Na początku lat sześćdziesiątych, gdy w biurach konstrukcyjnych ukształtowały się współczesne koncepcje budowy samochodów ciężarowych i autobusów, praktycznie nie istniał problem sposobu hamowania. Rozwiązania konstrukcyjne układów hamulcowych wówczas stosowane w pełni spełniały wymagania bezpiecznego poruszania się po drogach. Jednakże w miarę upływu lat nastąpiło gwałtowne przyspieszenie postępu technicznego tak w konstrukcji, jak i technologii. Przyczyniło się to do wielkich zmian w budowie samochodów ciężarowych i autobusów. Obecnie eksploatowane pojazdy - w porównaniu do swoich poprzedników sprzed dwudziestu bądź trzydziestu lat -posiadają jednostki napędowe o większych mocach, pozwalające na transport dużej ilości ładunków przy większych prędkościach przewozowych. Spowodowało to jednak znacznie większe obciążenia hamulców w tych samochodach.
Pamiętać należy, że dwukrotny wzrost prędkości samochodu powoduje czterokrotny wzrost jego energii kinetycznej. Podczas hamowania energia ta nie zanika, lecz zamienia się prawie w całości w energię cieplną, którą trzeba z kolei w jakiś sposób odprowadzić do otoczenia.
W międzyczasie konstrukcje układów hamulcowych również zostały znacznie unowocześnione i są o wiele bardziej efektywne, lecz niestety ograniczenia konstrukcyjne powodują, że nawet w najnowocześniejszych samochodach - w niektórych ekstremalnych przypadkach - i one są niewystarczające. W efekcie zagrożone może być bezpieczeństwo kierowców, pasażerów oraz innych uczestników ruchu lub otoczenia naturalnego.
Aby zmniejszyć to niebezpieczeństwo, już w latach siedemdziesiątych Europejska Komisja Gospodarcza ECE wprowadziła przepisy nakazujące producentom samochodów ciężarowych, autobusów turystycznych i samochodów przewożących ładunki niebezpieczne zainstalowanie w swoich pojazdach dodatkowych hamulców, działających niezależnie od hamulców zasadniczych i je odciążające. Osobne przepisy określają wymagania, jakie te hamulce muszą spełniać. Podstawowym warunkiem, dopuszczającym ich zastosowanie jest możliwość ciągłego użycia podczas długotrwałego zjazdu ze wzniesień. Stąd określane są one jako “hamulce długotrwałego działania”.
Na podstawie doświadczeń producentów samochodów, uzyskanych po latach prób i eksploatacji, stwierdzono ponadto, że zastosowanie hamulców długotrwałego działania, spowodowało mniejsze zużycie elementów w układach hamulców zasadniczych. Stało się to dzięki zmniejszeniu ich odciążenia i ma wpływ na poprawę bezpieczeństwa jazdy oraz obniżenie kosztu eksploatacji pojazdów.
W krajach Europy zachodniej hamulce długotrwałego działania są już w powszechnym użyciu. W Polsce dopiero od niedawna są one instalowane w nowo projektowanych i produkowanych pojazdach. Powoduje to, że wiedza na ten temat jest w naszym kraju mniej powszechna.
Praca niniejsza ma na celu przedstawić problem stosowania hamulców długotrwałego działania w środkach transportu, rodzaje obecnie stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, oraz perspektywy ich rozwoju. Ponadto przeprowadzona została próba określenia algorytmu, według którego konstruktor może dokonać doboru właściwego hamulca do projektowanego przez siebie pojazdu. Wyniki doboru hamulca z wykorzystaniem algorytmu potwierdzono dodatkowo obliczeniami w części projektowej pracy. Te same obliczenia zostały wykonane również za pomocą programu komputerowego, udostępnionego przez producenta hamulców długotrwałego działania. Rozbieżności w otrzymanych wynikach stanowiły przedmiot analizy i posłużyły do wysunięcia wniosków.

1

1. CEL STOSOWANIA HAMULCÓW DŁUGOTRWAŁEGO DZIAŁANIA

Mechanizm hamulcowy jest tym zespołem układu hamulcowego pojazdu, w którym podczas hamowania zachodzi przemiana energii kinetycznej w energię cieplną. Wywiązujące się wówczas znaczne ilości ciepła odprowadzane są do otoczenia. Zazwyczaj wystarcza to do utrzymywania stosunkowo niskiej temperatury na powierzchni styku elementów trących i ich samych. Zdarza się jednak, że temperatury te potrafią przekraczać bezpieczne granice. W warunkach normalnych temperatury okładzin ciernych wahają się w granicach od 40° do 200° C, w zależności od warunków użytkowania. Największe temperatury przy zjazdach z długich pochyłości mogą osiągać 350°C i więcej. Tak wysokie temperatury powodują występowanie wielu niekorzystnych zjawisk tj.: [28]

1) fading czyli zjawisko polegające na spadku współczynnika tarcia [m] pomiędzy materiałem ciernym i bębnem lub tarczą hamulca co powoduje zmniejszenie momentu hamowania (rys. 1.1),
2) odkształcenia cieplne bębna hamulcowego - powodują nieprawidłowe przyleganie okładziny do powierzchni bębna (przesadnie przedstawiono to na rys. 1.2 ),

3) przyspieszone zużywanie się okładzin ciernych szczęk lub klocków hamulcowych (rys. 1.3)

4) pęknięcia powierzchniowe bieżni ciernej w bębnach hamulcowych (rys. 1.4). Naprawa uszkodzenia przez wytaczanie jest niemożliwa. Konieczna wówczas jest wymiana bębna na nowy.

5) powstawanie pęcherzy parowych w przewodach hamulców hydraulicznych czego skutkiem może być częściowy, a nawet całkowity zanik siły hamowania.

Aby ustalić, kiedy elementy mechanizmu hamulcowego nagrzewają się najwięcej, należy różnorodne formy przebiegu hamowań uporządkować i ustalić typowe przebiegi.

Proces hamowania może być realizowany jako:

- hamowanie jednorazowe - przeważnie krótkotrwałe, powodujące całkowite zatrzymanie się pojazdu,

- hamowanie wielokrotne - powtarzane w pewnych okresach czasu (prze-bieg charakterystyczny dla jazdy miejskiej),

- hamowanie długotrwałe ciągłe [28].

Elementy mechanizmu hamulcowego najbardziej nagrzewają się przy drugim i trzecim przebiegu hamowania. Aby ograniczyć częstotliwość użycia hamulca zasadniczego w tych okresach, pojazdy samochodowe wyposaża się w dodatkowy układ hamulcowy. Jest to tzw. hamulec długotrwałego działania (zwalniacz). Coraz częściej w nazewnictwie technicznym określany jest również angielska nazwą “retarder”.
Zastosowanie w samochodach ciężarowych i autobusach hamulców pomocniczych długotrwałego działania spowodowane zostało potrzebą zachowania płynności ruchu tych pojazdów w terenie górzystym, przy jednoczesnym odciążeniu głównego układu hamulcowego. Zwalniacze działają na układ napędowy pojazdu z pominięciem mechanizmu hamulcowego.
Na rys. 1.5 pokazano zmianę energii potencjalnej przy zjeździe z góry przy stałej prędkości vx. Układ hamulcowy z powodu swych własności fizycznych działa skutecznie tylko w obszarze oznaczonym kolorem żółtym. Aby jeździć w obszarze oznaczonym kolorem czerwonym, trzeba dysponować skutecznym hamulcem dodatkowym. Prawdziwe hamulce długotrwałego działania muszą umożliwiać rozwinięcie takich właśnie mocy hamowania.
Zwalniacze stosowane są w samochodach ciężarowych o dużych masach całkowitych oraz w autobusach turystycznych, zwłaszcza poruszających się na długich i górzystych trasach (trzeci rodzaj przebiegu hamowania). Jak wspomniano, silne nagrzewanie się hamulców występuje również w ruchu miejskim. W tym przypadku wielokrotne, częste hamowanie wykonywane jest również za pomocą zwalniaczy. Z tego powodu zwalniacze montowane są w autobusach komunikacji miejskiej, pojazdach komunalnych, pojazdach zaopatrzenia itp.

Z porównania tego wynika, że w miarę wzrostu masy samochodu, zmniejsza się stosunek powierzchni okładzin do masy pojazdu. Zrozumiałe są więc trudności w odprowadzeniu ciepła wywiązującego się podczas hamowania ciężkich pojazdów na długich spadkach.
Potrzebę odciążenia hamulców zasadniczych ponadto uzasadnić można, porównując masę i efektywność pracy silnika napędowego oraz hamulców. Otóż masa całkowita układu hamulcowego nie przekracza przeciętnie 25 % masy silnika, natomiast chwilowe moce pochłaniane przez hamulec przekraczają 3…5 krotnie moce maksymalne silnika. Tak więc współczynniki mocy jednostkowych odniesione do masy pozostają we wzajemnym stosunku znacznie na niekorzyść hamulców.
Z podstawowych obliczeń mocy potrzebnej do wyhamowania pojazdu wynika, że jej wartość potrafi niekiedy być nawet czterokrotnie większa od mocy maksymalnej silnika samochodu.
Oprócz dodatniego wpływu na zwiększenie bezpieczeństwa w ruchu drogowym, zwalniacze wywierają korzystny wpływ na ekonomikę transportu przez stworzenie możliwości utrzymania wyższej średniej prędkości przejazdu na drogach górzystych oraz zmniejszenie kosztów napraw, na skutek kilkukrotnego wydłużenia okresu żywotności okładzin ciernych. Jest to bardzo ważne dla pojazdów ciężkich, w przypadku których liczą się nie tylko koszty nowych okładzin i ich wymiany, ale również straty finansowe, związane z wyeliminowaniem pojazdu z eksploatacji.
Zwalniacze są hamulcami o stosunkowo niewielkiej skuteczności działania. Uzyskiwane przy ich użyciu maksymalne opóźnienia są rzędu 1,5…2 m/s2. Wystarczy to do utrzymania podwyższonej szybkości pojazdu podczas długich i częstych przyhamowań podczas jazdy w ruchu miejskim. Wykluczają jednak w normalnych warunkach eksploatacji możliwość zablokowania kół osi napędzanej, na które zwalniacze przenoszą siły hamowania. Na rysunku 1.6 przedstawiony został wykres opóźnień samo-chodu ciężarowego o masie 13 ton. Daje to pogląd o występujących wielkościach tych sił, na które składają się opory: toczenia, powietrza, wewnętrzne silnika oraz włączonego zwalniacza.

Dotychczas układy sterowania zwalniaczy były oddzielone od układów uruchamiających hamulce zasadnicze. Obecnie coraz częściej dąży się do automatycznego łączenia pracy hamulców zasadniczych ze zwalniaczami (przy normalnym hamowaniu). Hamowanie rozpoczyna się wówczas od włączenia zwalniacza, natomiast hamulce zasadnicze zostają uruchomione dopiero wtedy, gdy zwalniacz nie ma już możliwości uzyskania niezbędnej siły i opóźnienia hamowania [28].

W niektórych krajach europejskich (Niemcy, Francja, Wielka Brytania) istnieje obowiązek stosowania dodatkowych hamulców długotrwałego działania w dużych samochodach ciężarowych i autobusach turystycznych. Zastosowany w pojeździe zwalniacz musi spełniać normy określające jego własności. Określają one, że w pełni obciążony pojazd ze zwalniaczem, bez użycia hamulców zasadniczych, powinien utrzymywać stałą prędkość nie przekraczającą 30 km/godz., na drodze o siedmioprocentowym spadku i długości 6 km [28].

rozdział 2 >>>