A fékdinamika alapjai

Az ENSZ EGB 13. előírás szerint a jármű fékezésének vizsgálata során elegendő egy egysze-rűsített dinamikai modellt alkalmazni, mely szerint a jármű vízszintes, sima úton halad, a jár-műre csak a fékerő és a tehetetlenségi erő hat, a lassulás egyenletes. Ez az egyszerűsítés a biz-tonság javára történik, miután a valóságban a járművet fékezi a légellenállás, a gördülési ellenállás és a különböző alkatrészek súrlódása is.

118. ábra A gépkocsi fékezésekor fellépő erők

A 118. ábra szerinti egyszerűsített modell alapján felírható mozgásegyenlet:

– F1 – F₂ = F_T ,

ahol FT = ρ (G/g)∙aF – aF < 0, fékezéskor a gyorsulás nagatív előjelű, azaz lassulás van  feltételezzük továbbá, hogy FF = F1 + F2 = ρ G∙max , vagyis a fékezéskor kihasználjuk a kerék és az útfelület közötti tapadási erőt. Így az erők egyensúlyából következő mozgásegyenlet

 G∙max = (G/g)ρaF .

A megállásig fékezett járműre vonatkozó energia egyenlet Em - EF = 0 alakban írható fel, ami azt mutatja, hogy a gépjármű Em mozgási energiáját a fékezés révén megvalósult EF energiaelvo-nással fogyasztjuk el, miközben a jármű befutja a fékezés megkezdésétől a jármű megállásáig tartó sF távolságot, az úgynevezett fékutat. Az energiaegyenlet részletesebb felírással az:

(G/g)ρv²/2 = G∙_max ∙s_F alakot ölti, ahol:

 G – a jármű súlyereje (N)

 g – 9,81 m/sec2

 ρ – a forgótömeg tényező (egyszerűsített modellben ρ=1 vehető)

 v – a jármű sebessége a fékezi kezdősebessége (m/sec)

 max – az útra jellemző tapadási tényező

 sF – a fékút (m)

A mozgásegyenletből és az energiaegyenletből meghatározhatóak az elemi fékmutatók:

 a legnagyobb lassulás: a_F = (g/ρ)∙_max

 a fajlagos lassulás: z = a_F/g = _max/ρ

 az elméleti fékút: s_F = ρv²/ (2∙g∙max) = v²/˙(2aF)

 fajlagos (súlyegységre eső) fékezőerő:

az egész járműre: q = F_F/G

az egyes tengelyekre: q1 = FF1/Z1 ; q2 = FF2/Z2 ahol: Z1 és Z2 az első és hátsó tengelyterhelés

A fajlagos fékerő és a tapadási tényező között speciális összefüggés van. A tapadás teljes kihasználása mellett, vagyis maximális fékezőerő esetén az egész járműre felírható

q_max= F_Fmax/G = G∙_max /G = _max ,

vagyis maximális fékezés esetén a fajlagos fékezőerő azonos a tapadási tényezővel. De ha csak kisebb lassulást akarunk elérni, akkor kevésbé nyomjuk a fékpedált, nem használjuk ki a teljes tapadási határerőt, tehát a kerék és útfelület között kisebb tapadás is elegendő. Vagyis a fékpedál lenyomásakor igénylünk egy adott lassulást, igénylünk egy ahhoz szükséges féke-zőerőt, végezetül igénylünk egy az igényelt fékezőerőhöz tartozó erőkapcsolati tényező

értéket. Ebből következően a fajlagos fékerő értéke és az igényelt hosszirányú erőkapcsolati tényező összefüggése:

q = FFi/G = G∙i/G = i .

Tehát a fajlagos fékezőerő nem más, mint egy igényelt hosszirányú erőkapcsolati tényező, ezt meghatározhatjuk az egész járműre, vagy egy-egy tengelyre is:

q = FFi/G = G∙i/G = i , q1 = FF1i/Z1 = Z1∙1i/Z1= 1i , q2 = FF2i/Z2 = Z2∙2i/Z2 = 2i . Ezt az összefüggést jól lehet szemléltetni a különböző adhéziós diagramokon. Például a 119.

ábrán a fokozatosan növekvő lassulású fékezés esetére vonatkozó adhéziós diagram látható.

119. ábra Fokozatosan növekvő lassulású fékezés adhéziós diagramja Fékerő-felosztás tengelyek között

A fékdinamikai számítások bonyolult feladata a jármű lassulásához szükséges fékezőerő (F) felosztása az egyes tengelyek között. Az alapösszefüggés az FF = F1 + F2 összeggel megha-tározott. Ha az egyik tengelyen nagyobb fékezőerőt akarunk létrehozni, mint amennyit a kerekek tapadási határa megenged, azaz túlfékezzük a tengelyt, akkor a kerekek megcsúsz-nak, majd blokkolnak. Amennyiben az i-edik tengelyre qi = i > max, akkor a túlfékezés, ha pedig az i-edik tengelyre qi = i  max,akkor az alulfékezés esete forog fenn.

A kerekek megcsúszása a jármű stabilitásának elvesztését jelentheti. A stabilitásra vonatkozó gyakorlati axióma: „amelyik kerék megcsúszik, az előre igyekszik”.

A korszerű fékrendszereknél használatos ABS szabályzás ezért a kerekek megcsúszását aka-dályozza meg. De ABS esetén is arra kell törekedni, hogy a tengelyek közötti fékezőerő elosztás optimális legyen, vagyis minden tengelynél azonos legyen a fajlagos fékezőerő, vagyis az igényelt tapadási tényező. Ez csak akkor valósítható meg, ha a fékezőerő felosztást

szabályzó eszközt is tartalmaz a fékrendszer. A jármű stabilitásának megőrzése érdekében a szabályozási követelmény kiegészül a q1 ≥ q₂ feltétellel, vagyis az első tengely fajlagos féke-zőereje (megfékezettsége) vagy legyen egyenlő a hátsó tengelyével, vagy annál nagyobb le-gyen. A feladat megoldásának bonyolultságát az okozza, hogy a fékezett jármű tengelyter-helései a lassulás intenzitásától függően állandóan változnak.

Álló helyzetben a tengelyterhelések statikus értékei méréssel, vagy egyszerű számítással meg-határozhatóak az alábbi két egyenlet figyelembevételével:

Z1st = G∙l2/L ; Z2st = G∙l1/L , ahol:

 l1 – a jármű súlypontjának távolsága az első tengelytől (m)

 l2 – a súlypont távolsága a hátsó tengelytől (m)

 L – a jármű tengelytávja (m)

A fékezett jármű esetén fellép a súlypontba koncentrált tehetetlenségi erő, amely módosítja a tengelyterheléseket. A dinamikus tengelyterhelések a következők lesznek:

Z_1d = G∙l₂/L + F_T∙h/L ; Z2d = G∙l₁/L – F_T∙h/L , ahol:

 F_T = ρ(G/g)∙aF- a tehetetlenségi erő (N)

 h – a súlypont magassága

A két tengelyen létrehozható fékerők arányát fékezőerő-felosztási tényezőnek nevezzük:

k = FF1/FF2 .

A dinamikus tengelyterhelésekre vonatkozó összefüggések felhasználásával a fékezőerő fel-osztási tényező kifejtett alakját kapjuk:

k = Z_1d∙/Z2d∙ = (G∙l2/L+F_T∙h/L∙)/(G∙l1/L+F_T∙h/L)∙ , k =( l2 +(aF/g)∙h)/(l1-(aF/g)∙h) = (l2+∙h)/(l1 ∙h) .

A képletek azt mutatják, hogy a fékerő felosztást befolyásolják a jármű súlypontjának koor-dinátái, a lassulás mértéke és a tapadási tényező. Ezek a jellemzők a jármű üzemeltetése során széles intervallumban és véletlenszerűen változhatnak. Változik a jármű gördülő tömege, ez-által a súlypontjának helyzete, változó a fékezés intenzitása, változnak az útviszonyokkal meghatározott erőkapcsolati tényező-viszonyok. Ebből következően a fékezőerő felosztás arányát állandóan változtatni kellene, ezt viszont csak speciális fékezőerő szabályzó, fékező-erő módosító berendezéssel lehet megvalósítani.

A fékezőerő-felosztás vizsgálatához, tervezéséhez szemléletes segédeszköz az egész járműre vonatkozó adhéziós diagram (lásd a 120. ábrát), amelyik a fékezés intenzitása, a

tengelyen-kénti fajlagos fékezőerők, az igényelt és tényleges erőkapcsolati/tapadási tényezők össze-függéseit ábrázolja. A diagramban a lassulás abszolút értékét tekintjük.

120. ábra A fékezőerő-felosztás vizsgálatára szolgáló adhéziós diagram

A diagramból kitűnik, hogy a két tengelynek csak a z* fajlagos lassulás esetén azonos a faj-lagos fékezőereje, vagyis a megfékezettsége. A z* mértékénél kisebb lassulás esetén az első tengely, míg a nagyobb lassulás esetén a hátsó tengely fajlagos fékezőereje és ebből követ-kezően az igényelt erőkapcsolati tényező a nagyobb.

A z₁ fajlagos lassulás esetén egyik tengely sincs túlfékezve, vagyis egyik tengely kerekei sem csúsznak meg, ha a tényleges tapadási tényező _max1 nagyságú.

Ha viszont a tapadási tényező lecsökken max2 értékre, akkor az első kerekek megcsúsznak, de a hátsók nem blokkolnak, tehát a jármű nem veszti el a menetstabilitását.

A z₂ fajlagos lassulás esetén a _max1 tényleges tapadási tényező mellett a hátsó tengely túlfékezett, a hátsó kerekek megcsúsznak, a jármű elveszti menetstabilitását (kifarol, meg-pördül). A max2 tényleges tapadási tényező esetén a előbb a hátsó, majd az első kerekek is blokkol-nak. Ez is stabilitásvesztéshez vezet.

Ebből az elemzésből kitűnik, hogy a z* kritikus fajlagos lassulási érték, nála kisebb lassulás ese-tén a jármű stabilan fékezhető, viszont nagyobb lassulás eseese-tén a jármű elveszti stabilitását.

A z* értékét az ENSZ EGB előírás kötelezően meghatározza:

 személyszállító járművek esetén: z*=0,8 ,

 minden más közúti járműnél: z*=0,3 . 6.4.3 A fékrendszer szerkezeti felépítése

A közúti járművek fékrendszerét szerkezetileg két alrendszerre lehet bontani:

 a kerék talppontjában fellépő fékerőt létrehozó szerkezetek

 a fékrendszert működtető berendezések

A kerékfékerőt létrehozó szerkezet lehet:

 mechanikus, súrlódásos, melynek két jellemző konstrukciója használatos:

- tárcsafék - dobfék

 hidrodinamikus, munkagépek jellemző konstrukciója

 elektromos, villanyautókon alkalmazzák

A tárcsafék szerkezeti felépítését a 121. ábrán mutatjuk be. A szereplő alkatrészeket az alábbi-akban soroljuk fel:

 A – fékhenger rögzítő csavarok

 B – féktartó

 C – biztosítólemez

 D – fékbetét

 E – porvédő

 F – tömítőgyűrű

 G – dugattyú

 H – fékhenger

 J – fékpofa Összeállítási rajz

121. ábra. A tárcsás fék szerkezeti részei

 A – lefutó fékpofa

 B – utánállító

 C - rugó

 D - fékmunkahenger

 E - féklemez

 F- -tartócsap

 G – felfutó fékpofa

 H - nyomórugó

 J - rugótányér

 K - húzórugó

 L – visszahúzó rugó

 M – visszahúzó rugó

122. ábra A dobfék szerkezeti részei A fékrendszert működtető szerkezetek típusai:

 hidraulikus rendszer: Pedállal működtetett főfékhenger, csővezetékek, fékerő-szabályozó elemek, fékmunkahengerek alkotják. Elsősorban sze-mélygépkocsiknál használatos.

 pneumatikus rendszer (légfék : Kompresszor, levegő előkészítő elemek, tartályok, védő-, szabályzó szelepek, membrános munkakamrák, rugó-erőtárolós fékhengerek alkotják elemeit. Autóbuszok, teherautók leggya-koribb fékműködtető rendszere.

 elektromechanikus rendszer: A kerékfékszerkezetben kifejtendő működ-tető erőt elektromágnes vagy lépműköd-tető villanymotor hozza létre. Elsősorban kisebb személygépkocsikban alkalmazzák.

 mechanikus működtető rendszer: Pedállal, kézifékkarral, bowdennel, át-tételes kulcsokkal, vonóékekkel működteti a kerékfékszerkezet súrlódó elemeit. Személygépkocsik rögzítő fékrendszerében, motorkerékpárok-nál, vonógömbös utánfutó pótkocsiknál használatos.

Az autóbuszok, teherautók lassító tartós fékrendszerének jellemző konstrukciói:

 Kipufogófék: A jármű kipufogócső rendszerébe beépített pillangószelep elzárásakor és a tüzelőanyag adagolás megszüntetésekor az erőátviteli rendszeren keresztül a motor ellenállása fékezi a meghajtott kerekeket.

Korábban teherautóknál alkalmazták, kevésbé hatásos.

 Hidrodinamikus retarder: A jármű erőátviteli rendszere és a kocsitest megfelelő eleme közé beépített hidrodinamikus tengelykapcsoló folya-dékkal telve fejti ki a fékező hatást, amely a folyadék leürítésével szün-tethető meg. A munkafolyadék lehet hidraulika olaj, vagy a motor hűtő-vize.

 Elektromos örvényáramú retarder: A jármű erőátviteli rendszerébe épített villamos gép bekapcsolva fejti ki a lassító fékhatást. A fékezés során ter-melt villamos energia felhasználható az akkumulátorok töltéséhez is. Ez a legkorszerűbb lassítófék-rendszer.

In document Járművek és mobil gépek I. (Pldal 136-143)