Исследование влияния режимов работы тормозных механизмов на надежность элементов тормозной системы

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

(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 (ТО-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 KIA Shuma 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 IВ 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 (L) 5484 км и выполнено рабочих процессов (N) 19567 ед. Для классификации режимов работы предложено их разделить на две категории: 1 - городская эксплуатация (L1 - пробег и N1 - - количество рабочих процессов ТС в режиме «Город»; 2 - эксплуатация на трассе (L2 и N2 в режиме «Трасса». Из 5484 км эксплуатация в режиме «Город» составляет 2258,6 км и 3225,4 км в режиме «Трасса».

Рисунок 2 - Принципиальная схема работы датчика режима работы ТМ: 1 - педаль тормоза, 2 – концевик педали тормоза, 3 – датчик,

4 – лампа стоп-сигнала

L = L i + L₂                    (1)

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 инфографики, видно, что количество нажатий в режиме «Трасса» значительно меньше, чем в режиме «Город». При детальном анализе режима «Город» установлено, что за пробег L 1 2258,6 км было совершено 17143 рабочих процессов тормозными механизмами N 1 .

Фрагмент результатов исследования в режиме «Город» отражен в таблице 2.

Рисунок 3 - Инфографика режимов работы тормозных механизмов

Таблица 2 - Фрагмент результатов исследования работы ТМ в режиме «Город»

№ п\п	Пробег за поездку L 1i км	Количество нажатий в режиме		Город
		за поездку, N 1i	N 1 1 i KM , 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 N11m = 1,9 на 1 км пробега, максимальное количество Nl” составляет 11,8, а среднее число N^p 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:

• -    N ¹ⁱⁿ = 0,2 км^- 1 ;

• -    N ^^^ равно 3,9 км^- 1 ;                          Фрагмент результатов исследования ра- N₂^P составляет 0,9 км^- 1 .                 бочих процессов в режиме «Трасса» представ-

• Для смешанного режима эксплуатации лен в таблице 3.

среднее число рабочих циклов Ncp составит

• 4,2 ед.

Таблица 3 – Фрагмент результатов исследования рабочих процессов в режиме «Трасса»

№ п\п	Номер трассы	Наработка L 2i , км	Нажатий в режиме
			За поездку N 2l	N 21 , 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 экспериментальным путем значений М ср и N₂^P, рассчитан коэффициент привидения (коэффициент Кокарева К_к ) для конкретного соотношения режимов эксплуатации (интенсивность эксплуатации) автомобиля (таблица 4),

К_к = ^£+1

Таблица 4 – Коэффициент Кокарева

№ п/п	Режим	Интенсивность эксплуатации, %
1	Город, L i	10	20	30	40	50	60	70	80	90
2	Трасса, L 2	90	80	70	60	50	40	30	20	10
3	Коэф-т Кокарева, К к	1,53	2,17	2,8	3,43	4,07	4,7	5,33	5,97	6,6
При проведении и планировании тех-       Г^ _ L i г е i — 1  100 нического обслуживания (ТО) автомобиля ин-          1 = 1001'Где 1 =   ""   ; формация о его наработки в режиме «Город»                L ‘ = L — L ’ ; отсутствует. Для корректного планирования                l = L2 + L\; ТО необходимо определить интенсивность        ^' — // щср Ппи Ncp — 7 5 ■ эксплуатации автомобиля. Таким образом,       -  1     1 1^       1     ’ ;          (3) зная пробег L и количество N рабочих циклов        N 2 = L2N2 ,при N 2 = 0,9; ТМ, можно определить интенсивность эксплу-                N ' = N 1 + N2; атации автомобиля за этот период при соблю-                   f   N' дении условия: Кк = К К . По известным значе-                 К к = L" ниям рассчитывается коэффициент Кокарева       < Кк :                                                     Рекомендуемая наработка Lgon до за- ^ _N                  р)     мены передних тормозных колодок при обра- к    L                            ботке статистических данных при y=0,95 со- Для определения интенсивности экс-     ставляет 45 тыс. км [4]. На данном интервале плуатации, необходимо решить систему урав-     наработки, при Кк=4,07, среднее количество нений:                                           рабочих процессов ТМ N^’*07 найдем:

4,07 _ _Г4,07 — ^ Д° ^п

Za     Zo         — 22500 км.

• ^{1        2}        2

Тогда

• _V 4, ⁰⁷_{— V}^{cp км—1}£ 4, ⁰⁷ _;

• V 4, ⁰⁷ — V^{cp км}  Z ^, ⁰⁷ — 7,5 • 22500 — 168750 ед.,

—1

• V₂^4,07 — V₂^{P км} Z 4 ^,o 7 — 0,9 • 22500 — 20250 ед.

  
  

Общее количество рабочих циклов составит:

V 4,0 ⁷ — V^4,07 + V₂^4,07                (6)

— 189200 ед.

Получается, что при Z4,07 — Z4,07, тормозные механизмы будут работать 168700 раз в режиме «Город» и 20500 в режиме «Трасса». При других соотношениях интенсивности эксплуатации информация отображена на рисунке 4.

Кол-во нажатий, тыс. ед.

Рисунок 4 – Количество рабочих процессов ТМ при разной интенсивности эксплуатации на интервале наработки 45000 км

На гистограмме рисунка 4, столбец с К_к — 4,07 выделен штриховкой. Условно принимаем, что он соответствует допустимой наработки £_д ° _п 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].

Ь д°п >Ь . (7)

Столбцу с Кк — 2,17 соответствует V2,17= 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 VCp = 4,2 соответствует пробегу 21428 км.

Столбцу с К_к — 5,97 соответствует V^5,97= 66428 км, что превышает допустимую наработку £_д ° _п. 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.

Таблица 4 – Результаты расчетов отклонения наработок до обслуживания или замены элементов ТорС с учетом режимов

Элементы ТорС	Наработка до замены, £ д ОП км	Отклонение наработок при разных режимах эксплуатации, тыс. км
		г- 2,17 Кк	v 2,8 Кк	К^лз	К4'°7	к К7	j^ 5.33	г- 2,17 Кк
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.