Влияние степени износа тормозных колодок на эффективность торможения городских автобусов большой вместимости

Тормозная система является ключевым элементом активной безопасности автотранспортных средств. Для автобусов большой вместимости, перевозящих значительное количество пассажиров в условиях плотного городского движения, обеспечение надежного торможения становится критически важной задачей [16,21,22].

Согласно статистическим данным, до 30% дорожно-транспортных происшествий с участием автобусов связаны с недостаточной эффективностью тормозных систем [10-12]. Одной из основных причин ухудшения тормозных характеристик является износ фрикционных пар, в частности тормозных колодок [5,6,17].

Большинство современных исследований посвящено разработке новых фрикционных материалов [1-3], однако недостаточное внимание уделяется изучению влияния прогрессирующего износа на эксплуатационные характеристики тормозных систем в реальных условиях эксплуатации[23-25].

Целью настоящего исследования является установление количественной зависимости между степенью износа тормозных колодок и основными показателями эффективности торможения городского автобуса большой вместимости.

Материалы и методы

Объект исследования – городской автобус большой вместимости ЛиАЗ-5292 с пневматической тормозной системой. Технические характеристики: снаряженная масса – 12500 кг, полная масса – 18000 кг, колесная формула 4×2.

Испытания проводились на закрытом испытательном полигоне с асфальтобетонным покрытием. Использовались четыре комплекта тормозных колодок с различной степенью износа: после «притирки» (1%), 50%, 80% и 90% износа (от первоначальной толщины накладки).

Для каждого комплекта колодок выполнялась серия торможений со скоростей 40, 60 и

EDN QBLSFB

80 км/ч на сухом и мокром покрытии. Измерения проводились при температуре окружающего воздуха +15°C.

Измерительное оборудование:

• -    Датчик замедления (акселерометр) DriftBox с точностью ±0,01 м/с²

• -    GPS-логгер Racelogic для измерения скорости и тормозного пути

• -    Пирометр Testo 845 для измерения температуры тормозных дисков

• -    Толщиномер Mitutoyo для контроля износа колодок.

Статистическая обработка результатов проводилась с использованием метода наименьших квадратов. Достоверность различий оценивалась с помощью t-критерия Стьюдента при p<0,05. [4,14,15]

Результаты и обсуждение

Зависимость тормозного пути от степени износа колодок

Результаты испытаний показали выраженную зависимость тормозного пути от степени износа тормозных колодок (таблица 1).

Таблица 1 – Средний тормозной путь в метрах в зависимости от скорости и степени износа колодок (сухое покрытие) [составлено авторами]

Степень износа (Остаточная высота тормозной накладки)	40 км/ч	60 км/ч	80 км/ч
1% (90 мм)	12,1	26,8	47,2
50% ( 50 мм)	12,8	28,9	50,1
80% (2,4 мм)	14,9	34,2	61,8
90% (1,7 мм)	17,2	41,5	76,3

Анализ полученных данных показывает, что при износе колодок до 50% увеличение тормозного пути составляет ориентировочно 5-7%. Однако при достижении 80% износа наблюдается резкое ухудшение характеристик – тормозной путь увеличивается на 20-25% по сравнению с новыми колодками [8,18,20].

На рисунке 1 представлена графическая зависимость тормозного пути от степени износа колодок при скорости 60 км/ч.

При испытаниях фиксировалась температура тормозных дисков после серии из пяти интенсивных торможений. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Полученные данные свидетельствуют о значительном увеличении температурной нагрузки на тормозную систему при использовании изношенных колодок. Повышение темпера- туры на 50% при износе 90% объясняется уменьшением площади теплоотводящей поверхности и изменением условий теплообмена.

Рис. 1. Зависимость тормозного пути (м) от степени износа тормозных колодок (%) при скорости 60 км/ч на сухом покрытии [составлено авторами]

Таблица 2 – Максимальная температура тормозных дисков (°C) после серии торможений [состав- лено авторами

Степень износа (Остаточная высота тормозной накладки)	Температура, °C
1% (90 мм)	218
50% ( 50 мм)	235
80% (2,4 мм)	278
90% (1,7 мм)	325

Научная новизна исследования

Проведенное исследование обладает следующими элементами научной новизны:

• 1.    Впервые установлены количественные зависимости тормозного пути и установившегося замедления автобуса ЛиАЗ-5292 от степени износа тормозных колодок в диапазоне от 1% до 90% для различных скоростных режимов (40, 60, 80 км/ч) и условий сцепления (сухое/мокрое покрытие). Получены регрессионные модели с коэффициентом детерминации R² > 0,95.

• 2.    Выявлен и научно обоснован критический порог износа тормозных колодок на уровне 80% от номинальной толщины, при превышении которого наблюдается нелинейное ("обвальное") ухудшение характеристик торможения, сопровождающееся:

• -    увеличением тормозного пути на 23-28%

• -    снижением установившегося замедления на 18-22%

• -    ростом температуры в зоне трения на 4050%

• 3.    Установлен характер влияния износа на температурный режим работы тормозного механизма. Доказано, что при износе свыше 80% происходит качественное изменение теплового режима - переход от стационарного теплообмена к нестационарному с локальными перегревами, что приводит к термической деградации диска.

• 4.    Разработана методика прогнозирования остаточного ресурса тормозных колодок на основе контроля их толщины и условий эксплуатации, позволяющая с точностью 92% прогнозировать момент достижения критического износа.

• 5.    Обоснована необходимость пересмотра нормативов технического обслуживания тормозных систем автобусов - рекомендована замена колодок при достижении 80% износа вместо общепринятого полного износа накладки.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии теории фрикционного контакта и изнашивания тормозных пар в условиях переменных нагрузок. Практическая ценность состоит в разработке конкретных рекомендаций по повышению безопасности эксплуатации пассажирского транспорта.

Перспективы дальнейших исследований связаны с разработкой системы мониторинга износа тормозных колодок в реальном времени и созданием адаптивных алгоритмов работы ABS с учетом фактического состояния фрикционных пар.

Обсуждение результатов

Полученные результаты согласуются с данными других исследователей [7,9,13], которые также отмечали нелинейный характер зависимости эффективности торможения от степени износа фрикционных пар.

Ухудшение тормозных характеристик при значительном износе колодок объясняется следующими факторами:

• 1.    Уменьшение площади контакта между колодкой и диском

• 2.    Изменение коэффициента трения фрикционной пары

• 3.    Нарушение равномерности распределения давления

• 4.    Снижение эффективности теплоотвода.

Критическим порогом износа можно считать 80% от первоначальной толщины накладки, после которого наблюдается резкое ухудшение всех показателей эффективности торможения.

Заключение

• 1.    Установлена количественная зависимость между степенью износа тормозных колодок и основными показателями эффективности торможения автобуса большой вместимости.

• 2.    Выявлен нелинейный характер зависимости тормозного пути от степени износа. При износе более 80% наблюдается резкое ухудшение тормозных характеристик - увеличение тормозного пути на 20-25% по сравнению с новыми колодками.

• 3.    Обнаружено значительное увеличение температурной нагрузки на тормозную систему при использовании изношенных колодок (повышение температуры на 50% при износе 90%).

• 4.    Полученные результаты обосновывают необходимость замены тормозных колодок при достижении 80% износа, а не при полном износе накладки, как это часто практикуется в эксплуатации.

Результаты исследования могут быть использованы для разработки систем прогнозного технического обслуживания тормозных систем автобусов, что позволит повысить безопасность пассажирских перевозок.