CC BY
35
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
PRILOG ISTRAŽIVANJU MEHANIČKIH KARAKTERISTIKA DOBOŠ KOČNICA PUTNIČ KOG MOTORNOG VOZILA
Demić D. Miroslav, Glišović D. Jasna, Miloradović M. Danijela Univerzitet u Kragujevcu, Fakultet inženjerskih nauka,
Katedra za motorna vozila i motore, Kragujevac
DOI: 10.5937/vojtehg1203042D
OBLAST: mašinstvo, motori i motorna vozila VRSTA ČLANKA: originalni naučni članak
Sažetak:
O metodama za proračun i ispitivanje doboš kočnih mehanizama objavljen je veliki broj radova, čemu je značajno doprineo intenzivan raz-voj kompjuterske tehnike, numeričkih metoda i merne tehnike. Međutim, na osnovu sprovedenih analiza, pokazalo se da ne postoji opšte prihva-ćena metoda ocene mehaničkih karakteristika i izlaznih parametara do-boš kočnica. U radu je prikazan jedan pristup definisanju kriterijuma za ocenu svojstava doboš kočnica za motorna vozila. Prema predloženom algoritmu, formiraju se kompleksne karakteristike kočnih mehanizama različitih izvedbi i brzo ocenjuju karakteristike kočnih mehanizama, što je posebno važno u fazi razvoja novog proizvoda, uz upotrebu računarske merne tehnike za akviziciju i obradu podataka. Ta metoda omogućava da se, pored pokazatelja efektivnosti i stabilnosti, dobije celovita slika o ulozi doboš kočnice u kočnom sistemu vozila, proceni energetski bilans kočenja i odrede promene koeficijenta trenja primenjenog frikcionog ma-terijala u toku probe u funkciji pritiska ili brzine kretanja vozila.
Ključne reči: doboš kočnice, eksperimentalna istraživanja, obrada podataka.
Uvod
Osnovna namena kočnih mehanizama jeste da ostvare potrebni kočni moment koji deluje na točak vozila i izaziva njegovo uspo-ravanje, a time i kočenje vozila. Zbog toga je kočni moment osnovna ka-
rakteristika svake kočnice i merilo njenih funkcionalnih svojstava ili per-formansi. Radna karakteristika kočnice, koja se često naziva i „C“ karak-teristika, povezuje silu aktiviranja i moment kočenja kao ulaznu i izlaznu veličinu i obuhvata sve konstrukcione parametre kočnice i raspoloživi ko-eficijent trenja između frikcionih površina [1].
Koncepcijom disk kočnica na prednjim točkovima i doboš kočnicama na zadnjim točkovima proizvođači mogu i dalje da obezbede većinu pred-nosti disk kočnica i, uz to, niske troškove proizvodnje. Doboš kočnice su jeftinije za izradu od disk kočnica najviše zbog toga što mogu da posluže i kao parkirna kočnica, dok je za disk kočnice neophodan poseban parking kočni mehanizam.
U razvoju metoda proračuna i ispitivanja doboš kočnih mehanizama, o kojima je reč u velikom broju objavljenih radova, bilo je više faza. Kla-sične analitičke metode proračuna zasnovane su na velikom broju pojed-nostavljenja, koja značajno umanjuju tačnost rezultata [2, 3]. Najgrublje su pretpostavke u kojima se zanemaruju elastičnost doboša i frikcione obloge i idealizuje raspodela pritiska po frikcionoj površini [4]. Metode proračuna su intenzivno unapređivane zahvaljujući, pre svega, razvoju kompjuterske tehnike. Zbog svega toga, numeričke metode su postale osnovne metode proračuna, bez kojih danas u tehnološki razvijenim ze-mljama nije moguće zamisliti razvoj mnogih proizvoda. Te metode omo-gućavaju brzu analizu velikog broja različitih kombinacija i izbor najpo-voljnijeg rešenja (optimizacija). Budući da su numeričke metode [5, 6] aproksimativne, i za njih su neophodni pouzdani podaci na osnovu kojih se izražavaju granični uslovi. Otuda njihova neposredna veza sa ispitiva-njima kočnih mehanizama u kojima se dobijaju informacije visoke tačno-sti i kvaliteta zahvaljujući napretku merne tehnike i tehnike obrade i anali-ze rezultata merenja. Na taj način se vremenski period potreban za razvoj novih elemenata kočnica značajno smanjuje. Veliki deo ispitivanja kočnih sistema čini provera saglasnosti sa zahtevima u međunarodnim i nacionalnim propisima, ali razvojna ispitivanja su veoma raznovrsna i neophodna za uvođenje novog ili usavršavanje postojećeg proizvoda.
Sprovedene analize pokazuju da su pristupi različiti i da nema opšte prihvaćene metode ocene svojstava i izlaznih parametara doboš kočnih mehanizama. U radu je prikazan jedan način definisanja kriterijuma ocene mehaničkih svojstava doboš kočnica za motorna vozila koji obuhvata fazu eksperimentalnih merenja i naknadne obrade snimljenih podataka.
Eksperimentalna metoda
Na zadnjim točkovima ispitivanog putničkog vozila ugrađene su doboš kočnice tipa SIMPLEX (slika 1). Papuče SIMPLEX kočnice su oslonjene na kosu površinu prema vertikalnoj osi kočnice, „plivajuće" papuče, koje se
С^з>
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
bolje podešavaju prema dobošu i omogućavaju ravnomernije trošenje obloge. Tokom procesa kočenja razvija se kočni moment, koji teži da uspori doboš. Istovremeno deluje i reaktivni kočni moment, koji se prenosi na papuče i teži da ih zaokrene u smeru rotacije. Taj reaktivni moment, koji je po intenzitetu jednak kočnom momentu, prenosi se preko oslonaca pa-puča i kočnih cilindara na nosač papuča koji je izrađen od lima [7].
Hidraulična
Slika 1 - SIMPLEX doboš kočnica Picture 1 - SIMPLEX drum brake
Podsistem doboš kočnice sa ulazom - pritisak kočne tečnosti u koč-nom cilindru točka (p), i izlazima - kočnim momentom (Mk) i brojem obrtaja kočenog točka (nk), može šematski da se predstavi na sledeći način [8]:
Pri analizi sistema posmatra se dinamički režim rada, a određuje se ponašanje sistema u prelaznom režimu, pod kojim se podrazumeva pro-ces prelaza sistema iz jednog stacionarnog stanja u drugo stacionarno stanje. Matematičkim modelom opisuju se dinamički režim rada i kompo-nente sistema, a uzima se u obzir vremenska promena ulaznih i izlaznih veličina [9].
<S>
Merenje pritiska u kočnom cilindru doboš kočnica
Kao ulazna veličina pri identifikaciji mehaničkih karakteristika doboš kočnica merena je promena pritiska u kočnom cilindru doboš kočnica na zadnjim točkovima. Na ispitivanom vozilu je primenjen hidrostatički si-stem kod kojeg se komanda sa pedale kočnice prenosi crevima i cevima u kočne cilindre. Dovedeni pritisak stvara na klipovima, odnosno klipnja-čama, kočnih cilindara sile koje aktiviraju kočnice. Konstrukcijskim ogra-ničenjima onemogućena je ugradnja davača apsolutnog pritiska P3MA direktno u kočni cilindar doboš kočnica. Uz pomoć posebno izvedenog adaptera, davač je ugrađen u neposrednoj blizini kočnog cilindra, pod pretpostavkom da na tom kratkom rastojanju postoji zanemarljivo mali pad pritiska. Kao ilustracija, na slici 3 prikazana je ugradnja davača P3MA u kočnu instalaciju ispitivanog vozila [8].
Slika 3 - Ugradnja davača pritiska P3MA u kočnu instalaciju Picture 3 - Mounting of pressure sensor P3MA in the brake installation
Merenje kočnog momenta na doboš kočnicama u slučaju nezavisnog oslanjanja točkova
Doboš kočnica je složen sistem, koji se sastoji od velikog broja ele-menata različitih karakteristika. Na putu prenošenja kočnog momenta mogu da se jave: viskozni gubici, mehaničko trenje i oscilacioni sistem određene krutosti (slika 4). Sve to dovodi do određenih gubitaka, tako da razvijeni moment kočenja Mk nije jednak reaktivnim momentima kočenja M'k, M"k,...Mnk u različitim tačkama merenja. Zato se pri izboru mernog mesta za merenje kočnog momenta posebna pažnja mora posvetiti činje-nici da je greška merenja sve veća sa udaljavanjem od mesta frikcionog kontakta obloga-doboš. Na slici 4 prikazan je tok prenosa reaktivnog momenta kojim doboš deluje na kočne papuče.
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
Slika 4 - Tok prenosa reaktivnog kočnog momenta Picture 4 - The flow of reactive braking torque transfer
Reaktivni kočni moment se prenosi na nosač papuča preko elemena-ta (slika 4) i simetričan je u odnosu na vertikalnu osu. Nosač papuča je iz-rađen od lima i vezan za rukavac točka preko četiri zavrtnja (elementi •). Tim elementima veze moment se prenosi na rukavac točka, a zatim, preko dva zavrtnja (elementi ▲), na amortizer i oscilaciono rame koji vezuju te delove za rukavac točka.
1 - Davač sile, 2 - Donje sedište zgloba, 3 - Gornje sedište zgloba,
4 - Zglobovi, 5 - Zavrtanj, 6 - Rukavac točka
Slika 5 - Šematski prikaz merenja kočnog momenta davačem sile [8]
Picture 5 - Schematic display of measuring the brake torque by force sensor
Kod realizovanog rešenja reaktivni kočni moment se meri posredno davačem sile (slika 5), a sila istezanja se meri preko mernih traka, veza-nih u pun Wheatstoneov most. Novoformirani tok prenosa reaktivnog
kočnog momenta je takav da se kočni moment u celini prenosi sa nosača papuča na zavrtanj (element ▲) za vezu rukavca točka sa amortizerom i oscilacionim ramenom preko davača sile. Deformacije rukavca točka i drugi gubici u sistemu smatrani su zanemarljivim. Krajevi davača su, preko navoja, vezani sa zglobovima (4), koji su oslonjeni u konusnim sedišti-ma. Time je ostvarena zglobna veza, koja je neophodna da bi davač sile bio izložen čistom istezanju, a ne i savijanju.
Osnovne karakteristike ovog rešenja davača kočnog momenta su sledeće:
- davač sile registruje samo reaktivni kočni moment,
- reaktivni kočni moment prenosi se u celini preko davača sile i iza-ziva naprezanje na istezanje,
- merno mesto ovog rešenja davača (Mnk) vezano je sa postojanjem određene greške merenja zbog gubitaka u prenosu kočnog momenta, što se mora uzeti u obzir pri analizi rezultata eksperimenata,
- merni sistem nije simetričan (ugradnja davača i prenošenje optere-ćenja).
Slika 6 - Ugradnja davača kočnog momenta na doboš kočnici ispitivanog vozila
Picture 6 - Mounting of the drum brake's brake torque sensor on the test vehicle
Način ugradnje davača kočnog momenta na doboš kočnici ispitivanog vozila prikazan je na na slici.
Merenje broja obrtaja točkova motornog vozila
Preko broja obrtaja točkova mogu da se odrede druge značajne veli-čine, kao kinematski poluprečnik točka, brzina klizanja, koeficijent prija-njanja itd. Osim toga, pojedini sistemi koji se ugrađuju u savremena mo-torna vozila imaju davače broja obrtaja kao sastavne komponente, na primer: ABS (protivblokirajući sistem) ili ASR (sistem protiv klizanja) i EFI (sistem za elektronsku kontrolu ubrizgavanja goriva). Na slici 7 dati su šematski prikaz mernog lanca za merenje broja obrtaja zadnjih (nepo-
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
gonski) točkova ispitivanog vozila uz korišćenje magnetnog beskontakt-nog impulsnog davača broja obrtaja i fotografija ugradnje tog davača. Nazubljeni točak je zavrtnjima čvrsto vezan za doboš. Na točku se nalazi 60 (58) zuba, koji su pravilno raspoređeni po obimu točka. Naspram toč-ka je postavljen limeni nosač davača broja obrtaja firme BOSCH, koji je pričvršćen za nosač kočnih papuča. Za ugradnju i osiguranje nosača ko-rišćena su dva postojeća zavrtnja M6, kojima je pričvršćen kočni cilindar doboš kočnica za nosač kočnih papuča [8].
Slika 7 - Komponente mernog lanca za merenje broja obrtaja zadnjih točkova vozila Picture 7 - The components of the measuring chain for measuring the rear wheel's speed
Eksperimentalno su snimljene promene pritiska u kočnoj instalaciji i obe izlazne veličine: kočnog momenta i broja obrtaja kočenog točka to-kom procesa kočenja do zaustavljanja vozila za početne brzine od 40, 60 i 80 km/h, i to za vozilo spremno za vožnju i za potpuno opterećeno vozi-
lo. Na slici 8 prikazani su dijagrami kojima se ilustruju promene ulazne veličine i izlaznih veličina za navedene početne brzine. Funkcija pritiska i kočnog momenta ima oblik naglog porasta do postizanja maksimalne vrednosti, a zatim, posle određenog vremena maksimalnog kočenja i naglog pada broja obrtaja točkova, nastupa faza prestanka dejstva vozača na komandu i prestanka procesa kočenja.
Na dijagramima na slikama 9, 10, 11 i 12 prikazana je promena pritiska i kočnog momenta u vremenskom domenu u toku proba kočenja sa is-ključenom spojnicom za vozilo spremno za vožnju i za potpuno optereće-no vozilo, kao i za različite početne brzine u procesu kočenja. Posle testa kočenja sa v0 « 40 km/h, izvedeno je kočenje sa v0 « 60 km/h i v0 « 80 km/h, pri čemu je vremenski period između kočenja iznosio oko jedan minut. Očigledan je veliki porast pritiska kočne tečnosti u instalaciji i kočnog momenta potrebnih za zaustavljanje potpuno opterećenog vozila.
<4T)
600
60
50
40
30
20
10
0
-10
------Kočni moment
— - - Broj obrtaja ------Pritisak
Slika 8 - Promena pritiska, kočnog momenta i broja obrtaja za potpuno opterećeno vozilo
i početnu brzinu od 60 km/h
Picture 8 - Change of pressure, brake torque and speed for a fully loaded vehicle and the
initial speed of 60 km/h
Vreme, [s]
Slika 9 - Uticaj promene početne brzine na promenu pritiska u kočnoj instalaciji Picture 9 - Influence of the initial speed on the pressure in the brake installation
Slika 10 - Uticaj promene mase vozila na promenu pritiska u kočnoj instalaciji Picture 10- Influence of the vehicle weight on the pressure in the brake installation
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
Vreme, [s]
Slika 11 - Uticaj promene početne brzine na promenu kočnog momenta Picture 11 - Influence of the initial speed on the brake torque
ОПП -
300
осп - A Jlift 4ГА «/v л. i. j ..
250 E z ■ 200 - 1
c ф £ 150 - / s' n
о E ■- 100 - , / vozilo spremno za vožnju |
>o о 50 1 у 1 S potpuno opterećeno vozilo 1 У 1
0 -( J 1 J 1
) 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4: Vreme, [s] 4 4,8 5,2
Slika 12 - Uticaj promene mase vozila na promenu kočnog momenta Picture 12 - Influence of the vehicle weight on the brake torque
Na slikama 13 i 14 prikazan je uticaj promene pritiska u kočnoj insta-laciji na izlazne veličine kočnog momenta i broja obrtaja kočenog točka. Promena kočnog momenta, prikazana na slici 13, pokazuje da pritisak, nakon prestanka kočenja i pada kočnog momenta na nulu, u kočnoj in-stalaciji pada sa određenim vremenskim kašnjenjem.
Slika 13 - Promena kočnog momenta sa promenom pritiska u kočnoj instalaciji Picture 13 - Change of the braking torque with the change of the pressure in the brake
installation
Slika 14 - Promena broja obrtaja sa promenom pritiska u kočnoj instalaciji Picture 14 - Change of the wheel's speed with the change of the pressure in the brake
installation
Analiza rezultata eksperimentalne metode
Za analizu eksperimentalno snimljenih vremenskih serija korišćeni su softveri ANALSIGDEM [10] i DEMPARCOH [11] i realizovani na osno-vu teorije poznate iz [12, 13, 14, 15, 16]. U daljem tekstu izvršiće se analiza obrađenih podataka.
Autokorelacione funkcije
Autokorelaciona funkcija stohastičkog procesa pokazuje zavisnost između trenutnih vrednosti slučajne promenljive u dva različita vremen-ska trenutka na rastojanju t.
80km/h potpuno opterećeno vozilo
Slika 15 - Autokorelaciona funkcija pritiska u kočnoj instalaciji Picture 15 - Autocorrelation function of pressure in brake line
dO
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
Na slikama 15, 16 i 17 prikazane su promene autokorelacionih funk-cija pritiska, kočnog momenta i broja obrtaja u funkciji kašnjenja. Kao ilustra-tivan primer, prikazani su zapisi koji odgovaraju početnoj brzini od 80 km/h. Očigledno je da se vrednosti autokorelacionih funkcija smanjuju sa vre-menom kašnjenja, т, sve do vrednosti nula, ali se potom udaljavaju od nje, što ukazuje na to da je posmatrani proces - prelazni proces.
80km/h potpuno opterećeno vozilo
Slika 16 - Autokorelaciona funkcija kočnog momenta Picture 16 - Autocorrelation function of brake torque
Slika 17 - Autokorelaciona funkcija broja obrtaja Picture 17 - Autocorrelation function of number of wheel's speed
Autospektri
Autospektar snage je realna veličina koja čini graničnu vrednost ma-tematičkog očekivanja proizvoda konjugovano-kompleksne i kompleksne amplitude posmatranog signala.
Na slikama 18 i 19 dati su primeri modula i faza autospektara za pri-tisak pri brzini od 40 km/h za potpuno opterećeno vozilo. Očigledno je da
C5D
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
Primeri modula i faza autospektara za kočni moment pri brzini od 40 km/h za potpuno opterećeno vozilo dati su na slikama 20 i 21. Vrednost modula autospektra kreće se u granicama od 29,76 (f = 1,17 Hz) do 1,02 (f = 9,38 Hz). Vrednosti faze kreću se u granicama od 1,56 (f = 7,33 Hz) do 1,51(f = 8,8 Hz).
40km/h potpuno opterećeno vozilo
Slika 21 - Faza autospektra kočnog momenta Picture 21 - Phase of autospectral density function of the brake torque
Na slikama 22 i 23 prikazani su primeri modula i faza autospektara za broj obrtaja pri brzini od 40 km/h za potpuno opterećeno vozilo. Vrednost modula autospektra kreće se u granicama od 34,63 (f = 1,17 Hz) do 2,95 (f = 9,09 Hz). Vrednosti faze se kreću u granicama od 1,55 (f = 7,33 Hz) do 1,52 (f = 4,11 Hz).
40km/h potpuno opterećeno vozilo
Frekvencija, [Hz]
Slika 22 - Modul autospektra za broj obrtaja Picture 22 - Magnitude of autospectral density function of wheel's speed
C5D
Slika 23 - Faza autospektra za broj obrtaja Picture 23 - Phase of autospectral density function of wheel's speed
Kroskorelacione funkcije
Kroskorelaciona funkcija stohastičkog procesa pokazuje zavisnost između vrednosti dve slučajne promenljive u dva različita vremenska tre-nutka na rastojanju t.
Maksimalne vrednosti kroskorelacione funkcije pritisak - kočni moment za različite početne brzine u procesu kočenja kreću se u opsegu od 1036,77 (t = 0,1265 s, v0 = 60 km/h za vozilo spremno za vožnju) do 3792,1 (t = 0,1732 s, v0 = 60 km/h za potpuno opterećeno vozilo). Vre-mensko kašnjenje se kreće u granicama od 0,0733 s do 0,293 s.
Na slici 24 prikazana je kroskorelaciona funkcija pritisak - kočni moment za početnu brzinu od 40 km/h i potpuno opterećeno vozilo. Maksi-malna vrednost kroskorelacione funkcije iznosi 2087,5 i odgovara joj vre-mensko kašnjenje od 0,106 s.
40km/h potpuno opterećeno vozilo
0,00 0,07 0,15 0,22 0,29 0,37 0,44 0,51 0,59 0,66 0,73 0,81 Kašnjenje, [s]
Slika 24 - Kroskorelaciona funkcija pritisak-kočni moment Picture 24 - Cross-correlation function pressure-brake torque
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
Analiza uticaja mase vozila i početne brzine na kroskorelacionu funkciju pritisak-kočni moment prikazana je na slikama 25 i 26. Na njima se vidi da povećanje mase vozila (od 1122,4318, т = 0,126 s do 2548,67, T = 0,08 s) i početne brzine (od 1122,43, т = 0,126 s do 1443,99, т = 0,293 s) znatno utiče na maksimalne vrednosti kroskorelacione funk-cije pritisak-kočni moment, što pokazuje da ti parametri utiču i na para-metre procesa kočenja.
0,0 0,1 0,3 0,4 0,5 0,7 0,8 0,9 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6
Kašnjenje, [s]
Slika 25 - Uticaj promene mase vozila na kroskorelacionu funkciju pritisak - kočni moment Picture 25- Influence of the vehicle weight on the cross-correlation function pressure-
brake torque
0,00 0,15 0,29 0,44 0,59 0,73 0,88 1,03 1,17 1,32 1,47 1,61 Kašnjenje, [s]
Slika 26 - Uticaj promene brzine na početku kočenja vozila na kroskorelacionu funkciju
pritisa k- kočni moment
Picture 26 - Influence of the initial speed on the cross-correlation function pressure-brake
torque
Krosspektri
Krosspektar snage je kompleksna veličina koja predstavlja graničnu vrednost matematičkog očekivanja proizvoda konjugovano-kompleksne amplitude jednog i kompleksne amplitude drugog signala.
Na slikama 27, 28 i 29, 30 dati su ilustrativni primeri modula i faza kros-spektara za pritisak - kočni moment i pritisak - broj obrtaja respektivno.
80km/h potpuno opterećeno
50 ^ 45 I 40 ; 35
s a
30
S о 25
0 £
20
ей E
1 i 15 I 10
5 0
0,88 1,76 2,64 3,52 4,40 5,28 6,16 7,04 7,92 8,80 9,68
Frekvencija, [Hz]
Slika 27 - Modul krosspektra pritisak - moment Picture 27 - Magnitude of the cross-spectral density function between pressure-brake
torque
40km/h potpuno opterećeno
‘W iZ о N i—i 2 <0 -
t = 1 a I 4 I o-
“ re 2 w-2
* 1-3
-4
Frekvencija, [Hz]
Slika 28 - Faza krosspektra pritisak - moment Picture 28 - Phase of the cross-spectral density function between pressure-brake torque
40km/h vozilo spremno za vožnju
„120
о E
3
T3 (0
g a 80
£ t
O .Q
9- °
1,76 2,64 3,52 4,40 5,28 6,16 7,04 7,92 8,80 Frekvencija, [Hz]
Slika 29 - Modul krosspektra pritisak - broj obrtaja Picture 29 - Magnitude of the cross-spectral density function between pressure-wheel's speed
4
3
-1
60
40
20
0
0,88
9,68
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
40km/h vozilo spremno za vožnju
Frekvencija, [Hz]
Slika 30 - Faza krosspektra pritisak - broj obrtaja Picture 30 - Phase of the cross-spectral density function between pressure-wheel's speed
Analizom svih dobijenih podataka utvrđeno je da se maksimalne vrednost modula krosspektra kreću u granicama od 46,56 (f = 1,47 Hz, v0 = 80 km/h za potpuno opterećeno vozilo) do 402,72 (f = 1,17 Hz, v0 = 40 km/h za pot-puno opterećeno vozilo). Maksimalne vrednosti faze kreću se u granicama od 2,67 (f = 8,5 Hz, v0 = 60 km/h za potpuno opterećeno vozilo) do 3,08 (f = 5,28 Hz, v0 = 40 km/h za potpuno opterećeno vozilo).
Rezultati analize uticaja mase vozila na modul i fazu krosspektra funkcije pritisak-broj obrtaja prikazani su na slikama 31 i 32. Na njima se vidi da povećanje mase vozila utiče na porast maksimalne vrednosti modula (od 230,5, f = 0,88 Hz do 322,65, f = 0,88 Hz), a malo na maksimal-nu vrednost faze krosspektra pritisak-broj obrtaja (od 2,69, f = 2,64 Hz za potpuno opterećeno vozilo do 2,72, f = 1,17 Hz za vozilo spremno za vožnju).
Frekvencija, [Hz]
Slika 31 - Uticaj mase vozila na modul krosspektra pritisak - broj obrtaja Picture 31 - Influence of the vehicle weight on the magnitude of cross-spectral density function between pressure-wheel's speed
4
Frekvencija, [Hz]
Slika 32 - Uticaj promene mase vozila na fazu krosspektra pritisak - broj obrtaja Picture 32 - Influence of the vehicle weight on the phase of cross-spectral density function between pressure-wheel's speed
Na slikama 33 i 34 analiziran je uticaj početne brzine vozila na mo-dul i fazu krosspektra funkcije pritisak - broj obrtaja. Vidi se da povećanje početne brzine vozila utiče na porast maksimalne vrednosti modula (od 104,8 do 230,5, f = 0,88 Hz), a malo na maksimalnu vrednost faze krosspektra pritisak-broj obrtaja (od 2,72, f = 1,17 Hz, 80 km/h do 3,08, f = 3,23 Hz, 60 km/h).
Frekvencija [Hz]
Slika 33 - Uticaj promene brzine na početku kočenja vozila na modul krosspektra pritisak
- broj obrtaja
Picture 33 - Influence of the initial speed on the magnitude of cross-spectral density function between pressure-wheel's speed
dr>
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
4
3
TO 2
й д 1
LL. TO 1 TO .Q
S о 0 &Ё1
В ■<? -1
Ž 8
-2
Q.
-3
-4
40km/h
^ r. r 1 j __ __ 60km/h ; A / 80km/h /' /\ /
\ A\ i\! ' \ / \ /
1 ■ \ • ^ 1 1—• «. . '
1,88 1 1 11 Vv- 1,44.2., 06*264 3,23 3,81 4,40/]4,99 1.5,5^6,1a 6Д5 7.^3 17,92 8,50 9,09 9,68 _\ \ i * / II I* /
: \ 1/ \ * л ! \ j j \l
\ ' 1 _ -лJLr
Frekvencija [Hz]
Slika 34 - Uticaj promene brzine na početku kočenja vozila na fazu krosspektra pritisak-
broj obrtaja
Picture 34 - Influence of the initial speed on the phase of cross-spectral density function
between pressure-wheel's speed
Koherenca
Analiza podataka sa slike 35 pokazuje da se vrednosti koherence kreću u granicama od 0,714 do 0,9833.
1 1 H 0,95 ce « 0,9 £ 7 П QC 60km/h vozilo spremno za vožnju
w 0,85 £ О * 0,8 -0,75 -
1,17 2,35 3,52 F 4,69 rek ven 5,87 cija , [H 7,04 z] 8,21 9,38
Slika 35 - Koherence pritisak-moment Picture 35 - Coherence pressure-brake torque
Na dijagramu 36 može se videti i uticaj mase vozila u procesu koče-nja do zaustavljanja. Vrednosti koherence se kreću u granicama od 0,855 do 0,973.
Frekvencija, [Hz]
Slika 36 - Uticaj promene mase vozila na koherencu Picture 36 - Influence of vehicle weight on the coherence
Uticaj početne brzine kretanja vozila u procesu kočenja do zausta-vljanja vidi se na dijagramu na slici 37. Vrednosti koherence se kreću u granicama od 0,85 do 0,982.
Frekvencija, [Hz]
Slika 37 - Uticaj promene brzine vozila na početku kočenja na koherencu Picture 37- Influence of the initial speed on the coherence
Može se tvrditi, na osnovu analize svih podataka funkcija koherence, da u posmatranom sistemu za kočenje postoji sprega između pritiska kočne tečnosti u sistemu i kočnog momenta. Ta sprega je pri višim uče-stalostima veća. Niže vrednosti od 1 objašnjavaju se nelinarnostima, za-zorima, šumom i slično.
Gustina verovatnoće
Na slici 38 prikazana je jedna od izračunatih funkcija gustine vero-vatnoće - moment u funkciji amplitude za brzinu od 60 km/h u slučaju vozila spremnog za vožnju. Maksimalna vrednost gustine verovatnoće od 97,85 odgovara amplitudi od 100.
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
60km/h vozilo spremno za vožnju
<D
‘O
О
1Л
Э
О
Amplituda, [Nm]
Slika 38 - Gustina verovatnoće - kočni moment u funkciji amplitude Picture 38 - Probability density function of the brake moment as a function of the
amplitude
Uticaj promene mase vozila na vrednost gustine verovatnoće - moment za početnu brzinu kretanja od 40 km/h prikazan je na slici 39. Mak-simalna vrednost gustine verovatnoće menja se u granicama od 55,86 pri amplitudi 300 za potpuno opterećeno vozilo do 99,02 za vozilo spremno za vožnju, što odgovara amplitudi 100.
Slika 39 - Uticaj mase vozila na gustinu verovatnoće - moment Picture 39 - Influence of vehicle weight on the probability density of the brake moment
Na slici 40 vidi se uticaj početne brzine u procesu kočenja na gustinu verovatnoće - moment čija se maksimalna vrednost menja u granicama od 49,8 pri amplitudi 100 za brzinu 80 km/h, preko 71,29 pri amplitudi 300 za brzinu od 60 km/h, do 99,02 pri amplitudi 100 za brzinu od 40 km/h.
C6D
0)
чО
о
В "
<Z £1
2 с 0) О)
£ §
■В s
1Л
3
О
S/ika 40 - Uticaj brzine vozila na početku kočenja na gustinu verovatnoće - moment Picture 40 - Influence of initial speed on the probability density of the brake moment
Uticaj mase vozila na vrednost gustine verovatnoće - pritisak za po-četnu brzinu kretanja od 40 km/h prikazan je na slici 41. Maksimalna vrednost gustine verovatnoće menja se u granicama od 71,68 pri ampli-tudi 50 za vozilo spremno za vožnju do 92,19 za potpuno opterećeno vo-zilo, što odgovara amplitudi 30.
S/ika 41 - Uticaj mase vozila na gustinu verovatnoće - pritisak Picture 41 - Influence of vehicle weight on the probability density of the pressure
Analiza uticaja početne brzine u procesu kočenja na gustinu vero-vatnoće - pritisak (slika 42) pokazala je da se maksimalna vrednost menja u granicama od 69,6 pri amplitudi 50 za brzinu 60 km/h, preko 71,68 pri amplitudi 50 za brzinu 40 km/h, do 95,7 pri amplitudi 30 za brzinu 80 km/h (sve za potpuno opterećeno vozilo).
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
100 -|
40km/h _•
— 60km/h
‘O 80km/h ' ■ .
C ■—1 70 ■ ■ A
' 7 \
gw 50 ' / \
1 £ 40 ' /1 \
3 ■ / \ \
10 \y \ \
0 ^ •'/ \ \
-90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 Amplituda, [bar]
Slika 42 - Uticaj brzine vozila na početku kočenja na gustinu verovatnoće - pritisak Picture 42 - Influence of initial speed on the probability density of the pressure
Prenosna funkcija
Na slici 43 dat je ilustrativan dijagram prenosne funkcije pritisak— kočni moment u frekventnom domenu za početnu brzinu od 80 km/h i vo-zilo spremno za vožnju. Vrednosti prenosne funkcije se kreću od 4,848 (f = 4,106 Hz) do 4,917 (f = 8,211 Hz).
80km/h vozilo spremno za vožnju
Slika 43 - Prenosna funkcija pritisak - kočni moment u funkciji frekvencije Picture 43 - Transfer function of the pressure-brake torque in function of frequency
Ako se razmatra uticaja mase vozila na vrednost prenosne funkcije za početnu brzinu pri kočenju od 80 km/h (slika 44), očigledno je poveća-nje vrednosti prenosne funkcije, koja se za vozilo koje je spremno za vo-žnju kreće u granicama od 4,848 (f = 4,106 Hz) do 4,917 (f = 8,211 Hz), a za potpuno opterećeno vozilo u granicama od 4,995 (f = 4,106 Hz) do 5,099 (f = 8,211 Hz).
C6i>
5,15
¥ 5,1 л
Е 5,05 Z
5
CQ
:о 4,95 § 4,9
с 4,85
(Л
о 4,8
ф . __
__/
vozilo spremno za vožnju
potpuno opterećeno vozilo
4,7 H--1-1---1--1--1--1--1--1---1-1---1--1--1--1---1-1
1,17 2,35 3,52 4,69 5,87 7,04 8,21 9,38
Frekvencija, [Hz]
Slika 44 - Uticaj mase vozila na prenosnu funkciju pritisak - kočni moment Picture 44 - Influence of vehicle weight on the transfer function between the pressure and
brake moment
Promena početne brzine u procesu kočenja na prenosnu funkciju pritisak-kočni moment (slika 45) dovodi do promene vrednosti, koja se menja u granicama od 5,282 (f = 1,173 Hz) do 5,828 (f = 6,452 Hz) za br-zinu od 40 km/h, preko 5,552 (f = 2,346 Hz) do 5,73 (f = 9,971 Hz) za br-zinu od 60 km/h i od 4,995 (f = 4,106 Hz) do 5,099 (f = 8,211 Hz) za brzi-nu od 80 km/h (sve za slučaj potpuno opterećenog vozila).
Slika 45- Uticaj brzine vozila na početku kočenja na prenosnu funkciju pritisak - kočni moment Picture 45- Influence of initial speed on the transfer function between the pressure and
brake moment
Gustina zajedničke verovatnoće
Na slici 46 prikazana je promena gustine zajedničke verovatnoće u funkciji pritiska i momenta za početnu brzinu od 40 km/h i vozilo spremno za vožnju. Gustina zajedničke verovatnoće menja se u granicama od 0,22 (v0« 60 km/h za vozilo spremno za vožnju) do 0,68 (v0 « 40 km/h za potpuno opterećeno vozilo).
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
Slika 46 - Gustina zajedničke verovatnoće za brzinu od 40 km/h i vozilo spremno za vožnju Picture 46 - Density of mutual probability for a speed of 40 km/h and the vehicle that is
ready to drive
Zaključak
Na osnovu istraživanja, može se zaključiti sledeće:
Razvijena metodologija eksperimentalnog istraživanja mehaničkih karakteristika doboš kočnica može se primeniti u praksi sa dovoljnom po-uzdanošću.
Korišćene metode obrade podataka omogućavaju analizu stvarnih mehaničkih karakteristika doboš kočnica u eksploataciji.
Dobijeni rezultati ukazuju na nelinearnu transformaciju pritiska koč-nog fluida u kočni moment i na značajan uticaj parametara mase vozila i početne brzine vozila na početku posmatranih prelaznih procesa.
Literatura
[1] Todorović, J., Kočenje motornih vozila, Zavod za udžbenike i naučna sredstva, Beograd, 1988.
[2] Demić, M., Lukić, J., Teorija kretanja motornih vozila, monografija, Ma-šinski fakultet u Kragujevcu, 2011.
[3] Gillespie, T., Fundamental of Vehicle Dynamics, SAE, 1992.
[4] Necomb, T. P., Spurr, R. T., Braking of road vehicles, Chapman and Hall, London, 1967.
[5] Necomb, T. P., Day, A. J., Finite element analysis of drum brake performance, Int. Seminar "Autom. Brake Components", IMechE, Birmingham, 1985.
[6] Day, A. J., Harding, P. R., Necomb, T. P., Combined thermal and mechanical analysis of drum brakes, Proc. IMechE, Vol 1988, N°15.
[7] Glišović, J., Radonjić, R., Ocena svojstava doboš kočnica za motorna vozila, IRMES, Jahorina, 2002.
[8] Glišović, J., Identifikacija prenosnih karakteristika doboš kočnica, magi-starski rad, Mašinski fakultet, Kragujevac, 2001.
[9] Demić, M., Mirić, N., Prilog definisanju dinamičkog modela vozila za analizu procesa kočenja, Zastava, br. 30, 1991.
[10] Demić, M., “ANALSIGDEM” - Software for signal analysis, www.ptt.yu/korisnici/i/m/imizm034/, 2003.
[11] Demić, M., “DEMPARCOH” - Software for partial coherence function calculation, www.ptt.yu/korisnici/i/m/imizm034/, 2003.
[12] Bendat, J. S., Nonlinear Systems-Techniques and Applications, John Wiley and Sons, London, 1998.
[13] Bendat, J. S., Piersol, A.G. Random Data Analysis and Measurement Procedures, John Wiley and Sons, London, 2000.
[14] Bendat, J. S, Piersol, A.G., Engineering Applications of Correlation and Spectral Analysis, John Wiley and Sons, London, 1980.
[15] Demić, M., Kibernetski sistem: čovek-vozilo-okruženje“, Centar za na-učna istraživanja SANU i Univerziteta u Kragujevcu, monografija, 2008.
[16] Demić, M., Prilog utvrđivanju pouzdanosti nove metode za identifikaiju oscilatornih parametara motornih vozila, Vojnotehnički glasnik/Military Technical Courier, Vol. 45, No. 2, pp. 135-146, Beograd, 1997.
A CONTRIBUTION TO THE STUDY OF MECHANICAL CHARACTERISTICS OF PASSENGER MOTOR VEHICLE DRUM BRAKES
FIELD: Mechanical Engineering, Engines and Motor Vehicles ARTICLE TYPE: Original scientific paper
Summary:
Calculation and testing methods of drum brake mechanisms are presented in a large number of papers. Intensive development of computer techniques, numerical methods and measurement techniques make a significant contribution in this domain. Based on the conducted analysis, it is obvious that there is no generally accepted method for the evaluation of mechanical characteristics and output parameters of drum brakes. One new approach for defining evaluation criteria of the properties of drum brakes for motor vehicles is presented in this paper. The complex characteristics of various types of brake mechanisms are formed according to the proposed algorithm, the fast assessment of the characteristics of the brake mechanism is performed, which is especially important in the development phase of new products, by using computer techniques for measuring, data acquisition and data processing.
Introduction
The main function of the brake mechanisms is to achieve the required braking torque acting on the wheel of the vehicle, causing its deceleration, thus braking the vehicle. Therefore, the braking torque is
(j57>
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
a fundamental characteristic of each brake, the measure of its functional properties or performance. This paper presents one way of defining the criteria of evaluation of mechanical properties of drum brakes for motor vehicles, which include the stage of experimental measurements and subsequent processing of recorded data.
Experimental methods
The SIMPLEX type drum brakes are incorporated at the rear wheels of the tested passenger vehicle. During the braking process, braking torque is developed, and it tends to slow down the drum. At the same time, the reactive braking torque acts on the wheel and it is transmitted to the shoes, seeking to turn them around in the direction of rotation. The reactive torque, which is identically equal to the intensity of the braking torque is transferred through the shoe supports and the brake cylinders on the backing plate made of sheet metal. In addition to monitoring the braking torque, the pressure of brake fluid in the brake cylinder of the rear wheel brake is measured with an absolute pressure sensor. A contactless pulse sensor is used for monitoring the speed of the rear wheel, and this is the second output parameter of drum brake subsystems.
Measurement of pressure in the brake cylinder of drum brakes
The hydrostatic brake system was applied in the tested vehicle in which the command signal is transmitted from the brake pedal, through pipes and hoses to the brake cylinders. Design limitations prevent the mounting of the absolute pressure transducer P3MA directly into the brake cylinder of drum brakes. Instead, a sensor is installed near the brake cylinder, assuming that there is a very small pressure drop.
Measuring brake torque in the drum brakes
The reactive braking torque in the realized solution is measured indirectly by a force sensor and the extension force is measured via strain gauges connected in a full Wheatstone's bridge and glued on the measuring stick being stressed by extension.
Measuring the speed of the motor vehicle wheels
There are 60 (58) teeth uniformly distributed along the wheel perimeter. A metal bracket with a speed sensor manufactured by the BOSCH Company is mounted opposite the wheel and it is attached to the backing plate.
The following data was recorded during the experiment: pressure changes in the brake installation and both output values- the braking torque and the braking wheel speed during the braking process until the vehicle is stopped for different initial velocities and for both a vehicle ready for a drive and a fully loaded vehicle. The pressure and braking torque functions first show a rapid increase up to a maximum value, then after a certain time of maximum braking and a sudden drop in the wheel number of revolutions, the phase of the termination of driver's command and stop
of the braking process takes place. The change of the braking torque in Fig. 13 shows that after the stop of braking and the drop of braking torque to zero, the pressure drop in the brake installation has some time delay.
Analysis of the results obtained by the experimental method
The ANALSIGDEM and DEMPARCOH software packages were implemented for the analysis of the experimentally recorded time signals, and they were based on the theory known from [12, 13, 14, 15, and 16].
Autocorrelation function
The changes of the autocorrelation functions of pressure, brake torque and speed in function of the delay are illustrated. It is obvious that the values of the autocorrelation functions are reduced with the time delay, t, until the value is zero, but then they move away from it. This suggests that the observed process is the transition process.
Auto-spectral density function
Figs. 18 and 19 show the examples of modules and phases of the auto-spectral density function of the pressure at a speed of 40 km/h for the fully loaded vehicle. It is obvious that the value of the module of the auto-spectral density function is largest in low-frequency ranges and has values from 7.42 (f =1.17 Hz) to 0.83 (f =9.97 Hz). The phase values are within the range from -1.56 (f =3.81 Hz) to 1.57 (f=5.87 Hz).
Cross-correlation functions
The maximum value of the cross-correlation function pressure-brake torque for different initial velocities during the braking process is ranged from 1036.77 to 3792.1. The time delay ranges from 0.0733 s to 0.293 s. The analysis of the influence of the vehicle mass and the initial velocity on the cross-correlation function pressure-braking torque shows that the increase in the vehicle mass and the initial speed significantly affects the maximum value of the cross-correlation function pressure-braking torque.
Cross-spectral density function
The results of the analysis of the influence of the vehicle mass on the modulus and phase of the cross-spectral density functions pressure-speed show that the increase in a vehicle mass affects the increase in the maximum value of the module and show little influence on the maximum value of the phase of the cross-spectral density function pressure-speed. The influence of the initial vehicle speed on the modulus and the phase of the cross-spectral density functions pressure-speed have been analyzed and there is an obvious increase in the maximum value of the module and little influence on the maximum value of the phase of the cross-spectral density function pressure-speed.
Coherence
Based on the analysis of all data of the coherence function, it can be argued that in the present system, there is a correlation between
dĐ
Demić, M., i dr., Prilog istraživanju mehaničkih karakteristika doboš kočnica putničkog motornog vozila, pp. 42-70
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK/MILITARY TECHNICAL COURIER, 2012., Vol. LX, No. 3
the pressure of brake fluid in the brake system and the braking torque. This coupling is larger at higher frequencies. Lower values than one (1) are explained by nonlinearity, clearance, noise, etc.
Probability Density
The influence of the vehicle mass on the probability density-pressure for the initial speed of 40 km/h shows that the maximum value of the probability density varies within the limits of 71.68 in the amplitude of 50 for a vehicle ready for the drive, to 92.19 for the fully loaded vehicle, which corresponds to the amplitude of 30. The analysis of the influence of the initial velocity during the braking process on the density probability-pressure showed that the maximum value changes within the limits from 69.6 (amplitude 50, speed 60 km/h), over value 71.68 (amplitude 50, speed 40km/h) to 95.7 (amplitude 30, speed 80 km/h), all for the case of the fully loaded vehicle.
The transfer function
By considering the influence of the vehicle mass on the transfer functions for the initial braking speed of 80 km/h (Fig. 44) it is obvious that the value of the transfer function is increased, ranging from 4.848 (f=4.106 Hz) to 4.917 (f=8.211 Hz) for the vehicle ready for the drive, and for the fully loaded vehicle from 4.995 (f=4.106 Hz) to 5.099 (f=8.211 Hz). Changing the initial velocity in the braking process has the influence on the transfer function pressure-braking torque (Fig. 45) and leads to changes in the value which varies within the limits from 5.282 (f=1.173 Hz) to 5.828 (1=6.452 Hz) for the speed of 40 km/h, over 5.552 (f=2.346 Hz) to 5.73 (f=9.971 Hz) for the speed of 60 km/h, 4.995 (f=4.106 Hz) to 5.099 (f=8.211 Hz) for the speed of 80 km/h, all for the case of the fully loaded vehicle.
Conclusion
The developed methodology of experimental research of drum brake mechanical properties can be applied with sufficient reliability in practice. The applied data processing methods allow an analysis of actual mechanical characteristics of drum brakes in operation. The obtained results indicate a nonlinear transformation of the brake fluid pressure into the braking torque, as well as a significant influence of vehicle mass parameters and the initial speed at the beginning of the observed transition processes.
Key words: drum brakes, experimental research, data processing.
Datum prijema članka: 18. 07. 2011.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 17. 08. 2011.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 18. 08. 2011.
C7D
