CC BY
26
УДК 629.1.07
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТОРМОЗНЫХ МЕХАНИЗМОВ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ТОРМОЗНОЙ СИСТЕМЫ
О.П. Кокарев1, А.Г Кириллов2, Р.В. Нуждин3
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия, 600000, Владимир, ул. Горького, 87
Рассматривается процесс исследования работы тормозных механизмов на автомобиле KIA Shuma II. Определяется количество рабочих процессов тормозного механизма за конкретный пробег при эксплуатации автомобиля в городе и на трассе.
Ключевые слова: тормозная система, тормозной механизм, режим работы, наработка.
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE MODES OF OPERATION OF BRAKING MECHANISMS ON THE RELIABILITY OF THE ELEMENTS OF THE BRAKING SYSTEM
O.P. Kokarev, A.G. Kirillov, R.V. Nuzhdin
Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletov,
Russia, 87 Gorky Street, Vladimir, 600000
The process of studying the operation of braking mechanisms on a KIA Shuma II car is considered. The number of working processes of the braking mechanism for a specific mileage during the operation of the car in the city and on the highway is determined.
Keywords: brake system, brake mechanism, operating mode, operating time
Современный автомобиль наряду со своими сервисными функциями в жизни общества становится в тоже время средством все более высокой техносферной опасностью для человека. Основными системами отвечающие за активную безопасность автомобиля остаются: рулевое управление, подвеска, колеса и тормозная система (ТорС).
В ходе проведения, по заказу Минтранса России, Госстандарта России и МВД России, эксперимента по организации инструментальной проверки автотранспортных средств в ряде регионов страны было выявлено, что преобладающими неисправностями транспортных средств, оказывающими наибольшее влияние на безопасность дорожного движения, являются неисправности тормозной системы (ТорС), рулевого управления и светотехники. Результаты проверки 105 820 автомобилей в 180 центрах инструментального контроля показали, что свыше 30 % автомобилей имели неисправности, с которыми запрещается их эксплуатация. Причём 29 % от общего количества неисправных автомобилей имели отклонение нормативных параметров ТорС [1].
Изменение исходных параметров элементов тормозной системы влечет за собой ухудшение выходных параметров их работы. Это приводит к потере работоспособного состояния всей системы. При возникновении отклонений от нормативных значений параметров отдельных элементов в тормозной системе, влечет потерю работоспособности и эксплуатация автомобиля в итоге будет запрещена в соответствии с ПДД [2,3].
В работе [4] выполнено исследование по определению наработки замены элементов ТорС на основе обработки статистической информации. Результаты исследования показали, что для легковых автомобилей марки КИА РИО с компоновкой тормозной системы без АБС и с задними тормозными барабанами рекомендуемая наработка до замены элементов ТорС составляет следующие значения, представленные в таблице 1.
В приведенном исследовании не учитывались режимы эксплуатации автомобиля и в, частности, тормозной системы. Под режимом работы тормозной системы понимается количество включений в работу всех элементов ТорС
1 Кокарев Олег Петрович - аспирант по направлению подготовки: 23.06.01 Техника и технологии автомобильного транспорта, e-mail: angelok778@mail.ru;
2Кириллов Александр Геннадьевич - кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт», e-mail: kafedraat@vlsu.ru;
3Нуждин Роман Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильный транспорт», e-mail: kafedraat@vlsu.ru.
(т.е. количество нажатий на педаль тормоза, взаимодействие тормозных колодок с дисками и барабанами и пр.) за определенный интервал пробега.
Таблица 1 - Рекомендуемые наработки до замены
№ п/п Объект Рекомендуемая наработка, тыс. км
1 Тормозные колодки 45 (ТО-3)
2 Тормозные барабаны 135 (ТО-9)
3 Тормозные диски 150 (Т0-10)
4 Рабочие тормозные цилиндры 225 (ТО-15)
В данной статье приводятся результаты исследования по определению режимов работы тормозных механизмов автомобиля. Исследование проводилось в реальных дорожных условиях на автомобиле К1А БНита II с компоновкой
ТорС без АБС и с задними барабанными тормозными механизмами (ТМ). Перед началом эксперимента было выполнено полное техническое обслуживание всей тормозной системы, заменены все тормозные колодки, диски, барабаны и др. элементы. Перед началом эксперимента было выполнено полное техническое обслуживание всей тормозной системы, заменены все тормозные колодки, диски, барабаны и др. элементы. Таким образом ТорС приведена по техническим параметрам в исходное состояние и соответствует с нормативными требованиями.
Цель исследования заключалась в определении режимов работы (количества рабочих процессов) элементов тормозной системы на различных интервалах наработки и в разных категориях условий эксплуатации. Для подсчета количества рабочих процессов был разработан датчик учета работы ТорС, принципиальная схема которого представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Принципиальная схема датчика учета работы ТорС
Датчик состоит из регулятора напряжения, цифрового дисплея, контактов управления, кнопки сброса (Reset) показаний, элемента питания и процессора обработки и хранения информации.
Принцип работы датчика (рисунок 2) заключается в преобразовании входящего электросигнала (замыкании электрической цепи при нажатии на педаль тормоза) через контакты управления в цифровое значение, которое выводится на дисплей. При каждом замыкании цепи (нажатия на педаль тормоза) процессор обрабатывает сигнал и выводит его на дисплей. Процессор обладает постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), поэтому в его памяти хранятся цифровые значения. Максимальная емкость ПЗУ составляет 99999 единиц.
При нажатии на педаль тормоза 1 замыкаются контакты в концевике 2, сигнал по
электроцепи передаётся на лампу стоп-сигнала 4. Параллельно сигнал подается и на датчик 3, который фиксирует количество данных сигналов. Количество рабочих циклов тормозных механизмов сохраняется в ПЗУ. Данный датчик был установлен на автомобиль и подключен к электроцепи стоп-сигнала, показания на датчике и на одометре были сброшены на 0. Эксплуатация автомобиля осуществлялась на автомобильных дорогах с 1В по V категории дорог и со II по V категории условий эксплуатации [5,6] в период с марта месяца по август одного календарного года.
Всего за период с 01 марта по 30 августа 2020 года было пройдено на автомобиле (I) 5484 км и выполнено рабочих процессов (Щ 19567 ед. Для классификации режимов работы предложено их разделить на две категории: 1 - городская эксплуатация (Ьг - пробег и -
количество рабочих процессов ТС в режиме «Город»; 2 - эксплуатация на трассе (12 и Ы2 в режиме «Трасса». Из 5484 км эксплуатация в режиме «Город» составляет 2258,6 км и 3225,4 км в режиме «Трасса».
4 - лампа стоп-сигнала
ь = и+и
(1)
Рисунок 2 - Принципиальная схема работы датчика режима работы ТМ: 1 - педаль тормоза, 2 - концевик педали тормоза, 3 - датчик,
Полная инфографика результатов исследования представлена ниже на рисунке 3.
На рисунке 3 каждый столбец соответствует пробегу каждой поездке, а график показывает количество нажатий на педаль тормоза, т.е. рабочих процессов. При анализе инфогра-фики, видно, что количество нажатий в режиме «Трасса» значительно меньше, чем в режиме «Город». При детальном анализе режима «Город» установлено, что за пробег Ьг 2258,6 км было совершено 17143 рабочих процессов тормозными механизмами И- .
Фрагмент результатов исследования в режиме «Город» отражен в таблице 2.
| ездок,
Рисунок 3 - Инфографика режимов работы тормозных механизмов Таблица 2 - Фрагмент результатов исследования работы ТМ в режиме «Город»
№ п\п Пробег за по- Количество нажатий в режиме Город
ездку Ьц км за поездку, Ы-ц N1™, на 1 км
1 2 3 4 5
1. 48,0 510 10,6 Владимир
2. 14,2 146 10,3 Кинешма
3. 77,2 910 11,8 Владимир
4. 45,0 380 8,4 Владимир
Определено минимальное количество рабочих процессов Ы-П1П = 1,9 на 1 км пробега, максимальное количество Ы-пах составляет 11,8, а среднее число рабочих процессов равно 7,5 км- 1 за весь период наблюдения в данном
режиме. Всего была 41 поездка в режиме «Город» с разными пробегами.
В режиме «Трасса» значение рабочих процессов тормозных механизмов составляет: - = 0,2 км-
- N2пах равно 3,9 км- 1; Фрагмент результатов исследования ра-
- составляет 0,9 км- 1. бочих процессов в режиме «Трасса» представ-
Для смешанного режима эксплуатации лен в таблице 3. среднее число рабочих циклов Мср составит 4,2 ед.
Таблица 3 - Фрагмент результатов исследования рабочих процессов в режиме «Трасса»
№ Номер трассы Наработка Нажатий в режиме
п\п 121, км За поездку N21, км- 1
1. 2. 3. 4. 5.
1. Р 132, 17Н-3 206,0 229 1,1
2. 17Н-3, Р 132 209,6 145 0,7
3. М-7, 17Н-3, 17 К-1, 24К-111 212,2 176 0,8
4. 17Н-3, Р 132 160,6 98 0,6
В соответствии с результатами проведенного исследования следует вывод, что количество нажатий на педаль тормоза по городу составляет от 1,9 до 11,8 раз на 1 км пути, а в режиме «Трасса» этот диапазон составляет от 0,3 до 3,9 км - 1.
Преимущественно автовладельцы эксплуатируют автомобиль в обоих режимах с разным соотношением (например, 20% в режиме «Город», а 80% в режиме «Трасса» и т.д.), что соответствует и разной интенсивности
эксплуатации, от которой сильно зависит изнашивание деталей автомобиля, особенно элементов ТорС.
При использовании, полученных экспе-
риментальным путем значений и рассчитан коэффициент привидения (коэффициент Кокарева Кк) для конкретного соотношения режимов эксплуатации (интенсивность эксплуатации) автомобиля (таблица 4),
ср
К,
к
_ N1 +N2
Таблица 4 - Коэффициент Кокарева
ь
№ п/п Режим Интенсивность эксплуатации, %
1 Город, Ъ' 10 20 30 40 50 60 70 80 90
2 Трасса, Ъ2 90 80 70 60 50 40 30 20 10
3 Коэф-т Кокарева, Кк 1,53 2,17 2,8 3,43 4,07 4,7 5,33 5,97 6,6
При проведении и планировании технического обслуживания (ТО) автомобиля информация о его наработки в режиме «Город» отсутствует. Для корректного планирования ТО необходимо определить интенсивность эксплуатации автомобиля. Таким образом, зная пробег Ь и количество N рабочих циклов ТМ , можно определить интенсивность эксплуатации автомобиля за этот период при соблюдении условия: Кк = К'к. По известным значениям рассчитывается коэффициент Кокарева Кк:
Кк = £ (2)
Для определения интенсивности эксплуатации, необходимо решить систему уравнений:
Ь' =
100
I, где I = 1 .100;
(3)
= Ь — Ь'1; V = и2 + V'-;
N1 = при = 75 ;
N2 = при = 0,9;
Ы' = N1 + N2;
Рекомендуемая наработка ЬДоп до замены передних тормозных колодок при обработке статистических данных при у=0,95 составляет 45 тыс. км [4]. На данном интервале наработки, при ^=4,07, среднее количество рабочих процессов ТМ Ы4, 7 найдем:
ь
К
__________(4)
Тогда
г4,07 _ ,4,07 _
Ь1 = Ь2 =
Доп 2
= 22500 км.
N4
4,07 — ]\[Ср км ¡4,07
ЬУ
(5)
ы?,0/ = ^
Ь\01 = 7,5 • 22500 = 168750 ед, Ь4?07 = 0,9 • 22500 = 20250 ед.
Ы4,°7 =ыср км-
Общее количество рабочих циклов со-
ставит:
м407 = м?,°7 + N44,07
= 189200 ед.
(6)
в режиме «Город» и 20500 в режиме «Трасса». При других соотношениях интенсивности эксплуатации информация отображена на рисунке 4.
4,07 4,07
Получается, что при = ¿2 , тормозные механизмы будут работать 168700 раз
Рисунок 4 - Количество рабочих процессов ТМ при разной интенсивности эксплуатации на
интервале наработки 45000 км
На гистограмме рисунка 4, столбец с Кк = 4,07 выделен штриховкой. Условно принимаем, что он соответствует допустимой наработки Ьдоп 45 000 км (табл. 1), при которой рекомендуется замена тормозных колодок.
Тогда составим логическое выражение, при нарушении которого эксплуатация автомобиля становится небезопасной. Так как превышается уровень безотказной работы ТорС принимаемый 5% [4,6,7].
ЬДоп>Ь . (7)
Столбцу с Кк = 2,17 соответствует Ы2,17= 97200 ед. До наработки, при которой необходимо менять элемент ТорС, в 45000 км
остается еще более 90000 рабочих циклов ТМ, что по выражению (5) и при МСр = 4,2 соответствует пробегу 21428 км.
Столбцу с Кк = 5,97 соответствует Ы5,97= 66428 км, что превышает допустимую наработку Ьдоп. Нарушается выражение (7) и перепробег составляет 21428 км.
Аналогичным образом ситуация выглядит с остальными элементами тормозной системы (таблица 4).
В ходе проведенного исследование выявлена актуальность в определении интенсивности эксплуатации автомобиля.
-1
Таблица 4 - Результаты расчетов отклонения наработок до обслуживания или замены элементов ТорС с учетом режимов
Элементы ТорС Наработка до замены, ЬдОП км Отклонение наработок при разных режимах эксплуатации, тыс. км
К? к™3 J/-4.07 Кк К4к7 I/-5.33 Кк кГ
Тормозные колодки 45 000 -21,5 -14,8 -7,4 0 7,4 14,8 21,5
Тормозные барабаны 135 000 -66,8 -44,5 -22,3 0 22,2 44,5 66,8
Тормозные диски 150 000 -74,2 -49,5 -24,7 0 24,7 49,5 74,2
Рабочие тормозные цилиндры 225 000 -111,3 -74,2 -37,1 0 37,1 74,2 111,3
В данной статье рассмотрено исследование по определению интенсивности эксплуатации автомобиля, а также тормозных механизмов и тормозной системой без АБС. Установлено, что в режиме «Город» количество рабочих процессов ТМ превосходит в 7,5 раз в режиме «Трасса». Таким образом, при техническом обслуживании и прогнозировании остаточного ресурса элементов тормозной системы необходимо учитывать интенсивность эксплуатации автомобиля. Это позволит рационально использовать финансовые и временные ресурсы на ТО, а главным образом будет способствовать поддержанию ТорС в технически исправном состоянии.
Литература
1. О транспорте. Техническое состояние и безопасность автотранспортных средств URL: http://www.transportpart.ru/poids-111-2.html (дата обращения 17.04.2021).
2. ГОСТ 33997-2016 Колесные транспортные средства. Требования к безопасности в эксплуатации и методы проверки.
3. Постановление Правительства РФ от 23.10.1993 N 1090 (ред. от 04.12.2018) "О Правилах дорожного движения" (вместе с "Основными положениями по допуску транспортных средств к эксплуатации и обязанности должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения).
4. А.Г. Кириллов, Д.Н. Смирнов, О.П. Кокарев. Исследование надежности механизмов тормозных систем автомобилей. 5-ая Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии и инновации на транспорте», 22 - 23 мая 2019 года, г. Орел.
5. СНиП 2.05.02-85. Строительные нормы и правила. Автомобильные дороги. УТВЕРЖДЕНЫ постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 17 декабря 1985 года N 233.
6. "РД 3112199-1085-02. Временные нормы эксплуатационного пробега шин автотранспортных средств" (утв. Минтрансом РФ 04.04.2002) (вместе с
"Классификацией автотранспортных средств") (с изм. от 07.12.2006).
7. Баженов Ю.В., Баженов М.Ю. Основы надежности и работоспособности технических систем : учеб. пособие / Ю. В. Баженов, М. Ю. Баженов ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. - Владимир : Изд-во ВлГУ, 2017.
8. А.Г Кириллов, А.С. Ратников, О.П. Кокарев. Методика оперативного прогнозирования остаточного ресурса элементов тормозной системы. Научный журнал. Вестник гражданских инженеров. №1(178). Февраль 2020. г. Санкт-Петербург.
9. Зорин В. А. Основы работоспособности технических систем : учеб. для вузов / В. А. Зорин. - М. : Магистр-Пресс, 2005. - 536 с. - ISBN 5-902048-51-6.
10. Болдырев Д.А. Повышение работоспособности и ресурса пары трения "тормозной диск - колодка" : Дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 : Тольятти, 2004 137 с. РГБ ОД, 61:05-5/1420.
11. Русаков В.З. Безопасность автотранспортных средств в эксплуатации: Дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.10 Москва, 2004 360 с. РГБ ОД, 71:05-5/632.
12. Топалиди, В. А. Повышение эффективности эксплуатационного контроля тормозных свойств и систем АТС // Автомобильная промышленность. -2008. - № 3. - С. 25 - 27.
13. Болдин А. П. Основы научных исследований: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования / А.П. Болдин, В.А, Максимов. - М. : Издательский центр «Академия», 2012. -336 с.
14. Герасимов А.В. Методы идентификации и оперативного прогнозирования состояния агрегатов автомобиля для автоматизированной бортовой системы управления. Дис. ... к-та техн. наук : 05.13.06 Москва, 2014
15. Кокорев Г. Д. Математическое описание процесса изменение диагностического параметра автомобиля. Научный журнал КубГАУ, №120 (06), 2016 год.
16. Бышов Н.В. Разработка таблицы состояний и алгоритма диагностирования тормозной системы. /Н.В. Бышов//Вестник КрасГАУ. - 2013. №12.
17. В.Е. Гмурман. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистке. Издание девятое, стереотипное. ФГУП «Издательство «Высшая школа», Москва 200
