CC BY
31
УДК 629.113.001
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-181-186
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ «УВЛАЖНЕННОСТИ» ТОРМОЗНЫХ ЖИДКОСТЕЙ НА СНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КИПЕНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА
© Е.В. Носова1, Н.А. Демин2, А.С. Погуляев3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены результаты экспериментальных исследований показателей качества работавших тормозных жидкостей марки Mercedes Benz 331.0 класса DOT 4 («увлажненных» в процессе эксплуатации естественным способом из-за гигроскопичности жидкостей). Тормозные жидкости отбирались из автомобилей, эксплуатируемых в условиях холодного климата. Определялись содержание воды методом рефракции и температура кипения жидкости стандартным лабораторным методом. Установлено, что даже при незначительном превышении рекомендуемого срока замены тормозной жидкости содержание воды в ней увеличивается выше допустимых значений (3,5%), а величина температуры кипения «увлажненной» тормозной жидкости значительно снижается ниже предельно допустимых значений (180°C).
Ключевые слова: тормозная динамика автомобиля, тормозная жидкость, показатель преломления света, метод рефракции, температура кипения тормозной жидкости, срок замены тормозной жидкости.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECT OF BRAKE FLUID "HUMIDIFICATION" ON THE BOILING TEMPERATURE DROP UNDER VEHICLE OPERATION IN COLD CLIMATES E.V. Nosova, N.A. Demin, A.S. Pogulyaev
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper introduces the results of experimental studies of quality indicators of worked brake fluids of 331.0 Mercedes Benz brand DOT4 class (naturally "humidified" under operation due to the hygroscopic properties of liquids). The brake fluids were sampled from the vehicles operated in cold climates. The content of water was determined by the refraction method while the liquid boiling temperature - by a standard laboratory method. It has been found that even a slight ex-ceedence in the recommended replacement term of brake fluid causes the increase of the water content in it above the permissible values (3.5%), while the boiling point of the "humidified" brake fluid significantly reduces below the maximum permissible values (180°C).
Keywords: vehicle braking dynamics, brake fluid, light refraction index, refraction method, brake fluid boiling point, brake fluid life
Важной функцией активной безопасности автомобиля является соответствие тяговой и тормозной динамики транспортного средства дорожным и климатическим условиям. Тормозная динамика автомобиля влияет как на величину остановочного пути, который должен быть наименьшим, так и на возможность водителя очень гибко выбирать необходимую интенсивность торможения. Тяговая динамика в значительной степени влияет на уверенность водителя в таких дорожно-
транспортных ситуациях, как обгон, объезд, переезд перекрестков и пересечение автомобильных дорог, то есть при маневрировании.
На тормозную динамику автомобиля большое влияние оказывает качество тормозной жидкости. Например, при многократных торможениях во время движения по городу, то есть при отсутствии обдува тормозных механизмов, температура тормозной жидкости может превышать 200°С [2]. Такая температура может привести к
1Носова Евгения Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, e-mail: nosova@istu.edu
Nosova Evgenia, Candidate of Engineering sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, e-mail: nosova@istu.edu
2Демин Никита Александрович, магистрант, e-mail: nik1993_93@list.ru Demin Nikita, Master's degree student, e-mail: nik1993_93@list.ru
3Погуляев Андрей Сергеевич, магистрант, e-mail: crip_a@mail.ru Pogulyaev Andrei, Master's degree student, e-mail: crip_a@mail.ru
закипанию тормозной жидкости, и накопленная за период эксплуатации влага перейдет в паровое состояние, что приведет к потере способности передавать требуемое давление от педали к тормозным колодкам. В зимнее время эксплуатации накопленная влага приводит к увеличению вязкости жидкости и применению дополнительных усилий при нажатии на педаль тормоза. Например, гигроскопичность тормозной жидкости класса DOT 4 может привести к снижению температуры кипения за год эксплуатации автомобиля с 240 до 130— 140°C [3].
В процессе эксплуатации автомобиля резиновые уплотнения могут чрезмерно разбухать, давать усадку, терять эластичность и прочность, что также является одной из причин попадания влаги в тормозную жидкость. Накопление влаги создает условия и для развития электрохимической коррозии в гидроприводе тормозной системы, так как в ней имеются детали из стали, чугуна, алюминия, латуни и меди.
Все вышеперечисленные причины влияния накопления влаги в тормозной жидкости на снижение эффективности тормозной динамики показывают, что необходимо контролировать количество влаги в тормозной жидкости. Делать это нужно не только в процессе эксплуатации, но и после длительного хранения новых автомобилей на открытых стоянках. Например, официальным дилерам компании Mercedes Benz рекомендовано при хранении новых автомобилей на открытых площадках измерять количество влаги в тормозной жидкости каждые шесть месяцев, а через год хранения заменять тормозную жидкость на новую без всякого контроля.
Исследование влияния изменения качества тормозной жидкости на тормозные свойства автомобиля были проведены в Вашингтонском университете в сотрудничестве с Министерством транспорта США. Определялась температура тормозных деталей при экстренных торможениях, при разном содержании влаги в тормозной жидкости: тормозную жидкость экспериментально «увлажняли» путем добавления в
нее от 1 до 5% воды, замеряли температуру кипения тормозной жидкости. Далее замеряли температуру основных составляющих тормозной системы (тормозной диск, тормозные колодки, рабочий тормозной цилиндр) при моделировании экстренного торможения. Было доказано, что изменение температуры кипения «увлажненной» тормозной жидкости влияет на увеличение температуры тормозных деталей, что в свою очередь влияет на эффективность торможения, которую оценивали по снижению прилагаемой силы на динамометре, закрепленном между автомобилем и тягачом [5]. Данные исследования показывают актуальность и необходимость определения содержания влаги и температуры кипения тормозной жидкости в процессе эксплуатации и хранения автомобилей.
В России нет единого стандарта, регламентирующего показатели качества тормозных жидкостей, и отечественные производители работают по техническим условиям, разработанным с учетом международных стандартов DOT.
Спецификация DOT, предложенная американским Департаментом транспорта (Department of Transport), нормирует минимальные требования к тормозным жидкостям в соответствии с американским федеральным стандартом FMVSS № 116 «Тормозные жидкости для автомобилей». Международные стандарты нормируют минимальные требования к следующим показателям:
• температура кипения «сухой» жидкости (тормозная жидкость, выпущенная производителем);
• температура кипения «увлажненной» жидкости (тормозная жидкость, залитая и некоторое время проработавшая в автомобиле);
• вязкость, мм2/с, при -40°C;
• вязкость, мм2/с, при 100°C.
Большинство фирм-производителей
автомобилей, в том числе Mercedes-Benz, регламентируют минимальное значение снижения температуры кипения жидкости. Так, допустимым значением для автомобилей марки Mercedes считается снижение
температуры кипения тормозной жидкости с 260 до 200°C (что примерно соответствует 3% содержания воды в тормозной жидкости). Предельным допуском для тормозных жидкостей Mercedes Benz класса DOT 4 Plus является снижение температуры кипения до 180°C (что соответствует 3,5% содержания воды), после чего рекомендуется замена жидкости.
В настоящее время в России нет точного метода определения содержания воды в тормозной жидкости, поэтому использование разработанного метода рефракции, представленного в статье [4], позволит точно определить количество воды в тормозной жидкости. В статье приведены результаты оценки содержания воды в тормозных жидкостях методом рефракции при моделировании процесса увлажнения тормозной жидкости. Показано, что с увеличением содержания воды от 1 до 5% линейно увеличивается показатель преломления света.
Данный метод был апробирован при моделировании процесса увлажнения тор-
мозной жидкости на девяти образцах новых («сухих») тормозных жидкостей класса DOT 4 разных производителей (результаты представлены в табл. 1). Были определены значения показателя преломления света для тормозных жидкостей с содержанием воды от 1 до 4% и по средним значениям, представленным в табл. 1, построена графическая зависимость показателя преломления света от процентного содержания воды.
По Результатам экспериментального исследования образцов тормозных жидкостей видно, что показатель преломления жидкости линейно изменяется с увеличением содержания воды в них (см. табл. 1). Это исследование позволяет в процессе эксплуатации автомобиля определять показатель преломления света (для его определения требуется одна капля жидкости), а по его значению - содержание воды в жидкости. На рис. 1 представлена зависимость показателя преломления света от содержания воды в тормозной жидкости.
Таблица 1
Показатель преломления света тормозных жидкостей при моделировании процесса увлажнения
Table 1
The brake fluid light refraction index under the humidification simulation
Номер образца Показатель преломления света тормозной жидкости с содержанием воды от 1 до 4 %
0 1 2 3 4
1 1,444В 1,4447 1,4441 1,4435 1,4415
2 1,4449 1,444В 1,444 1,4430 1,4415
S 1,4450 1,4449 1,4425 1,4421 1,4415
4 1,4449 1,444В 1,4434 1,4420 1,4415
б 1,4449 1,444В 1,4433 1,4420 1,4412
б 1,444В 1,4447 1,4431 1,441В 1,4410
7 1,444В 1,4447 1,4433 1,4420 1,4410
В 1,4450 1,4449 1,4434 1,4420 1,4415
9 1,4450 1,4449 1,4431 1,441В 1,4415
Среднее значение 1,4449 1,4448 1,4434 1,4422 1,4414
1,4460 L4450 S L4440
v 1С
V
i 1.4430 м
I
i 1.4420
¿ 1.4410
s
я
£ 1.4400
1,4390
1,4449 1,4448
•-
1 .4434
1 ,4422
8^1,44
у =-0.001.x + 1,4462 RJ = 0,9586
♦ результат эксперимента
I процент содержания »оды в тормозной жидкости
-аппроксимирующая
функция
Процентное содержание воды в тормочной жнлкогтн. "ь
Рис. 1. График зависимости показателя преломления света от содержания воды
в тормозной жидкости Fig.1. A dependency graph of the light refractive index on the brake fluid water content
Полученная фактическая зависимость (рис. 1) показателя преломления от содержания воды была аппроксимирована линейной функцией вида:
У= - 0,001х - 1,4462 R2= 0,9586.
По полученной зависимости показателя преломления от содержания воды в тормозной жидкости было рассчитано содержание воды (с шагом 0,1%) по показателю преломления, результаты расчета представлены в табл. 2.
Если определить показатель преломления «увлажненной» тормозной жидкости в процессе эксплуатации автомобиля, то, основываясь на полученных результатах, можно точно определить процентное содержание воды в тормозной жидкости класса DOT 4 (она рекомендована для большинства современных автомобилей) по табл. 2, а затем сделать заключение о ее состоянии.
Также в лабораторных условиях была определена температура кипения экспериментально «увлажненных» тормозных жидкостей, содержащих 1, 2, 3, 4% воды. Температура кипения соответственно составила 241,3; 226,5; 203,1; 172,8°C, что приблизительно соответствует значениям,
представленным в международных стандартах, где на графиках зависимость температуры кипения от содержания воды приведена для тормозных жидкостей всех классов DOT.
Таким образом, в реальных условиях эксплуатации достаточно определить содержание воды в тормозной жидкости методом рефракции, чтобы затем по ее содержанию определить температуру кипения жидкости по известной зависимости температуры кипения от содержания воды и определить, возможна ли дальнейшая эксплуатация тормозной жидкости или необходима ее замена.
Экспериментальное исследование «увлажненных» (некоторое время проработавших в автомобиле) тормозных жидкостей было проведено в условиях холодного климата на автомобилях марки Mercedes Benz, с пробегами автомобилей от 5000 до 340000 км. После планирования эксперимента [1] было отобрано 15 проб работавшей тормозной жидкости марки Mercedes Benz 331.0 класса DOT 4. Выбор автомобилей был сделан таким образом, чтобы оценить зависимость содержания влаги в тормозной жидкости от ее наработки. Для оценки содержания воды в тормозной жидкости применялся метод рефракции [4].
Расчетное значение содержания воды в тормозных жидкостях
Таблица 2 Table 2
Estimated va
ue of water content in brake fluids
Показатель преломления света Содержание воды, % Показатель преломления света Содержание воды, % Показатель преломления света Содержание воды, % Показатель преломления света Содержание воды, %
1,44490 0 1,44472 1,1 1,44380 2,2 1,44255 3,3
1,44489 0,1 1,44464 1,2 1,44370 2,3 1,44240 3,4
1,44488 0,2 1,44456 1,3 1,44360 2,4 1,44225 3,5
1,44487 0,3 1,44448 1,4 1,44350 2,5 1,44210 3,6
1,44486 0,4 1,44440 1,5 1,44340 2,6 1,44195 3,7
1,44485 0,5 1,44432 1,6 1,44330 2,7 1,44180 3,8
1,44484 0,6 1,44424 1,7 1,44320 2,8 1,44165 3,9
1,44483 0,7 1,44416 1,8 1,44310 2,9 1,44150 4
1,44482 0,8 1,44408 1,9 1,44300 3 - -
1,44481 0,9 1,44400 2 1,44285 3,1 - -
1,44480 1 1,44390 2,1 1,44270 3,2 - -
В табл. 3 приведены результаты экспериментальных исследований показателей качества работавших тормозных жидкостей. Для всех проб отобранных жидкостей были определены показатель преломления и содержание воды (по табл. 2). Результаты исследований показали, что содержание воды в пробах тормозных жидкостей зависит от наработки жидкости: чем больше наработка жидкости, тем больше содержание воды. Только в одном случае, для пробы № 1, на небольшом пробеге автомобиля содержание воды имеет предельное значение (3,4%), но данный автомобиль хранился на открытой площадке почти год после ДТП.
Кроме содержания воды в пробах № 3, 8, 10 и 15 в лабораторных условиях была определена температура кипения работавших тормозных жидкостей. При содержании воды в этих пробах 2,5; 3,9; 3,0; 3,4% температура кипения соответственно составила 217,2; 172,1; 205,4; 181,3°С.
При анализе результаты определения температуры кипения видно, что у проб № 8 и 15 предельная «увлажненность»
тормозной жидкости составляет 3,9 и 3,4% воды и необходимо рекомендовать ее замену.
Результаты экспериментальных исследований зависимости содержания воды от наработки тормозной жидкости показывают, что для автомобилей марки Mercedes Benz, эксплуатируемых в условиях холодного климата, нельзя превышать рекомендуемый срок эксплуатации тормозной жидкости (40000 км). Превышение срока эксплуатации жидкости приводит к быстрому накоплению воды (более 3%) и значит -быстрому снижению температуры кипения (менее 180°C), которая является нормируемым параметром для определения срока замены тормозной жидкости.
Замену тормозной жидкости производители автомобилей, в том числе Mercedes Benz, рекомендуют осуществлять один раз в 1,5-2 года или через 40000 км пробега. Специалисты автосервиса советуют в условиях холодного климата делать замену жидкости один раз в год, что позволит дольше сохранить детали тормозной системы в исправном состоянии.
Таблица 3
Показатель преломления света работавших тормозных жидкостей
Table 3
_Light refractive index of worked brake fluids_
Номер образца Наработка тормозной жидкости, тыс. км Показатель преломления света Содержание воды, %
0 0 1,4449 0
1 5 1,4426 3,4
2 21 1,4437 2,3
3 22 1,4435 2,5
4 24 1,4432 2,8
5 28 1,4431 2,9
6 45 1,4424 3,6
7 63 1,4419 4,1
8 65 1,4421 3,9
9 73 1,4430 3,0
10 92 1,4430 3,0
11 100 1,4422 3,8
12 101 1,4431 2,9
13 60 (120 пробег авт.) 1,4425 3,5
14 70 (270 пробег авт.) 1,4428 3,2
15 80 (340 пробег авт.) 1,4426 3,4
Для оценки влияния накопления воды в тормозной жидкости на ухудшение тормозной динамики автомобиля в зимнее время будут проведены экспериментальные исследования на разработанной стендовой установке по измерению давления в
Библиогра
1. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального планирования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. 199 с.
2. Геленов А.А., Сочевко Т.И., Спиркин В.Г. Контроль качества автомобильных эксплуатационных материалов. Практикум: учеб. пособие для студ. учреждений среднего проф.образования. М.: ИЦ «Академия», 2008. 112 с.
3. Грамолин А.В., Кузнецов А.С. Топливо, масла, смазки, жидкости и материалы для эксплуатации и
рабочем тормозном цилиндре, при моделировании работы тормозной системы в условиях холодного климата и с «увлажненной» тормозной жидкостью.
Статья поступила 20.04.2016 г.
кий список
ремонта автомобилей. М.: Машиностроение, 2005. 64 с.
4. Носова Е.В. Экспериментальное исследование «увлажненных» тормозных жидкостей методом рефракции // Вестник ИрГТУ. 2015. № 10 (105). С. 178-181.
5. Automotive Brakes - Study Guide [Электронный ресурс]. URL:http://www.pdfdrive.net/auto motivebra kes-study-guide-e5746819.html (11.04.2016).
References
1. Vedeniapin G.V. Obshchaia metodika eksperi-mental'nogo planirovaniia i obrabotki opytnykh dannykh [General methodology of test data experimental planning and processing]. Moscow, Kolos Publ., 1973, 199 p.
2. Gelenov A.A., Sochevko T.I., Spirkin V.G. Kontrol' kachestva avtomobil'nykh ekspluatatsionnykh materi-alov [Quality control of vehicle maintenance materials]. Moscow, ITs "Academy" Publ., 2008, 112 p.
3. Gramolin A.V., Kuznetsov A.S. Toplivo, masla, smazki, zhidkosti i materialy dlia ekspluatatsii i remonta avtomobilei [Fuel, oil, lubricants, fluids and materials for
maintenance and repair of vehicles]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 2005, 64 p.
4. Nosova E.V. Eksperimental'noe issledovanie "uvla-zhnennykh" tormoznykh zhidkostei metodom refraktsii [Experimental study of "moistened" brake fluids by a refraction method]. Vestnik IrGTU - Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2015, no. 10 (105), pp. 178-181.
5. Automotive Brakes - Study Guide. Available at: http://www.pdfdrive.net/auto motivebra kes-study-guide-e5746819.html (Accessed 11 April 2016).
