;
– t4 – timpul de la slăbirea pedalei până la anulare.
Acest indice nu prezintă importanță mare, parametrul de bază al capacității de frânare fiind spațiul minim de frânare.
Pornind de la relația decelerației și scriind-o sub altă formă rezultă:
Integrând această expresie în intervalul v1:v2 și considerând că = 1, că frânarea se face pe toate roțile (Zf = Gacos) și că Ra și rezultă.
La frânarea totală (V2=0 și f=0) relația devine.
La frânarea cu motorul nedecuplat, decelerația absolută afm este dată de relația:
unde :
– fm -forța de frânare datorată motorului.
Frânarea cu motorul nedecuplat este mai eficace decât cea cu motorul decuplat când afmaf.
De aici rezultă că totdeauna este rațional să se frâneze cu motorul nedecuplat, ci de la caz la caz, de la o anumită viteză.
În practica conducerii autoturismelor este indicat să se folosească întotdeauna frânarea cu motorul nedecuplat deoarece inerția volantului și a celorlalte piese acționează ca un regulator al forței de frânare dezvoltate la roți și menține stabilitatea autoturismului în procesul frânării.
CAPITOLUL IV
CLASIFICAREA SISTEMELOR DE FRÂNARE. COMPONENTE
4.1 Clasificare
Clasificarea sistemelor de frânare se face în primul rând după utilizare în:
sistemul principal de frânare îl întâlnim și sub denumirea de frână principală sau de serviciu. Frâna principală în mod uzual în exploatare poartă numele de frână de picior datorită modului de acționare. Acest sistem de frânare trebuie să permită reducerea vitezei automobiluilui până la valoarea dorită, inclusiv până la oprirea lui, indiferent de viteza și de starea lui de încărcare. Frâna principală trebuie să acționeze asupra tuturor roților automobilului;
sistemul de siguranță de frânare, întâlnit și sub denumirea de frână de avarii sau frână de urgență are rolul de a suplima frâna principală în cazul defectării acesteia. Frâna de siguranță trebuie să fie acționată de conducător fără a lua ambele mâini de pe volan. Siguranța circulației impune existența la automobil a frânei de siguranță fără de care nu este acceptat în circulația rutieră;
sistemul staționar de frânare sau frâna de staționare are rolul de a menține automobilul imobilizat pe o pantă în absența conducătorului un timp nelimitat. Datorită acționării manuale a frânei de staționare i-a dat denumirea de frână de mână. În limbajul curent, frâna de staționare este întâlnită și sub denumirea de frână de parcare sau ajutor. Frâna de staționare trebuie să aibă o comandă proprie, independentă de cea a frânei principale. În foarte multe cazuri frâna de staționare preia și rolul frânei de siguranță;
sistemul auxiliar de frânare este o frână suplimentară având același rol ca și frâna principală, utilizându-se în caz de necesitate când efectul ei se adaugă frânei de siguranță;
sistemul suplimentar de frânare sau dispozitivul de încetinire are rolul de a menține constant viteza automobilului, la coborârea unor pante lungi fără utilizarea îndelungată a frânei. Acest sistem de frânare se utilizează în cazul automobilelor cu mase mari sau destinate special să fie utilizate în regiuni muntoase sau cu relief accidentat. Sistemul suplimentar de frânare contribuie la micșorarea uzurii frânei principale și la sporirea securității circulației.
După locul unde este creat momentul de frânare (de dispunere a frânei propriu–zise), se deosebesc:
frâne pe roți;
frâne pe transmisie.
După forma piesei care se rotește, frânele propriu–zise pot fi:
cu tambur (radiale);
cu disc (axiale);
combinate.
După forma pieselor care produc frânarea se deosebesc:
frâne cu saboți;
frâne cu bandă;
frâne cu discuri.
După tipul mecanismului de acționare frânele pot fi:
cu acționare directă, pentru frânare folosindu-se efortul conducătorului;
cu servoacționare, efortul conducătorului folosindu-se numai pentru comanda unui agent exterior care produce forța necesară frânării;
cu acționare mixtă, pentru frânare folosindu-se atât forța conducătorului, cât și forța dată de un servomecanism.
Sistemele de frânare, după rolul pe care îl au, se clasifică în:
Sistemul principal de frânare
întâlnit și sub denumirea de frână principală sau de serviciu;
se utilizează la reducerea vitezei de deplasare sau la oprirea automobilului; datorită acționării, de obicei prin apăsarea unei pedale cu piciorul, se mai numește și frână de picior.
Sistemul staționar de frânare sau frâna de staționare
are rolul de a menține automobilul imobilizat pe o pantă, în absența conducătorului, un timp nelimitat sau suplinește sistemul principal în cazul defectării acestuia;
datorita acționării manuale, se mai numește și frână de mână;
frâna de staționare este întâlnită și sub denumirea de „frână de parcare" sau „de ajutor";
frâna de staționare trebuie să aibă un mecanism de acționare propriu, independent de cel al frânei principale;
decelerația recomandată pentru frâna de staționare trebuie să fie egală cu cel puțin 30% din decelerația frânei principale;
în general, frâna de staționare preia și rolul frânei de siguranță.
Sistemul suplimentar de frânare sau dispozitivul de încetinire
are rolul ce a menține constantă viteza automobilului, la coborârea unor pante lungi, fără utilizarea celorlalte sisteme de frânare;
acest sistem de frânare se utilizează în cazul automobilelor cu mase mari sau destinate special să lucreze în regiuni de munte, contribuind la micșorarea uzurii frânei principale și la sporirea securității circulației.
4.1.1 Alcătuirea sistemului de frânare
Compunerea sistemului de frânare
Sistemul de frânare se compune din:
frânele propriu–zise;
mecanismul de acționare a frânelor.
Figura nr. 4.1 – Compunerea sistemului de frânare
4.1.2 Tipuri de frâne
Frânele cu tambur și saboți interiori
Datorită simplității lor, frânele cu tambur și saboții interiori sunt foarte răspândite la automobile.
Figura nr. 4.2 – Frâna cu tamburi și saboți
În principiu, aceste frâne se bazează pe doi saboți (primar și secundar) care se află în interiorul unui tambur solidar cu roata autovehiculului. Prin depărtarea saboților de centrul roții, apare o frecare cu partea interioară a tamburului, care realizează frânarea.
Frânele cu disc
Față de frânele cu tambur, extinderea utilizării frânelor cu disc la automobile se explică prin numeroasele avantaje pe care le prezintă, cele mai importante fiind:
posibilitatea măririi suprafețelor garniturilor de frecare;
distribuția uniformă a presiunii pe suprafețele de frecare și, drept consecință, uzarea uniformă a garniturilor
necesitatea reglării mai rare a frânei;
suprafață mare de răcire și condiții bune pentru evacuarea căldurii;
stabilitate în funcționare la temperaturi joase și ridicate;
echilibrarea forțelor axiale și lipsa forțelor radiale;
posibilitatea funcționării cu jocuri mici între suprafețele de frecare, ceea ce permite să se reducă timpul de intrare în funcțiune a frânei;
înlocuirea ușoară a garniturilor de frecare:
reglarea automată a jocului dintre suprafețele de frecare printr–o construcție mai simplă;
nu produc zgomot în timpul frânării.
Figura nr. 4.3 – Frâna cu disc
În principiu, aceste frâne se bazează pe un disc de frână pe care presează două plăcuțe de frânare acționate de două pistonașe hidraulice. Subansamblul de acționare este conținut de o piesă numită etrier.
Figura nr. 4.4 – Principiul de funcționare al frânei cu disc
Frânele suplimentare
La autovehiculele cu masă mare, destinate transportului urban, cu opriri dese, sau circulației pe drumuri de munte unde trebuie să coboare pante lungi este necesar să se prevadă frâne suplimentare (dispozitive de încetinire), care să permită scăderea gradului de solicitare a frânelor de serviciu.
După principiul de funcționare, ele pot fi:
de motor;
electrodinamice;
hidrodinamice.
Fiind mai simplă din punct de vedere constructiv, se utilizează mai mult frâna de motor.
Mecanismele de acționare ale sistemului de frânare
Așa cum s-a arătat, comanda frânelor se poate face:
cu acționare directă, care poate fi mecanică sau hidraulică;
cu servoacționare, care poate fi pneumatică, electropneumatică etc.;
cu acționare mixtă.
Acționarea mecanică a frânelor
La automobilele actuale, acționarea mecanică este limitată numai la frânele de staționare. Elementul principal este o pârghie care, prin intermediul unor tije, acționează asupra unei frâne cu bandă sau disc sau, prin intermediul unor cabluri, direct asupra frânelor roților din spate.
Pentru menținerea frânei în stare acționată se prevede un sistem de blocare cu clichet.
Acționarea hidraulică a frânelor
În prezent, la automobile, acționarea hidraulică a frânelor este cea mai răspândită, datorită următoarelor avantaje:
repartizarea efortului de frânare între punți, proporțional cu greutatea ce le revine, se realizează foarte ușor;
repartizarea uniformă a presiunii pe saboți;
randament ridicat;
construcție simplă și ușor de întreținut.
Principiul de funcționare se bazează pe transmiterea forței de acționare, exercitată de conducător asupra pedalei, lichidului închis în instalația sistemului și folosirea presiunii dezvoltate în masa lichidului pentru acționarea cilindrilor de frână.
Sistemele de acționare hidraulică pot fi: cu un circuit sau cu un circuit dublu (soluție generalizată în prezent).
Acționarea hidraulică cu servomecanism
La automobilele care au greutatea totală Ga > 35•103 N, precum și la autoturismele de clasă mijlocie și mare, prevăzute cu frâne cu coeficient de eficacitate redus (frâne cu disc), forța conducătorului, aplicată pe pedala de frână, nu mai asigură o frânare suficient de eficace. În acest caz, acționarea hidraulică este asociată cu un servomecanism care asigură o creștere suplimentară a presiunii lichidului din conducte.
În funcție de sursa energiei utilizate, mai răspândite sunt următoarele tipuri de servomecanisme:
servomecanismul cu depresiune (vacuumatic), care utilizează energia depresiunii create în colectorul de admisiune al motorului cu aprindere prin scânteie sau de o pompă de vacuum antrenată de motorul automobilului;
servomecanismul pneumatic, care utilizează energia aerului comprimat, debitat de un compresor antrenat de motorul automobilului.
Acționarea directă utilizată la autoturisme și la autocamioane cu sarcina utilă mică, poate fi mecanică sau hidraulică. Acționarea hidraulică este foarte raspandită în prezent.
Acționarea mixtă cea mai răspândită este acționarea hidraulică cu servomecanism neautomatic. Această acționare se întâlneste la autoturismele de clasa superioară precum și la autobuzele și autocar de capacitate mijlocie.
Servoacționarea poate fi: pneumatică (cu presiune sau depresiune), electrică electropneumatică etc. Se utilizează la autocamioanele cu sarcina utilă mare și la autobuze.
După numărul de circuite prin care efortul executat de sursa de energie se transmite către frânele propriu-zise se deosebește:
frâne cu un singur circuit;
frâne cu mai multe circuite.
În cazul soluției cu mai multe circuite frânele (sau elementele lor) se grupează în diferite modurii. În mod frecvent se leagă de la un circuit frânele unei punți (sau grupuri de punți) existând însă și scheme în care la un circuit sunt legate frânele aflate pe aceeași punte a autovehiculului sau în poziții opuse.
Sistemele de frânare cu circuite multiple sporesc sensibilitatea, fiabilitatea acestora în securitatea circulației, fapt pentru care în unele țări este prevăzut obligativitatea circuitelor la anumite tipuri de automobile.
4.1.3 Tipuri uzuale de frâne cu tamburi și saboți interiori
Momentul de frânare poate fi variat în mod substanțial în funcție de modul de dispunere al saboților.
În funcție de tipul celor doi saboți există următoarele tipuri de frâne cu tamburi și saboți interiori: simplu, dublu (TWINPLEX) duo-dublu (TWINPLEX) și servo (uni-servo și duo servo).
a. Simple – cu deplasare egală a saboților;
– cu saboti articulați;
– cu saboți flotanți.
Are o eficacitate pentru ambele sensuri de rotație ale tamburului stabilitate foarte bună, nu este echilibrată.
b. Duplex – cu saboți articulați;
– cu saboți flotanți.
Are o eficacitate mare la mersul înainte și foarte mică la mersul înapoi. Stabilitatea este medie.
c. Duo-duplex cu saboți flotanți
Are o eficacitate mare și este identică pentru ambele sensuri de rotație ale tamburului. Stabilitate medie, regimulde lucru și încărcare esre identic și echilibrat.
d. Servo (uni-servo) – cu saboți articulați;
– cu saboți flotanți.
Eficacitate foarte mare la mersul înainte (uni-servo) și identică pentru ambele sensuri ale rotației tamburului (duo-servo), stabilitate foarte mică, regim diferit de lucru și încărcare al celor doi saboți și neechilibrat.
a. Frâna simplex
Frâna simplex are în componență un sabot primar și unul secundar care pot fi articulați sau flotanți. În funcție de modul de acționare al saboților se deosebesc: frâna cu deplasare egală a saboților și forța de acționare diferite frâne cu deplasare independentă a saboților în forțe de acționare egale.
Frâna simplex cu deplasare egală a sabotilor are o uzură egală a saboților de frecare. Momentul de frânare este cu ceva mai redus decât la frâna simplex cu forțe egale de acționare a saboților. Deplasările egale ale saboților se realizează cu dispozitive mecanice cu o camă simplă sau cu pene transversale.
Frâna simplex cu acționarea saboților cu forțe egale prezintă o uzură mai mare a garniturii de frecare a sabotului primar. Acționarea acestei frâne se face în general cu un dispozitiv hidraulic (cu pistoane având același diametru) și mai rar cu un dispozitiv mecanic. Aceste frâne prezintă o construcție simplă și rigidă.
Frâna simplex nu este echilibrată transmițându-se o reacțiune radială care încarcă suplimentar lagărele roții.
În figura nr. 4.5 se prezintă construcția unei frâne simplex la care saboții 13 și 14 sunt articulați la capătul de jos în bolțurile 4, fixate pe talerul 6, și strânse cu piuliță 7. Tot de taler este fixat și cilindrul receptor 17, prevăzut cu arcul 18. Garnitura de frecare a sabotului 13 (primar), are o lungime mai mică decât a sabotului 14 (secundar) pentru a se obține o uzură uniformă.
Jocul la partea superioară a saboților se reglează cu excentricul 3, prevăzut cu bolțurile 8, pe care se află arcurile 9 pentru fiecare excentric în diferite părți. Arcul 16 menține saboții sprijiniți pe excentricul 3. La partea inferioară saboții sunt prevăzuți cu bucșele excentric 5, montate pe bolțurile 4, servind la reglarea jocului dintre saboții tambur la partea inferioarț. Fiecare sabot este asigurat să nu se deplaseze lateral cu ajutorul arcului 11, strâns sub saboții 12 de prezonul 10 fixat pe taler.
Figura nr. 4.5 – Construcția frânei simplex
Mecanismul de acționare pentru frâna de staționare este compus din levierul (pârghia 2), articulat în punctul 19, tija 1 și cablul de acționare 15.
b. Frâna duplex
Frâna duplex are în componență doi saboți primari independenți care pot fi articulați sau flotanți. Prin dispunerea saboților astfel încât ambii să lucreze ce saboți primari momentul de frânare crește mult. Coeficientul de eficacitate pentru frâna duplex depinde de mersul de rotație a tamburului.
În cazul în care saboții sunt primari pentru ambele sensuri de rotație ai tamburului, frâna poartă denumirea de duo-duplex.
Frâna duo-duplex prezintă avantajul unei eficacități ridicate atât la mersul înainte cât și la mersul înapoi având același coeficient de eficacitate.
Frâna duplex este o frână echilibrată și realizează aceeași uzură a garniturilor de frecare.
Deficiența frânei duplex cu saboți primari, numai la mersul înainte constă în obținerea unui moment de frânare redus la mersul înapoi al automobilului. Valoarea momentului de frânare obținut la mersul înapoi determină mărimea pantei pe care poate fi imobilizat un automobil cu frâna de staționare. Deficiența aceasta se înlătură dacă se utilizează frâna duo-duplex.
În figura nr. 4.6. se prezintă construcția unei frâne duplex cu saboți articulați.
Poziția sabotului pe taler este asigurată în afară de articulația de bolțul 10, cu ajutorul tamponului 11, bolțului 6, șaibelor 3 și 5 și arcului 4.
Figura nr. 4.6 – Constructia franei duplex
1. – arc de readucere saboți; 2.- saboți; 3,5 – șaibe; 4- arc; 6- bolt; 7 – cilindru hidraulic; 8.- tambur; 9- taler; 10- bolt; 11- tampon; 12- rondelă; 13- bucșă excentrică; 14- contra piuliță; 15- racord; 16- canal
Reglarea jocului dintre sabot și tambur se face la ambele capete ale saboților. La capătul dinspre cilindru reglarea se face prin excentric (canale) 16, iar la capătul articulat prin bucșa excentric 13 care se rotește împreună cu boltul 10.
Figura nr. 4.7 – Construcția frânei duo-duplex
1- tambur; 2,13- bolțuri de sprijin; 3,7- saboți; 4,8,11,12- arcul de readucere; 5,9 – dispozitiv de reglare joc dintre sabot și tambur; 6,10- cilindru receptor; 14,15- brațe
În figura de mai sus (4.7) se prezintă construcția unei frane duo-duplex cu saboți flotanți.
La frânare pistoanele din cei doi cilindrii departează saboții, iar aceștia sub acțiunea forțelor de frecare se deplasează pe direcția de rotație. Fiecare sabot are două rezerve fixe pe care se sprijină în funcție de sensul de rotație al tamburului.
Dacă sensul de rotație este cel indicat pe figură atunci sabotul 3 sub acțiunea pistonului cilindrului 6, și a forței de frecare, se va sprijini pe opritorul 13. În același timp sabotul 7 sub acțiunea pistonului cilindrului 10 și a forței de frecare se sprijină pe opritorul 2. La rotația în sens invers sabotul 3 se va sprijini în opritorul 2, prin intermediul brațului 15, iar sabotul 7 în opritorul 15 prin intermediul brațului 14.
c. Frâna servo
Frâna servo sau frâna cu amplificare are doi saboți primari, iar sabotul posterior este acționat de către sabotul anterior. Datorită forțelor de frecare dintre sabotul anterior și tambur forța de acționare a sabotului posterior este mai mare în comparație cu forța de acționare a sabotului anterior. În modul acesta, momentul de frânare se marește în mod substanțial.
În cazul în care saboții sunt primari numai la mersul înainte, frâna poartă denumirea de uniservo, iar în cazul în care saboții sunt primari pentru ambele sensuri de mers, frâna este întâlnită sub numele de duo-servo.
Figura nr. 4.8 – Construcția frânei uniservo
1- tambur; 2- bolt pentru articulație sabot 4; 3,4- saboți; 5,7- arcuri; 6 – cilindru receptor; 8- dispozitiv de reglare joc dintre sabot și tambur
În figura nr. 4.9 se prezintă construcția frânei duo-servo. Capetele superioare ale saboților 1, 2 sunt apăsate cu ajutorul arcurilor pe reazemul imobil 5, iar capetele inferioare sunt legate între ele prin dispozitivul de reglare 4 și printr-un arc. La frânare pistoanele cilindrului receptor 6 acționează saboții 1,2 prin intermediul tamponului 3. Venind în contact cu tamburul de frânare saboții se deplasează în sensul de rotație până când unul dintre ei ajunge în contact cu opritorul 5. În funcție de sensul de rotație fie că sabotul 1 acționează sabotul 2, prin intermediul dispozitivului de reglare 4, fie că sabotul 2 acționează sabotul 1. Excentricul 7 servește la reglarea jocului sabotului 2.
Figura nr. 4.9 – Construcția franei duo-servo
4.1.4 Acționarea saboților de frână
Modul de acționare a saboților depinde de tipul mecanismului de frânare al sistemului de frânare. Eficacitatea frânei depinde în mare măsură de modul de acționare al saboților.
4.1.5 Acționarea saboților la frânele cu acționare hidraulică
La frânele cu acționare hidraulică acționarea saboților se face în majoritatea cazurilor, cu ajutorul unor cilindrii în interiorul cărora se află niște pistoane. Cilindrii hidraulici de acționare pot fi cu dublă acțiune sau cu simplă acțiune.
Cilindrii hidraulici cu dublă acțiune au două pistonașe și se utilizează la frânele simple, duo-duplex și duo-servo.
Cilindrii hidraululici cu simplă acțiune au un singur pistonaș și se utilizează la frânele duplex sau uni servo.
În figura nr. 4.10 sunt prezentate câteva tipuri de cilindrii cu dublă acțiune.
Figura nr. 4.10 – Tipuri de cilindrii hidraulici cu dublă acțiune
Pistoanele 1 acționează asupra saboților fie prin tipul fix (b, c), fie prin tipul flotant (a, d). Pentru etanșarea pistoanelor se utilizează garniturile din cauciuc 2, iar pentru protecție burdufurile 3.
Arcurile 4 elimină jocurile și nu permit obturarea orificiului de intrare a lichidului de frână. La soluția (c), tipul 6 este prevăzut și cu un dispozitiv de reglare a jocului dintre saboți și tambur compus din rozetele 5.
În figura nr. 4.11 sunt prezentați trei cilindrii cu simplă acțiune.
Figura nr. 4.11 – Tipuri de cilindrii cu simplă acțiune
La soluția din figura 4.11, a, b cilindrii utilizați la frânele duplex servesc și ca rezolvare pentru sabotul conjugal. Cilindrii hidraulici sunt dispuși în interiorul frânelor pe placa suport. Pentru a evita supraîncălzirea lichidului cilindrului nu se amplsează în imediata apropiere a suprafeței de frecare a tamburului.
Pentru evacuarea aerului din instalația de frână cilindrii hidraulici sunt prevăzuți cu suport de evacuare.
Figura nr. 4.12 – Construcția și funcționarea suportului de evacuare a aerului din instalația de frânare
1- orificiu; 2- capac; 3- șurub; 4- orificiu; 5- orificiu racord; 6- canal; 7- corpul cilindrului
4.1.6 Acționarea saboților la frânele cu acționare pneumatică
În cazul sistemelor de frânare cu acționare pneumatică acționarea saboților se face prin intermediul unei came (figura nr. 4.13 a) sau cu ajutorul unor plungere deplasate cu un dispozitiv cu con și role (figura nr. 4.13 b). Forma simetrică a camei și respectiv, a conului realizează o deplasare egală a celor doi saboți și în consecință uzura egală, a garniturilor de frecare. Datorită faptului că sabotul primar are tendințe de a se uza mai repede, el este acționat cu o forță mai mică și ca urmare eficacitatea totală a frânei este mai redusă.
Figura nr. 4.13 – Acționarea saboților la frâna cu acționare pneumatică
În figura nr. 4.14 se prezintă construcția cilindrului de frână cu piston care asigură curse de lucru mai lungi și forțe la tijă, mai mari în comparație cu cilindrul cu membrană, cu aceeași dimensiuni transversale.
Figura nr. 4.14 – Construcția frânei cu piston
1 – cilindru, 2 – piston, 3 – garnitură de etanșare, 4 – tijă, 5 – tub de ghidare, 6 – disc, 7 – furcă, 8 – burduf de protecție, 9 – arc de readucere, 10 – capac, 11 – bucșă, 12 – filtru de aer, 13 – bolțuri de fixare
4.1.7 Acționarea saboților la frâna de staționare sau de siguranță
În cazul în care pentru frâna de staționare sau de siguranță se folosesc frânele roților posterioare, iar acestea trebuie să fie prevăzute cu un sistem de acționare suplimentar. La frânele cu cilindri hidraulici interior sistemul de acționare al frânei de staționare se compune din levier și tije comandate cu un cablu de la o manetă.
În figura nr. 4.15 a se prezintă acționarea mecanică a saboților unei frâne simplex. Levierul 1 este articulat cu boltul 2 cu sabotul din dreapta și este acționat de partea inferioară printr-un cablu de la maneta frânei de mână, în direcția săgeții. Când levierul este tras el împinge prin intermediul tijei 3 sabotul din stânga, rezemândul pe tambur.
În figura nr. 4.15 b, se prezintă acționarea mecanică a saboților în cazul unei frâne duo-duplex. Când levierul 1 este tras de cablul de acționare în sensul săgeții, el se rotește în jurul articulației 2 de pe sabotul din stânga, acționând prin boltul 3 levierul 4, articulat de asemenea, pe același sabot pe levierul 5 de la levierul 1 și 4 efortul de comandă este transmis la tijele 8 și 9, (articulate prin bolțurile 10 și 11 pe sabotul din dreapta) prin bolțurile 6 și 7. În modul acesta rezultă o acționare simetrică a celor 2 saboți.
În figura nr. 4.15 c se prezintă acționarea mecanică a saboților la frâna uni-servo. Funcționarea este asemănătoare ca la frâna simplex din figura 4.15 a.
Figura nr. 4.15 – Saboți de acționare a roților la frâna de staționare
4.2 Tipuri constructive de frâne cu disc
Frânele cu disc pot fi de tip deschis sau închis. Cele de tip deschis se utilizează mai des la autoturisme, pe când cele de tip închis în special la autocamioane și autobuze.
4.2.1 Frâna cu disc deschisă
În figura nr. 4.16, se prezintă frâna cu disc deschisă, compusă din discul 2 montat pe butucul roții 3 precum și din cadrul (suportul) 5, în care se găsesc pistoanele 4 prevăzute cu garniturile de frecare 1 cadrul monobloc se montează flotant sau fix de talerul frânei.
Figura nr. 4.16 – Frâna cu disc deschisă cu pistoane de acționare pe ambele fețe ale discului
La soluțiile la care cadrul 1 se montează flotant, pe punte există un singur cilindru de acționare, dispus numai pe una din fețele discului (figura nr. 4.17). În acest caz, cursa pistonului de acționare 14 este dublă față de aceea de la frânele cu cadru fix.
Discul poate fi montat pe butucul roții, fix pe circumferința interioară fie pe circumferința exterioară.
Sunt frâne cu disc prevăzute cu 3 sau chiar 4 perechi de cilindri de acționare.
Figura nr. 4.17 – Frâna cu disc deschisă, cu un singur cilindru de acționare
1 – cadru, 2 – garnituri de protecție piston, 3 – garnitură de etanșare piston, 4 – garnitura de etanșare ax, 8, 5 – rondelă, 6 – capac levier de comandă a frânei de mână, 7 – arc disc, 8 – ax, 9 – levier de comandă a frânei de mână, 10 – șaibă, 11 – rulment mare, 12 – manșon, 13 – arc, 14 – piston
Datorită faptului că forțele de acționare trebuie să fie sensibil mai mari față de frânele cu tambur, în multe cazuri se utilizează servomecanisme în sistemul de acționare.
Fixarea garniturilor de fricțiune pe placheți se face exclusiv prin lipire.
Utilizarea frânei cu disc ca frâna de staționare Figura nr. 4.18 sau de siguranță cu o eficacitate suficientă este o problemă dificilă datorită coeficientului de eficacitate redus al acestuia. Pentru a asigura o eficacitate suficientă sunt necesare forțe foarte mari la maneta de frână.
Figura nr. 4.18 – Utilizarea frânei disc ca frână de staționare.
În figura nr. 4.18 a se prezintă frâna de mână la care se utilizează saboții servo 1 și 2 dispuși în interiorul tamburului 3 cu diametru redus. Frâna de serviciu este o frână cu discul 4 modificat în așa fel ca la partea lui centrală să aibă formă de tambur.
În figura nr. 4.18 b se prezintă utilizarea frânei disc ca frână de staționare. Capătul interior al pârghiei va acționa asupra garniturii 7, apăsând-o pe discul 1. Jocul dintre capătul interior al pârghiei și garnitura se reglează cu ajutorul suportului filetat 4. Contrapiulița 5 asigură suportul în poziția corespunzătoare jocului j.
4.2.2 Frâna cu disc închisă
Frâna cu disc închisă prezintă avantajul unei bune protejări împotriva pătrunderii apei și murdăriei, putând fi ușor ermetizată. Aceste frâne pot fi cu sau fără efect servo.
În figura nr. 4.19 se prezintă frâna cu disc închisă, cu servo-efect, realizată de firma Chrysler. Ea se compune din carcasa 5, fixată de butucul roții, discurile 1 și 2, bilele 3 și cilindru de acționare 4.
Figura nr. 4.19 – Frâna cu disc închisă a frânei Chrysler.
a- părți componente; b- dispozitive de acționare.
Discul de fricțiune 1 și 2 este apăsat pe carcasa roților 5 în timpul frânării. Capul 4 al cilindrului de lucru este fixat pe discul 2, în tija pistonului se reazămă pe discul 1. La frânare, când discul 1 se deplasează în raport cu discul 2, bilele 3 se deplasează pe planurile înclinate în partea mai îngustă a șănțulețelor, distanțând discurile și obligându-le să apese cu garnitura de frecare pe carcasa rotitoare.
Frânele cu disc închise, având suprafețe de fricțiune foarte mari prezintă avantajul unei uzuri mai reduse, datorită lucrului mecanic specific de frecare foarte mic. De asemenea, regimul termic este mai scăzut decât la o frână cu saboți echivalentă din punct de vedere al performanțelor.
4.2.3 Frâne cu tambur și bandă exterioară
În trecut frânele cu tambur și banda exterioară erau foarte răspândite la automobile la care predominau mecanismele de acționare mecanică. În prezent ele se utilizează numai ca frâne de staționare, dispuse pe transmisie.
4.3 Mecanismele de actionare ale sistemelor de frânare
4.3.1 Acționarea mecanică a frânelor
În prezent acționarea mecanică este pe cale de dispariție la frânele de serviciu datorită următoarelor dezavantaje principale:
dificultatea asigurării frânării concomitente a tuturor roților;
dificultatea realizării distribuției dorite a forțelor de frânare pe punțile automobilului;
necesitatea unor reglaje frecvente;
randamentul scăzut datorită numărului mare de articulații care în general nu se ung în exploatare.
Datorită acestor dezavantaje acționarea mecanică este limitată numai la frânele de staționare sau de siguranță.
4.3.2 Acționarea hidraulică a frânelor
Acționarea hidraulică a frânelor este în prezent cea mai răspândită la automobile.
Avantajele principale ale acționării hidraulice a frânelor sunt:
frânarea concomitentă a tuturor roților;
repartizarea dorită a eforturilor de frânare între punți cât și între saboți se realizează foarte usor;
randament ridicat datorită rigidității mari a mecanismului de acționare;
timp redus la intrare în acțiune;
construcția simplă și întreținere ușoară.
Dintre dezavantajele acționării hidraulice se pot enumera:
imposibilitatea realizării unui raport de tensiune ridicat;
scoaterea din funcțiune a întegului sistem de frânare în cazul spargerii unei conducte (la sistemul cu un singur circuit);
pătrunderea aerului (care este comprimat) în instalație duce la mărirea cursei pedalei și reduce foarte mult eficiența frânării.
La acționarea hidraulică efortul de la pedală la frâne se transmite printr-o coloană de lichid, aflat în conducte care este practic imposibil.
În figura nr. 4.20 se prezintă schemele acționării hidraulice la care se folosește un singur circuit pentru ambele punți (figura nr. 4.20 a) și în cazul a două circuite (figura nr. 4.20 b).
Figura nr. 4.20 – Schemele actionării hidraulice cu unul sau două circuite de frânare
Acționarea hidraulică cuprinde următoarele elemente principale: pompa centrală 1 acționată cu pedala 2, pompele receptoare 5 și 6 și conductele de legătură 3 și 4.
La apăsarea pedalei de frână se transmite o presiune egală la toate pompele receptoare în efortul de acționare al frânelor propriu-zise.
4.3.3 Acționarea hidraulică cu servomecanism pneumatic
Servomecanismele pneumatice se utilizează mai ales la autocamioanele și autobuzele care sunt prevăzute cu o sursă de aer comprimat, fie pentru frânarea remorcilor fie pentru deschidera ușilor etc. Servomecanismele pneumatice pot fi de tipul cu acționare directă sau indirectă.
Figura nr. 4.21 – Construcția servomecanismelor hidropneumatice
1 – reducție pentru legătura cu pompa centrală, 2 – cilindru principal, 3 – piston cilindru principal, 4 – arc, 5 – cap supapă de reținere, 6 – supapă de reținere și refulare, 7 – reducție pentru legătura cu cilindrul receptor, 8 – șurub ventil pentru scos aer, 9 – conducta de legătura cu cilindrul de aer, 10 – dispozitiv de etanșare, 11 – contrapiuliță, 12 – dop de etanșare, 13 – arc, 14 – supapă de admisie a aerului, 15 – reducție pentru conducta de aer, 16 – piston de comandă a supapei de admisie a aerului, 17 – arc, 18 – corp mecanism de con supapă, 19 – piston de comandă hidraulică, 20 – reducție, 21 – garnituri, 22 – șurub ventil pentru scos aer, 23 – canal de intrare și ieșire a aeruluiîin spate pistonului, 24 – canal de ieșire a lichidului, 25 – corp cilindric al aerului, 26 – arc, 27 – tija de comandă a pistonului, 28 – piston cilindru de aer, 29 – garnitura, 30 – reducție, 31 – capac cilindru, 32 – corp mecanic de deschis, 33 – camera de legătură cu cilindrul principal,34 – filtru de aer
4.3.4 Acționarea pneumatică
Acționarea pneumatică utilizează pentru frânarea energiei aerului comprimat. Ea se întrebuințează la autocamioanele grele, la cele cu remorci, precum și la autobuze unde forța de frânare trebuie să fie mare.
În cazul acționării pnematice forța conducătorului este folosită numai pentru a comanda intrarea în funcțiune a franelor, precum și intensitatea frânării.
La sistemul de acționare cu o conductă de legătura dintre sistemul de frânare al automobilului tractor și sistemul de frânare al remorcii sau semiremorcii acționarea se face cu o singură conductă. În cazul când autoturismul se deplasează fără frână, prin aceasta conductă se face alimentarea cu aer comprimat a rezervoarelor de pe remorcă sau semiremorcă.
Datorită avantajelor pe care le prezintă sistemele de acționare cu mai multe conducte concentrate în final prin mărirea securității circulației, fac ca aceasta să se răspândească din ce în ce mai mult.
În figura nr. 4.22 a, se prezintă schema acționării pneumatice cu o conductă, iar în figura nr. 4.22 b, cu două coloane.
Figura nr. 4.22 – Diferite scheme ale acționării pneumatice
1 – compresor, 2 – filtru, 3 – regulator, 4 – rezervor, 5 – robinet distribuitor, 6 – manetă, 7 – robinet, 8 – robinet, 9 – robinet releu, 10 – robinet, 11 – cilindru de frână, 12 – conductă de alimentare, 13 – conductă de comandă, 14 – robinet, semicuplă de legătură,15 – robinet, 17 și 18 semicuplă de legătură, 19 – robinet de transfer, 20 – robinet de siguranță, 21 – robinet cu două căi
Acționarea pneumatică mai cuprinde:
– O supapă pentru defrânare rapidă, care reduce drumul aerului evacuat la frânare;
– O supapă de acelerație care grăbește atât procesul de frânare cât și procesul de frânare.
4.3.5 Acționarea pneumo-hidraulică
Acționarea pneumo-hidraulică se întâlneste mai ales pe autovehicolele destinate tractării de remorci. Autovehiculul tractor utilizează pentru frânare, acționarea hidraulică cu servomecanism pneumatic pentru toate punțile, îar frânarea remorcii se face printr-o acționare pneumatică.
În figura nr. 4.23 se prezintă trei variante ale acționării pneumo-hidraulice la care frânarea autovehicolului utilizează acționarea hidraulică.
Figura nr. 4.23 – Diferite scheme ale acționării hidraulice
1 – compresor, 2 – regulator de presiune cu filtru, 3 – aparat antigel, 4 – rezervor, 5 – robinet distribuitor, 6 – frână staționare, 7 – rezervor frână staționare, 8 – robinet frână remorcă, 9 – robinet reluare, 10 – robinet uniservo cu două căi, 11 – cilindru de frână, 12 – conductă de legătură, 13 – conductă alimentare, 14 – conuductă de comandă, 15 – robinet închidere, 16 – semicuplă, 17 și 18 semicuplă, 19 – robinet transfer, 20 – robinet siguranță, 21 – robinet cu două căi, 22 – servomecanism hidropneumatic, 23 – servomecanism cu acționare directă de la pedală
CAPITOLUL V
ALEGEREA VARIANTEI CONSTRUCTIVE A SISTEMULUI DE FRÂNARE
5.1 Determinarea momentelor de frânare necesare la punțile autoturismului
Sistemul principal de frânare sau frâna de serviciu este sistemul care acționează pe toate roțile autoturismului.
Reacțiunile dinamice Z1, Z2:
unde:
– a -distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea față;
– b -distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea spate;
– g = 9,80 m/s2 -accelerația gravitațională;
– hg -înălțimea centrului de greutate al autovehiculului;
– L – ampatamentul autovehiculului;
– -coeficientul de aderență a drumului;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat.
Momentele de frânare repartizate pe roți:
-pentru roțile față:
-pentru roțile spate:
Figura nr. 5.1 – Determinarea reacțiunilor și a momentelor de frânare
5.2 Calculul frânei disc față
La calculul frânei disc deschise se pleacă de la ipoteza că presiunea exercitată asupra garniturii de fricțiune este uniformă.
unde:
– U – forța de frecare;
– S – forța care acționează asupra plăcuțelor de frână;
– – coeficientul de frecare.
În mod corespunzător sensibilitatea frânei se obține conform definiției prin derivarea relației raportului de transmitere C în raport cu coeficientul de frecare, adică:
Presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc este:
unde:
– re -raza exterioară;
– ri=k*re -raza interioară;
– ri=(0.6—0.75)re;
– – unghiul la centru exprimat în radiani;
– nf – numărul suprafețelor de frecare;
– -coeficient de frecare;
– Mf – momentul de frânare.
Pentru calculul forței de apăsare aleg frână disc servo prezentată în figura de mai jos:
Figura nr. 5.2 – Calculul forței de apăsare
Reacțiunea N se calculează cu relația:
unde:
– re – raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– = 500(0.8726 radiani);
– – presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc.
Echilibrul forțelor pentru montajul servo este:
unde:
– coeficient de frecare dintre plăcuță și cilindru.
5.3 Calculul frânei disc spate
Presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc este:
unde:
– re- raza exterioară;
– ri=k*re -raza interioară;
– ri=(0.6-0.75)re;
– – unghiul la centru exprimat în radiani;
-=45-500
– nf – numărul suprafețelor de frecare;
– – coeficient de frecare;
-Mf – momentul de frânare.
Reacțiunea N se calculează cu relația:
unde:
– re -raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– = 500° (0.8726 radiani);
– p[] – presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc;
Echilibrul forțelor pentru montajul servo este:
unde:
– coeficient de frecare dintre plăcuță și cilindru.
5.4 Verificarea la uzură
Presiune specifică
Pe suprafața garniturilor de frecare, la frânare, la frânele disc se admite că presiunea pe disc este uniformă și se consideră o presiune medie ce se calculează cu relația:
(presiunea medie)
unde:
– = 0,8726 radiani;
– re -raza exterioară;
– ri – raza interioară.
5.5 Lucrul mecanic specific de frânare
Durabilitatea garniturilor de frecare se apreciază cu ajutorul lucrului mecanic specific de frânare dat de relația:
unde:
– Lf – lucrul mecanic al forțelor de frânare;
– A – suprafața garniturilor de frecare de la toate frânele .
Lucrul mecanic al forțelor de frânare se determină cu relația:
unde:
– V – viteza automobilului la începutul frânării.
Frâne față
– n – numărul plăcuțelor față ;
– A1 – aria unei plăcuțe față;
– = 0,8726 radiani;
– re – raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– g = 9,80 m/s2 – accelerația gravitațională;
;
Frâne spate
– m – numărul plăcuțelor spate m;
– A2 – aria unei plăcuțe spate;
– = 0,8726 radiani;
– re – raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– Ga -greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– g = 9,80 m/s2 -accelerația gravitațională.
5.6 Puterea specifică de frânare
Puterea de frânare necesară la frânarea unui autovehicul de masă ma= de la viteza Vmax m/s până la oprire cu decelerația af max este dată de relația:
;
Iar puterea specifică de frânare este:
Verificarea se face pe fiecare punte având în vedere distribuirea forței de frânare exprimată prin coeficienți cu relațiile:
unde:
– A1, A2 – reprezintă suprafețele garniturilor de fricțiune ale punții față și respectiv spate;
– – coeficientul de aderență a drumului;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– g = 9,80 m/s2 – accelerația gravitațională;
– af max – decelerația maximă a autovehiculului la frânare;
– 1, 2 coeficienții de repartiție a forțelor de fânare pe punți.
5.7 Calcul termic al frânelor
Calculul termic al frânelor unui automobil se poate face numai pe baza unor date experimentale referitoare la condițiile reale de răcire a frânelor în timpul frânării.
Calculele termice efectuate pe baza acestor date chiar dacă nu reflectă în mod fidel solicitarea termică a frânelor autovehiculului proiectat, constituie un mijloc de evitare a unor neconcordanțe mari între dimensionare și cerințele de exploatare.
Pentru autovehiculul proiectat avem
Calculul termic al frânelor la frânarea intensivă
În cazul frânării intensive, izolate de scurtă durată se neglijează schimbul de căldură cu exteriorul, considerându-se că întreaga cantitate de căldură care se degajă contribuie la ridicarea temperaturii frânei propriu-zise. Datorită conductibilității termice foarte reduse a garniturilor de fricțiune, aproape întreaga cantitate de căldură este preluată de discul de frână.
Creșterea de temperatură a discului la o frânare intensivă, izolată de la viteza V până la oprire este:
;
unde:
– – coeficient ce reprezintă fracțiunea de căldură preluată de disc, = 99 %;
– c – căldura masică, J/Kg*K;
– Gt – greutatea discului, kg;
– nf – numărul roților frânate;
– oțel – densitate oțel;
– h – grosimea discului, mm;
– re, ri -raza exterioară a discului respectiv raza interioară, mm;
– md – masa discului, kg;
– V – viteza autovehiculului, km/h (m/s);
– Ga -greutatea totală a autovehiculului încărcat, N.
Calculul termic al frânelor în cazul frânărilor îndelungate
În cazul unei frânări îndelungate temperatura maximă a discului este:
;
unde:
– coeficient de repartiție a căldurii între garniturile de frecare și disc;
– af max – decelerația maximă a autovehiculului la frânare;
-t = difuzivitatea termică în m2/s;
– – conductivitate termică;
– – densitatea materialului tamburului [Jg/m3];
– gd – densitatea fluxului de căldură;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat, N;
Se recomandă ca temperatura maximă a discului să nu depășească 300°C, condiție care este îndeplinită.
Calculul termic al frânelor în cazul frânărilor repetate
La frânările repetate, când numărul acestora este mare, se stabilește un echilibru între căldura degajată și evacuată ajungându-se la o temperatură de saturație a discului dată de relația:
;
unde:
– 0 – temperatura mediului ambiant;
– – creșterea de temperatură la o frânare;
– t0 – intervalul de timp dintre frânării;
– b – coeficient ce ține seama de mărimea suprafețelor de frecare,condițiile de montaj ale discului, viteza discului.
5.8 Calculul și construcția mecanismului de acționare a sistemului de frânare
Dispozitivele de frânare cu frânare hidraulică sunt în prezent cele mai răspândite la automobile.
Figura nr. 5.3 – Schema de calcul a transmisiei hidraulice
Calculul transmisiei hidraulice se face pornind de la forțele necesare pentru acționarea bacurilor de la frânele cu disc.
Forța la pedală Fp, care realizează cu ajutorul cilindrului principal presiunea p din circuitul hidraulic, se determină cu relația:
; unde:
– h – randamentul transmisiei hidraulice;
-ip =b/a – raportul de transmitere a pedalei;
– ih = -raport de transmitere hidraulic;
Cursa pedalei este limitată din considerente de comoditate a acționării astfel încât valoarea sa maximă să fie de 150 mm la autoturisme.
În cazul unui automobil cu două punți, cu frâne la toate roțile, cursa totală a pedalei de frână, neglijând deformațiile conductelor, se determină cu relația:
;
unde:
– S1,S2 – cursele pistoanelor cilindrilor de lucru;
– jp – jocul dintre pistonul cilindrului principal și tija de acționare;
– – distanța dintre buza garniturii primare a pistonului cilindrului principal și marginea opusă a orificiului de compensare.
5.9 Etapele fabricării discului de frână
Pentru fabricarea discului de frână se parcurg următoarele etape:
– Semifabricatul este turnat din fontă;
– Se fixează piesă în dispozitivul mașinii unelte;
– Se face strunjirea de degroșare a suprafețelor frontale, interioare și exterioare;
– Se face strunjirea de degroșare a suprafețelor cilindrice interioare și exterioare;
– Muchile ascuțite se vor teși și se vor face degajările;
– Se face strunjirea de finisare a suprafețelor frontale, interioare și exterioare;
– Se face strunjirea de finisare a suprafețelor cilindrice interioare și exterioare;
– Se prelucrează găurile pentru prezoane și pentru fixarea discului de butucul roții;
– Muchile ascuțite ale găurilor se vor teși;
– Controlul final al discului de frână înainte de ambalare în cutii.
Strunjirea (figura nr. 5.4) reprezintă procedeul de prelucrare prin așchiere cu cea mai mare frecvență de utilizare, fiind metoda de bază pentru obținerea corpurilor de revoluție. Strunjirea se realizează prin combinarea mișcării principale de rotație cu turația n, executată de obicei de piesă, cu mișcarea de avans a cuțitului s. Avansul este în general rectiliniu în direcție longitudinală, transversală sau după o direcție înclinată față de axa mișcării principale. Prin operații de strunjire se pot prelucra suprafețe cilindrice și conice (exterioare și interioare), frontale, filete, etc., ca urmare a combinării mișcării principale a semifabricatului cu mișcările de avans longitudinal sau transversal ale cuțitului.
Figura nr. 5.4 – Strunjirea
Prelucrarea găurilor (alezajelor) se poate realiza prin diverse procedee, alegerea acestora fiind determinată de caracteristicile dimensionale ale găurii, de precizia dimensională și geometrică impusă suprafeței, de materialul și forma piesei în care are loc prelucrarea etc. Dintre procedeele folosite la prelucrarea găurilor, ponderea cea mai mare o au burghierea, lărgirea, adâncirea și alezarea.
Burghierea (figura nr. 5.5) este prelucrarea prin așchiere executată cu burghiul, la care în general, semifabricatul rămâne imobil, iar scula execută mișcarea principală de rotație și mișcarea de avans rectiliniu (în direcție axială) sau, la care, semifabricatul execută mișcarea principală de rotație, iar scula execută numai avansul.
Figura nr. 5.5 – Burghierea
5.10 Tratamentul termic al discului de frână
Materialul ales pentru fabricarea discului de frână este fonta cu grafit nodular (Fgn 700-3). Fontele sunt aliaje ale fierului cu carbonul care conțin între 2,11 și 6,67 % C și își termina solidificarea cu palier eutectic. Fontele cu grafit nodular se obțin prin modificarea în stare lichidă a fontelor cenușii cu grafit lamelar. Modificarea propriu-zisă se face prin introducerea de magneziu în fonta lichida cu ajutorul unui clopot. După această modificare se introduce siliciu, care crește cantitatea de grafit.
Este supus tratamentului de încălzire prin curenți de înaltă frecvență și răciți intens cu apă, astfel se obțin durități de 50-60HRC. Adâncimea stratului călit este de 2 mm până la 5 mm.
Tratamente la care este supus discul de frână:
A) Recoarece pentru detensionare;
B) Călire;
C) Revenire.
A – La fontele cu grafit nodular tensiunile interne sunt de 2-3 ori mai mari decât în fontele cenușii. De aceea, toate piesele importante, cu configurație complicată și cu grosime de pereți diferită, în cazul în care solicitările la care sunt supuse în timpul lucrului nu necesită un regim termic mai complicat, trebuie supuse tratamentului de detensionare pentru eliminarea tensiunilor interne remanente ce iau naștere la turnare Pentru că tensiunile interne să fie cât mai mici, atât la piesele brute, cât și la cele tratate termic, trebuie să se asigure o viteză minimă de răcire și/sau încălzire în intervalul de trecere de la starea plastică la cea elastică, adică în intervalul de temperatură 620-650ºC.
B – Călirea și revenirea au rolul să mărească duritatea și rezistența discului de frână la uzură. Structura inițială optimă pentru călire a fontei cu grafit nodular este cea perlitică, cu o repartizare uniformă a grafitului.
C – Revenirea fontelor cu grafit nodular se face la temperaturi de 500-600ºC.
5.11 Sistemul de frânare ABS
În a doua parte a secolului XX producția de autovehicule s-a dezvoltat foarte mult creându-se motoare foarte puternice, care sunt capabile să realizeze accelerații și viteze foarte mari ale mașinilor. Din această cauză a apărut necesitatea conceperii unor sisteme moderne (mecatronice), care să facă mai sigură circulația pe drumurile publice. Paralel cu aceste sisteme de securitate s-au dezvoltat și sistemele pentru confortul pasagerilor și bineînțeles sistemele pentru managementul motorului, care au asigurat forțe și performanțe și mai mari ale motoarelor. Totalul sistemelor clasice și mecatronice formează autovehiculul mecatronic.
Unul dintre cele mai importante dintre aceste sisteme mecatronice este sistemul de frânare cu ABS, care face posibilă oprirea autovehiculelor în condiții de siguranță. Denumirea ABS vine de la Anti-Lock Braking System (sistem de frânare cu anti-blocare).
Sistemele ABS Bosch au evoluat continuu începând cu anul 1978 când s-a comercializat prima versiune. Dacă prima versiune avea peste 6 kg și echipa doar 0.02% din totalul automobilelor comercializate la aceea vreme, în 2007, versiunea 8 de ABS avea doar 1.4 kg și echipa aproximativ 76% din automobilele noi comercializate.
Figura nr. 5.6 – Evoluția sistemului ABS pentru automobile de la Bosch
Avantajul sistemului de frânare ABS față de sistemul de frânare convențional
Frânarea constă în consumarea energiei cinetice (prin frecare), acumulate de autovehicul, ceea ce se realizează cu ajutorul discurilor și a plăcuțelor de frână și a unor forțe (presiuni) acționând asupra lor cu ajutorul unor actuatori hidraulici.
Formula următoare reprezintă relația energiei cinetice:
Ec = 0,5mv2 ,
unde: – m reprezintă masa autovehiculului;
– v reprezintă viteza autovehiculului.
Din formula de mai sus se poate observa că energia cinetică crește exponențial cu pătratul vitezei, ceea ce înseamnă că distanța de oprire la o viteză de 100 km/h este de 4 ori mai mare, decât la o viteză de 50 km/h (bineînțeles, la o forță de frânare identică).
Sistemul de frânare ABS a jucat un rol foarte important în creșterea siguranței active a automobilului. Cel mai mare avantaj al ABS-ului fața de sistemul de frânare convențional este că la o frânare puternică, pe un carosabil alunecos, evitând deraparea, sistemul de frânare ABS face ca vehiculul să poată efectua viraje și schimbări de direcție în timpul frânarii, respectiv poate să reducă distanța de frânare în anumite condiții nefavorabile (de exemplu: pe zăpadă, sau pe gheață având cauciucuri de iarna cu cuie), mașina adaptându-se la condițiile de trafic și de drum. Totuși, nu trebuie să ne așteptăm ca ABS-ul să scurteze distanța de frânare în orice condiții de drum. Când conducem pe criblură, nisip sau mai ales zăpadă proaspătă, depusă pe un strat de gheață, mașina trebuie condusă mai încet și cu multă grijă, pentru că distanța de oprire poate să fie mult mai lungă.
Echipamentul ABS poate fi folosit și pentru a implementa controlul tracțiunii la accelerarea unui autovehicul. Dacă, la accelerare, cauciucul pierde aderența solului, ABS-ul poate detecta situația și poate aplica frânele pentru a reduce accelerarea pentru recăpătarea aderenței.
Constructorii vând de obicei aceasta ca pe o opțiune separată, chiar dacă infrastructura controlului tracțiunii este în mare parte împarțită cu cea a ABS-ului.
Componentele principale ale sistemului ABS pentru automobile
Dezvoltarea electronicii a permis utilizarea pe scară largă a sistemelor de acționare electrice. Și pentru sistemele ABS controlul presiunii hidraulice se face prin controlul curentului electric în solenoizii supapelor. În funcție de caracteristica supapei (presiune funcție de curent) aceste se clasifică în:
electro-supape proporționale: deschiderea supapelor este proporțională cu curentul electric aplicat;
electro-supape releu: au doar două poziții, deschis sau închis.
Figura 5.7 – Componentele unui modul electro-hidraulic de control pentru ABS
1 – motor electric; 2 – bloc de electro-supape; 3 – electro-supape; 4 – unitatea de control electronică; 5 – capac de protecție
Componentele indispensabile sistemului de frânare cu ABS sunt senzorii de turație pentru fiecare roată. Prin compararea valorilor între cele patru roți unitatea electronică de control determină care din roți tinde să se blocheze.
Figura 5.8 – Senzori de turație roți pentru ABS (evoluție)
Schema și funcționarea sistemului de frânare ABS
Figura nr. 5.9 – Schema de distribuție (în plan) a sistemului de frânare ABS
Figura nr. 5.10 – Circuitul sistemului ABS: 1- pompă centrală în tandem cu servomecanismul vacuumatic; 2- unitate ABS; 3- traductor de turație.
Sistemul ABS a fost inventat de inginerul francez Gabriel Voisin în anul 1929, pentru industria aviatică. Firma germană Bosch și constructorul de autovehicule, Mercedes-Benz, implementează pentru prima data sistemul ABS pe un autovehicul în anul 1978, odată cu lansarea lui Mecedes-Benz S-class.
Funcționarea sistemului ABS
Presiunea de frânare realizată de către pompa centrală cu servomecanism vacuumatic se transmite prin supapa de intrare mecanismului de frânare din roată. Turația roții se micșorează până când unitatea de control ABS recunoaște tendința de blocare a roții cu ajutorul traductorului de turație al roții. Dacă roata are tendința de blocare, pentru a evita creșterea în continuare a presiunii de frânare, este alimentată bobina supapei de intrare, aceasta se închide (supapa de ieșire este tot închisă) și presiunea de frânare rămâne constantă.
Figura nr. 5.11 – Unitatea de control a sistemului ABS
Dacă turația roții scade în continuare (roata are în continuare tendința de blocare), este alimentată bobina supapei de ieșire, iar aceasta se deschide. Presiunea de frânare se reduce prin intermediul acumulatorului hidraulic. Pompa hidraulică începe să funcționeze și pompează lichidul de frână din acumulatorul hidraulic în pompa centrală, iar pedala de frână se va deplasa ușor în sus. Roata care a avut tendința de blocare este eliberată, își menține turația, iar blocarea dispare. Pentru o frânare optimă este necesară o nouă creștere a presiunii de frânare, la o anumită turație a roții. În acest scop, bobina supapei de intrare nu va mai fi alimentată (supapa de intrare se deschide), pompa hidraulică lucrează în continuare, absoarbe lichidul din acumulatorul hidraulic și îl refulează în circuitul de frânare, presiunea de frânare crește, iar roata va fi din nou frânată. Aceste faze se repetă de până la 5..6 ori pe secundă și se pot recunoaște prin mișcarea pulsatorie a pedalei de frână.
Avantajele sistemului ABS, sunt: distanța mai mică de frânare pe diferite suprafețe de rulare și menținerea controlul asupra direcției la o acționare puternică a pedalei de frână (figura nr. 5.12 și figura nr. 5.13).
Eficiență:
Pe suprafetele cu aderență mare, uscate sau ude, majoritatea mașinilor echipate cu ABS obțin distanțe de frânare mai bune (mai scurte) decât cele fără ABS. Un șofer cu abilități medii pe o mașină fără ABS ar putea, printr-o frânare cadențată, să atingă performanțele unui șofer începător pe o mașină cu ABS. Totuși, pentru un număr semnificativ de șoferi, ABS îmbunătățește distanțele de frânare în varii condiții. Tehnica recomandată pentru șoferi într-o mașină echipată cu ABS, într-o situație de urgență, este să se apese pedala de frână până la fund și să se ocolească eventualele obstacole. În asemenea situații, ABS va reduce semnificativ șansele unui derapaj și pierderea controlului, mai ales cu mașinile grele.
Pe zăpadă, ABS-ul mărește distanțele de frânare. Pe aceste suprafețe, roțile blocate s-ar adânci și ar opri automobilul mai repede, dar ABS-ul previne acest lucru. Unele modele de ABS reduc acest efect mărind timpul de ciclare, lăsând astfel roțile să se blocheze în mod repetat, pentru perioade scurte de timp. Avantajul ABS-ului pe aceste suprafețe este îmbunătățirea controlului mașinii, și nu frânarea, deși pierderea controlului pe astfel de suprafețe rămâne totuși posibilă.
Odată activat, ABS-ul va face ca pedala sa pulseze. Unii șoferi, simțind acest efect, reduc apăsarea pe pedală și astfel măresc distanța de frânare. Aceasta contribuie la mărirea numărului de accidente. Din acest motiv unii constructori au implementat sisteme de asistență la frânare ce mențin forța de frânare în situații de urgență.
Sistemul EDL a ABS-ului
Vehiculele echipate cu ABS pot fi prevăzute și cu un sistem EDL (Electronic Differential Lock). Sistemul EDL întesnește accelerarea și urcarea vehiculului pe o pantă abruptă în condiții nefavorabile. Acest sistem funcționează total automat, șoferul nefiind obligat să acționeze nici un buton de pe bordul mașinii.
Sistemul EDL folosește ca elemente de preluare a informațiilor senzorii sistemului ABS. Dacă la o viteză mai mare de 40 km/h apare o diferență de turație dintre roțile tractoare, mai mare de 100 rpm (ceea ce înseamnă aproximativ 1/3 din turația normală a roții la această viteză), deci apare patinarea uneia dintre roți din cauza unei părți de carosabil alunecos, sistemul EDL reduce turația roții care patinează prin acționarea ABS-ului asupra acestuia și în consecința prin diferențial aplică o forță de tracțiune mai mică pe roata cealaltă. Din cauza funcționării sistemului EDL, prin frânarea uneia dintre roțile tractoare (cea care patinează), acesta are in vedere că în cazul unor patinări dese ale aceleiași roți, acesta se auto-decuplează pentru perioade scurte de timp, evitând astfel supraîncălzirea elementelor de frânare (discuri și plăcuțe de frână). Având în vedere acest lucru, se recomandă conducătorilor auto să evite accelerările bruște și dese în condițiile unui carosabil alunecos, și mai ales când există posibilitatea ca amândouă roțile tractoare să patineze cu aproximativ aceeași turație, când nici EDL-ul nu poate ajuta.
Avantajele sistemului de frânare ABS
Avantajele sunt:
împiedică blocarea de lungă durată a roților;
controlul asupra direcției la frânare puternică;
protejarea cauciucurilor;
asigură aderența roților pe șosea (dacă amortizoarele sunt bune);
oprirea în condiții de siguranță și scurtarea distanței de frânare;
destinderea șoferului în timpul conducerii (siguranța activă);
evitarea derapării în cazul frânării pe carosabil umed sau alunecos;
reduce distanța de frânare în condiții defavorabile de drum (acoperit cu zăpadă).
Tehnologia modernă are un rol foarte important în dezvoltarea autovehiculelor și a diferitelor sisteme mecatronice, dar sunt unele cazuri rare, când nici sistemul de frânare ABS și nici alte sisteme de securitate nu pot asigura siguranța maximă. În aceste cazuri extreme, cum ar fi: viteze foarte mari, condiții de drum și de trafic foarte rele, nu trebuie să ne asumăm riscul, deci trebuie să conducem prudent, adaptându-ne la condițiile de trafic și de drum. Totodată, conducând o mașină cu ABS pe un drum accidentat (cu gropi sau denivelări) și amortizoare uzate, când roțile pot să părăsească suprafața șoselei, trebuie să avem în vedere faptul că ABS-ul va mări distanța de frânare.
Întreținerea sistemul principal de frânare
Întreținerea sistemului de frânare cu acționare hidraulică:
a) Se verifică etanșietatea instalației hidraulice;
b) Se verifică și se completează nivelul lichidului din rezervorul pompei centrale;
c) Se verifică și se reglează jocul dintre tija și pistonul pompei centrale;
d) Se evacuează aerul de pe instalație (dacă există);
e) Se verifică uzura garnituriilor de fricțiune;
f) Se reglează frâna de mână.
a) Controlul etanșietății instalației se poate face prin urmărirea nivelului lichidului în rezervorul pompei centrale și urmărirea presiunii în instalație.
Urmărirea nivelului lichidului în rezervorul pompei centrale la frânări repetate pe loc dă posibilitatatea de a se constata eventualele neetanșități ale instalației.
La apăsarea pedalei de frână nivelul lichidului din pompa centrală scade cu 3-6mm,fiind proporțional cu jocul dintre placheți și disc.
Dacă nivelul scade și mai mult se urmăresc racordurile flexilbile, pompa centrală, cilindrii receptori în scopul depistării locului în care se produc pierderi.
b) Nivelul lichidului din rezervor trebuie să fie cuprins între intrervale de minim și maxim. Datorită uzurilor în timpul exploatării nivelul lichidului scade.
Lichidul de frână se înlocuiește la doi ani.
Culoarea maronie sau cenușie a lichidului indică degradarea în timp prin supra-încălzire,în acest caz lichidul trebuie schimbat.
c) Jocul dintre tijă și pistonul pompei cnetrale trebuie să se încadreze în limite prescrise
d) La înlocuirea lichidului de frână în instalație pătrunde aer care trebuie eliminat.
Pentru evacuarea aerului din instalație,s deșurubează aerisitorul și se apăsă de câteva ori pe pedală de frâna,evacuându-se atât aer cât și lichid de frână.Se completează lichid de frână în rezervorul pompei centrale.
Această operație se repetă pentru toate roțile autovehicului, începând de obicei cu roată cea mai îndepărtată de pompa centrală.
CAPITOLUL VI
CALCULUL SISTEMULUI DE FRÂNARE AL AUTOVEHICULULUI
6.1 Alegerea anvelopelor și stabilirea caracteristicilor acestora
Anvelopele automobilelor se fabrică într-o mare varietate de tipuri și de dimensiuni, care se realizează în concordanță cu anumite norme și standarde. În țara noastră, standardele stabilesc atât terminologia aferentă acestui domeniu, cât și tipurile și dimensiunile pneurilor. Pe lângă aceastea, există diferite standarde privitoare la condițiile de fabricare și de verificare ale pneurilor.
O caracteristică esențială a unei anvelope o reprezintă capacitatea portantă, care este definită prin încărcarea radială maximă suportată de acesta.
Figura nr. 6.1 – Anvelopă montată pe jantă
La această încărcare se asigură rularea în condiții de siguranță pentru un parcurs dat, în condiții precizate de constructor. Fiind alese numărul de pneuri la fiecare punte, încărcarea statică pe pneu corespunde sarcinii utile maxime calculate a automobilului va fi:
unde este numărul de pneuri la puntea j.
Capacitatea portantă necesară a pneului va fi:
;
unde se alege pentru autoturisme. Din standarde, norme sau cataloage de firmă se alege pneul cu capacitatea portantă astfel ca .
;
Tabelul nr. 6.1 – Indicele de sarcină
Indicele de sarcină s-a ales 85.
Viteza maximă a automobilului s-a impus în tema de proiectare și este de 190 km/h, din tabelul 5.2 se va alege indicele de viteză.
Tabelul nr. 6.2 – Indicele de viteză
Indicele de viteză pentru anvelopa aleasă va fi .
În urma analizei modelelor similare s-a constatat că majoritatea sunt echipate cu anvelope ce au caracteristicile următoare: 205/65R16. De aceea, pentru automobilul proiectat se vor adopta aceleași caracteristici.
Automobilul proiectat va dispune de următoarele anvelope și jante:
anvelope: 205/65R16 85T
jante: 6 ½ J x 16”.
6.2 Determinarea forțelor și momentelor de frânare la punțile automobilului
Figura nr. 6.2 – Forțele care acționează asupra punților automobilului la frânare: – reacțiunea normală la puntea din față, respectiv puntea din spate, [daN]; – forța de frânare care acționează asupra roților din față și din spate, [daN]; – forța de inerție a autovehiculului, [daN]; – greutatea autovehiculului la sarcină maximă, [daN]
Din datele de proiectare avem Ga = 1600 kg și viteza maximă de 220 km/h
Pentru a calcula reacțiunile normale la punți se consideră că în timpul frânării ambele roți ale unei punții ajung simultan la limita de aderență.
Se fac următoarele ipoteze:
se neglijează efectele aerodinamice;
se neglijează momentele de inerție ale roțiilor;
se neglijează rezistența la rulare a automobilului;
automobilul se deplasează în plan orizontal.
Coeficientul de aderență se alege 0.94 pentru anevelope de joasă presiune care rulează pe un drum asfaltat și uscat.
Reacțiunile normale la punți :
Forța de inerție se determină cu formula:
;
Din 4.1 și 4.2 rezultă:
Cu ajutorul reacțiunilor normale se vor calcula forțele de frânare la cele două punți:
Din 6.3 rezultă:
În continuare se va determina valoarea raportului forțelor de frânare la cele două punți:
Repartiția dintre forțele de frânare pe punțile autovehiculului se exprimă cu ajutorul coeficientului de repartiție :
;
Alegerea corespunzătoare a raportului forțelor de frânare pe punți în cazul dispozitivului uzual cu raport constant are în vedere obținerea unui randament cât mai bun al frânării și evitarea blocării roților din spate înaintea roților din față.
În cazul în care roțile din spate se blochează, autovehiculul își pierde stabilitatea. Chiar dacă se blochează roțile ambelor punți, este foarte important ca roțile din față să se blocheze primele, pentru ca autovehiculul să aibă stabilitate. Cu toate că prin blocarea roților din față direcția nu mai poate fi controlată, această situație este mai avantajoasă decât pierderea stabilitații.
Momentul de frânare:
[Nm]
[Nm]
Pentru a determina momentul de frânare trebuie aflată raza de rulare a roții. Anvelopa stabilită este 205/65R16 85T.
;
;
Pentru a afla raza liberă a pneului se va folosi formula:
Unde:
– raportul nominal de aspect, [%];
– lățimea secțiunii pneului, [mm];
– diametrul de așezare al talonului.
Din 6.9 și 6.10 rezultă:
.
Din 4.8 va rezulta momentul de frânare la cele două punți:
6.3 Influența repartiției forțelor de frânare la punți
Performanțele maxime de frânare, decelerația maximă și spațiul minim posibil de frânare, se obțin cand roțile ambelor punți ajung simultan la limita de aderență.
Condițiile de aderență pentru reacțiunile tangențiale la cele două punți ale automobilului sunt:
Unde:
sunt reacțiunile tagențiale la roțile frânate ale celor două punți;
sunt reacțiunile normale corespunzătoare celor două punți.
Relațiile de calcul pentru reacțiunile normale și , se determină din ecuațiile de moment în raport cu punctele și (fig. 6.2).
.
Dacă se ține seama că (ecuația de proiecție a forțelor pe direcșia vitezei), relația 6.11 va deveni:
Se consideră că la ambele punți coeficienții de aderență sunt identici (), astfel inegalitățile 6.11 pot fi scrise sub forma:
Se consideră la limită semnalul egal în relația 6.13 și 6.14, astfel se pot obține ecuațiile a două drepte , variabile fiind:
Pentru un automobil încărcat cu o anumită sarcină și care se deplasează pe un anumit drum, mărimile constante și cunoscute sunt , , , , se va considera pentru patru cazuri: 0.3, 0.5, 0.7 și coeficientul maxim de aderență 0.94. Studierea mai multor situații în care coeficientul de aderență variază, este necesară deoarece condițiile de drum nu sunt mereu aceleași și coeficientul de aderență este variabil în funcție de suprafața căii de rulare.
Din 6.14 și 6.15 rezultă:
Unde: .
6.4. Calculul frânei cu disc de tip deschis
În urma analizei diametrelor discurilor de frână s-a stabilit un diametru exterior de 280 mm pentru discurile din față și 250 mm pentru discurile din spate.
Figura nr. 6.3 – Construcția frânelor cu disc:
a) cu etrier fix: 1 – disc neventilat; 2 – ventil de aerisire; 3 – manșon de protecție; 4 – garnitura de etanșare; 5 – piston; 6 – camera de presiune; 7 – plăcuță cu garnitură de fricțiune; 8 – știft de ghidare pentru plăcuțe;
b) cu etrier flotant: 1 – disc autoventilat; 2 – portetrier; 3-etrier; 4 – plăcuță cu garnitură de fricțiune; 5 – știft de ghidare pentru plăcuțe; 6 – arc de menținere a etrierului pe portetrier;
7 – ventil de aerisire; 8 – piston.
Cu aceste valori se poate determina raza exterioară a discurilor de frână pentru puntea din față și puntea din spate:
Pentru aflarea razei interioare se va ține seama de recomandarea ca raportul dintre raza interioară și raza exterioară să fie cuprins în intervalul: . Pentru discurile punții din față se va alege o valoare a raportului de , iar pentru discurile punții din spate raportul va fi de . Astfel se vor obtine următoarele valori pentru razele interioare ale discurilor celor 2 punți:
Cu razele exterioare și interioare ale discurilor din față și din spate, se pot calcula razele medii:
În continuare se vor calcula forțele normale din ecuația momentului de frânare la cele două punți.
Figura nr. 6.4 – Schema de calcul pentru frâna cu disc de tip deschisă
Se dă următoarea ecuație pentru momentul de frânare:
Unde:
N – forța normală [N];
– coeficientul de frecare dintre disc și garnitură, se va alege 0.4;
– perechi de suprafețe de frecare, 4 pentru cele două roți ale unei punți.
Din 6.19 rezultă forța normală:
După determinarea forței normale se poate afla forța de acționare a pistonului de lucru.
Pentru a calcula forța de acționare a pistonului trebuie cunoscută valoarea coeficientului de frecare dintre bac si corpul cilindrului de acționare, . Se recomandă ca valoarea acestuia să se regăsească în intervalul (0.05..1). Se alege valoarea de:
Forța de acționare a pistonului se va calcula, pentru ambelor punți, cu formula:
Coeficientul de eficacitate al frânei cu disc de tip deschis fără efect servo este:
6.5 Calculul transmisiei hidraulice
Figura nr. 6.5 – Schema pentru calculul transmisiei hidraulice
1 – pompa centrală; 2 – cilindrii receptori ai frânelor față; 3 – cilindrii receptori ai frânelor spate; 4 – conducte de legatură
Calculul se face pornind de la forțele necesare pentru acționarea bacurilor.
Pentru a determina diametrul cilindrului de lucru, , se va alege în prealabil presiunea lichidului .
Astfel, , și
Forța la pedală care realizează cu ajutorul cilindrului principal presiunea din circuitul hidraulic, se determină cu relația:
Unde:
– raportul de transmitere al pedalei, se recomanda ca acesta să se aleagă din intervalul , astfel se alege ;
– raportul de transmitere hidraulic
– randamentul transmisiei hidraulice dependent de presiunea lichidului de lucru, acesta variază între .
Raportul transmisiei hidraulice pentru cele două punți este:
În continuare se va calcula cu formula 6.23 valoarea forței de apăsare a pedalei :
Forța maximă admisibilă la pedala de frână este de 50…65 daN, în funcție de dispunerea elementului de comandă în raport cu scaunul conducătorului. Datorită faptului că numărul frânărilor intensive nu depășește 5…10% din numărul total al frânărilor, forța la pedală se admite cu mult mai mare decât în cazul ambreiajelor.
Se va opta pentru o forță la pedală de 65 daN.
6.6 Verificarea solicitărilor mecanice ale mecanismului de frânare
Se vor determina parametri ce reflectă solicitările care apar în zona de contact plăcuță cu garnitură de fricțiune – disc. Acestia sunt: presiunea pe suprafața garniturii de fricțiune, lucru mecanic specific de frecare, puterea specifică și încărcarea specifică a garniturii de fricțiune.
6.6.1 Presiunea pe suprafața garniturii de fricțiune
Durabilitatea garniturilor de fricțiune este influențată de presiunea pe suprafața lor. La frânele cu disc se admite că presiunea este uniformă și se consideră o presiune medie care se calculează cu relația:
Unde:
reprezintă semiunghiul la centru al garniturii de fricțiune;
raza interioară a discului;
raza exterioară a discului;
forța normală de apăsare a plăcuțelor.
Se recomandă ca . Semiunghiul la centrul garniturii de fricțiune s-a ales , .
Din 6.24 rezultă:
6.6.2 Lucrul mecanic specific de frecare
Se determină cu ajutorul relației 6.25:
Unde:
lucrul mecanic al forțelor de frânare;
suprafața garniturilor de fricțiune.
Unde:
– numărul suprafețelor de frecare la o singură punte, .
Lucrul mecanic specific se va calcula pentru două viteze: și viteza maximă a automobilului:
6.6.3. Puterea specifică de frânare
Puterea de frânare necesară frânării unui automobil de masă de la viteza maximă până la oprire, cu decelerația maximă este dată de relația:
Puterea specifică de frânare se determină cu relația:
Unde:
coeficientul de distribuire a forței de frânare pe punte, și ;
decelerația maximă, se alege ;
viteza maximă, 220 = 61,10.
6.6.4. Încărcarea specifică a garniturii de fricțiune
Aceasta permite aprecierea solicitării garniturilor de fricțiune în locul puterii sppecifice de frânare și se determină cu relația:
Din 6.30 rezultă:
6.7 Mentenanța sistemului de frânare
6.7.1 Modificarea stării tehnice
Sistemul de frânare este esențial pentru siguranța pasagerilor deoarece acesta trebuie să raspundă imediat și cu exactitate de fiecare dată când este apăsată pedala de frâna. Tamburii, plăcuțele, discurile și saboții sunt cele mai importante componente. Fiecare are o funcție specifică și împreună contribuie la frânare și la oprirea autovehiculului.
Modificarea stării tehnice a unei componente din sistemul de frânare poate duce, în unele cazuri, la scoaterea din funcțiune a sistemului. Defecțiunile ce pot apărea la componentele sistemului de frânare sunt:
Pedala de frână:
griparea pârghiilor;
ruperea arcului de rapel;
înmuierea arcului de rapel.
Servomecanismul vacuumatic:
fisurarea membranei;
înmuierea arcului membranei;
ruperea arcului membranei;
neetanșeități la nivelul furtunului și racordurilor de la depresiunea din colectorul de admisie sau de la pompa suplimentară de vacuum în cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare.
Pompa centrală de frână:
înfundarea orificiului de comunicare cu atmosfera;
blocarea dispozitivului cu supape ( supapa de evacuare, supapa de reținere, uzarea arcurilor, uzarea garniturilor);
înfundarea orificiilor din piston;
înmuierea arcului supapei de reținere;
fisurarea sau spargerea rezervorului de lichid;
neetanșeități.
Conducte și racorduri:
fisurarea sau spargeri ale conductelor;
obturarea sau gâtuiri ale conductelor;
neetanșeități.
Mecanismul de frânare:
deteriorare garniturilor de etanșare;
griparea pistonașelor;
uzarea garniturilor de fricțiune;
uzarea duscului de frână.
Întreținerea sistemului de frânare cu acționare hidraulică
Întreținerea sistemului de frânare cu acționare hidraulică cuprinde următoarele lucrări:
controlul etanșeității instalației hidraulice;
verificarea și completarea nivelului lichidului din rezervorul pompei centrale;
verificarea și reglarea jocului dintre tija și pistonul pompei centrale;
evacuarea aerului din instalație;
verificarea uzurii garniturilor de frânare;
verificarea și reglarea jocului dintre saboți și tambur.
6.7.2 Reglajele
Pentru a asigura un randament ridicat sistemului de frânare, se recomandă efectuarea periodică a unor serii de reglaje:
Reglarea cursei libere a pedalei de frână;
Reglarea cursei libere a dipozitivului de comandă al frânei de staționare;
Reglarea frânei de mână
Aceasta reglare se efectuează după reglarea frânei de serviciu, procedându-se astfel:
se ridică autoturismul;
se slăbește frâna de mână;
se deșurubează piulițele tijei frânei de mână;
se strânge piulița până ce saboții vin ușor în contact cu tamburul;
se blochează piulițele.
6.8 Diagnosticarea sistemului de frânare. Metode de diagnosticare
Se vor prezenta trei moduri diferite de diagnosticare: testul de drum, inspecție vizuală și standul cu rulouri.
Testul de drum:
Aceasta este cea mai raspândită metodă pentru verificarea sistemului de frânare. În timpul diagnosticării tehnicianul conduce autovehiculul, apasă pedala de frână și aprecieză anumiți parametri. Acest test poate fi efectuat pe drumurile publice sau în curtea unui atelier de reparații.
Testul pe drum, deși este cel mai răspândit test pentru frână, dar este cel mai imprecis test deoarece se bazează pe experiența conducătorului și pe aprecierile acestuia.
Pentru a îmbunătați rezultatele testului, cele mai sofisticate teste pe drum sunt efectuate pe suprafețe măsurate, pe drumuri nefolosite. Recomandările constructorilor recomandă ca aceste teste să se efectueze la o viteză de aproximativ . Conducătorul observă comportamentul autovehiculului: vibrații, zgomote și va masura distanța de frânare.
Această metodă prezintă o serie de avantaje și dezavantaje:
Avantaje:
fiind un test dinamic tehnicianul observă exact ce se întâmplă cu autovehiculul;
dacă este masurată distanța de frânare se pot interpreta exact rezultatele;
cost redus.
Dezavantaje:
se bazează mult pe aprecierea, experiența și îndemanarea conducătorului;
viteza, forța la pedală, momentul frânării variază de la o încercare la alta;
diagnosticarea pe drum depinde foarte mult de condițiile de drum și vreme.
Inspecția vizuală:
Este cea mai comună metodă de verificare a sistemului de frânare, efectuându-se rapid și constând în verificarea tuturor roților. Avantajele și dezavantajele acestei metode sunt:
Avantaje:
tehnicianul observă și monitorizează sistemul de frânare, această metodă fiind singura în care se poate observa grosimea discurilor și a plăcuțelor. Chiar și în cazul vehiculelor cu indicatori de uzură, o inspecție vizuală reprezintă o metodă sigură de verificare a sistemului de frânare;
în timpul inspecției vizuale, tehnicianul poate observa defecte ale discului, plăcuțelor de frână, scurgeri de lichid de frână (datorită unor ruperi sau deteriorări ale furtunelor și conductelor de frână);
tehnicianul poate compara uzarea.
Dezavantaje:
pe lângă măsurarea indicatorilor de uzare, rezultatele inspecției vizuale sunt adesea subiective; dacă nu se stabilesc standarde pentru acești indicatori, este dificilă stabilirea unei uzuri acceptabile;
nu se poate realiza verificarea funcționării sistemului de frânare în cadrul inspecției vizuale, de aceea sistemul de verificare vizuală este insoțit de cele mai multe ori de un test rapid de drum.
Standul cu rulouri:
Standul cu role este un dispozitiv foarte folosit în atelierele de diagnosticare. Acesta este format din două role comandate de motoare electrice în podeaua atelierului. Sistemul testează forța de frânare a fiecărei punți.
Sunt și standuri cu patru role, fiind capabile să testeze punțile față-spate simultan. De obicei ruloul din față este fix, iar cel din spate este mobil pentru a putea fi reglat în funcție de ampatamentul autovehiculului.
În timpul testării, vehiculul este așezat pe rulouri la o vitează de (viteză recomandată de constructor), roțile autovehiculului sunt învârtite cu ajutorul standului, se acționează frâna, iar standul cu rulouri măsoară forța de frânare pentru fiecare roată. Rezultatele sunt afișate pe un monitor ce echipează standul de frânare. Unele standuri, oferă grafice care furnizează informații despre forța de frânare pentru fiecare roată în funcție de timp si forța de apăsare la pedală.
Avantaje:
furnizează informații precise în urma măsurătorilor;
tehnicianul poate menține constantă forța de apăsare a pedalei de frână, atât timp cât este necesar pentru a verifica sistemul de frânare;
această metodă facilitează depistarea problemelor ce țin de ovalitatea discurilor;
având în vedere faptul că sistemul de frânare se încalzește, este posibil să se identifice și probleme legate de eficacitate și supraîncălzire.
Dezavantaje:
principalul dezavantaj îl constituie imposibilitatea de a ține cont de încărcarea la punți; în consecință standul nu poate măsura dezechilibrul real între puntea din față și cea din spate;
sistemul nu poate verifica cu acuratețe performanțele tuturor componentelor active în timpul procesului de frânare;
deoarece testarea se realizează la viteze mici nu se pot diagnostica sistemele auxiliare ale sistemului de frânare (exemplu: ABS);
nu pot fi testate autovehiculele cu tracțiune integrală;
deoarece sistemul este încastrat în podea, este dificil de reamplasat datorită costurilor ridicate.
CONCLUZII
Sistemele de frânare cunosc o dezvoltare continuă, astfel încât să asigure o securitate cât mai mare la frânare, indiferent de starea carosabilului, de viteză și alți factori.
Având în vedere viteza medie de deplasare care crește de la an la an, ABS-ul a devenit un sistem de siguranță activă care devine indispensabil automobilelor moderne. Din acest motiv din ce în ce mai mulți producători oferă sistemele ABS ca dotare standard pentru automobile.
La un autovehicul echipat cu ABS, pentru a obține eficiență de frânare maximă, este necesară o apăsare fermă și constantă asupra pedalei de frână, fără “pomparea” acesteia.
Este important să avem în permanenta în vedere că, oricat de bine puse la punct ar fi aceste sisteme, ele nu pot depăși limitele impuse de legile fizicii și mai ales de cele ale aderenței roților la sol. Chiar dacă în anumite situații se pot dovedi salvatoare în depășirea unor situații delicate, simplul fapt că mașina pe care o conducem are în dotare toate sistemele menționate nu trebuie să ne determine să o conducem mai “înțepat”.
La frânare, intregul sistem este supus unor sarcini enorme. Sistemul de frânare al unui autoturism de clasă medie ce frânează de la 130 km/h, spre exemplu, trebuie să dezvolte o putere de frânare de 500 kW. Avand o putere de, să zicem, 50 kW, puterea necesară frânării trebuie să fie astfel de 10 ori mai mare ca cea dezvoltată de motor. Între plăcuțele și discul de frână se pot atinge, prin urmare, temperaturi de câteva sute de grade iar puterea de frânare necesară este transmisă prin intermediul lichidului de frână sub presiune.
Condițiile din trafic impun însă o frânare diferită a autoturismului. Șoferul se bazează pe o funcționare ireproșabilă a frânelor dar așteaptă și un confort sporit: răspuns rapid, dozare optimă, fără sunete deranjante și bineințeles de fiecare dată randamentul necesar. Componentele sistemului de frânare sunt supuse influențelor factorilor naturali: umezeală, frig, sare și praf.
Chiar și o scurtă apăsare a pedalei de frână poate cauza blocarea roților autovehiculului, până și pe un carosabil uscat. Roțile blocate nu pot reacționa la forțe laterale și în consecință autovehiculul nu poate vira în timp ce frânează.
ABS-ul recunoaște tendința uneia sau mai multor roți de a se bloca și menține constantă sau reduce presiunea de frânare și astfel roțile nu se blochează. Vehiculul rămâne manevrabil în timpul frânării iar șoferul poate alege traiectoria dorită.
Atunci când este acționată frâna, pompa de frână și amplificatorul servo crează presiunea de frânare necesară. Unitatea de comandă, ce monitorizează permanent situația sistemului de frânare și a senzorilor de rotație, intervine dacă sesizează tendința de blocare a uneia sau mai multor roți, intervenind și reglând presiunea independent pe fiecare roată.
BIBLIOGRAFIE
Stoicescu, A. – „Proiectarea performațelor de tracțiune și de consum ale automobilelor”, Editura Tehnică, Bucuresti, 2007
Potancu, Hara, Tabacu – “Automobile”, Editura Tehnică, București, 1986
Andreescu, C. – „Dinamica Autovehiculelor”, Notițe curs, 2008
Frățilă, Gh. – „Calculul și construcția automobilelor ”, București, 1977
Frățilă, Gh. , Mărculescu, Gh. – „Sisteme de frânare ale autovehiculelor”, Editura Tehnică, București, 1986
Untaru, M. Frățilă, Gh. Poțincu, Gh. Seitz, N. Tabacu, I. Pereș, Gh. Macarie, T – “ Calculul și construcția automobilelor” – Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982
Mateescu, V. – „Sisteme de direcție, frânare și suspensie”, Notițe curs, 2008
Stratulat, M., Andreescu, C. – „Diagnosticarea Automobilului”, Editura Societatea Știință și Tehnică, Bucuresti 1992
Anghelache, G. – „Mentenanța autovehiculelor”, Notițe de curs, 2009
Marincaș, D., Abăitancei, D. – „Fabricarea și repararea autovehiculelor rutiere”, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982
Constantin, V., Palade, V. – „Organe de mașini și mecanisme vol. I”, Editura Fundației Universitare „Dunărea de jos”, Galați, 2004
Manea, Gh. – „Organe de mașini”, Editura Tehnică, București, 1970
http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_car
http://osiyolink.net/?p=48#more-48
http://autoturism.rdslink.ro/ist.htm
http://www.khulsey.com
http://www.the-blueprints.com
http://www.topcarguide.com
http://carspector.com
http://www.cars-of-europe.com/katalog/index.shtml
http://www.ultimatespecs.com
http://autofinanciar.ro
http://www.autoevolution.com/cars
http://www.carpages.co.uk/guide
http://km77.com
http://www.zf.com
http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?Termen=ABS+-Sistem+de+franare+antiblocare+SSID18
http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/41-sistem-abs-frane-auto.html
http://www.tigra.ro/forum/articole-si-tutoriale/14188-sistemul-anti-blocare-abs.html
http://ro.wikipedia.org/wiki/ABS
http://www.autosaga.ro/lectia-auto/abs-sistem-de-siguranta.html
http://www.4tuning.ro/tehnica-auto/cum-functioneaza-sistemul-de-franare-cu-abs-10498.html
http://img8.imageshack.us/img8/5236/cursabs.pdf
http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/41-sistem-abs-frane-auto.html
http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?Termen=ABS+-Sistem+de+franare+antiblocare+SSID18
http://www.khulsey.com
http://wikicars.org/en/Anti-Lock_Brakes_%28ABS%29
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
http://www.carbibles.com/brake_bible.html
http://www.ate.euromediahouse.de
http://www.bosch.com
http://comymanele.xhost.ro/istorie.htm
http://www.drivingfast.net/technology/ABS.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
http://www.prealign.com/images/brakes111.jpg
=== lucrare 2 ===
CUPRINS:
CAPITOLUL I
INTRODUCERE
Transportul auto se dezvolta rapid, deținând ponderea principală a deplasărilor de mărfuri și călători. Numărul de automobile existent în lume este de ordinul sutelor de milioane, iar diversificarea construcțiilor acestora a permis să se realizeze transportul oricărui fel de material pe distanțe lungi și in condiții deplină de siguranță.
Transporturile auto au rolul ca împreună și în colaborare cu celelalte mijloace de transport (cale ferată, transportul pe apă și aerian) să asigure deplasările de persoane, materiale și alte bunuri necesare economiei naționale și deservirii populației.
Transporturile auto au o deosebită importantă pentru economia națională, asigurând împreună cu celelalte mijloace de transport: pentru industrie, aprovizionarea cu materii prime și materiale necesare procesului de producție și desfacerea produselor; pentru agricultură, aprovizionarea materială și deplasarea recoltei la locurile de depozitare; pentru comerț, aprovizionarea cu produsele necesare unităților de desfacere, depozitelor, precum și aprovizionarea populației; pentru activități social-culturale, deplasarea utilajelor, materialelor și obiectelor necesare desfășurării acestor activități; deplasarea cetățenilor de la domiciliu la locurile de muncă și înapoi, pentru nevoi personale, turism și alte interese.
Apărut în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, automobilul a revoluționat transporturile și a concentrat cele mai semnificative eforturi științifice și inginerești, pentru continua perfecționare a performanțelor sale.
În construcția automobilelor moderne și-au câștigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activă etc.), pentru ca, în final, întreg automobilul să se transforme într-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigație, X-by Wire, telematică etc.).
Foarte multe eforturi ale proiectanților și constructorilor de vehicule sunt dirijate în scopul creșterii siguranței și confortului pasagerilor și implică subsisteme mecatronice sofisticate.
Sistemele inteligente utilizate pentru asigurarea unui grad sporit de securitate autovehicului și mai ales conducătorului auto, pot fi active sau pasive și au câteva roluri foarte importante: evitarea eficientă a coliziunilor; minimizarea efectelor coliziunilor și evitarea traumatismelor, atât pentru pasagerii vehiculului, cât și pentru pietonii implicați în accident. Sistemele de siguranță active servesc la prevenirea coliziunilor și la minimizarea efectelor acestora.
Sistemele de siguranță active, contribuie la prevenirea sau evitarea unor accidente ce decurg dintr-o manevrare necorespunzătoare a automobilului, de regulă, pe fondul unor condiții neprielnice ale căii de rulare și/sau mediului înconjurător. Deoarece manevrarea necorespunzătoare se traduce printr-o cinematică și poziționare neadecvată a roților cu sau față de calea de rulare, sistemele de siguranță active acționează asupra sistemelor componente ale automobilului ce modifică cuplul și poziția acestora, adică sistemul de frânare, sistemul de propulsie și sistemul de direcție.
În ultima vreme producătorii de automobile pun un accent deosebit pe sistemele de siguranță active și rezultatele pe care le obțin autovehiculele la testele de impact. Aceștia duc o politică de marketing foarte agresivă pentru a crește numărul de unități vândute pe o anumită piață, în special pe cele sărace și renunță la sistemele de siguranță active profitând și de nivelul de cultură automobilistică scăzut de pe piața respectivă.
Pe suprafețele cu aderență mare, uscate sau ude, majoritatea mașinilor echipate cu ABS obțin distanțe de frânare mai bune (mai scurte) decât cele fără ABS, un sofer cu abilități medii pe o mașină fără ABS ar putea printr-o frânare cadențată, să atingă performanțele unui șofer începător pe o mașina cu ABS. Totuși pentru un număr semnificativ de șoferi ABS-ul îmbunătățește distanțele de frânare în varii condiții. Tehnica recomandată pentru șoferi într-o mașină echipată cu ABS, într-o situație de urgență, este să apese pedala de frână până la fund și să ocolească eventualele obstacole. În asemenea situații ABS-ul va reduce semnificativ șansele unui derapaj și pierderea controlului, mai ales pentru mașinile grele.
Pe zăpadă ABS-ul mărește distanțele de frânare. Pe aceste suprafețe, roțile blocate s-ar adânci și ar opri vehicolul mai repede, dar ABS-ul previne acest lucru. Unele modele de ABS reduc acest efect mărind timpul de ciclare, lăsând astfel roțile să se blocheze în mod repetat pentru perioade scurte de timp. Avantajul ABS-ului pe aceste suprafețe este îmbunătățirea controlului mașinii și nu frânarea, deși pierderea controlului pe aceste suprafețe rămâne totuși posibilă.
Odată activat, ABS-ul va face ca pedala să pulseze. Unii șoferi, simțind acest efect, reduc apăsarea pe pedală și măresc astfel distanța de frânare. Acest lucru contribuie la mărirea numărului de accidente. Din acest motiv unii constructori au implementat sisteme de asistență la frânare ce mențin forța de frânare în situații de urgență.
Parlamentul European a validat propunerea Comisiei Europene în privința dotării tuturor autoturismelor, începând din 2009, cu un sistem de asistare la frânare (ABS). Conform statisticilor, dacă toate automobilele aflate în parcul auto european ar fi fost echipate cu acest sistem, circa 1.100 dintre pietonii implicați anual în accidente rutiere ar fi avut viețile salvate. Asta în condițiile în care, în octombrie 2006, doar 41% dintre vehiculele noi erau echipate cu ABS. Următorul pas, în cadrul unui vast program european de ameliorare a securității rutiere, vizează introducerea în dotarea standard a sistemului electronic de control al stabilității (ESP), începând din 2012.
Începerea producției de serie al programului electronic de stabilitate ESP în Europa cu zece ani în urmă a fost o piatră de hotar în dezvoltarea de sisteme de control de frână. Bosch a fost un actor major în dezvoltarea de conducere a acestui sistem de siguranță activă și în 1995, a devenit primul furnizor în întreaga lume pentru ESP.
De la începerea producției de serie Bosch a extins continuu, potențialul de ESP care acum permite integrarea unor noi caracteristici de securitate și comoditate.
Denumirea tehnică a sistemului este ESP, adică Electronic Stability Program, denumire ce sugerează destul de bine utilitatea sa. Faptul că cele mai multe astfel de sisteme instalate pe autovehicule sunt fabricate de Bosch a determinat însă popularizarea sa sub numele ESP, cel pe care producătorul de dispozitive electronice auto l-a instituit încă din 1987, când a început să-l dezvolte alături de Mercedes-Benz.
Studiile asupra accidentelor rutiere demonstrează că cel puțin 40% din totalul celor soldate cu decese sunt cauzate de deraparea autovehiculelor și, mai mult, aproximativ 80% din totalul acestor accidente ar fi putut fi evitate prin utilizarea sistemului ESP.
1.1 Istoric
Compania germană Robert Bosch GmbH (cunoscută, mai popular, drept Bosch) dezvoltă tehnologia ABS din anii 1930, dar primele automobile de serie care să folosească sistemul electronic Bosch au fost disponibile în 1978. Au apărut prima dată pentru camioane și limuzine nemțești Mercedes-Benz. Ulterior sistemele au fost portate și pentru motociclete.
Inițial, sistemele ABS au fost dezvoltate pentru aeronave. Unul din primele sisteme a fost Maxaret al companiei Dunlop, prezentat în anii 1950, și încă în uz pe unele modele de aeronave. Acesta a fost un sistem complet mecanic. A fost utilizat și pe automobile în anii 1960 (mașina de curse Ferguson P99, Jensen FF și mașina experimentală Ford Zodiac cu tracțiune integrală) dar pentru automobile s-a dovedit scump și nu a fost în totalitate de încredere. Un sistem complet mecanic, construit și vândut de Lucas Girling, a fost echipat din fabrică pe Ford Fiesta generația a 3-a. S-a numit Stop Control System (sistemul de control al opririi).
Sistemele care fac parte din siguranța activă a unui automobil sunt următoarele:
Sistemul de frânare antiblocare – ABS – Când roțile se blochează pe drumuri ude sau alunecoase datorită unei frânari bruște, vehicululul datorită aderenței scăzute poate derapa necontrolat. Sistemul de frânare antiblocare (ABS) are calități considerabile de prevenire a blocajului roților, oferindu-i conducătorului un control foarte mare asupra autovehiculului în cazul unor frânări bruște în situații de urgență. Cele mai multe autovehicule oferă ABS fie ca echipament standard fie ca echipament opțional.
Figura nr. 1.1 – Sistemului de frânare cu ABS
Sistemul de control al tracțiunii – TCS – Printre nenumăratele pericole cu care se confruntă conducătorii auto se numără drumurile ude sau alunecoase. Autovehiculele pot intra pe neașteptate în derapaj atunci când sunt frânate sau accelerate reluarea controlului asupras autovehiculului fiind imposibilă. Sistemul de control al tracțiunii – TCS – ajută în astfel de situații, prevenind derapajul roților înbunătățind accelerația și menținând direcția de mers. Senzorii informează sistemul TCS când roțile încep să patineze, acesta trimite un semnal și un instrument de bord informează conducătorul auto de faptul că TCS este activ.
Asistența la frânare – BA – Asistența la frânare este o tehnologie care ajută la îmbunătățirea timpului de reacție a conducătorului auto în situația frânării de urgență. Sistemul se bazează pe descoperirile studiilor accidentelor de circulație prin coliziune efectuate în paralel de firmele Mercedes și Toyota, în care 90% din participanți au ezitat să aplice toată forța de frânare, sau să nu aplice toată forța de frânare în situații de urgență. Sistemul asistenței frânării de urgență folosește senzorii pentru a măsura cât de ușor trebuie apăsată pedala de frână. Când sistemul descoperă intenția conducătorului auto de a aplica întreaga forță de frânare asistența de frânare livrează întreaga presiune de frânare reducând considerabil distanța de frânare a autovehiculului. Asistența la frânare este disponibilă pe un număr mare de noi autovehicule, incluzând Ford Taurus, Ford Focus și Ford Expedition.
Figura nr. 1.2 – Elementele sistemului ABS/ASR
Figura nr. 1.3 – Rata de penetrare a sistemului ESP în lume
Programul electronic de stabilitate – ESP – Aproape 10000 de oameni au murit anul trecut ca urmare a accidentelor prin coliziune, multe dintre ele având loc când vehiculele rulau pe drum ud sau la deplasarea în curbe. Programul electronic de stabilitate este un sistem interactiv de stabilitate dezvoltat, proiectat pentru a detecta și asista electronic situațiile critice în timpul rulării autovehiculului. Este automat furnizând un înalt control în condiții nefavorabile de trafic, comparând constant intenția de menținere a direcției a conducătorului auto cu direcția pe care tinde să o aibă autovehiculul și compensând orice diferență. Numeroși producători de automatizări oferă sisteme electronice de control al stabilității, pe care le vând sub diferite denumiri. Clienții pot întâlni aceste produse sub numele diverselor brand-uri atunci când își achiziționează un nou autovehicul: ESP (Audi, Mercedes, Volswagen), DSC-Dynamic Stability Program (BMW), TM-Advance Trac (Ford, Lincoln, Mercury), Stability Management System (Porsche) and Vehicle Skid Control (Toyota).
1.2 Scurt istoric al sistemelor de siguranță activă
Specialiștii nu pot spune cu certitudine când s-a inventat automobilul, aceasta deoarece automobilul a suferit de-a lungul timpului numeroase modificări și a fost perfecționat în mod continuu. Totuși pentru a avea un reper temporar mai exact, s-a stabilit data de 29 ianuarie 1886 ca moment în care a fost inventat automobilul. Aceasta este de fapt data când inginerul Carl Benz din Mannenheim a obținut brevetul pentru primul vehicul acționat de un motor cu ardere internă.
Carl Benz nu putea ști că acest document urma să fie considerat, mai târziu, certificatul de naștere al automobilului și nici nu putea bănui faptul că brevetul său avea să devină piatra de temelie pentru construirea a milioane de mașini, în lumea întreagă.
Inginerii nici nu au visat că sistemul de frânare antiblocaj patentat acum aproximativ 70 de ani de către Karl Wessel în 1928, pentru controlul forței de frânare, va fi dezvoltat și construit. Sistemul a fost fundamentat și perfecționat de către Robert Bosch (1936) și Fritz Osthaus în 1940. Sistemul ABS a fost patentat în 1936 când Fritz Ostwald, supranumit părintele ABS, își susținea examenul de doctorat în ingineria mecanică la Universitatea Tehnică din München. Îndrumătorul său nu a fost interesat această temă, astfel că își termină doctoratul în fizică, după care lucrează la ATE, ITT, Continental Teves din 1950 până când se retrage în 1978. Deoarece a fost convins că o frână poate lucra corect numai dacă șasiul este corect proiectat, el a facut câteva îmbunătățiri: unghiul de cădere negativ și o nouă concepție a punții spate pentru acea vreme, amândouă fiind folosite la majoritatea mașinilor de azi.
Unghiul negativ al roții este important când în timpul tracțiunii întâlnim suprafețe neregulate sau obstacole în afara drumului, explozie de cauciuc sau defecte ale frânelor. Poate fi numit ESP mecanic. Numele de ABS este derivat din cuvântul Antiblockiersystem. Heinz Leiber la Daimler – Benz a lucrat la ABS-ul automobilelor în 1964 la Teldix și mai târziu la Bosch și Daimler – Benz. El este părintele primului sistem ABS care a lucrat pe automobile. Un prototip ABS pe autovehicul a fost arătat în 1970. Dar a fost nevoie de mai mulți ani pentru a dezvolta un sistem care să fie îndeajuns de fiabil, utilizând circuitele digitale integrate în locul componentelor analogice. Bosch a început prima serie de producție în 1978 cu sistemul ABS 2S fiind folosit de legendarul Euro 81 500SEL Mercedes Benz. ABS-ul era opțional pentru 2599 de mărci, aproape 5% din prețul mașinii care este echivalentul a 5000 de dolari astăzi.
Figura nr. 1.4 – ABS 2S in '81 500SEL
În 1995 ESP se lansează în producție după opt ani de intense cercetări și perfecționări ale sistemului. După ce faza de concepție a fost validată, întreaga durată de realizare a sistemului poate fi împărțită în trei mari decade. În 1959 Prof. Dr. Fritz Nallinger, inginer șef la Daimler Benz a patentat un sistem de control proiectat pentru a preveni alunecarea roților prin intervenția asupra motorului transmisiei și frânelor. Până atunci senzorii și sistemele de control nu erau capabile de performanțe necesare operației de stabilizare cu frecvența necesară sistemului. Totuși mult timp asemenea dispozitive au rămas doar o teorie.
1971 – 1986
Fundamentele ESP au fost realizate de Mercedes Benz între anii ’70, ’80 când compania a dezvoltat sistemul de antiblocare a frânelor (ABS, "Antiblockiersystem"). Bazat pe tehnologia ABS-ului, Mercedes-Benz a dezvoltat Acceleration Skid Control –ASR (controlul alunecării la accelerare, "Antischlupfregelung") ASR intervine atât în sistemul de frânare cât și asupra motorului în reglând forța la roată în funcție de suprafața drumului. Acest sistem nu acționează numai în timpul frânării ca sistemul ABS, ci și în timpul accelerării. ASR a debutat pentru prima dată în 1981 pe Mercedes W-126 S class. În 1985 ASR a fost urmat de sistemul ASD-Automatic Locking Diferential și de inovativul 4Mation un sistem care monitorizează tot timpul cele patru roți. Inginerii de la Mercedes au o nouă țintă, să dezvolte o nouă siguranță activă în toate situațiile: în viraje, manevre evazive sau alte manevre ale autovehiculului care ar afecta dinamica laterală a automobilului și să inducă un risc mare de derapaj.
1987
ABS + (ASR + ASD) = ESP
Urmărind vastele simulări realizate cu ajutorul computerului și a cercetărilor preliminare, în 1987 are loc prima testare a unor vehicule echipate cu așa-numitul Transverse Slip Control System. Acest sistem identifica momentul de alunecare al vehiculului și îl va corecta prin intervenții asupra șasiului, motorului și transmisiei.
1992
După succesul simulărilor dezvoltate de un înalt standard de producție începute în 1992, mai mult de 40 de ingineri de la Mercedes-Benz AG și Robert Bosch GmbH au luat parte la acest proiect de bază. Împreună inventatorii de la Mercedes-Benz AG și Robert Bosch GmbH au exploatat milioane în timpul experimentelor și de asemenea și alte resurse.
Figura nr. 1.5 – Modul de operare al ESP
Figura nr. 1.6 – Prima generație de ABS de la Bosch
1994-1996
În primăvara lui 1995 prima generație de sisteme ESP, intră în producție la Mercedes-Benz/Stuttgart în S 600 coupe. În 1996 sitemul RAM a fost crescut de la 48 de kilobytes la 56 de kilobytes.
1997-2000
În 1997 a doua generație de sisteme ESP a fost introdusă în producție. Pentru o dezvoltare rapidă a presiunii de frânare sistemul de asistență al frânării Brake Assist System (BAS, "Bremsassistent") este acum utilizat. Acest lucru face posibilă renunțarea la pompa de presurizare și la pistonul de încărcare micșorând greutatea cu mai mult de 50%. Cea de-a treia generație de sisteme ESP, cu nume de proiect MK20, a fost introdusă în producție în Mai 2000 la noile Mercedes-Benz C-class.
1.3 Sisteme de frânare antiblocare ABS
Figura nr. 1.7
Automobilele moderne sunt echipate cu sisteme de frânare performante și fiabile, capabile să atingă excelente valori de frânare chiar și la viteze ridicate. Totuși, chiar și cele mai sofisticate sisteme de frânare nu sunt în măsură să evite reacțiile necontrolate și o frânare excesivă din partea conducătorului mașinii, confruntat cu condiții de circulație critice sau cu o situație neașteptată. Specialiștii au estimat că 10 % dintre accidentele de pe drumurile publice au fost produse datorită faptului că vehiculele devin necontrolabile și derapează ca urmare a blocării roților. Sistemul anti-blocaj (ABS) permite remedierea acestei probleme. Vehiculele echipate cu acest dispozitiv își conservă maniabilitatea și stabilitatea direcțională, chiar și în cazul frânarii violente. Sistemul ABS contribuie într-o masură importantă la siguranța rutieră. La ora actuală cumpărătorii de automobile consideră sistemul ABS ca fiind cea mai importantă opțiune (60% din preferințe), devansând airbag-ul (53%) și direcția asistată (51%).
Sistemele de frânare, pe lângă o serie de condiții generale pe care trebuie să le îndeplinească (anumite decelerații impuse, frânare progresivă, fără șocuri, efort minim de acționare, fiabilitate ridicată, intrarea rapidă în funcțiune, construcție simplă și ieftină), trebuie să împiedice blocarea roților sau să mențină alunecare între anumite limite.
Figura nr. 1.8 – Testarea sistemelor de frânare
Realizarea funcțiilor de mai sus este legată de importanța care se acordă asigurării stabilității în timpul rulării. În aceeași măsură se urmărește minimizarea distanței de frânare și reducerea uzurii excesive a pneurilor.
În cazul blocării roților la frânarea automobilului pot să apară următoarele neajunsuri: pierderea stabilității la blocarea roților punții spate; pierderea controlului direcției când se blochează roțile din față; creșterea spațiului de frânare, deoarece coeficientul de aderență la alunecarea roții este mai redus decât cazul în care roata se rotește. Pentru a mări eficacitatea frânării și a îmbunătăți stabilitatea și maniabilitatea autovehiculelor se folosesc sisteme de control automat al frânării prin care se evită blocarea roților indiferent de momentul de frânare aplicat și de coeficientul de aderență.
Sistemul ABS trebuie să mențină alunecarea roții în domeniul stabil pentru a utiliza coeficientul de frecare optim. În cazul în care roata se blochează alunecarea tinde la 100% din domeniul instabil, iar distanța de frânare crește datorită unei forțe de frecare mai mici.
Figura nr. 1.9 – Modul ABS 8 pentru automobile
La frânarea unui vehicul, centru de greutate se deplasează spre puntea din față, acestea nu preiau sarcini egale mai ales la frânări în curbă. Din acest motiv anvelopele din punte spate pot pierde aderența mult mai ușor decât cele de pe puntea din față. Dacă roțile din spate derapează direcția în care se mișcă automobilul nu mai poate fi controlată prin sistemul de direcție.
Sistemul de control automat permite reglarea frânării în următoarele limite:
a. la frânare sub limita de aderență a drumului, sistemul de control automat nu intervine, momentul de frânare menținându-se la valoarea maximă comandată de conducătorul auto.
b. în cazul frânării la limita de aderență a drumului, sistemul de control automat sesizează tendința de blocare a roții frânate și comandă menținerea sau scăderea presiunii în sistemul de frânare astfel încât să fie utilizată aderența maximă a drumului. La apariția tendinței de blocare a roții sistemul de control automat comandă izolarea cilindrului de frână corespunzător, de restul sistemului de frânare. În funcție de accentuarea sau dispariția tendinței de blocare a roților se comandă reducerea sau creșterea presiunii în cilindrul de frânare, executându-se astfel o succesiune de cicluri de frânare-defrânare ce vor menține roata în zona optimă de aderență.
c. o frânare combinată are loc la parcurgerea zonelor cu aderență diferită, sistemul de control automat asigurând prevenirea blocării roților, pe porțiunile cu aderență scăzută, și frânare maximă, pe porțiunile cu aderență ridicată. De asemenea sistemul de control automat acționează eficace și în cazul în care o parte a automobilului se află cu roțile pe porțiuni de drum cu coeficienți de frecare diferiți.
Figura nr. 1.10 – Componentele sistemului de frânare cu ABS de pe automobile
1 – unitatea de control electro-hidraulică; 2 – senzori de turație montați pe roțile automobilului
Figura nr. 1.11 – Circuitul hidraulic al unui sistem de frânare prevăzut cu ABS generația 8 de la Bosch
1 – pompă centrală; 2 – cilindrul de frânare; 3 – modul hidraulic; 4 – supape de admisie; 5 – supape de evacuare; 6 – pompă de retur; 7 – acumulator hidraulic; 8 – electro-motor; SS – stânga spate; DF – dreapta față; SF – stânga față; DS – dreapta spate
Cele două pompe de retur (6) sunt acționate de un singur motor electric (8). Rolul acestor pompe este de a evacua rapid lichidul de frână din cilindrii de frânare (2) înapoi în pompa centrală (1). Pentru a preveni ca presiunea în cilindrii de frânare să depășească presiunea din pompa centrală supapele de admisie (4) sunt prevăzute cu supape de sens.
Dacă sistemul ABS este inactiv, atunci sistemul de frânare se comportă ca un sistem de frânare obișnuit, menținând presiunea din cilindrii receptori în timpul apăsării pedalei de frână. În acest fel doar circuitul prima (pompă centrală – supapă admisie – cilindru de frânare) este activ, supapele de refulare (5) fiind închise. Dacă ABS-ul se activează, atunci scăderea presiunii pe cilindrii receptori, de frână, este realizată de implicarea componentelor circuitului secundar (cilindru de frânare – supapă de refulare – acumulator – pompă centrală).
Avantajele ABS:
împiedică blocarea roților, folosind astfel la maxim aderența la sol;
utilizarea maximă a aderenței între roți și carosabil și astfel scurtarea distanța de frânare;
crește stabilitatea vehiculului, acesta rămânând manevrabil și putând vira chiar și la o frânare totală;
mai bună distribuție a forței de frânare între axele față-spate;
auto-verificare și monitorizare chiar când sistemul nu este activ;
sistem fără întreținere și fără componente de uzură, fiabilitate deosebită garantată de milioanele de sisteme Bosch instalate pe autovehicule;
funcționare independentă față de celelalte componente ale autoturismului și de starea acestora.
Frână și evitarea unui obstacol:
Fără ABS:
1. Șoferul recunoaște pericolul și frânează
2. Șoferul încearcă să vireze pentru a evita mașina care staționează
3. Mașina nu reacționează la rotirea volanului și rămâne pe traiectoria inițială
Figura nr. 1.12
Cu ABS:
1. Șoferul recunoaște pericolul și frânează
2. Șoferul încearcă să vireze pentru a evita mașina care staționează
3. Mașina virează și reușește să oprească, evitând accidentul
Figura nr. 1.13
Frână pe carosabil parțial acoperit cu gheață, zăpadă, apă, ulei sau frunze uscate:
Fără ABS:
1. Șoferul frânează și roțile de pe partea dreaptă se blochează
2. Șoferul încearcă să evite deraparea
3. Mașina nu reacționează la rotirea volanului și derapează
Figura nr. 1.14
Cu ABS:
1. Șoferul frânează și ABS-ul recunoaște tendința roților din dreapta de a se bloca
2. ABS-ul împiedică blocarea roților
3. Mașina rămâne pe bandă și oprește în siguranță
CAPITOLUL II
SCOPUL SISTEMELOR DE FRÂNARE
CONDIȚIILE SISTEMULUI DE FRÂNARE
Frânarea constă în consumarea energiei cinetice (prin frecare), acumulată de autovehicul, ceea ce se realizează cu ajutorul discurilor și a plăcuțelor de frână și a unor forțe (presiuni) acționând asupra lor cu ajutorul unor actuatori hidraulici (figura nr. 2.1).
Figura nr. 2.1
Sistemul de frânare are rolul de a reduce viteza autovehiculului total sau parțial, de imobilizare a autovehiculului staționat sau de asigurare a unei viteze constante la coborârea unei pante.
Încetinirea sau oprirea roților este obținută prin frecarea între un element fix, conectat într-un fel sau altul cu caroseria sau șasiul vehiculului (plăcuțe de frână sau saboți) și un element solidar cu roțile în mișcare (discuri de frână, tamburi).
Sistemul de frânare trebuie să transforme energia cinetică în energie calorică și să evacueze cât mai rapid această căldură.
De aici rezultă că elementele sistemului de frânare între care există frecare trebuie să aibă o bună rezistență la temperatură înaltă și o bună conductibilitate termică.
Sistemele de frânare actuale sunt capabile să obțină decelerații de 6 …6,5 m/s² pentru autoturisme și de 6 m/s² pentru camioane. Efectul este maxim când roțile sunt frânate până la limita de blocare.
Sistemul de frânare trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
să asigure o frânare sigură;
să asigure imobilizarea autovehiculului în pantă;
să fie capabil de anumite decelerații impuse;
frânarea să fie progresivă, fără șocuri;
să nu necesite din partea conducătorului un efort prea mare;
efortul aplicat la mecanismul de acționare al sistemului de frânare să fie proporțional cu decelerația, pentru a permite conducatorului să obțină intensitatea dorită a frânării;
forța de frânare să acționeze în ambele sensuri de mișcare ale automobilului;
frânarea să nu se facă decât la intervenția conducătorului;
să asigure evacuarea căldurii ce ia naștere în timpul frânării,
să se regleze ușor sau chiar în mod automat;
să aibă o construcție simplă și ușor de întreținut.
Figura nr. 2.2 – Ansamblu disc frână
Sistemul de frânare are rolul:
– de a reduce viteza automobilului până la o valoare dorită sau chiar până la oprirea lui;
– de a imobiliza automobilul în staționare, pe un drum orizontal sau în pantă;
– de a menține constantă viteza automobilului în cazul coborârii unor pante lungi.
Frânele sunt mai eficiente cu cât distanța până la oprire este cât mai mică.
Sistemul de frânare perminte realizarea unor decelerații maxime de 6-6.5 m/s2 -pentru autoturisme și de 6m/s2 – pentru autocamioane.
Parametrii capacității de frânare ai automobilului sunt valoarea decelerației maxime și spațiul de frânare minim în funcție de viteză și de valoarea coeficientului de aderență.
Cerințele de securitate impun condiția ca la proietarea automobilelor, sistemul principal de frânare să permită realizarea unei decelerații maxime de 6-6.5 m/s2 pentru autoturisme și de 6 m/s2 pentru autocamioane și autobuze.
Deceleratia recmandată pentru frânarea de siguranță trebuie să fie egală cu cel puțin 30% din decelerația frânei principale. În practică decelerațiile care se realizează cu frâna de siguranță sunt egale cu jumătate din valoarea decelerației frânei principale (2-3m/s2). La proiectare, valorile decelerației pentru frânele de sigranță, se recomandă să fie cuprinse între 3-3.5 m/s2.
Stabilitatea automobilului la frânare depinde de uniformitatea distribuției fortelor de frânare la roțile din partea dreaptă și din partea stângă, de stabilitatea momentului de frânare în cazul unor variații posibile de coeficientul de frânare (de obicei între limitele 0.28-0.30) și de tendința frânelor spre autoblocare.
Cele mai importante cerințe privind timpul de răspuns al sistemului de frânare sunt: defazajul maxim admisibil între intrarea în funcționare a frânelor aceleiași punți (să fie cuprins între limitele 0.05…0.1 s); întârzierea maximă a intrării în funcționare a frânelor celei mai defavorizate punți a automobilului, din punct de vedere al distanței frânelor față de elementul de comandă (trebuie să fie de 0.15…0.35.s); întârzierea maximă a intrării în funcțiune a frânelor celei mai defavorizate punți din componența unui autotren (să nu depășească 0.6 s).
Pentru ca frânele să nu aibă o influență dăunătoare atât asupra pasagerilor cât și asupra încărcăturii, trebuie ca forțele de frânare să crească lin, iar între efortul aplicat de conducător pe pedala de frână si acțiunea de frânare să existe o corelație pe cât posibilă liniară.
Repartizarea ideală a forțelor de frânare pe punțile automobilului are loc atunci când raportul dintre forța de frânare și sarcina pe punte este aceeași indiferent de decelerație sau coeficient de aderență.
Datorită folosirii frecvente a sistemului de frânare (aproximativ 2…3 frânări pe km, într-un oraș având o circulație cu intensitate medie), efortul necesar acționării pedalei trebuie să fie cuprins între anumite limite. Un efort prea mare duce la obosirea rapidă a conducătorului, la mărirea timpului de reacție și în final la obținerea unor decelerații mai reduse.
În mod practic se admite ca la frânarea cu eficiență maximă admisă, eforturile la pedală să nu dapășească: 70 daN la autoturisme și autobuze la o cursă maximă a pedalei de 180 mm; 50 daN la autoturisme pentru o cursă maximă a pedalei de 150 mm; 40 daN la levierele de mână, la o cursă maximă de 300 mm.
În multe țări se alege la proiectare un efort de 4.5 daN la pedala de frână pentru fiecare 1 m/s decelerație la frânare. În cazul utilizării servomecanismelor, cursa maximă a pedalei de frână nu depășește de obicei 40…50 mm, ceea ce ușurează mult conducerea automobilului.
Îndeplinirea condițiilor impuse la efortul la pedală și cursa acesteia se obține prin alegerea corespunzătoare a raportului de transmitere de sistemul de frânare, printr-o rigiditate suficientă și un randament ridicat al mecanismului de acționare.
Regimul termic al frânelor, în cazul unor utilizări normale, nu trebuie să ducă la temperaturi mai mari de 300˚C, pentru a asigura pe cât posibil constanța coeficientului de frecare.
Datorită rolului important pe care îl au sistemele de frânare în asigurarea securității circulației, se impune ca aceasta să aibă o fiabilitate apropiată de 100%.
Fiabilitatea ridicată a sistemului de frânare se obține prin instalarea pe automobil a două sau trei sisteme de frânare, care să fie acționate independent ununl față de altul, sau care să aibă mecanisme de acționare independente pe același sistem de frânare propriu-zis.
Mărirea jocului dintre garniturile de fricțiune și tambur sau disc, are o influență mare asupra stabilității frânării. Cu cât acest joc este mai mare, cu atât momentele de frânare sunt mai reduse. În scopul reducerii cheltuielilor de intreținere datorită unor reglări frecvente a jocurilor, este recomandabilă utilizarea unor dispozitive de reglare automată a jocului. La proiectarea unui automobil este indicat ca panta în cazul unei staționări de lungă durată să fie mai mică de 30% pentru a putea folosi frâna de staționare si ca frână de siguranță. Verificările practice ale calităților frânelor de staționare ale automobilelor și autotrenurilor cu destinație generală să se facă pe pante de 18% și respectiv 12%.
Pentru a nu fi posibilă acționarea concomitentă a pedalei de frână si a pedalei de accelerație, trebuie ca între ele să existe o distanță de cel puțin 80 mm. De asemenea, tot din acest motiv, este indicat ca pedala de frână sa se afle cel puțin la același nivel dacă nu cu 50 mm mai sus decât pedala de accelerație. Lățimea pedalei de frână trebuie să fie de cel puțin 70 mm, iar cursa maximă să nu depășească 180-200 mm. În același timp distanța față de podea nu trebuie să depășească 200 mm.
Funcționarea silențioasă se asigură prin măsuri constructive care împiedică vibrațiile tamburului (discului), ale saboților și ale altor organe ale sistemului de frânare. Lipirea garniturilor de fricțiune pe saboți (în loc de nituire) diminuează de asemenea scârțâitul de frânare, deoarece garnirurile aderă mai etanș și nu pot vibra.
Calitățile sistemului de frânare – eficacitatea, stabilitatea, fidelitatea, confortul.
Eficacitate: în timp și pe o distanță maximă.
Stabilitate: cu păstrarea traiectoriei vehiculului.
Progresivitate: cu o frânare proporțională efortului conducătorului.
Confort: cu un efort minim pentru conducător.
Sistemul de frânare convențional
Conform cu dispozițiile legale, funcționarea echipamentului de frânare pe un autovehicul este repartizată în două dispozitive :
– dispozitivul de frânare principal,
– dispozitivul de frânare de securitate.
Aceste două dispozitive comportă comenzi în întregime independente și ușor accesibile. Ele sunt completate de un sistem de frânare în staționare.
Compunerea
Figura nr. 2.3
1: Pedala de frână : Transmite forța de apăsare a șoferului către cilindrul principal.
2: Servofrâna cu depresiune: Utilizează o sursă de energie exterioară (depresiunea din admisie) pentru a mări forța de apăsare a conducătorului.
3: Pompă centrală tip tandem: Generează și distribuie frânei lichidul atunci când conducătorul apasă pedala de frână.
4: Rezervorul de lichid de frână: Stochează lichidul de frână.
5: Frâna cu disc (față) : Transformă energia cinetică în energie calorică.
6: Repartitorul forței de frânare: Evită blocarea roților spate modificând presiunea din cilindrii receptori.
7: Frâna cu tambur (spate): Transformă energia cinetică în energie calorică.
Conductele și lichidul de frână: Transmit presiunea (forța) din cilindrul principal în cilindrii receptori.
Eficacitatea sistemului de frânare asigură punerea în valoare a performanțelor de viteză ale automobilului, deoarece de el depinde siguranța circulației la viteze mari.
Stabilitatea care constituie calitatea automobilului de menținere a traiectoriei în procesul frânării, depinde de tipul frânelor, natura și starea căii de rulare.
Fidelitatea este calitatea frânelor de a obține decelerații identice la toate roțile, pentru un efort de acționare determinat.
Confortul este calitatea care contribuie la creșterea securității circulației rutiere (progresivitatea fânării, eforturi reduse la pedală, absența zgomotelor și vibrațiilor).
Sistemul de frânare trebuie să asigure decelerarea maximă a automobilului, permisă de aderență, cu condiția ca automobilul să rămână manevrabil, adică sistemul de direcție să poată realiza traiectoria comandată.
Conform legii circulației pe drumurile publice, autoturismele trebuiesc echipate cu două sisteme de frânare independente:
-sistemul de frânare de serviciu, care trebuie să acționeze pe toate roțile;
-sistemul de frânare de staționare, care trebuie să asigure frânarea sigură a automobilului staționat pe panta maximă.
Figura nr. 2.4 – Sistemul de frânare al unui autovehicul
1 – discul de frână; 7 – pedala de frână;
2 – etrier; 8 – tijă;
3 – senzori de turație ; 9 – relee;
4 – conducte de frână; 10 – disc protecție;
5 – unitate hidraulică; 11 – disc;
6 – lampă defecțiune ABS; 12 – butuc.
Efectul frânării este maxim când roțile sunt frânate până la limita de blocare.
Figura nr. 2.5 – Schema sistemului de frânare
Condiții impuse sistemului de frânare:
să asigure o frânare sigură;
să asigure imobilizarea automobilului în pantă;
să fie capabil de anumite decelerații impuse;
frânarea să fie progresivă, fără șocuri;
să nu necesite din partea conducătorului un efort prea mare;
efortul aplicat la mecanismul de acționare al sistemului de frânare să fie proporțional cu decelerația, pentru a permite conducătorului să obțină intensitatea dorită a frânării;
forța de frânare să acționeze în ambele sensuri de mișcare ale automobilului;
frânarea să nu se facă decât la intervenția conducătorului;
să asigure evacuarea căldurii care ia naștere în timpul frânării;
să se regleze ușor sau chiar în mod automat.
Compunerea sistemului de frânare
Sistemul de frânare se compune din:
frânele propriu–zise;
mecanismul de acționare a frânelor.
Funcție de utilizarea lor sistemele de frânarea ale autovehiculelor sunt:
frâna de serviciu (principală, de picior) acționează asupra tuturor roților și are rolul de a reduce viteza autovehiculului până la oprire, indiferent de viteza utilizată sau de încărcătura transportată;
frîna de securitate (de siguranță, de avarie, de urgență) are rolul de a suplini frâna de serviciu în cazul defectării acesteia, iar acționarea sa trebuie să permită oprirea vehiculului fără rodocarea mâinilor de de volan;
frâna de staționare are rolul de a menține autovehicului imobilizat temporar în absența conducătorului. Frâna de staționare trebuie să aibă comandă proprie, indepdendentă de cea a frânei de serviciu;
Sistemul auxiliar de frânare este oo frână suplimentară având același rol ca și frâna de serviciu și se utilizează în caz de necesitate, când efectul ei se cumulează cu cel al frânei de serviciu;
Dispozitivul de încetinire are rolul de a menține constantă viteza autovehiculului, la coborârea pantelor lungi în cazul vehiculelor cu mase mari sau destinate special utilizării în zone cu relief accidentat sau de munte.
Pentru ca autovehiculul să aibă pe timpul frânării o comportare independentă de gradul de încărcare este necesară reglarea forțelor de frânare în funcție de sarcina dinamică pe punte fără a se ajunge la blocarea roților, rol îndeplinit de corectoarele de frânare (limitatoarele, repartizoarele de presiune);
Repartizarea ideală a forțelor de frânare pe punțile autovehiculului are loc atunci când raportul dintre frânare și sarcina pe punte este aceeași indiferent de decelerație sau coeficient de aderență.
Dispozitivele de încetinire (limitatoarele de viteză) sau sistemul suplimentar de frânare, au rolul de a menține constantă viteza automobilului, timp îndelungat, la coborârea pantelor lungi, unde survine încălzirea și uzarea accentuată a frânelor sistemului principal. Prezența dispozitivelor de încetinire sporește securitatea circulației, mărește viteza medie de deplasare a auctovehiculului, micșorează uzura anvelopelor, a motorului și menține sistemul principal de frânare gata de acționare.
Dispozitivele mecanice de încetinire se aseamănă cu frânele sistemului principal (de serviciu). Dispozitivele pneumatice de încetinire se bazează pe utilizarea morotului pentru realizarea momentului de frânarea (obturarea evacuării morotului, schimbarea distribuției motorului în momentul frânării etc.).
Dispozitivele electromagnetice de încetinire realizează efectul de decelerare prin acțiunea unui câmp electromagnetic asupra unui disc rotitor legat cinematic de elemente mobile ale transmisiei autovehiculului.
Sistemul ABS este componenta destinată să prevină blocarea roților la frânare, contribuind la îmbunătățirea capacității și intensității de frânare a vehiculului (permite șoferului să păstreze controlul direcției și reduce spațiul de frânare). Sistemul ABS intervine în momentul frânării puternice pentru a preveni oprirea bruscă a roților de rostogolire. Blocarea roților pe un drum alunecos determină deraparea autovehiculului fără a mai fi menținut pe traiectoria de mers normal. Senzorii ABS constată riscul de blocare și transmit un semnal către unitatea de comandă care va reduce pentru câteva milisecunde presiunea în instalația de frânare permițând rotația roții.
Odată activată elementul ABS face ca pedala de frână apăsată la podea să pulseze. Simțind acest efect unii conducători de vehicule reduc torța de apăsare asupra pedalei de frână și astfel în locul opririi eficiente măresc spațiul de frânare și riscul de accident.
Stabilitatea automobilului la frânare depinde de uniformitatea distribuției forțelor de frânare la roțile din stânga și din dreapta, de stabilitatea forțelor momentului de frânare în cazul unor variații posibile ale coeficientului de frecare (de obicei între 0,28-0,30) și de tendința frânelor spre autoblocare. Dacă momentul de frânare nu se abate de la valoarea de calcul mai mult de 10-15% atunci stabilitatea sistemului de frânare poate fi menținuta ușor cu ajutorul volanului.
Conservarea calităților de frânare a automobilului se obține dacă forțele de frânare realizate de frânele propriu-zise la un efort dat, aplicat elementului de comandă, se mențin constante în toate condițiile de lucru întîlnite în exploatare. În cazul frânelor cu fricțiune, conservarea depinde în primul rând de constanța coeficientului de frecare al garniturilor de fricțiune.
Trebuie arătat ca garniturile de fricțiune actuale (cu deosebirea celor metalo-ceramice) au un coeficient de frecare care variază cu temperatura și starea lor. Regimul termic al frânelor în cazul unor utilizări normale nu trebuie să ducă la temperaturi mai mari de 300°C, pentru a asigura pe cât posibil constant coeficientul de frecare. Pentru realizarea acestui regim termic frânele trebuie să asigure evacuarea energiei calorice ce se produce în timpul procesului de frânare.
Funcționarea silențioasă se asigură prin luarea unor măsuri constructive care împiedică producerea de vibrații datorită mișcării tamburilor sau a discurilor precum și a saboților sau a plăcuțelor de frână, sau datorate altor organe ale sistemului de frânare. Pentru aceasta, mai înainte de toate aceste organe trebuie să fie suficient de rigide. Zgomotele la frânare pot să apară și dacă pe suprafața garniturilor de fricțiune se formează un strat de noroi presat de aceea este necesar ca garniturile să fie protejate împotriva impurităților. Această protecție se realizează în majoritatea cazurilor prin practicarea unor mici canale în care se adună impuritățile prevenind astfel formarea stratului de impurități pe garniturile de fricțiune. Lipirea garniturilor de fricțiune pe saboți diminuează de asemenea zgomotele la frânare, deoarece garniturile aderă pe o suprafață mult mai mare la saboți și nu mai pot vibra.
CAPITOLUL III
REGIMURI DE FRÂNARE
Rezistența la înaintarea automobilului variază mult în funcție de condițiile de deplasare și corespunzător acestora, trebuie modificată și forța de tracțiune. Din această cauză, autovehiculele trebuie înzestrate cu o cutie de viteze care să aibă următoarele caracteristici:
să permită modificarea forței de tracțiune în funcție de variația rezistențelor la înaintare;
să permită deplasarea automobilului cu viteze reduse ce nu pot fi asigurate de motoarele cu ardere internă, care au turații minime stabile relativ mari (mai ales M.A.S.-urile);
să permită mersul înapoi al automobilului fără a inversa sensul de rotație al motorului;
să realizeze întreruperea îndelungată a legăturii dintre motor și restul transmisiei în cazul în care automobilul este oprit, cu motorul în funcțiune;
Cutiile de viteze trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
să asigure automobilului cele mai bune calități dinamice și economice la o caracteristică exterioară dată a motorului;
acționare simplă și comodă;
funcționare silențioasă;
construcție simplă;
randament ridicat;
siguranță în funcționare;
fiabilitate ridicată;
gabarit redus;
întreținere ușoară.
Părțile componente ale unei cutii de viteze cu variație în trepte sunt:
mecanismul reductor (cutia de viteze propriu-zisă);
sistemul de acționare;
dispozitivul de fixare a treptelor;
dispozitivul de zăvorâre a treptelor;
Mecanismul reductor constituie partea principală a cutiei de viteze și servește la modificarea raportului de transmitere, respectiv a momentului motor, funcție de variația rezistențelor la înaintare ale automobilului.
Mecanismul reductor se compune din doi sau trei arbori (funcție de necesitatea obținerii fluxului de putere pe aceiași parte sau pe partea opusă intrării în cutia de viteze), pe care se află montate perechi de roți dințate, cu ajutorul cărora se transmite mișcarea între arbori, și dintr-un carter, cu rol de menținere în angrenare a roților dințate și decreare a unui compartiment etanș cu rol de protecție și baie de ungere.
Sistemul de acționare servește la cuplarea și decuplarea treptelor la comanda conducătorului auto.
Dispozitivul de fixare nu permite trecerea dintr-o treaptă în altă treaptă sau în poziția neutră (decuplat) decât la intervenția conducătorului auto.
Sistemul de zăvorâre (blocare) nu permite cuplarea simultană a mai multor trepte, înlăturând pericolul blocării și/sau avarierii cutiei de viteze.
Cutiile de viteze pentru autoturisme se construiesc cu trei, patru sau cinci trepte de viteză. Dat fiind tendințele soluțiilor similare, deja apărute pe piață, se adoptă o cutie de viteze cu cinci trepte sincronizate.
Figura nr. 3.1
a. Regim de generator:
– indepdendent: energia electrică este consumată în rezistențe. Frânare reostatică sau dinamică.
– cuplat la sursă: energia electrică este recuperată. Frână de recuperare.
b. Regim de motor:
– energia electrică consumată va determina mișcorarea energiei cinetice a utilajului. Frânare prin contra-conectare.
3.1 Frânare cu recuperare
Până acum, frânarea însemna pierdere de energie. Sistemul de recuperare a energiei la frânare schimbă acest lucru: atunci când este acționată frâna, energia este recuperată și bateria este încărcată. Acest lucru reduce presiunea de pe motor, reduce emisiile și economisește combustibil. Generarea de energie electrică avută în vedere are și un alt avantaj. La accelerarea completă, motorul are și forța de propulsie la dispoziția sa, care altfel ar fi canalizată spre încărcarea bateriei în sistemele convenționale. Rezultatul este o creștere nu numai a eficienței costurilor, ci și a plăcerii de a conduce.
Energia este cheltuită în diferite moduri. O parte din ea este pierdută definitiv, de exemplu, cea pierdută din cauza frecărilor interne din motor, din fluxul conducător, iar o parte se pierde prin frânare. Energia cinetică poate fi recuperată dacă există o soluție care poate face recuperarea. Autocamioanele și autobuzele folosesc frecările motorului, frânarile roților și dispozitivele de frânare – întârziere pentru a învinge energia cinetică liberă născută în vehicul prin lucrul mecanic al motorului. Astfel de sisteme descarcă energia cinetică liberă în afară sub forma de căldură, și /sau presiune și zgomot – ce niciodată nu vor fi recuperate.
În prezent, principalele cerințe impuse sistemelor de propulsie pentru autovehicule sunt legate de reducerea emisiilor care contribuie la încălzirea globală și utilizarea altor resurse energetice decât cele petroliere, deoarece acestea sunt limitate, iar necesarul de consum este în continuă creștere.
Preocupările principale, legate direct de sistemele de recuperare a energiei cinetice la frânare, au pornit de la necesitatea economisirii combustibililor folosiți la alimentarea autovehiculelor.
Ulterior problemele importante în atenția cercetatorilor au devenit:
• Recuperarea energiei de frânare în tandem cu conservarea sistemului de frânare existent, printr-o nouă tehnologie;
• Fundamentarea teoretico-experimentală pentru alternativa hidraulică sau electrică de recuperare a energiei cinetice în faza de frânare.
Pentru a rezolva problematica resurselor limitate și a poluării, s-au dezvoltat o serie de soluții tehnice care înseamnă schimbări radicale ale sistemelor de propulsie. Pilele de combustibil utilizează hidrogenul și emit doar vapori de apă. Biocombustibilii utilizează ca materie primă plantele. Autovehiculele electrice utilizează baterii reîncărcabile, iar soluțiile hibride se bazează pe o combinație a motorului convențional cu o sursă alternativă (de exemplu electrică sau hidraulică).
Sistemele hidraulice aplicate la autovehicule au arătat ca este o soluție destul de fiabilă. Economia de combustibil obținută este de 70% și reducerea de CO2 de 40%. Iar tehnologia unică de recuperare a energiei întimpul frânarii reduce uzura frânelor cu 75% reducând costurile de mentenanță.
Într-un ciclu de lucru al autovehiculului, format dintr-o perioadă de accelerare, una de rulare cu viteză constantă și una de decelerare, se constată că puterea necesară, în prima fază, este mult mai mare decât cea necesară rulării cu viteză constantă. Se admite ipoteza că, în faza de frânare, motorul termic funcționează la turația de mers încet în gol. Prin frânarea automobilului, energia cinetică dobândită prin accelerare se transformă în energie calorică în sistemul de frânare și se pierde ireversibil. Se pune problema dacă, în faza de frânare, energia cinetică a automobilului nu s-ar putea recupera și stoca în acumulatoare de energie. Datorită faptului că energia poate fi extrasa din aceste acumulatoare și utilizată din nou, se spune că avem de-a face cu sisteme „regenerative” de recuperare.
Figura nr. 3.2
Dacă UE > UA iA → iF
Frânarea cu recuperare are loc la viteză mai mare decât viteza ideala de mers în gol.
Rețaua (sursa de alimentare a mașinii) trebuie să primească această energie electrică.
Ecuațiile în regim staționar sunt:
Figura nr. 3.3 – Mașina cu excitație derivație
Viteza ideală de mers în gol se poate modifica prin metode cunoscute:
modificarea tensiunii sursei;
modificarea fluxului.
Figura nr. 3.4
Viteza în regim de frânare se poate modifica și prin rezistențe înseriate în circuitul rotoric.
Figura nr. 3.5 – Mașina cu excitație mixtă
Figura nr. 3.6 – Mașina cu excitație mixtă
Fluxul se poate anula, turația crește foarte mult, cuplul de frânare este mic. În acest regim nu pot lucra mașinile cu excitație mixtă, excitația serie se deconectează sau se scurtcircuitează.
La mașina cu excitație serie se modifică schema de conexiune a mașinii din regim de motor.
Figura nr. 3.7 – Mașina cu excitație serie
În timpul modificării schemei mașina nu dezvoltă cuplu și se folosește la viteze mari.
Figura nr. 3.8 – Mașina cu excitație serie
În prezent, preocuparea constructorilor de autovehicule pentru reducerea consumului de combustibil și reducerea emisiilor poluante s-a materializat în dezvoltarea de vehicule puțin poluante și cu consum redus de combustibil. Din categoria acestora, pe lângă cele care utilizează gazul natural lichefiat, metanolul sau energia electrică drept surse de energie, fac parte și vehiculele hibride.
Spre deosebire de autovehiculul hibrid-electric care utilizează baterii potențial poluante și grele (densitate de energie redusă), autovehiculul hibrid hidraulic utilizează materiale ușoare și lichide ecologice pentru a propulsa autovehiculul la turații reduse. Deși autovehiculele hibrid-electrice au dovedit că pot reduce la jumătate consumul utilizând energia de frânare, totuși este utilizată numai 30% din energia de frânare.
Aceste condiții au stat la baza motivației cercetărilor Agenției de Mediu a SUA pentru sistemul de propulsie hibrid-hidraulic, care utilizează pentru stocarea energiei un sistem hidraulic. În momentul frânării, roțile antrenează o pompă care comprimă azotul, un gaz ieftin și inert. În momentul accelerării, gazul comprimat antrenează în condiții reversibile pompa, sprijinind propulsia autovehiculului.
Autovehiculele hibride, incluzând cele pe benzină, dar care sunt prevăzute și cu un dinam/motor electric și acumulator, dar și cele pe motorină au devenit noile ținte ale consumatorilor americani cu destul de mult timp în urmă, acum atrăgând atenția și celor din Europa cât și din întreaga lume.
Figura nr. 3.9 – Tipuri de sisteme de stocare a energiei recuperate
Figura nr. 3.10 – Sisteme de acționare pe baza energiei stocate
Datorită posibilității de stocare a energiei există trei modalități de utilizare a acesteia pe automobil:
1. Funcționarea motorului cu ardere internă la regimul cel mai economic;
2. Întreruperea funcționării motorului termic atunci când nu este necesară energia furnizată de acesta (la stop, atunci când ar trebui să funcționeze la sarcini foarte mici sau la coborârea unor pante lungi);
3. Stocarea și reutilizarea energiei de frânare prin utilizarea unei mașini electrice reversibile (motor/generator).
În funcție de modalitatea de transmitere a puterii la roțile automobilului se pot identifica două familii de transmisii hibride – HEV (Hybrid Electric Vehicle), Figura nr. 1.4:
Transmisii hibride la care motorul termic este asistat de o mașină electrică;
Transmisii hibride la care punțile sunt acționate de către un motor electric alimentat de un generator electric.
Figura nr. 3.11 – Clasificarea transmisiilor hibride
Frânarea regenerativă este un mic, însă foarte important pas către independența de combustibilii fosili. Aceste tipuri de frâne permit bateriilor să fie folosite mai mult timp fără necesitatea încărcării de la o sursă externă. De asemenea ele măresc autonomia.
Figura nr. 3.12 – Frânarea regenerativă
Sistemul de frânare regenerativă profită de toată energia cinetică produsă în momentul frânării și o transformă în energie electrică utilă.
Figura nr. 3.13 – Frânarea regenerativă
Sistemul special de propulsie hibridă beneficiază de avantajele vehiculelor electrice: fără emisii de CO2 pe durata deplasării, de cuplul și performanțele vehiculelor cu motor cu ardere internă și de un nivel foarte redus de zgomot. Iar motorul cu ardere internă este utilizat și ca generator pentru încărcarea acumulatorului de propulsie (un acumulator litiu-ion). Acest nou sistem cu conectare la priză dispune și de un sistem de operare, care selectează modul optim de deplasare cu ajutorul controlului integrat al componentelor EV și a motorului pe benzină, precum și al controlului încărcării electrice optime și a puterii, ținând cont de energia rămasă în acumulator, prin monitorizarea continuă a acumulatorului de propulsie. Sistemul economisește energie și, în același timp, asigură o deplasare confortabilă, sigură și fără griji.
3.2 Frânare dinamică sau reostatică
Circuitul rotoric al mașinii se decuplează de la rețeaua (sursa) de alimentare și la bornele sale se conectează un reostat de frânare.
Frânarea electrică este frânare obținută prin transformarea energiei mecanice înmagazinate în masele unui sistem de acționare electrică (cinetice sau potențiale), în energic electrică. Dacă energia electrică obținută este retrocedată rețelei de alimentare, frânarea electrică este recuperativă. Frânarea electrică recuperativă se realizează atunci când turația motorului de acționare devine mai mare decât turația de mers în gol ideal (la mașina sincronă, când se schimbă semnul unghiului de sarcină). În această situație se schimbă sensul curentului (la mașinile de curent continuu), sau defazajul dintre curent și tensiune (la mașinile de curent alternativ), iar motorul trece în regim de generator care debitează pe rețea. Frânarea electrică recuperativă se aplică atunci când este necesară menținerea constantă a vitezei, de exemplu, în tracțiunea electrică la coborârea pantelor lungi, sau la instalațiile de ridicat cu înălțime marc de ridicare, la coborârea sarcinii (frânarea electrică staționară, frânarea electrică de menținere) și este mai puțin utilizată pentru oprire (frânarea electrică nestaționară, frânarea electrică de oprire).
Frecările din mecanisme și rezistențele de natură mecanică acționează în sensul frânării, astfel că puterea de frânare este, în general mai mare decât puterea de acționare (de exemplu, o locomotivă electrică poate frâna recuperativ, la viteză constantă, pe o anumită pantă, un tren de tonaj mai mare decât cel pe care îl poate remorca cu aceeași viteză pe o rampă de aceeași declivitate, fără supraîncălzirea motoarelor). La acționările de curent continuu alimentate din rețeaua de curent alternativ frânarea recuperativă este realizabilă numai atunci când energia de curent continuu recuperată se poate converti în energie de curent alternativ (de exemplu, cu un invertor), sau dacă pe rețeaua de curent continuu există alte receptoare capabile să absoarbă energia recuperată (cazul tracțiunii electrice cu fir de contact alimentat în curent continuu). Prezintă dezavantajul că este dependentă de rețeaua de alimentare; la avarierea acesteia (de exemplu, la ruperea firului de contact), frânarea nu mai este posibilă.
Frânarea electrică reostatică (dinamică) se face deconectând motorul de acționare de la rețea și conectându-l pe un reostat, pe care debitează energia electrică obținută în procesul de frânare. Motorul de curent continuu trece în regim de generator de curent continuu; motorul asincron, excitat în curent continuu pe două faze trece în regim de generator sincron de frecvență proporțională cu turația: motorul sincron, în generator sincron (frânarea cu generator asincron excitat cu condensatoare se aplică rar). Sursa de curent continuu necesară excitării motorului asincron cu rotor bobinat nu mai este necesară dacă se aplică frânarea electrică dinamică autoexcitată, care constă în redresarea tensiunilor culese la perii și alimentarea a două faze statorice cu tensiunea redresată. Frânarea electrică reostatică, mai puțin economică, dar mai sigură, se utilizează în numeroase acționări electrice (tracțiune electrică, instalații de ridicat etc.).
Dacă frânarea se face prin consumare de energie de la rețea, se numește frânare electrică propriu-zisă (frânare electrică prin conectare inversă, frânare electrică în contracurent) și se obține fie prin inversarea sensului de rotație a motorului, păstrând conexiunile cu rețeaua (cazul mașinilor de ridicat la coborârea sarcinii), fie la același sens de rotație, prin inversarea conexiunilor, ca în cazul motoarelor de tracțiune (la motorul de curent continuu schimbarea polarității tensiunii, fie la indus, fie la inductor; la motorul asincron, inversarea succesiunii fazelor, prin schimbarea a două faze între ele). Frânarea electrică propriu-zisă asigură cupluri mari de frânare, ceea ce permite oprirea rapidă a acționării, dar suprasolicită termic motorul de acționare. În momentul opririi, motorul trebuie deconectat de la rețea, altfel pornește în sens invers.
Toate tipurile de mașini se transformă, prin schimbarea conexiunilor, în generatoare cu excitații separate.
Figura nr. 3.14 – Mașina cu excitație derivație
Ecuațiile în regim staționar sunt:
Energia electrică dată de mașină este transformată în energie termică în mașina și în reostatul de frânare.
Figura nr. 3.15 – Mașina cu excitație derivație
Caracteristicile trec prin originea sistemului de coordonate.
Expresia caracteristicii de frânare:
Valoarea curentului inițial de frânare depinde de:
valoarea inițială a vitezei;
valorea rezistenței de frânare.
Cuplul de frânare se modifică prin schimbarea valorii rezistenței.
Modificarea în trepte a rezistenței de frânare
Figura nr. 3.16
Treptele de rezistență se determină ca la pornire.
IFmax = Ipmax
Figura nr. 3.17 – Mașina cu excitație mixtă
Figura nr. 3.18 – Mașina cu excitație serie
3.3. Frânare prin contraconectare
În cazul schimbării sensului de rotație al rotorului față de câmpul învârtitor din stator, apare frânarea prin contraconectare. Această situație apare fie atunci când mecanismul, antrenând motorul în sensul cuplului rezistent, învinge cuplul motor, fie atunci când se face inversarea a două faze ale statorului.
În cazul frânării în regim de recuperare a energiei, se obține o limitare a vitezei, cu avantajul ca prin introducerea de rezistențe corezpunzătoare în circuitul rotoric se pot obține orice valori ale vitezei de coborare mai mici.
Energia provenită de la sarcină, la fel ca și energia electrică absorbită din rețea se consumă aproape integral prin rezistența circuitului rotoric.
Contraconectarea prin inversarea a două faze statorice se poate utiliza atat la motoarele asincrone în scurtcircuit, cât și la cele cu rotorul bobinat. Rezistențele pentru limitarea curenților mari din timpul frânării se introduce în cazul motoarelor în scurtcircuit în circuitul înfășurărilor statorice.
În cazul acestui tip de contraconectare, se modifică sensul de rotație al câmpului învârtitor, prin inversarea a două faze statorice.
Se inversează sensul curentului prin indus, iar excitația rămâne neschimbată. Schimbările sunt făcute în schema de conexiuni.
Ecuațiile în regim staționar:
Expresia caracteristicii mecanice:
Figura nr. 3.19 – Mașina cu excitație derivație
Curentul inițial de frânare:
Fiegura nr. 3.20 – Mașina cu excitație derivație
Se înseriază cu rotorul reostatul de frânare:
În punctul C mașina trebuie decuplată de la rețea.
Este posibilă modificarea în trepte a rezistenței de frânare
La mașina cu excitație mixtă se scurtcircuitează sau nu se leagă excitația serie. În punctul C mașina trebuie decuplată de la rețea.
Figura nr. 3.21
Ecuațiile în regim staționar:
Figura nr. 3.22 – Mașina cu excitație serie
În punctul C mașina trebuie decuplată de la rețea
Figura nr. 3.23 – Mașina cu excitație serie
3.4 Frânarea la cuplu rezistent constant
Cuplul rezistent de la arborele motorului depinde de mașina de lucru antrenată. Se modifică tensiunea la bornele motorului sau se conectează în serie cu circuitul rotoric al mașinii un reostat reglabil.
La modificarea în trepte ale tensiunii sau rezistenței se produc modificări ale curentulului cuplului în timp, dar cuplul staționar nu se modifică, deci nici valoarea staționară a curentului.
Figura nr. 3.24 – Modificarea în trepte a rezistenței
Figura nr. 3.25 – Modificarea în trepte a tensiunii
Se modifică reostatul reglabil conectat în serie cu circuitul rotoric al mașinii.
Reostatul se modifică între RF1 (contraconectare) și 0.
Figura nr. 3.26 – Mașina cu excitație serie
La mașina cu excitație mixtă se poate modifica și tensiunea de alimentare.
3.5 Cazul frânării integrale
unde:
– g = 9,80 m/s2 – accelerația gravitațională;
– = 25° (0,43 radiani);
– – coeficientul de aderență a drumului;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– v – viteza maximă a autovehiculului;
-;
– k – coeficientul aerodinamic al autovehiculului;
–densitatea aerului;
– Cx – coeficientul aerodinamic al autovehiculului;
– S – aria suprafeței frontale a autovehiculului.
3.6 Cazul frânării numai a roților punții față
unde:
– b – distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea spate;
– hg – înălțimea centrului de greutate al autovehiculului;
– L – ampatamentul autovehiculului.
3.7 Cazul frânării numai a roților punții spate
–
unde:
– a – distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea față;
– hg – înălțimea centrului de greutate al autovehiculului;
– L – ampatamentul autovehiculului.
Aprecierea și compararea capacității de frânare a autoturismului se face cu ajutorul decelerației maxime absolute af sau relative aref ,a timpului de frânare tf și a spațiului de frânare minim sf min în funcție de viteză Acești, parametri pot fi determinați în interval a două viteze, dintre care una poate fi egală cu zero la frânarea totală.
La frânarea cu ambreiajul decuplat, ecuația diferențială este :
unde:
– `-coeficientul de influență al maselor aflate în rotație la frânarea cu motorul decuplat ;
– ma – masa autoturismului;
– Ff – forța de frânare;
– R – suma rezistențelor la înaintarea autoturismului.
Acest parametru se exprimă uneori în procente:
Cunoscând că Ff = Zf și considerând `=1, că viteza la care începe frânarea nu este prea mare și atunci Ra 0,că frânarea se face pe un drum orizontal cu 0 și pe toate roțile (Zf’ Ga), ecuația de mișcare în timpul frânarii devine:
afgf
unde:
-coeficientul aderenței.
Dacă toate roțile sunt blocate, atunci f 0 și relația devine :
af gf sau
de unde :
La frânarea totală (v2=0), rezultă:
Figura nr. 3.27 – Procesul de frânare.
După cum se observă din figura nr. 3.27, procesul de frânare poate fi împărțit în patru etape caracterizate de timpii t1, t2, t3 , t4:
unde:
– t1-timpul de reacție al conducătorului din momentul sesizării
necesității frânării până la începerea cursei utile a pedalei de frână;
– t1` – timpul în care conducătorul percepe apariția obstacolului și ia hotărârea de frânare;
– t1„ – timpul necesar mutării piciorului pe pedala de frână;
– t2 – timpul de răspuns al dispozitivului de frânare (timpul total de intrare în acțiune a dispozitivului de frânare);
– t2`- timpul din momentul apăsării pe pedala de frână și până la începerea acțiunii de frânare;
– t2„- în acest interval decelerația crește de la zero la valoarea maximă;
– t3 – timpul de frânare propriu-zis cu menținerea forței de frânare la o valoare constantă, el reprezentând tfmin din relația;
– t4 – timpul de la slăbirea pedalei până la anulare.
Acest indice nu prezintă importanță mare, parametrul de bază al capacității de frânare fiind spațiul minim de frânare.
Pornind de la relația decelerației și scriind-o sub altă formă rezultă:
Integrând această expresie în intervalul v1:v2 și considerând că = 1, că frânarea se face pe toate roțile (Zf = Gacos) și că Ra și rezultă.
La frânarea totală (V2=0 și f=0) relația devine.
La frânarea cu motorul nedecuplat, decelerația absolută afm este dată de relația:
unde :
– fm -forța de frânare datorată motorului.
Frânarea cu motorul nedecuplat este mai eficace decât cea cu motorul decuplat când afmaf.
De aici rezultă că totdeauna este rațional să se frâneze cu motorul nedecuplat, ci de la caz la caz, de la o anumită viteză.
În practica conducerii autoturismelor este indicat să se folosească întotdeauna frânarea cu motorul nedecuplat deoarece inerția volantului și a celorlalte piese acționează ca un regulator al forței de frânare dezvoltate la roți și menține stabilitatea autoturismului în procesul frânării.
CAPITOLUL IV
CLASIFICAREA SISTEMELOR DE FRÂNARE. COMPONENTE
4.1 Clasificare
Clasificarea sistemelor de frânare se face în primul rând după utilizare în:
sistemul principal de frânare îl întâlnim și sub denumirea de frână principală sau de serviciu. Frâna principală în mod uzual în exploatare poartă numele de frână de picior datorită modului de acționare. Acest sistem de frânare trebuie să permită reducerea vitezei automobiluilui până la valoarea dorită, inclusiv până la oprirea lui, indiferent de viteza și de starea lui de încărcare. Frâna principală trebuie să acționeze asupra tuturor roților automobilului;
sistemul de siguranță de frânare, întâlnit și sub denumirea de frână de avarii sau frână de urgență are rolul de a suplima frâna principală în cazul defectării acesteia. Frâna de siguranță trebuie să fie acționată de conducător fără a lua ambele mâini de pe volan. Siguranța circulației impune existența la automobil a frânei de siguranță fără de care nu este acceptat în circulația rutieră;
sistemul staționar de frânare sau frâna de staționare are rolul de a menține automobilul imobilizat pe o pantă în absența conducătorului un timp nelimitat. Datorită acționării manuale a frânei de staționare i-a dat denumirea de frână de mână. În limbajul curent, frâna de staționare este întâlnită și sub denumirea de frână de parcare sau ajutor. Frâna de staționare trebuie să aibă o comandă proprie, independentă de cea a frânei principale. În foarte multe cazuri frâna de staționare preia și rolul frânei de siguranță;
sistemul auxiliar de frânare este o frână suplimentară având același rol ca și frâna principală, utilizându-se în caz de necesitate când efectul ei se adaugă frânei de siguranță;
sistemul suplimentar de frânare sau dispozitivul de încetinire are rolul de a menține constant viteza automobilului, la coborârea unor pante lungi fără utilizarea îndelungată a frânei. Acest sistem de frânare se utilizează în cazul automobilelor cu mase mari sau destinate special să fie utilizate în regiuni muntoase sau cu relief accidentat. Sistemul suplimentar de frânare contribuie la micșorarea uzurii frânei principale și la sporirea securității circulației.
După locul unde este creat momentul de frânare (de dispunere a frânei propriu–zise), se deosebesc:
frâne pe roți;
frâne pe transmisie.
După forma piesei care se rotește, frânele propriu–zise pot fi:
cu tambur (radiale);
cu disc (axiale);
combinate.
După forma pieselor care produc frânarea se deosebesc:
frâne cu saboți;
frâne cu bandă;
frâne cu discuri.
După tipul mecanismului de acționare frânele pot fi:
cu acționare directă, pentru frânare folosindu-se efortul conducătorului;
cu servoacționare, efortul conducătorului folosindu-se numai pentru comanda unui agent exterior care produce forța necesară frânării;
cu acționare mixtă, pentru frânare folosindu-se atât forța conducătorului, cât și forța dată de un servomecanism.
Sistemele de frânare, după rolul pe care îl au, se clasifică în:
Sistemul principal de frânare
întâlnit și sub denumirea de frână principală sau de serviciu;
se utilizează la reducerea vitezei de deplasare sau la oprirea automobilului; datorită acționării, de obicei prin apăsarea unei pedale cu piciorul, se mai numește și frână de picior.
Sistemul staționar de frânare sau frâna de staționare
are rolul de a menține automobilul imobilizat pe o pantă, în absența conducătorului, un timp nelimitat sau suplinește sistemul principal în cazul defectării acestuia;
datorita acționării manuale, se mai numește și frână de mână;
frâna de staționare este întâlnită și sub denumirea de „frână de parcare" sau „de ajutor";
frâna de staționare trebuie să aibă un mecanism de acționare propriu, independent de cel al frânei principale;
decelerația recomandată pentru frâna de staționare trebuie să fie egală cu cel puțin 30% din decelerația frânei principale;
în general, frâna de staționare preia și rolul frânei de siguranță.
Sistemul suplimentar de frânare sau dispozitivul de încetinire
are rolul ce a menține constantă viteza automobilului, la coborârea unor pante lungi, fără utilizarea celorlalte sisteme de frânare;
acest sistem de frânare se utilizează în cazul automobilelor cu mase mari sau destinate special să lucreze în regiuni de munte, contribuind la micșorarea uzurii frânei principale și la sporirea securității circulației.
4.1.1 Alcătuirea sistemului de frânare
Compunerea sistemului de frânare
Sistemul de frânare se compune din:
frânele propriu–zise;
mecanismul de acționare a frânelor.
Figura nr. 4.1 – Compunerea sistemului de frânare
4.1.2 Tipuri de frâne
Frânele cu tambur și saboți interiori
Datorită simplității lor, frânele cu tambur și saboții interiori sunt foarte răspândite la automobile.
Figura nr. 4.2 – Frâna cu tamburi și saboți
În principiu, aceste frâne se bazează pe doi saboți (primar și secundar) care se află în interiorul unui tambur solidar cu roata autovehiculului. Prin depărtarea saboților de centrul roții, apare o frecare cu partea interioară a tamburului, care realizează frânarea.
Frânele cu disc
Față de frânele cu tambur, extinderea utilizării frânelor cu disc la automobile se explică prin numeroasele avantaje pe care le prezintă, cele mai importante fiind:
posibilitatea măririi suprafețelor garniturilor de frecare;
distribuția uniformă a presiunii pe suprafețele de frecare și, drept consecință, uzarea uniformă a garniturilor
necesitatea reglării mai rare a frânei;
suprafață mare de răcire și condiții bune pentru evacuarea căldurii;
stabilitate în funcționare la temperaturi joase și ridicate;
echilibrarea forțelor axiale și lipsa forțelor radiale;
posibilitatea funcționării cu jocuri mici între suprafețele de frecare, ceea ce permite să se reducă timpul de intrare în funcțiune a frânei;
înlocuirea ușoară a garniturilor de frecare:
reglarea automată a jocului dintre suprafețele de frecare printr–o construcție mai simplă;
nu produc zgomot în timpul frânării.
Figura nr. 4.3 – Frâna cu disc
În principiu, aceste frâne se bazează pe un disc de frână pe care presează două plăcuțe de frânare acționate de două pistonașe hidraulice. Subansamblul de acționare este conținut de o piesă numită etrier.
Figura nr. 4.4 – Principiul de funcționare al frânei cu disc
Frânele suplimentare
La autovehiculele cu masă mare, destinate transportului urban, cu opriri dese, sau circulației pe drumuri de munte unde trebuie să coboare pante lungi este necesar să se prevadă frâne suplimentare (dispozitive de încetinire), care să permită scăderea gradului de solicitare a frânelor de serviciu.
După principiul de funcționare, ele pot fi:
de motor;
electrodinamice;
hidrodinamice.
Fiind mai simplă din punct de vedere constructiv, se utilizează mai mult frâna de motor.
Mecanismele de acționare ale sistemului de frânare
Așa cum s-a arătat, comanda frânelor se poate face:
cu acționare directă, care poate fi mecanică sau hidraulică;
cu servoacționare, care poate fi pneumatică, electropneumatică etc.;
cu acționare mixtă.
Acționarea mecanică a frânelor
La automobilele actuale, acționarea mecanică este limitată numai la frânele de staționare. Elementul principal este o pârghie care, prin intermediul unor tije, acționează asupra unei frâne cu bandă sau disc sau, prin intermediul unor cabluri, direct asupra frânelor roților din spate.
Pentru menținerea frânei în stare acționată se prevede un sistem de blocare cu clichet.
Acționarea hidraulică a frânelor
În prezent, la automobile, acționarea hidraulică a frânelor este cea mai răspândită, datorită următoarelor avantaje:
repartizarea efortului de frânare între punți, proporțional cu greutatea ce le revine, se realizează foarte ușor;
repartizarea uniformă a presiunii pe saboți;
randament ridicat;
construcție simplă și ușor de întreținut.
Principiul de funcționare se bazează pe transmiterea forței de acționare, exercitată de conducător asupra pedalei, lichidului închis în instalația sistemului și folosirea presiunii dezvoltate în masa lichidului pentru acționarea cilindrilor de frână.
Sistemele de acționare hidraulică pot fi: cu un circuit sau cu un circuit dublu (soluție generalizată în prezent).
Acționarea hidraulică cu servomecanism
La automobilele care au greutatea totală Ga > 35•103 N, precum și la autoturismele de clasă mijlocie și mare, prevăzute cu frâne cu coeficient de eficacitate redus (frâne cu disc), forța conducătorului, aplicată pe pedala de frână, nu mai asigură o frânare suficient de eficace. În acest caz, acționarea hidraulică este asociată cu un servomecanism care asigură o creștere suplimentară a presiunii lichidului din conducte.
În funcție de sursa energiei utilizate, mai răspândite sunt următoarele tipuri de servomecanisme:
servomecanismul cu depresiune (vacuumatic), care utilizează energia depresiunii create în colectorul de admisiune al motorului cu aprindere prin scânteie sau de o pompă de vacuum antrenată de motorul automobilului;
servomecanismul pneumatic, care utilizează energia aerului comprimat, debitat de un compresor antrenat de motorul automobilului.
Acționarea directă utilizată la autoturisme și la autocamioane cu sarcina utilă mică, poate fi mecanică sau hidraulică. Acționarea hidraulică este foarte raspandită în prezent.
Acționarea mixtă cea mai răspândită este acționarea hidraulică cu servomecanism neautomatic. Această acționare se întâlneste la autoturismele de clasa superioară precum și la autobuzele și autocar de capacitate mijlocie.
Servoacționarea poate fi: pneumatică (cu presiune sau depresiune), electrică electropneumatică etc. Se utilizează la autocamioanele cu sarcina utilă mare și la autobuze.
După numărul de circuite prin care efortul executat de sursa de energie se transmite către frânele propriu-zise se deosebește:
frâne cu un singur circuit;
frâne cu mai multe circuite.
În cazul soluției cu mai multe circuite frânele (sau elementele lor) se grupează în diferite modurii. În mod frecvent se leagă de la un circuit frânele unei punți (sau grupuri de punți) existând însă și scheme în care la un circuit sunt legate frânele aflate pe aceeași punte a autovehiculului sau în poziții opuse.
Sistemele de frânare cu circuite multiple sporesc sensibilitatea, fiabilitatea acestora în securitatea circulației, fapt pentru care în unele țări este prevăzut obligativitatea circuitelor la anumite tipuri de automobile.
4.1.3 Tipuri uzuale de frâne cu tamburi și saboți interiori
Momentul de frânare poate fi variat în mod substanțial în funcție de modul de dispunere al saboților.
În funcție de tipul celor doi saboți există următoarele tipuri de frâne cu tamburi și saboți interiori: simplu, dublu (TWINPLEX) duo-dublu (TWINPLEX) și servo (uni-servo și duo servo).
a. Simple – cu deplasare egală a saboților;
– cu saboti articulați;
– cu saboți flotanți.
Are o eficacitate pentru ambele sensuri de rotație ale tamburului stabilitate foarte bună, nu este echilibrată.
b. Duplex – cu saboți articulați;
– cu saboți flotanți.
Are o eficacitate mare la mersul înainte și foarte mică la mersul înapoi. Stabilitatea este medie.
c. Duo-duplex cu saboți flotanți
Are o eficacitate mare și este identică pentru ambele sensuri de rotație ale tamburului. Stabilitate medie, regimulde lucru și încărcare esre identic și echilibrat.
d. Servo (uni-servo) – cu saboți articulați;
– cu saboți flotanți.
Eficacitate foarte mare la mersul înainte (uni-servo) și identică pentru ambele sensuri ale rotației tamburului (duo-servo), stabilitate foarte mică, regim diferit de lucru și încărcare al celor doi saboți și neechilibrat.
a. Frâna simplex
Frâna simplex are în componență un sabot primar și unul secundar care pot fi articulați sau flotanți. În funcție de modul de acționare al saboților se deosebesc: frâna cu deplasare egală a saboților și forța de acționare diferite frâne cu deplasare independentă a saboților în forțe de acționare egale.
Frâna simplex cu deplasare egală a sabotilor are o uzură egală a saboților de frecare. Momentul de frânare este cu ceva mai redus decât la frâna simplex cu forțe egale de acționare a saboților. Deplasările egale ale saboților se realizează cu dispozitive mecanice cu o camă simplă sau cu pene transversale.
Frâna simplex cu acționarea saboților cu forțe egale prezintă o uzură mai mare a garniturii de frecare a sabotului primar. Acționarea acestei frâne se face în general cu un dispozitiv hidraulic (cu pistoane având același diametru) și mai rar cu un dispozitiv mecanic. Aceste frâne prezintă o construcție simplă și rigidă.
Frâna simplex nu este echilibrată transmițându-se o reacțiune radială care încarcă suplimentar lagărele roții.
În figura nr. 4.5 se prezintă construcția unei frâne simplex la care saboții 13 și 14 sunt articulați la capătul de jos în bolțurile 4, fixate pe talerul 6, și strânse cu piuliță 7. Tot de taler este fixat și cilindrul receptor 17, prevăzut cu arcul 18. Garnitura de frecare a sabotului 13 (primar), are o lungime mai mică decât a sabotului 14 (secundar) pentru a se obține o uzură uniformă.
Jocul la partea superioară a saboților se reglează cu excentricul 3, prevăzut cu bolțurile 8, pe care se află arcurile 9 pentru fiecare excentric în diferite părți. Arcul 16 menține saboții sprijiniți pe excentricul 3. La partea inferioară saboții sunt prevăzuți cu bucșele excentric 5, montate pe bolțurile 4, servind la reglarea jocului dintre saboții tambur la partea inferioarț. Fiecare sabot este asigurat să nu se deplaseze lateral cu ajutorul arcului 11, strâns sub saboții 12 de prezonul 10 fixat pe taler.
Figura nr. 4.5 – Construcția frânei simplex
Mecanismul de acționare pentru frâna de staționare este compus din levierul (pârghia 2), articulat în punctul 19, tija 1 și cablul de acționare 15.
b. Frâna duplex
Frâna duplex are în componență doi saboți primari independenți care pot fi articulați sau flotanți. Prin dispunerea saboților astfel încât ambii să lucreze ce saboți primari momentul de frânare crește mult. Coeficientul de eficacitate pentru frâna duplex depinde de mersul de rotație a tamburului.
În cazul în care saboții sunt primari pentru ambele sensuri de rotație ai tamburului, frâna poartă denumirea de duo-duplex.
Frâna duo-duplex prezintă avantajul unei eficacități ridicate atât la mersul înainte cât și la mersul înapoi având același coeficient de eficacitate.
Frâna duplex este o frână echilibrată și realizează aceeași uzură a garniturilor de frecare.
Deficiența frânei duplex cu saboți primari, numai la mersul înainte constă în obținerea unui moment de frânare redus la mersul înapoi al automobilului. Valoarea momentului de frânare obținut la mersul înapoi determină mărimea pantei pe care poate fi imobilizat un automobil cu frâna de staționare. Deficiența aceasta se înlătură dacă se utilizează frâna duo-duplex.
În figura nr. 4.6. se prezintă construcția unei frâne duplex cu saboți articulați.
Poziția sabotului pe taler este asigurată în afară de articulația de bolțul 10, cu ajutorul tamponului 11, bolțului 6, șaibelor 3 și 5 și arcului 4.
Figura nr. 4.6 – Constructia franei duplex
1. – arc de readucere saboți; 2.- saboți; 3,5 – șaibe; 4- arc; 6- bolt; 7 – cilindru hidraulic; 8.- tambur; 9- taler; 10- bolt; 11- tampon; 12- rondelă; 13- bucșă excentrică; 14- contra piuliță; 15- racord; 16- canal
Reglarea jocului dintre sabot și tambur se face la ambele capete ale saboților. La capătul dinspre cilindru reglarea se face prin excentric (canale) 16, iar la capătul articulat prin bucșa excentric 13 care se rotește împreună cu boltul 10.
Figura nr. 4.7 – Construcția frânei duo-duplex
1- tambur; 2,13- bolțuri de sprijin; 3,7- saboți; 4,8,11,12- arcul de readucere; 5,9 – dispozitiv de reglare joc dintre sabot și tambur; 6,10- cilindru receptor; 14,15- brațe
În figura de mai sus (4.7) se prezintă construcția unei frane duo-duplex cu saboți flotanți.
La frânare pistoanele din cei doi cilindrii departează saboții, iar aceștia sub acțiunea forțelor de frecare se deplasează pe direcția de rotație. Fiecare sabot are două rezerve fixe pe care se sprijină în funcție de sensul de rotație al tamburului.
Dacă sensul de rotație este cel indicat pe figură atunci sabotul 3 sub acțiunea pistonului cilindrului 6, și a forței de frecare, se va sprijini pe opritorul 13. În același timp sabotul 7 sub acțiunea pistonului cilindrului 10 și a forței de frecare se sprijină pe opritorul 2. La rotația în sens invers sabotul 3 se va sprijini în opritorul 2, prin intermediul brațului 15, iar sabotul 7 în opritorul 15 prin intermediul brațului 14.
c. Frâna servo
Frâna servo sau frâna cu amplificare are doi saboți primari, iar sabotul posterior este acționat de către sabotul anterior. Datorită forțelor de frecare dintre sabotul anterior și tambur forța de acționare a sabotului posterior este mai mare în comparație cu forța de acționare a sabotului anterior. În modul acesta, momentul de frânare se marește în mod substanțial.
În cazul în care saboții sunt primari numai la mersul înainte, frâna poartă denumirea de uniservo, iar în cazul în care saboții sunt primari pentru ambele sensuri de mers, frâna este întâlnită sub numele de duo-servo.
Figura nr. 4.8 – Construcția frânei uniservo
1- tambur; 2- bolt pentru articulație sabot 4; 3,4- saboți; 5,7- arcuri; 6 – cilindru receptor; 8- dispozitiv de reglare joc dintre sabot și tambur
În figura nr. 4.9 se prezintă construcția frânei duo-servo. Capetele superioare ale saboților 1, 2 sunt apăsate cu ajutorul arcurilor pe reazemul imobil 5, iar capetele inferioare sunt legate între ele prin dispozitivul de reglare 4 și printr-un arc. La frânare pistoanele cilindrului receptor 6 acționează saboții 1,2 prin intermediul tamponului 3. Venind în contact cu tamburul de frânare saboții se deplasează în sensul de rotație până când unul dintre ei ajunge în contact cu opritorul 5. În funcție de sensul de rotație fie că sabotul 1 acționează sabotul 2, prin intermediul dispozitivului de reglare 4, fie că sabotul 2 acționează sabotul 1. Excentricul 7 servește la reglarea jocului sabotului 2.
Figura nr. 4.9 – Construcția franei duo-servo
4.1.4 Acționarea saboților de frână
Modul de acționare a saboților depinde de tipul mecanismului de frânare al sistemului de frânare. Eficacitatea frânei depinde în mare măsură de modul de acționare al saboților.
4.1.5 Acționarea saboților la frânele cu acționare hidraulică
La frânele cu acționare hidraulică acționarea saboților se face în majoritatea cazurilor, cu ajutorul unor cilindrii în interiorul cărora se află niște pistoane. Cilindrii hidraulici de acționare pot fi cu dublă acțiune sau cu simplă acțiune.
Cilindrii hidraulici cu dublă acțiune au două pistonașe și se utilizează la frânele simple, duo-duplex și duo-servo.
Cilindrii hidraululici cu simplă acțiune au un singur pistonaș și se utilizează la frânele duplex sau uni servo.
În figura nr. 4.10 sunt prezentate câteva tipuri de cilindrii cu dublă acțiune.
Figura nr. 4.10 – Tipuri de cilindrii hidraulici cu dublă acțiune
Pistoanele 1 acționează asupra saboților fie prin tipul fix (b, c), fie prin tipul flotant (a, d). Pentru etanșarea pistoanelor se utilizează garniturile din cauciuc 2, iar pentru protecție burdufurile 3.
Arcurile 4 elimină jocurile și nu permit obturarea orificiului de intrare a lichidului de frână. La soluția (c), tipul 6 este prevăzut și cu un dispozitiv de reglare a jocului dintre saboți și tambur compus din rozetele 5.
În figura nr. 4.11 sunt prezentați trei cilindrii cu simplă acțiune.
Figura nr. 4.11 – Tipuri de cilindrii cu simplă acțiune
La soluția din figura 4.11, a, b cilindrii utilizați la frânele duplex servesc și ca rezolvare pentru sabotul conjugal. Cilindrii hidraulici sunt dispuși în interiorul frânelor pe placa suport. Pentru a evita supraîncălzirea lichidului cilindrului nu se amplsează în imediata apropiere a suprafeței de frecare a tamburului.
Pentru evacuarea aerului din instalația de frână cilindrii hidraulici sunt prevăzuți cu suport de evacuare.
Figura nr. 4.12 – Construcția și funcționarea suportului de evacuare a aerului din instalația de frânare
1- orificiu; 2- capac; 3- șurub; 4- orificiu; 5- orificiu racord; 6- canal; 7- corpul cilindrului
4.1.6 Acționarea saboților la frânele cu acționare pneumatică
În cazul sistemelor de frânare cu acționare pneumatică acționarea saboților se face prin intermediul unei came (figura nr. 4.13 a) sau cu ajutorul unor plungere deplasate cu un dispozitiv cu con și role (figura nr. 4.13 b). Forma simetrică a camei și respectiv, a conului realizează o deplasare egală a celor doi saboți și în consecință uzura egală, a garniturilor de frecare. Datorită faptului că sabotul primar are tendințe de a se uza mai repede, el este acționat cu o forță mai mică și ca urmare eficacitatea totală a frânei este mai redusă.
Figura nr. 4.13 – Acționarea saboților la frâna cu acționare pneumatică
În figura nr. 4.14 se prezintă construcția cilindrului de frână cu piston care asigură curse de lucru mai lungi și forțe la tijă, mai mari în comparație cu cilindrul cu membrană, cu aceeași dimensiuni transversale.
Figura nr. 4.14 – Construcția frânei cu piston
1 – cilindru, 2 – piston, 3 – garnitură de etanșare, 4 – tijă, 5 – tub de ghidare, 6 – disc, 7 – furcă, 8 – burduf de protecție, 9 – arc de readucere, 10 – capac, 11 – bucșă, 12 – filtru de aer, 13 – bolțuri de fixare
4.1.7 Acționarea saboților la frâna de staționare sau de siguranță
În cazul în care pentru frâna de staționare sau de siguranță se folosesc frânele roților posterioare, iar acestea trebuie să fie prevăzute cu un sistem de acționare suplimentar. La frânele cu cilindri hidraulici interior sistemul de acționare al frânei de staționare se compune din levier și tije comandate cu un cablu de la o manetă.
În figura nr. 4.15 a se prezintă acționarea mecanică a saboților unei frâne simplex. Levierul 1 este articulat cu boltul 2 cu sabotul din dreapta și este acționat de partea inferioară printr-un cablu de la maneta frânei de mână, în direcția săgeții. Când levierul este tras el împinge prin intermediul tijei 3 sabotul din stânga, rezemândul pe tambur.
În figura nr. 4.15 b, se prezintă acționarea mecanică a saboților în cazul unei frâne duo-duplex. Când levierul 1 este tras de cablul de acționare în sensul săgeții, el se rotește în jurul articulației 2 de pe sabotul din stânga, acționând prin boltul 3 levierul 4, articulat de asemenea, pe același sabot pe levierul 5 de la levierul 1 și 4 efortul de comandă este transmis la tijele 8 și 9, (articulate prin bolțurile 10 și 11 pe sabotul din dreapta) prin bolțurile 6 și 7. În modul acesta rezultă o acționare simetrică a celor 2 saboți.
În figura nr. 4.15 c se prezintă acționarea mecanică a saboților la frâna uni-servo. Funcționarea este asemănătoare ca la frâna simplex din figura 4.15 a.
Figura nr. 4.15 – Saboți de acționare a roților la frâna de staționare
4.2 Tipuri constructive de frâne cu disc
Frânele cu disc pot fi de tip deschis sau închis. Cele de tip deschis se utilizează mai des la autoturisme, pe când cele de tip închis în special la autocamioane și autobuze.
4.2.1 Frâna cu disc deschisă
În figura nr. 4.16, se prezintă frâna cu disc deschisă, compusă din discul 2 montat pe butucul roții 3 precum și din cadrul (suportul) 5, în care se găsesc pistoanele 4 prevăzute cu garniturile de frecare 1 cadrul monobloc se montează flotant sau fix de talerul frânei.
Figura nr. 4.16 – Frâna cu disc deschisă cu pistoane de acționare pe ambele fețe ale discului
La soluțiile la care cadrul 1 se montează flotant, pe punte există un singur cilindru de acționare, dispus numai pe una din fețele discului (figura nr. 4.17). În acest caz, cursa pistonului de acționare 14 este dublă față de aceea de la frânele cu cadru fix.
Discul poate fi montat pe butucul roții, fix pe circumferința interioară fie pe circumferința exterioară.
Sunt frâne cu disc prevăzute cu 3 sau chiar 4 perechi de cilindri de acționare.
Figura nr. 4.17 – Frâna cu disc deschisă, cu un singur cilindru de acționare
1 – cadru, 2 – garnituri de protecție piston, 3 – garnitură de etanșare piston, 4 – garnitura de etanșare ax, 8, 5 – rondelă, 6 – capac levier de comandă a frânei de mână, 7 – arc disc, 8 – ax, 9 – levier de comandă a frânei de mână, 10 – șaibă, 11 – rulment mare, 12 – manșon, 13 – arc, 14 – piston
Datorită faptului că forțele de acționare trebuie să fie sensibil mai mari față de frânele cu tambur, în multe cazuri se utilizează servomecanisme în sistemul de acționare.
Fixarea garniturilor de fricțiune pe placheți se face exclusiv prin lipire.
Utilizarea frânei cu disc ca frâna de staționare Figura nr. 4.18 sau de siguranță cu o eficacitate suficientă este o problemă dificilă datorită coeficientului de eficacitate redus al acestuia. Pentru a asigura o eficacitate suficientă sunt necesare forțe foarte mari la maneta de frână.
Figura nr. 4.18 – Utilizarea frânei disc ca frână de staționare.
În figura nr. 4.18 a se prezintă frâna de mână la care se utilizează saboții servo 1 și 2 dispuși în interiorul tamburului 3 cu diametru redus. Frâna de serviciu este o frână cu discul 4 modificat în așa fel ca la partea lui centrală să aibă formă de tambur.
În figura nr. 4.18 b se prezintă utilizarea frânei disc ca frână de staționare. Capătul interior al pârghiei va acționa asupra garniturii 7, apăsând-o pe discul 1. Jocul dintre capătul interior al pârghiei și garnitura se reglează cu ajutorul suportului filetat 4. Contrapiulița 5 asigură suportul în poziția corespunzătoare jocului j.
4.2.2 Frâna cu disc închisă
Frâna cu disc închisă prezintă avantajul unei bune protejări împotriva pătrunderii apei și murdăriei, putând fi ușor ermetizată. Aceste frâne pot fi cu sau fără efect servo.
În figura nr. 4.19 se prezintă frâna cu disc închisă, cu servo-efect, realizată de firma Chrysler. Ea se compune din carcasa 5, fixată de butucul roții, discurile 1 și 2, bilele 3 și cilindru de acționare 4.
Figura nr. 4.19 – Frâna cu disc închisă a frânei Chrysler.
a- părți componente; b- dispozitive de acționare.
Discul de fricțiune 1 și 2 este apăsat pe carcasa roților 5 în timpul frânării. Capul 4 al cilindrului de lucru este fixat pe discul 2, în tija pistonului se reazămă pe discul 1. La frânare, când discul 1 se deplasează în raport cu discul 2, bilele 3 se deplasează pe planurile înclinate în partea mai îngustă a șănțulețelor, distanțând discurile și obligându-le să apese cu garnitura de frecare pe carcasa rotitoare.
Frânele cu disc închise, având suprafețe de fricțiune foarte mari prezintă avantajul unei uzuri mai reduse, datorită lucrului mecanic specific de frecare foarte mic. De asemenea, regimul termic este mai scăzut decât la o frână cu saboți echivalentă din punct de vedere al performanțelor.
4.2.3 Frâne cu tambur și bandă exterioară
În trecut frânele cu tambur și banda exterioară erau foarte răspândite la automobile la care predominau mecanismele de acționare mecanică. În prezent ele se utilizează numai ca frâne de staționare, dispuse pe transmisie.
4.3 Mecanismele de actionare ale sistemelor de frânare
4.3.1 Acționarea mecanică a frânelor
În prezent acționarea mecanică este pe cale de dispariție la frânele de serviciu datorită următoarelor dezavantaje principale:
dificultatea asigurării frânării concomitente a tuturor roților;
dificultatea realizării distribuției dorite a forțelor de frânare pe punțile automobilului;
necesitatea unor reglaje frecvente;
randamentul scăzut datorită numărului mare de articulații care în general nu se ung în exploatare.
Datorită acestor dezavantaje acționarea mecanică este limitată numai la frânele de staționare sau de siguranță.
4.3.2 Acționarea hidraulică a frânelor
Acționarea hidraulică a frânelor este în prezent cea mai răspândită la automobile.
Avantajele principale ale acționării hidraulice a frânelor sunt:
frânarea concomitentă a tuturor roților;
repartizarea dorită a eforturilor de frânare între punți cât și între saboți se realizează foarte usor;
randament ridicat datorită rigidității mari a mecanismului de acționare;
timp redus la intrare în acțiune;
construcția simplă și întreținere ușoară.
Dintre dezavantajele acționării hidraulice se pot enumera:
imposibilitatea realizării unui raport de tensiune ridicat;
scoaterea din funcțiune a întegului sistem de frânare în cazul spargerii unei conducte (la sistemul cu un singur circuit);
pătrunderea aerului (care este comprimat) în instalație duce la mărirea cursei pedalei și reduce foarte mult eficiența frânării.
La acționarea hidraulică efortul de la pedală la frâne se transmite printr-o coloană de lichid, aflat în conducte care este practic imposibil.
În figura nr. 4.20 se prezintă schemele acționării hidraulice la care se folosește un singur circuit pentru ambele punți (figura nr. 4.20 a) și în cazul a două circuite (figura nr. 4.20 b).
Figura nr. 4.20 – Schemele actionării hidraulice cu unul sau două circuite de frânare
Acționarea hidraulică cuprinde următoarele elemente principale: pompa centrală 1 acționată cu pedala 2, pompele receptoare 5 și 6 și conductele de legătură 3 și 4.
La apăsarea pedalei de frână se transmite o presiune egală la toate pompele receptoare în efortul de acționare al frânelor propriu-zise.
4.3.3 Acționarea hidraulică cu servomecanism pneumatic
Servomecanismele pneumatice se utilizează mai ales la autocamioanele și autobuzele care sunt prevăzute cu o sursă de aer comprimat, fie pentru frânarea remorcilor fie pentru deschidera ușilor etc. Servomecanismele pneumatice pot fi de tipul cu acționare directă sau indirectă.
Figura nr. 4.21 – Construcția servomecanismelor hidropneumatice
1 – reducție pentru legătura cu pompa centrală, 2 – cilindru principal, 3 – piston cilindru principal, 4 – arc, 5 – cap supapă de reținere, 6 – supapă de reținere și refulare, 7 – reducție pentru legătura cu cilindrul receptor, 8 – șurub ventil pentru scos aer, 9 – conducta de legătura cu cilindrul de aer, 10 – dispozitiv de etanșare, 11 – contrapiuliță, 12 – dop de etanșare, 13 – arc, 14 – supapă de admisie a aerului, 15 – reducție pentru conducta de aer, 16 – piston de comandă a supapei de admisie a aerului, 17 – arc, 18 – corp mecanism de con supapă, 19 – piston de comandă hidraulică, 20 – reducție, 21 – garnituri, 22 – șurub ventil pentru scos aer, 23 – canal de intrare și ieșire a aeruluiîin spate pistonului, 24 – canal de ieșire a lichidului, 25 – corp cilindric al aerului, 26 – arc, 27 – tija de comandă a pistonului, 28 – piston cilindru de aer, 29 – garnitura, 30 – reducție, 31 – capac cilindru, 32 – corp mecanic de deschis, 33 – camera de legătură cu cilindrul principal,34 – filtru de aer
4.3.4 Acționarea pneumatică
Acționarea pneumatică utilizează pentru frânarea energiei aerului comprimat. Ea se întrebuințează la autocamioanele grele, la cele cu remorci, precum și la autobuze unde forța de frânare trebuie să fie mare.
În cazul acționării pnematice forța conducătorului este folosită numai pentru a comanda intrarea în funcțiune a franelor, precum și intensitatea frânării.
La sistemul de acționare cu o conductă de legătura dintre sistemul de frânare al automobilului tractor și sistemul de frânare al remorcii sau semiremorcii acționarea se face cu o singură conductă. În cazul când autoturismul se deplasează fără frână, prin aceasta conductă se face alimentarea cu aer comprimat a rezervoarelor de pe remorcă sau semiremorcă.
Datorită avantajelor pe care le prezintă sistemele de acționare cu mai multe conducte concentrate în final prin mărirea securității circulației, fac ca aceasta să se răspândească din ce în ce mai mult.
În figura nr. 4.22 a, se prezintă schema acționării pneumatice cu o conductă, iar în figura nr. 4.22 b, cu două coloane.
Figura nr. 4.22 – Diferite scheme ale acționării pneumatice
1 – compresor, 2 – filtru, 3 – regulator, 4 – rezervor, 5 – robinet distribuitor, 6 – manetă, 7 – robinet, 8 – robinet, 9 – robinet releu, 10 – robinet, 11 – cilindru de frână, 12 – conductă de alimentare, 13 – conductă de comandă, 14 – robinet, semicuplă de legătură,15 – robinet, 17 și 18 semicuplă de legătură, 19 – robinet de transfer, 20 – robinet de siguranță, 21 – robinet cu două căi
Acționarea pneumatică mai cuprinde:
– O supapă pentru defrânare rapidă, care reduce drumul aerului evacuat la frânare;
– O supapă de acelerație care grăbește atât procesul de frânare cât și procesul de frânare.
4.3.5 Acționarea pneumo-hidraulică
Acționarea pneumo-hidraulică se întâlneste mai ales pe autovehicolele destinate tractării de remorci. Autovehiculul tractor utilizează pentru frânare, acționarea hidraulică cu servomecanism pneumatic pentru toate punțile, îar frânarea remorcii se face printr-o acționare pneumatică.
În figura nr. 4.23 se prezintă trei variante ale acționării pneumo-hidraulice la care frânarea autovehicolului utilizează acționarea hidraulică.
Figura nr. 4.23 – Diferite scheme ale acționării hidraulice
1 – compresor, 2 – regulator de presiune cu filtru, 3 – aparat antigel, 4 – rezervor, 5 – robinet distribuitor, 6 – frână staționare, 7 – rezervor frână staționare, 8 – robinet frână remorcă, 9 – robinet reluare, 10 – robinet uniservo cu două căi, 11 – cilindru de frână, 12 – conductă de legătură, 13 – conductă alimentare, 14 – conuductă de comandă, 15 – robinet închidere, 16 – semicuplă, 17 și 18 semicuplă, 19 – robinet transfer, 20 – robinet siguranță, 21 – robinet cu două căi, 22 – servomecanism hidropneumatic, 23 – servomecanism cu acționare directă de la pedală
CAPITOLUL V
ALEGEREA VARIANTEI CONSTRUCTIVE A SISTEMULUI DE FRÂNARE
5.1 Determinarea momentelor de frânare necesare la punțile autoturismului
Sistemul principal de frânare sau frâna de serviciu este sistemul care acționează pe toate roțile autoturismului.
Reacțiunile dinamice Z1, Z2:
unde:
– a -distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea față;
– b -distanța pe orizontală de la centrul de greutate la puntea spate;
– g = 9,80 m/s2 -accelerația gravitațională;
– hg -înălțimea centrului de greutate al autovehiculului;
– L – ampatamentul autovehiculului;
– -coeficientul de aderență a drumului;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat.
Momentele de frânare repartizate pe roți:
-pentru roțile față:
-pentru roțile spate:
Figura nr. 5.1 – Determinarea reacțiunilor și a momentelor de frânare
5.2 Calculul frânei disc față
La calculul frânei disc deschise se pleacă de la ipoteza că presiunea exercitată asupra garniturii de fricțiune este uniformă.
unde:
– U – forța de frecare;
– S – forța care acționează asupra plăcuțelor de frână;
– – coeficientul de frecare.
În mod corespunzător sensibilitatea frânei se obține conform definiției prin derivarea relației raportului de transmitere C în raport cu coeficientul de frecare, adică:
Presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc este:
unde:
– re -raza exterioară;
– ri=k*re -raza interioară;
– ri=(0.6—0.75)re;
– – unghiul la centru exprimat în radiani;
– nf – numărul suprafețelor de frecare;
– -coeficient de frecare;
– Mf – momentul de frânare.
Pentru calculul forței de apăsare aleg frână disc servo prezentată în figura de mai jos:
Figura nr. 5.2 – Calculul forței de apăsare
Reacțiunea N se calculează cu relația:
unde:
– re – raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– = 500(0.8726 radiani);
– – presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc.
Echilibrul forțelor pentru montajul servo este:
unde:
– coeficient de frecare dintre plăcuță și cilindru.
5.3 Calculul frânei disc spate
Presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc este:
unde:
– re- raza exterioară;
– ri=k*re -raza interioară;
– ri=(0.6-0.75)re;
– – unghiul la centru exprimat în radiani;
-=45-500
– nf – numărul suprafețelor de frecare;
– – coeficient de frecare;
-Mf – momentul de frânare.
Reacțiunea N se calculează cu relația:
unde:
– re -raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– = 500° (0.8726 radiani);
– p[] – presiunea de contact dintre plăcuța de fricțiune și disc;
Echilibrul forțelor pentru montajul servo este:
unde:
– coeficient de frecare dintre plăcuță și cilindru.
5.4 Verificarea la uzură
Presiune specifică
Pe suprafața garniturilor de frecare, la frânare, la frânele disc se admite că presiunea pe disc este uniformă și se consideră o presiune medie ce se calculează cu relația:
(presiunea medie)
unde:
– = 0,8726 radiani;
– re -raza exterioară;
– ri – raza interioară.
5.5 Lucrul mecanic specific de frânare
Durabilitatea garniturilor de frecare se apreciază cu ajutorul lucrului mecanic specific de frânare dat de relația:
unde:
– Lf – lucrul mecanic al forțelor de frânare;
– A – suprafața garniturilor de frecare de la toate frânele .
Lucrul mecanic al forțelor de frânare se determină cu relația:
unde:
– V – viteza automobilului la începutul frânării.
Frâne față
– n – numărul plăcuțelor față ;
– A1 – aria unei plăcuțe față;
– = 0,8726 radiani;
– re – raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– g = 9,80 m/s2 – accelerația gravitațională;
;
Frâne spate
– m – numărul plăcuțelor spate m;
– A2 – aria unei plăcuțe spate;
– = 0,8726 radiani;
– re – raza exterioară;
– ri – raza interioară;
– Ga -greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– g = 9,80 m/s2 -accelerația gravitațională.
5.6 Puterea specifică de frânare
Puterea de frânare necesară la frânarea unui autovehicul de masă ma= de la viteza Vmax m/s până la oprire cu decelerația af max este dată de relația:
;
Iar puterea specifică de frânare este:
Verificarea se face pe fiecare punte având în vedere distribuirea forței de frânare exprimată prin coeficienți cu relațiile:
unde:
– A1, A2 – reprezintă suprafețele garniturilor de fricțiune ale punții față și respectiv spate;
– – coeficientul de aderență a drumului;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat;
– g = 9,80 m/s2 – accelerația gravitațională;
– af max – decelerația maximă a autovehiculului la frânare;
– 1, 2 coeficienții de repartiție a forțelor de fânare pe punți.
5.7 Calcul termic al frânelor
Calculul termic al frânelor unui automobil se poate face numai pe baza unor date experimentale referitoare la condițiile reale de răcire a frânelor în timpul frânării.
Calculele termice efectuate pe baza acestor date chiar dacă nu reflectă în mod fidel solicitarea termică a frânelor autovehiculului proiectat, constituie un mijloc de evitare a unor neconcordanțe mari între dimensionare și cerințele de exploatare.
Pentru autovehiculul proiectat avem
Calculul termic al frânelor la frânarea intensivă
În cazul frânării intensive, izolate de scurtă durată se neglijează schimbul de căldură cu exteriorul, considerându-se că întreaga cantitate de căldură care se degajă contribuie la ridicarea temperaturii frânei propriu-zise. Datorită conductibilității termice foarte reduse a garniturilor de fricțiune, aproape întreaga cantitate de căldură este preluată de discul de frână.
Creșterea de temperatură a discului la o frânare intensivă, izolată de la viteza V până la oprire este:
;
unde:
– – coeficient ce reprezintă fracțiunea de căldură preluată de disc, = 99 %;
– c – căldura masică, J/Kg*K;
– Gt – greutatea discului, kg;
– nf – numărul roților frânate;
– oțel – densitate oțel;
– h – grosimea discului, mm;
– re, ri -raza exterioară a discului respectiv raza interioară, mm;
– md – masa discului, kg;
– V – viteza autovehiculului, km/h (m/s);
– Ga -greutatea totală a autovehiculului încărcat, N.
Calculul termic al frânelor în cazul frânărilor îndelungate
În cazul unei frânări îndelungate temperatura maximă a discului este:
;
unde:
– coeficient de repartiție a căldurii între garniturile de frecare și disc;
– af max – decelerația maximă a autovehiculului la frânare;
-t = difuzivitatea termică în m2/s;
– – conductivitate termică;
– – densitatea materialului tamburului [Jg/m3];
– gd – densitatea fluxului de căldură;
– Ga – greutatea totală a autovehiculului încărcat, N;
Se recomandă ca temperatura maximă a discului să nu depășească 300°C, condiție care este îndeplinită.
Calculul termic al frânelor în cazul frânărilor repetate
La frânările repetate, când numărul acestora este mare, se stabilește un echilibru între căldura degajată și evacuată ajungându-se la o temperatură de saturație a discului dată de relația:
;
unde:
– 0 – temperatura mediului ambiant;
– – creșterea de temperatură la o frânare;
– t0 – intervalul de timp dintre frânării;
– b – coeficient ce ține seama de mărimea suprafețelor de frecare,condițiile de montaj ale discului, viteza discului.
5.8 Calculul și construcția mecanismului de acționare a sistemului de frânare
Dispozitivele de frânare cu frânare hidraulică sunt în prezent cele mai răspândite la automobile.
Figura nr. 5.3 – Schema de calcul a transmisiei hidraulice
Calculul transmisiei hidraulice se face pornind de la forțele necesare pentru acționarea bacurilor de la frânele cu disc.
Forța la pedală Fp, care realizează cu ajutorul cilindrului principal presiunea p din circuitul hidraulic, se determină cu relația:
; unde:
– h – randamentul transmisiei hidraulice;
-ip =b/a – raportul de transmitere a pedalei;
– ih = -raport de transmitere hidraulic;
Cursa pedalei este limitată din considerente de comoditate a acționării astfel încât valoarea sa maximă să fie de 150 mm la autoturisme.
În cazul unui automobil cu două punți, cu frâne la toate roțile, cursa totală a pedalei de frână, neglijând deformațiile conductelor, se determină cu relația:
;
unde:
– S1,S2 – cursele pistoanelor cilindrilor de lucru;
– jp – jocul dintre pistonul cilindrului principal și tija de acționare;
– – distanța dintre buza garniturii primare a pistonului cilindrului principal și marginea opusă a orificiului de compensare.
5.9 Etapele fabricării discului de frână
Pentru fabricarea discului de frână se parcurg următoarele etape:
– Semifabricatul este turnat din fontă;
– Se fixează piesă în dispozitivul mașinii unelte;
– Se face strunjirea de degroșare a suprafețelor frontale, interioare și exterioare;
– Se face strunjirea de degroșare a suprafețelor cilindrice interioare și exterioare;
– Muchile ascuțite se vor teși și se vor face degajările;
– Se face strunjirea de finisare a suprafețelor frontale, interioare și exterioare;
– Se face strunjirea de finisare a suprafețelor cilindrice interioare și exterioare;
– Se prelucrează găurile pentru prezoane și pentru fixarea discului de butucul roții;
– Muchile ascuțite ale găurilor se vor teși;
– Controlul final al discului de frână înainte de ambalare în cutii.
Strunjirea (figura nr. 5.4) reprezintă procedeul de prelucrare prin așchiere cu cea mai mare frecvență de utilizare, fiind metoda de bază pentru obținerea corpurilor de revoluție. Strunjirea se realizează prin combinarea mișcării principale de rotație cu turația n, executată de obicei de piesă, cu mișcarea de avans a cuțitului s. Avansul este în general rectiliniu în direcție longitudinală, transversală sau după o direcție înclinată față de axa mișcării principale. Prin operații de strunjire se pot prelucra suprafețe cilindrice și conice (exterioare și interioare), frontale, filete, etc., ca urmare a combinării mișcării principale a semifabricatului cu mișcările de avans longitudinal sau transversal ale cuțitului.
Figura nr. 5.4 – Strunjirea
Prelucrarea găurilor (alezajelor) se poate realiza prin diverse procedee, alegerea acestora fiind determinată de caracteristicile dimensionale ale găurii, de precizia dimensională și geometrică impusă suprafeței, de materialul și forma piesei în care are loc prelucrarea etc. Dintre procedeele folosite la prelucrarea găurilor, ponderea cea mai mare o au burghierea, lărgirea, adâncirea și alezarea.
Burghierea (figura nr. 5.5) este prelucrarea prin așchiere executată cu burghiul, la care în general, semifabricatul rămâne imobil, iar scula execută mișcarea principală de rotație și mișcarea de avans rectiliniu (în direcție axială) sau, la care, semifabricatul execută mișcarea principală de rotație, iar scula execută numai avansul.
Figura nr. 5.5 – Burghierea
5.10 Tratamentul termic al discului de frână
Materialul ales pentru fabricarea discului de frână este fonta cu grafit nodular (Fgn 700-3). Fontele sunt aliaje ale fierului cu carbonul care conțin între 2,11 și 6,67 % C și își termina solidificarea cu palier eutectic. Fontele cu grafit nodular se obțin prin modificarea în stare lichidă a fontelor cenușii cu grafit lamelar. Modificarea propriu-zisă se face prin introducerea de magneziu în fonta lichida cu ajutorul unui clopot. După această modificare se introduce siliciu, care crește cantitatea de grafit.
Este supus tratamentului de încălzire prin curenți de înaltă frecvență și răciți intens cu apă, astfel se obțin durități de 50-60HRC. Adâncimea stratului călit este de 2 mm până la 5 mm.
Tratamente la care este supus discul de frână:
A) Recoarece pentru detensionare;
B) Călire;
C) Revenire.
A – La fontele cu grafit nodular tensiunile interne sunt de 2-3 ori mai mari decât în fontele cenușii. De aceea, toate piesele importante, cu configurație complicată și cu grosime de pereți diferită, în cazul în care solicitările la care sunt supuse în timpul lucrului nu necesită un regim termic mai complicat, trebuie supuse tratamentului de detensionare pentru eliminarea tensiunilor interne remanente ce iau naștere la turnare Pentru că tensiunile interne să fie cât mai mici, atât la piesele brute, cât și la cele tratate termic, trebuie să se asigure o viteză minimă de răcire și/sau încălzire în intervalul de trecere de la starea plastică la cea elastică, adică în intervalul de temperatură 620-650ºC.
B – Călirea și revenirea au rolul să mărească duritatea și rezistența discului de frână la uzură. Structura inițială optimă pentru călire a fontei cu grafit nodular este cea perlitică, cu o repartizare uniformă a grafitului.
C – Revenirea fontelor cu grafit nodular se face la temperaturi de 500-600ºC.
5.11 Sistemul de frânare ABS
În a doua parte a secolului XX producția de autovehicule s-a dezvoltat foarte mult creându-se motoare foarte puternice, care sunt capabile să realizeze accelerații și viteze foarte mari ale mașinilor. Din această cauză a apărut necesitatea conceperii unor sisteme moderne (mecatronice), care să facă mai sigură circulația pe drumurile publice. Paralel cu aceste sisteme de securitate s-au dezvoltat și sistemele pentru confortul pasagerilor și bineînțeles sistemele pentru managementul motorului, care au asigurat forțe și performanțe și mai mari ale motoarelor. Totalul sistemelor clasice și mecatronice formează autovehiculul mecatronic.
Unul dintre cele mai importante dintre aceste sisteme mecatronice este sistemul de frânare cu ABS, care face posibilă oprirea autovehiculelor în condiții de siguranță. Denumirea ABS vine de la Anti-Lock Braking System (sistem de frânare cu anti-blocare).
Sistemele ABS Bosch au evoluat continuu începând cu anul 1978 când s-a comercializat prima versiune. Dacă prima versiune avea peste 6 kg și echipa doar 0.02% din totalul automobilelor comercializate la aceea vreme, în 2007, versiunea 8 de ABS avea doar 1.4 kg și echipa aproximativ 76% din automobilele noi comercializate.
Figura nr. 5.6 – Evoluția sistemului ABS pentru automobile de la Bosch
Avantajul sistemului de frânare ABS față de sistemul de frânare convențional
Frânarea constă în consumarea energiei cinetice (prin frecare), acumulate de autovehicul, ceea ce se realizează cu ajutorul discurilor și a plăcuțelor de frână și a unor forțe (presiuni) acționând asupra lor cu ajutorul unor actuatori hidraulici.
Formula următoare reprezintă relația energiei cinetice:
Ec = 0,5mv2 ,
unde: – m reprezintă masa autovehiculului;
– v reprezintă viteza autovehiculului.
Din formula de mai sus se poate observa că energia cinetică crește exponențial cu pătratul vitezei, ceea ce înseamnă că distanța de oprire la o viteză de 100 km/h este de 4 ori mai mare, decât la o viteză de 50 km/h (bineînțeles, la o forță de frânare identică).
Sistemul de frânare ABS a jucat un rol foarte important în creșterea siguranței active a automobilului. Cel mai mare avantaj al ABS-ului fața de sistemul de frânare convențional este că la o frânare puternică, pe un carosabil alunecos, evitând deraparea, sistemul de frânare ABS face ca vehiculul să poată efectua viraje și schimbări de direcție în timpul frânarii, respectiv poate să reducă distanța de frânare în anumite condiții nefavorabile (de exemplu: pe zăpadă, sau pe gheață având cauciucuri de iarna cu cuie), mașina adaptându-se la condițiile de trafic și de drum. Totuși, nu trebuie să ne așteptăm ca ABS-ul să scurteze distanța de frânare în orice condiții de drum. Când conducem pe criblură, nisip sau mai ales zăpadă proaspătă, depusă pe un strat de gheață, mașina trebuie condusă mai încet și cu multă grijă, pentru că distanța de oprire poate să fie mult mai lungă.
Echipamentul ABS poate fi folosit și pentru a implementa controlul tracțiunii la accelerarea unui autovehicul. Dacă, la accelerare, cauciucul pierde aderența solului, ABS-ul poate detecta situația și poate aplica frânele pentru a reduce accelerarea pentru recăpătarea aderenței.
Constructorii vând de obicei aceasta ca pe o opțiune separată, chiar dacă infrastructura controlului tracțiunii este în mare parte împarțită cu cea a ABS-ului.
Componentele principale ale sistemului ABS pentru automobile
Dezvoltarea electronicii a permis utilizarea pe scară largă a sistemelor de acționare electrice. Și pentru sistemele ABS controlul presiunii hidraulice se face prin controlul curentului electric în solenoizii supapelor. În funcție de caracteristica supapei (presiune funcție de curent) aceste se clasifică în:
electro-supape proporționale: deschiderea supapelor este proporțională cu curentul electric aplicat;
electro-supape releu: au doar două poziții, deschis sau închis.
Figura 5.7 – Componentele unui modul electro-hidraulic de control pentru ABS
1 – motor electric; 2 – bloc de electro-supape; 3 – electro-supape; 4 – unitatea de control electronică; 5 – capac de protecție
Componentele indispensabile sistemului de frânare cu ABS sunt senzorii de turație pentru fiecare roată. Prin compararea valorilor între cele patru roți unitatea electronică de control determină care din roți tinde să se blocheze.
Figura 5.8 – Senzori de turație roți pentru ABS (evoluție)
Schema și funcționarea sistemului de frânare ABS
Figura nr. 5.9 – Schema de distribuție (în plan) a sistemului de frânare ABS
Figura nr. 5.10 – Circuitul sistemului ABS: 1- pompă centrală în tandem cu servomecanismul vacuumatic; 2- unitate ABS; 3- traductor de turație.
Sistemul ABS a fost inventat de inginerul francez Gabriel Voisin în anul 1929, pentru industria aviatică. Firma germană Bosch și constructorul de autovehicule, Mercedes-Benz, implementează pentru prima data sistemul ABS pe un autovehicul în anul 1978, odată cu lansarea lui Mecedes-Benz S-class.
Funcționarea sistemului ABS
Presiunea de frânare realizată de către pompa centrală cu servomecanism vacuumatic se transmite prin supapa de intrare mecanismului de frânare din roată. Turația roții se micșorează până când unitatea de control ABS recunoaște tendința de blocare a roții cu ajutorul traductorului de turație al roții. Dacă roata are tendința de blocare, pentru a evita creșterea în continuare a presiunii de frânare, este alimentată bobina supapei de intrare, aceasta se închide (supapa de ieșire este tot închisă) și presiunea de frânare rămâne constantă.
Figura nr. 5.11 – Unitatea de control a sistemului ABS
Dacă turația roții scade în continuare (roata are în continuare tendința de blocare), este alimentată bobina supapei de ieșire, iar aceasta se deschide. Presiunea de frânare se reduce prin intermediul acumulatorului hidraulic. Pompa hidraulică începe să funcționeze și pompează lichidul de frână din acumulatorul hidraulic în pompa centrală, iar pedala de frână se va deplasa ușor în sus. Roata care a avut tendința de blocare este eliberată, își menține turația, iar blocarea dispare. Pentru o frânare optimă este necesară o nouă creștere a presiunii de frânare, la o anumită turație a roții. În acest scop, bobina supapei de intrare nu va mai fi alimentată (supapa de intrare se deschide), pompa hidraulică lucrează în continuare, absoarbe lichidul din acumulatorul hidraulic și îl refulează în circuitul de frânare, presiunea de frânare crește, iar roata va fi din nou frânată. Aceste faze se repetă de până la 5..6 ori pe secundă și se pot recunoaște prin mișcarea pulsatorie a pedalei de frână.
Avantajele sistemului ABS, sunt: distanța mai mică de frânare pe diferite suprafețe de rulare și menținerea controlul asupra direcției la o acționare puternică a pedalei de frână (figura nr. 5.12 și figura nr. 5.13).
Eficiență:
Pe suprafetele cu aderență mare, uscate sau ude, majoritatea mașinilor echipate cu ABS obțin distanțe de frânare mai bune (mai scurte) decât cele fără ABS. Un șofer cu abilități medii pe o mașină fără ABS ar putea, printr-o frânare cadențată, să atingă performanțele unui șofer începător pe o mașină cu ABS. Totuși, pentru un număr semnificativ de șoferi, ABS îmbunătățește distanțele de frânare în varii condiții. Tehnica recomandată pentru șoferi într-o mașină echipată cu ABS, într-o situație de urgență, este să se apese pedala de frână până la fund și să se ocolească eventualele obstacole. În asemenea situații, ABS va reduce semnificativ șansele unui derapaj și pierderea controlului, mai ales cu mașinile grele.
Pe zăpadă, ABS-ul mărește distanțele de frânare. Pe aceste suprafețe, roțile blocate s-ar adânci și ar opri automobilul mai repede, dar ABS-ul previne acest lucru. Unele modele de ABS reduc acest efect mărind timpul de ciclare, lăsând astfel roțile să se blocheze în mod repetat, pentru perioade scurte de timp. Avantajul ABS-ului pe aceste suprafețe este îmbunătățirea controlului mașinii, și nu frânarea, deși pierderea controlului pe astfel de suprafețe rămâne totuși posibilă.
Odată activat, ABS-ul va face ca pedala sa pulseze. Unii șoferi, simțind acest efect, reduc apăsarea pe pedală și astfel măresc distanța de frânare. Aceasta contribuie la mărirea numărului de accidente. Din acest motiv unii constructori au implementat sisteme de asistență la frânare ce mențin forța de frânare în situații de urgență.
Sistemul EDL a ABS-ului
Vehiculele echipate cu ABS pot fi prevăzute și cu un sistem EDL (Electronic Differential Lock). Sistemul EDL întesnește accelerarea și urcarea vehiculului pe o pantă abruptă în condiții nefavorabile. Acest sistem funcționează total automat, șoferul nefiind obligat să acționeze nici un buton de pe bordul mașinii.
Sistemul EDL folosește ca elemente de preluare a informațiilor senzorii sistemului ABS. Dacă la o viteză mai mare de 40 km/h apare o diferență de turație dintre roțile tractoare, mai mare de 100 rpm (ceea ce înseamnă aproximativ 1/3 din turația normală a roții la această viteză), deci apare patinarea uneia dintre roți din cauza unei părți de carosabil alunecos, sistemul EDL reduce turația roții care patinează prin acționarea ABS-ului asupra acestuia și în consecința prin diferențial aplică o forță de tracțiune mai mică pe roata cealaltă. Din cauza funcționării sistemului EDL, prin frânarea uneia dintre roțile tractoare (cea care patinează), acesta are in vedere că în cazul unor patinări dese ale aceleiași roți, acesta se auto-decuplează pentru perioade scurte de timp, evitând astfel supraîncălzirea elementelor de frânare (discuri și plăcuțe de frână). Având în vedere acest lucru, se recomandă conducătorilor auto să evite accelerările bruște și dese în condițiile unui carosabil alunecos, și mai ales când există posibilitatea ca amândouă roțile tractoare să patineze cu aproximativ aceeași turație, când nici EDL-ul nu poate ajuta.
Avantajele sistemului de frânare ABS
Avantajele sunt:
împiedică blocarea de lungă durată a roților;
controlul asupra direcției la frânare puternică;
protejarea cauciucurilor;
asigură aderența roților pe șosea (dacă amortizoarele sunt bune);
oprirea în condiții de siguranță și scurtarea distanței de frânare;
destinderea șoferului în timpul conducerii (siguranța activă);
evitarea derapării în cazul frânării pe carosabil umed sau alunecos;
reduce distanța de frânare în condiții defavorabile de drum (acoperit cu zăpadă).
Tehnologia modernă are un rol foarte important în dezvoltarea autovehiculelor și a diferitelor sisteme mecatronice, dar sunt unele cazuri rare, când nici sistemul de frânare ABS și nici alte sisteme de securitate nu pot asigura siguranța maximă. În aceste cazuri extreme, cum ar fi: viteze foarte mari, condiții de drum și de trafic foarte rele, nu trebuie să ne asumăm riscul, deci trebuie să conducem prudent, adaptându-ne la condițiile de trafic și de drum. Totodată, conducând o mașină cu ABS pe un drum accidentat (cu gropi sau denivelări) și amortizoare uzate, când roțile pot să părăsească suprafața șoselei, trebuie să avem în vedere faptul că ABS-ul va mări distanța de frânare.
Întreținerea sistemul principal de frânare
Întreținerea sistemului de frânare cu acționare hidraulică:
a) Se verifică etanșietatea instalației hidraulice;
b) Se verifică și se completează nivelul lichidului din rezervorul pompei centrale;
c) Se verifică și se reglează jocul dintre tija și pistonul pompei centrale;
d) Se evacuează aerul de pe instalație (dacă există);
e) Se verifică uzura garnituriilor de fricțiune;
f) Se reglează frâna de mână.
a) Controlul etanșietății instalației se poate face prin urmărirea nivelului lichidului în rezervorul pompei centrale și urmărirea presiunii în instalație.
Urmărirea nivelului lichidului în rezervorul pompei centrale la frânări repetate pe loc dă posibilitatatea de a se constata eventualele neetanșități ale instalației.
La apăsarea pedalei de frână nivelul lichidului din pompa centrală scade cu 3-6mm,fiind proporțional cu jocul dintre placheți și disc.
Dacă nivelul scade și mai mult se urmăresc racordurile flexilbile, pompa centrală, cilindrii receptori în scopul depistării locului în care se produc pierderi.
b) Nivelul lichidului din rezervor trebuie să fie cuprins între intrervale de minim și maxim. Datorită uzurilor în timpul exploatării nivelul lichidului scade.
Lichidul de frână se înlocuiește la doi ani.
Culoarea maronie sau cenușie a lichidului indică degradarea în timp prin supra-încălzire,în acest caz lichidul trebuie schimbat.
c) Jocul dintre tijă și pistonul pompei cnetrale trebuie să se încadreze în limite prescrise
d) La înlocuirea lichidului de frână în instalație pătrunde aer care trebuie eliminat.
Pentru evacuarea aerului din instalație,s deșurubează aerisitorul și se apăsă de câteva ori pe pedală de frâna,evacuându-se atât aer cât și lichid de frână.Se completează lichid de frână în rezervorul pompei centrale.
Această operație se repetă pentru toate roțile autovehicului, începând de obicei cu roată cea mai îndepărtată de pompa centrală.
CAPITOLUL VI
CALCULUL SISTEMULUI DE FRÂNARE AL AUTOVEHICULULUI
6.1 Alegerea anvelopelor și stabilirea caracteristicilor acestora
Anvelopele automobilelor se fabrică într-o mare varietate de tipuri și de dimensiuni, care se realizează în concordanță cu anumite norme și standarde. În țara noastră, standardele stabilesc atât terminologia aferentă acestui domeniu, cât și tipurile și dimensiunile pneurilor. Pe lângă aceastea, există diferite standarde privitoare la condițiile de fabricare și de verificare ale pneurilor.
O caracteristică esențială a unei anvelope o reprezintă capacitatea portantă, care este definită prin încărcarea radială maximă suportată de acesta.
Figura nr. 6.1 – Anvelopă montată pe jantă
La această încărcare se asigură rularea în condiții de siguranță pentru un parcurs dat, în condiții precizate de constructor. Fiind alese numărul de pneuri la fiecare punte, încărcarea statică pe pneu corespunde sarcinii utile maxime calculate a automobilului va fi:
unde este numărul de pneuri la puntea j.
Capacitatea portantă necesară a pneului va fi:
;
unde se alege pentru autoturisme. Din standarde, norme sau cataloage de firmă se alege pneul cu capacitatea portantă astfel ca .
;
Tabelul nr. 6.1 – Indicele de sarcină
Indicele de sarcină s-a ales 85.
Viteza maximă a automobilului s-a impus în tema de proiectare și este de 190 km/h, din tabelul 5.2 se va alege indicele de viteză.
Tabelul nr. 6.2 – Indicele de viteză
Indicele de viteză pentru anvelopa aleasă va fi .
În urma analizei modelelor similare s-a constatat că majoritatea sunt echipate cu anvelope ce au caracteristicile următoare: 205/65R16. De aceea, pentru automobilul proiectat se vor adopta aceleași caracteristici.
Automobilul proiectat va dispune de următoarele anvelope și jante:
anvelope: 205/65R16 85T
jante: 6 ½ J x 16”.
6.2 Determinarea forțelor și momentelor de frânare la punțile automobilului
Figura nr. 6.2 – Forțele care acționează asupra punților automobilului la frânare: – reacțiunea normală la puntea din față, respectiv puntea din spate, [daN]; – forța de frânare care acționează asupra roților din față și din spate, [daN]; – forța de inerție a autovehiculului, [daN]; – greutatea autovehiculului la sarcină maximă, [daN]
Din datele de proiectare avem Ga = 1600 kg și viteza maximă de 220 km/h
Pentru a calcula reacțiunile normale la punți se consideră că în timpul frânării ambele roți ale unei punții ajung simultan la limita de aderență.
Se fac următoarele ipoteze:
se neglijează efectele aerodinamice;
se neglijează momentele de inerție ale roțiilor;
se neglijează rezistența la rulare a automobilului;
automobilul se deplasează în plan orizontal.
Coeficientul de aderență se alege 0.94 pentru anevelope de joasă presiune care rulează pe un drum asfaltat și uscat.
Reacțiunile normale la punți :
Forța de inerție se determină cu formula:
;
Din 4.1 și 4.2 rezultă:
Cu ajutorul reacțiunilor normale se vor calcula forțele de frânare la cele două punți:
Din 6.3 rezultă:
În continuare se va determina valoarea raportului forțelor de frânare la cele două punți:
Repartiția dintre forțele de frânare pe punțile autovehiculului se exprimă cu ajutorul coeficientului de repartiție :
;
Alegerea corespunzătoare a raportului forțelor de frânare pe punți în cazul dispozitivului uzual cu raport constant are în vedere obținerea unui randament cât mai bun al frânării și evitarea blocării roților din spate înaintea roților din față.
În cazul în care roțile din spate se blochează, autovehiculul își pierde stabilitatea. Chiar dacă se blochează roțile ambelor punți, este foarte important ca roțile din față să se blocheze primele, pentru ca autovehiculul să aibă stabilitate. Cu toate că prin blocarea roților din față direcția nu mai poate fi controlată, această situație este mai avantajoasă decât pierderea stabilitații.
Momentul de frânare:
[Nm]
[Nm]
Pentru a determina momentul de frânare trebuie aflată raza de rulare a roții. Anvelopa stabilită este 205/65R16 85T.
;
;
Pentru a afla raza liberă a pneului se va folosi formula:
Unde:
– raportul nominal de aspect, [%];
– lățimea secțiunii pneului, [mm];
– diametrul de așezare al talonului.
Din 6.9 și 6.10 rezultă:
.
Din 4.8 va rezulta momentul de frânare la cele două punți:
6.3 Influența repartiției forțelor de frânare la punți
Performanțele maxime de frânare, decelerația maximă și spațiul minim posibil de frânare, se obțin cand roțile ambelor punți ajung simultan la limita de aderență.
Condițiile de aderență pentru reacțiunile tangențiale la cele două punți ale automobilului sunt:
Unde:
sunt reacțiunile tagențiale la roțile frânate ale celor două punți;
sunt reacțiunile normale corespunzătoare celor două punți.
Relațiile de calcul pentru reacțiunile normale și , se determină din ecuațiile de moment în raport cu punctele și (fig. 6.2).
.
Dacă se ține seama că (ecuația de proiecție a forțelor pe direcșia vitezei), relația 6.11 va deveni:
Se consideră că la ambele punți coeficienții de aderență sunt identici (), astfel inegalitățile 6.11 pot fi scrise sub forma:
Se consideră la limită semnalul egal în relația 6.13 și 6.14, astfel se pot obține ecuațiile a două drepte , variabile fiind:
Pentru un automobil încărcat cu o anumită sarcină și care se deplasează pe un anumit drum, mărimile constante și cunoscute sunt , , , , se va considera pentru patru cazuri: 0.3, 0.5, 0.7 și coeficientul maxim de aderență 0.94. Studierea mai multor situații în care coeficientul de aderență variază, este necesară deoarece condițiile de drum nu sunt mereu aceleași și coeficientul de aderență este variabil în funcție de suprafața căii de rulare.
Din 6.14 și 6.15 rezultă:
Unde: .
6.4. Calculul frânei cu disc de tip deschis
În urma analizei diametrelor discurilor de frână s-a stabilit un diametru exterior de 280 mm pentru discurile din față și 250 mm pentru discurile din spate.
Figura nr. 6.3 – Construcția frânelor cu disc:
a) cu etrier fix: 1 – disc neventilat; 2 – ventil de aerisire; 3 – manșon de protecție; 4 – garnitura de etanșare; 5 – piston; 6 – camera de presiune; 7 – plăcuță cu garnitură de fricțiune; 8 – știft de ghidare pentru plăcuțe;
b) cu etrier flotant: 1 – disc autoventilat; 2 – portetrier; 3-etrier; 4 – plăcuță cu garnitură de fricțiune; 5 – știft de ghidare pentru plăcuțe; 6 – arc de menținere a etrierului pe portetrier;
7 – ventil de aerisire; 8 – piston.
Cu aceste valori se poate determina raza exterioară a discurilor de frână pentru puntea din față și puntea din spate:
Pentru aflarea razei interioare se va ține seama de recomandarea ca raportul dintre raza interioară și raza exterioară să fie cuprins în intervalul: . Pentru discurile punții din față se va alege o valoare a raportului de , iar pentru discurile punții din spate raportul va fi de . Astfel se vor obtine următoarele valori pentru razele interioare ale discurilor celor 2 punți:
Cu razele exterioare și interioare ale discurilor din față și din spate, se pot calcula razele medii:
În continuare se vor calcula forțele normale din ecuația momentului de frânare la cele două punți.
Figura nr. 6.4 – Schema de calcul pentru frâna cu disc de tip deschisă
Se dă următoarea ecuație pentru momentul de frânare:
Unde:
N – forța normală [N];
– coeficientul de frecare dintre disc și garnitură, se va alege 0.4;
– perechi de suprafețe de frecare, 4 pentru cele două roți ale unei punți.
Din 6.19 rezultă forța normală:
După determinarea forței normale se poate afla forța de acționare a pistonului de lucru.
Pentru a calcula forța de acționare a pistonului trebuie cunoscută valoarea coeficientului de frecare dintre bac si corpul cilindrului de acționare, . Se recomandă ca valoarea acestuia să se regăsească în intervalul (0.05..1). Se alege valoarea de:
Forța de acționare a pistonului se va calcula, pentru ambelor punți, cu formula:
Coeficientul de eficacitate al frânei cu disc de tip deschis fără efect servo este:
6.5 Calculul transmisiei hidraulice
Figura nr. 6.5 – Schema pentru calculul transmisiei hidraulice
1 – pompa centrală; 2 – cilindrii receptori ai frânelor față; 3 – cilindrii receptori ai frânelor spate; 4 – conducte de legatură
Calculul se face pornind de la forțele necesare pentru acționarea bacurilor.
Pentru a determina diametrul cilindrului de lucru, , se va alege în prealabil presiunea lichidului .
Astfel, , și
Forța la pedală care realizează cu ajutorul cilindrului principal presiunea din circuitul hidraulic, se determină cu relația:
Unde:
– raportul de transmitere al pedalei, se recomanda ca acesta să se aleagă din intervalul , astfel se alege ;
– raportul de transmitere hidraulic
– randamentul transmisiei hidraulice dependent de presiunea lichidului de lucru, acesta variază între .
Raportul transmisiei hidraulice pentru cele două punți este:
În continuare se va calcula cu formula 6.23 valoarea forței de apăsare a pedalei :
Forța maximă admisibilă la pedala de frână este de 50…65 daN, în funcție de dispunerea elementului de comandă în raport cu scaunul conducătorului. Datorită faptului că numărul frânărilor intensive nu depășește 5…10% din numărul total al frânărilor, forța la pedală se admite cu mult mai mare decât în cazul ambreiajelor.
Se va opta pentru o forță la pedală de 65 daN.
6.6 Verificarea solicitărilor mecanice ale mecanismului de frânare
Se vor determina parametri ce reflectă solicitările care apar în zona de contact plăcuță cu garnitură de fricțiune – disc. Acestia sunt: presiunea pe suprafața garniturii de fricțiune, lucru mecanic specific de frecare, puterea specifică și încărcarea specifică a garniturii de fricțiune.
6.6.1 Presiunea pe suprafața garniturii de fricțiune
Durabilitatea garniturilor de fricțiune este influențată de presiunea pe suprafața lor. La frânele cu disc se admite că presiunea este uniformă și se consideră o presiune medie care se calculează cu relația:
Unde:
reprezintă semiunghiul la centru al garniturii de fricțiune;
raza interioară a discului;
raza exterioară a discului;
forța normală de apăsare a plăcuțelor.
Se recomandă ca . Semiunghiul la centrul garniturii de fricțiune s-a ales , .
Din 6.24 rezultă:
6.6.2 Lucrul mecanic specific de frecare
Se determină cu ajutorul relației 6.25:
Unde:
lucrul mecanic al forțelor de frânare;
suprafața garniturilor de fricțiune.
Unde:
– numărul suprafețelor de frecare la o singură punte, .
Lucrul mecanic specific se va calcula pentru două viteze: și viteza maximă a automobilului:
6.6.3. Puterea specifică de frânare
Puterea de frânare necesară frânării unui automobil de masă de la viteza maximă până la oprire, cu decelerația maximă este dată de relația:
Puterea specifică de frânare se determină cu relația:
Unde:
coeficientul de distribuire a forței de frânare pe punte, și ;
decelerația maximă, se alege ;
viteza maximă, 220 = 61,10.
6.6.4. Încărcarea specifică a garniturii de fricțiune
Aceasta permite aprecierea solicitării garniturilor de fricțiune în locul puterii sppecifice de frânare și se determină cu relația:
Din 6.30 rezultă:
6.7 Mentenanța sistemului de frânare
6.7.1 Modificarea stării tehnice
Sistemul de frânare este esențial pentru siguranța pasagerilor deoarece acesta trebuie să raspundă imediat și cu exactitate de fiecare dată când este apăsată pedala de frâna. Tamburii, plăcuțele, discurile și saboții sunt cele mai importante componente. Fiecare are o funcție specifică și împreună contribuie la frânare și la oprirea autovehiculului.
Modificarea stării tehnice a unei componente din sistemul de frânare poate duce, în unele cazuri, la scoaterea din funcțiune a sistemului. Defecțiunile ce pot apărea la componentele sistemului de frânare sunt:
Pedala de frână:
griparea pârghiilor;
ruperea arcului de rapel;
înmuierea arcului de rapel.
Servomecanismul vacuumatic:
fisurarea membranei;
înmuierea arcului membranei;
ruperea arcului membranei;
neetanșeități la nivelul furtunului și racordurilor de la depresiunea din colectorul de admisie sau de la pompa suplimentară de vacuum în cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare.
Pompa centrală de frână:
înfundarea orificiului de comunicare cu atmosfera;
blocarea dispozitivului cu supape ( supapa de evacuare, supapa de reținere, uzarea arcurilor, uzarea garniturilor);
înfundarea orificiilor din piston;
înmuierea arcului supapei de reținere;
fisurarea sau spargerea rezervorului de lichid;
neetanșeități.
Conducte și racorduri:
fisurarea sau spargeri ale conductelor;
obturarea sau gâtuiri ale conductelor;
neetanșeități.
Mecanismul de frânare:
deteriorare garniturilor de etanșare;
griparea pistonașelor;
uzarea garniturilor de fricțiune;
uzarea duscului de frână.
Întreținerea sistemului de frânare cu acționare hidraulică
Întreținerea sistemului de frânare cu acționare hidraulică cuprinde următoarele lucrări:
controlul etanșeității instalației hidraulice;
verificarea și completarea nivelului lichidului din rezervorul pompei centrale;
verificarea și reglarea jocului dintre tija și pistonul pompei centrale;
evacuarea aerului din instalație;
verificarea uzurii garniturilor de frânare;
verificarea și reglarea jocului dintre saboți și tambur.
6.7.2 Reglajele
Pentru a asigura un randament ridicat sistemului de frânare, se recomandă efectuarea periodică a unor serii de reglaje:
Reglarea cursei libere a pedalei de frână;
Reglarea cursei libere a dipozitivului de comandă al frânei de staționare;
Reglarea frânei de mână
Aceasta reglare se efectuează după reglarea frânei de serviciu, procedându-se astfel:
se ridică autoturismul;
se slăbește frâna de mână;
se deșurubează piulițele tijei frânei de mână;
se strânge piulița până ce saboții vin ușor în contact cu tamburul;
se blochează piulițele.
6.8 Diagnosticarea sistemului de frânare. Metode de diagnosticare
Se vor prezenta trei moduri diferite de diagnosticare: testul de drum, inspecție vizuală și standul cu rulouri.
Testul de drum:
Aceasta este cea mai raspândită metodă pentru verificarea sistemului de frânare. În timpul diagnosticării tehnicianul conduce autovehiculul, apasă pedala de frână și aprecieză anumiți parametri. Acest test poate fi efectuat pe drumurile publice sau în curtea unui atelier de reparații.
Testul pe drum, deși este cel mai răspândit test pentru frână, dar este cel mai imprecis test deoarece se bazează pe experiența conducătorului și pe aprecierile acestuia.
Pentru a îmbunătați rezultatele testului, cele mai sofisticate teste pe drum sunt efectuate pe suprafețe măsurate, pe drumuri nefolosite. Recomandările constructorilor recomandă ca aceste teste să se efectueze la o viteză de aproximativ . Conducătorul observă comportamentul autovehiculului: vibrații, zgomote și va masura distanța de frânare.
Această metodă prezintă o serie de avantaje și dezavantaje:
Avantaje:
fiind un test dinamic tehnicianul observă exact ce se întâmplă cu autovehiculul;
dacă este masurată distanța de frânare se pot interpreta exact rezultatele;
cost redus.
Dezavantaje:
se bazează mult pe aprecierea, experiența și îndemanarea conducătorului;
viteza, forța la pedală, momentul frânării variază de la o încercare la alta;
diagnosticarea pe drum depinde foarte mult de condițiile de drum și vreme.
Inspecția vizuală:
Este cea mai comună metodă de verificare a sistemului de frânare, efectuându-se rapid și constând în verificarea tuturor roților. Avantajele și dezavantajele acestei metode sunt:
Avantaje:
tehnicianul observă și monitorizează sistemul de frânare, această metodă fiind singura în care se poate observa grosimea discurilor și a plăcuțelor. Chiar și în cazul vehiculelor cu indicatori de uzură, o inspecție vizuală reprezintă o metodă sigură de verificare a sistemului de frânare;
în timpul inspecției vizuale, tehnicianul poate observa defecte ale discului, plăcuțelor de frână, scurgeri de lichid de frână (datorită unor ruperi sau deteriorări ale furtunelor și conductelor de frână);
tehnicianul poate compara uzarea.
Dezavantaje:
pe lângă măsurarea indicatorilor de uzare, rezultatele inspecției vizuale sunt adesea subiective; dacă nu se stabilesc standarde pentru acești indicatori, este dificilă stabilirea unei uzuri acceptabile;
nu se poate realiza verificarea funcționării sistemului de frânare în cadrul inspecției vizuale, de aceea sistemul de verificare vizuală este insoțit de cele mai multe ori de un test rapid de drum.
Standul cu rulouri:
Standul cu role este un dispozitiv foarte folosit în atelierele de diagnosticare. Acesta este format din două role comandate de motoare electrice în podeaua atelierului. Sistemul testează forța de frânare a fiecărei punți.
Sunt și standuri cu patru role, fiind capabile să testeze punțile față-spate simultan. De obicei ruloul din față este fix, iar cel din spate este mobil pentru a putea fi reglat în funcție de ampatamentul autovehiculului.
În timpul testării, vehiculul este așezat pe rulouri la o vitează de (viteză recomandată de constructor), roțile autovehiculului sunt învârtite cu ajutorul standului, se acționează frâna, iar standul cu rulouri măsoară forța de frânare pentru fiecare roată. Rezultatele sunt afișate pe un monitor ce echipează standul de frânare. Unele standuri, oferă grafice care furnizează informații despre forța de frânare pentru fiecare roată în funcție de timp si forța de apăsare la pedală.
Avantaje:
furnizează informații precise în urma măsurătorilor;
tehnicianul poate menține constantă forța de apăsare a pedalei de frână, atât timp cât este necesar pentru a verifica sistemul de frânare;
această metodă facilitează depistarea problemelor ce țin de ovalitatea discurilor;
având în vedere faptul că sistemul de frânare se încalzește, este posibil să se identifice și probleme legate de eficacitate și supraîncălzire.
Dezavantaje:
principalul dezavantaj îl constituie imposibilitatea de a ține cont de încărcarea la punți; în consecință standul nu poate măsura dezechilibrul real între puntea din față și cea din spate;
sistemul nu poate verifica cu acuratețe performanțele tuturor componentelor active în timpul procesului de frânare;
deoarece testarea se realizează la viteze mici nu se pot diagnostica sistemele auxiliare ale sistemului de frânare (exemplu: ABS);
nu pot fi testate autovehiculele cu tracțiune integrală;
deoarece sistemul este încastrat în podea, este dificil de reamplasat datorită costurilor ridicate.
CONCLUZII
Sistemele de frânare cunosc o dezvoltare continuă, astfel încât să asigure o securitate cât mai mare la frânare, indiferent de starea carosabilului, de viteză și alți factori.
Având în vedere viteza medie de deplasare care crește de la an la an, ABS-ul a devenit un sistem de siguranță activă care devine indispensabil automobilelor moderne. Din acest motiv din ce în ce mai mulți producători oferă sistemele ABS ca dotare standard pentru automobile.
La un autovehicul echipat cu ABS, pentru a obține eficiență de frânare maximă, este necesară o apăsare fermă și constantă asupra pedalei de frână, fără “pomparea” acesteia.
Este important să avem în permanenta în vedere că, oricat de bine puse la punct ar fi aceste sisteme, ele nu pot depăși limitele impuse de legile fizicii și mai ales de cele ale aderenței roților la sol. Chiar dacă în anumite situații se pot dovedi salvatoare în depășirea unor situații delicate, simplul fapt că mașina pe care o conducem are în dotare toate sistemele menționate nu trebuie să ne determine să o conducem mai “înțepat”.
La frânare, intregul sistem este supus unor sarcini enorme. Sistemul de frânare al unui autoturism de clasă medie ce frânează de la 130 km/h, spre exemplu, trebuie să dezvolte o putere de frânare de 500 kW. Avand o putere de, să zicem, 50 kW, puterea necesară frânării trebuie să fie astfel de 10 ori mai mare ca cea dezvoltată de motor. Între plăcuțele și discul de frână se pot atinge, prin urmare, temperaturi de câteva sute de grade iar puterea de frânare necesară este transmisă prin intermediul lichidului de frână sub presiune.
Condițiile din trafic impun însă o frânare diferită a autoturismului. Șoferul se bazează pe o funcționare ireproșabilă a frânelor dar așteaptă și un confort sporit: răspuns rapid, dozare optimă, fără sunete deranjante și bineințeles de fiecare dată randamentul necesar. Componentele sistemului de frânare sunt supuse influențelor factorilor naturali: umezeală, frig, sare și praf.
Chiar și o scurtă apăsare a pedalei de frână poate cauza blocarea roților autovehiculului, până și pe un carosabil uscat. Roțile blocate nu pot reacționa la forțe laterale și în consecință autovehiculul nu poate vira în timp ce frânează.
ABS-ul recunoaște tendința uneia sau mai multor roți de a se bloca și menține constantă sau reduce presiunea de frânare și astfel roțile nu se blochează. Vehiculul rămâne manevrabil în timpul frânării iar șoferul poate alege traiectoria dorită.
Atunci când este acționată frâna, pompa de frână și amplificatorul servo crează presiunea de frânare necesară. Unitatea de comandă, ce monitorizează permanent situația sistemului de frânare și a senzorilor de rotație, intervine dacă sesizează tendința de blocare a uneia sau mai multor roți, intervenind și reglând presiunea independent pe fiecare roată.
BIBLIOGRAFIE
Stoicescu, A. – „Proiectarea performațelor de tracțiune și de consum ale automobilelor”, Editura Tehnică, Bucuresti, 2007
Potancu, Hara, Tabacu – “Automobile”, Editura Tehnică, București, 1986
Andreescu, C. – „Dinamica Autovehiculelor”, Notițe curs, 2008
Frățilă, Gh. – „Calculul și construcția automobilelor ”, București, 1977
Frățilă, Gh. , Mărculescu, Gh. – „Sisteme de frânare ale autovehiculelor”, Editura Tehnică, București, 1986
Untaru, M. Frățilă, Gh. Poțincu, Gh. Seitz, N. Tabacu, I. Pereș, Gh. Macarie, T – “ Calculul și construcția automobilelor” – Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982
Mateescu, V. – „Sisteme de direcție, frânare și suspensie”, Notițe curs, 2008
Stratulat, M., Andreescu, C. – „Diagnosticarea Automobilului”, Editura Societatea Știință și Tehnică, Bucuresti 1992
Anghelache, G. – „Mentenanța autovehiculelor”, Notițe de curs, 2009
Marincaș, D., Abăitancei, D. – „Fabricarea și repararea autovehiculelor rutiere”, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982
Constantin, V., Palade, V. – „Organe de mașini și mecanisme vol. I”, Editura Fundației Universitare „Dunărea de jos”, Galați, 2004
Manea, Gh. – „Organe de mașini”, Editura Tehnică, București, 1970
http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_car
http://osiyolink.net/?p=48#more-48
http://autoturism.rdslink.ro/ist.htm
http://www.khulsey.com
http://www.the-blueprints.com
http://www.topcarguide.com
http://carspector.com
http://www.cars-of-europe.com/katalog/index.shtml
http://www.ultimatespecs.com
http://autofinanciar.ro
http://www.autoevolution.com/cars
http://www.carpages.co.uk/guide
http://km77.com
http://www.zf.com
http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?Termen=ABS+-Sistem+de+franare+antiblocare+SSID18
http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/41-sistem-abs-frane-auto.html
http://www.tigra.ro/forum/articole-si-tutoriale/14188-sistemul-anti-blocare-abs.html
http://ro.wikipedia.org/wiki/ABS
http://www.autosaga.ro/lectia-auto/abs-sistem-de-siguranta.html
http://www.4tuning.ro/tehnica-auto/cum-functioneaza-sistemul-de-franare-cu-abs-10498.html
http://img8.imageshack.us/img8/5236/cursabs.pdf
http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/41-sistem-abs-frane-auto.html
http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?Termen=ABS+-Sistem+de+franare+antiblocare+SSID18
http://www.khulsey.com
http://wikicars.org/en/Anti-Lock_Brakes_%28ABS%29
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
http://www.carbibles.com/brake_bible.html
http://www.ate.euromediahouse.de
http://www.bosch.com
http://comymanele.xhost.ro/istorie.htm
http://www.drivingfast.net/technology/ABS.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
http://www.prealign.com/images/brakes111.jpg
BIBLIOGRAFIE
Stoicescu, A. – „Proiectarea performațelor de tracțiune și de consum ale automobilelor”, Editura Tehnică, Bucuresti, 2007
Potancu, Hara, Tabacu – “Automobile”, Editura Tehnică, București, 1986
Andreescu, C. – „Dinamica Autovehiculelor”, Notițe curs, 2008
Frățilă, Gh. – „Calculul și construcția automobilelor ”, București, 1977
Frățilă, Gh. , Mărculescu, Gh. – „Sisteme de frânare ale autovehiculelor”, Editura Tehnică, București, 1986
Untaru, M. Frățilă, Gh. Poțincu, Gh. Seitz, N. Tabacu, I. Pereș, Gh. Macarie, T – “ Calculul și construcția automobilelor” – Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982
Mateescu, V. – „Sisteme de direcție, frânare și suspensie”, Notițe curs, 2008
Stratulat, M., Andreescu, C. – „Diagnosticarea Automobilului”, Editura Societatea Știință și Tehnică, Bucuresti 1992
Anghelache, G. – „Mentenanța autovehiculelor”, Notițe de curs, 2009
Marincaș, D., Abăitancei, D. – „Fabricarea și repararea autovehiculelor rutiere”, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1982
Constantin, V., Palade, V. – „Organe de mașini și mecanisme vol. I”, Editura Fundației Universitare „Dunărea de jos”, Galați, 2004
Manea, Gh. – „Organe de mașini”, Editura Tehnică, București, 1970
http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_car
http://osiyolink.net/?p=48#more-48
http://autoturism.rdslink.ro/ist.htm
http://www.khulsey.com
http://www.the-blueprints.com
http://www.topcarguide.com
http://carspector.com
http://www.cars-of-europe.com/katalog/index.shtml
http://www.ultimatespecs.com
http://autofinanciar.ro
http://www.autoevolution.com/cars
http://www.carpages.co.uk/guide
http://km77.com
http://www.zf.com
http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?Termen=ABS+-Sistem+de+franare+antiblocare+SSID18
http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/41-sistem-abs-frane-auto.html
http://www.tigra.ro/forum/articole-si-tutoriale/14188-sistemul-anti-blocare-abs.html
http://ro.wikipedia.org/wiki/ABS
http://www.autosaga.ro/lectia-auto/abs-sistem-de-siguranta.html
http://www.4tuning.ro/tehnica-auto/cum-functioneaza-sistemul-de-franare-cu-abs-10498.html
http://img8.imageshack.us/img8/5236/cursabs.pdf
http://www.e-automobile.ro/categorie-dinamica/41-sistem-abs-frane-auto.html
http://www.enciclopedie-auto.ro/termen/default.asp?Termen=ABS+-Sistem+de+franare+antiblocare+SSID18
http://www.khulsey.com
http://wikicars.org/en/Anti-Lock_Brakes_%28ABS%29
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
http://www.carbibles.com/brake_bible.html
http://www.ate.euromediahouse.de
http://www.bosch.com
http://comymanele.xhost.ro/istorie.htm
http://www.drivingfast.net/technology/ABS.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Anti-lock_braking_system
http://www.prealign.com/images/brakes111.jpg
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Proiectarea Unui Sistem de Franare a Unui Autovehicul (ID: 163247)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.