3.8.1. Hajtásmódok
A fékezés dinamika eddigi vizsgálatai és méretezési eljárásai mindig ideális gépkocsival történtek, ami kinyomott tengelykapcsolót jelent. Ez az állapot van előírva valamennyi törvényalkotó előírásában. A valóság a közúti forgalomban egészen más. A hagyományos sebességváltóval szerelt gépkocsiknál vészfékezéskor a gépkocsivezető rendszerint „elfe-lejti” lenyomni a kuplung pedált. Rendszerint ez csak akkor történik meg, amikor már „le-fulladt” a motor.
Az automatikus sebességváltóval szerelt gépkocsiknál nem szokás az előválasztó kart semleges helyzetbe mozdítani. Abból indulhatunk tehát ki, hogy a fékezések többségénél kiegészítő erő hat a hajtásláncon keresztül a hajtott futóműre. Ez természetesen befolyásol-ja a gépkocsi fékezési tulajdonságát. Egészen a nagy lefékezettségekig a motor fékező nyomatéka nagyobb, mint ami a forgó tömegek lefékezéséhez szükséges lenne. Az, hogy ennek hatása pozitív, vagy negatív a gépkocsi koncepciójától függ. Hátsókerék-hajtásnál a fékező erőt ezek növelik. Ezzel a gépkocsi instabilabbá válhat. Ezért az a helyes, hogy a fékerő felosztást „stabilabbra” kell tervezni, mint amit a törvényhozók megkövetelnek.
Elsőkerék-hajtásnál a motor fékező hatása az első kerekek fékerejét növelik. Tehát amikor nem nyomják le a tengelykapcsolót az első kerekek válnak túlfékezetté, vagyis korábban fognak blokkolni. Ennél olyanra kell megválasztani a fékerő felosztást, hogy az ideális fékerő felosztást a lehető legjobban megközelítse. Ez azt jelenti tehát, hogy a tör-vényhozás által előírt kritikus lefékezettségi értéket nem szabad jelentősen túllépni. A gép-kocsi megítélésénél döntő, hogy milyen nagyságrendűnek felételezik az előbb említett ki-egészítő erőket. Ez alapvetően különbözik a hagyományos és az automatikus sebességvál-tóval szerelt változatoknál.
kerék dinamikus gördülési sugarát rdyn célszerű módon az úgynevezett specifikus fordulat-számmal nsp veszik figyelembe. Ez a motor fordulatszám nM [min-1] és a gépkocsi sebessé-gének v hányadosaként definiálják az éppen bekapcsolt sebességfokozatnál.
(3.60)
MB,M – a motor fékező nyomatéka,
FB,M – a motor fékező hatásából a hajtott tengelyen ébredő fékerő.
Az energia megmaradás törvénye alapján:
(3.61) ismert, hogy a motor fordulatszám nM [min -1]
(3.62) 3.60 és a 3.62 egyenletek összevonása és egy kis átalakítás után:
(3.63) Így meghatározható a kiegészítő fékerő a hajtott tengelyen ha lenne egy stacionárius álla-pot, illetve amikor a hajtóműnek nem lenne tehetetlenségi nyomatéka. Ez utóbbi feltételek azonban nem teljesülnek. Fékezéskor a hajtómű részei a gépkocsival együtt lassulnak. Ez azt jelenti, hogy a forgó tömegek lassítására további fékerő szükséges. Emiatt a motor fé-kező hatása csökken.
MB,T a motor fordulatszámra vonatkoztatott hajtómű tömegek nyomatéka [Nm]
JT a motor fordulatszámra vonatkoztatott tömegtehetetlenségi nyomaték [Nm]
a hajtómű részek: motor, sebességváltó, csuklós-, és kardán tengelyek [kg∙m2], vagy mindjárt [N m s2].
így adódik:
(3.64) az definíciós egyenletéből adódik:
(3.65) A gépkocsi lassulására az ismert egyenlet:
(3.66) ebből adódik végül:
(3.67) A tömegtehetetlenség miatt lecsökkentett kiegészítő fékező erő a hajtott tengelyen:
(3.68)
Így a hajtás miatt a kiegészítő eredő fékerő
(3.69)
3.15. ábra: Egy dízelmotor család fékező nyomatékai MB,M a fordulatszám függvényében, kiegészítésként megadva a maximális nyomaték MM,max is.
1 – 3 l lökettérfogatú motor és turbótöltő; 2 – 3 l lökettérfogatú szívómotor; 3 – 2,4 l lökettérfogatú szívómo-tor; 4 – 2 l lökettérfogatú szívómotor.
Motor
száma Motor fordulatszámok [min-1] MM,max
2400 3200 4000 4600
1 59,3 76,7 98,1 116,9 232
2 52,1 66,8 81,2 94,0 172
3 41,8 49,5 61,3 69,5 137
4 37,4 43,6 53,5 60,8 113
Mivel MB,M a motor fordulatszámától függ, ezért a menetsebességtől is, a fékerő felosztási görbéhez minden sebességnél hozzáadódik egy másik görbe. Ezt az adott pillanatban be-kapcsolt sebességfokozat áttétele erősen befolyásolja. Példaként a 3.15. ábra egy dízelmo-tor sorozat fékező nyomatékát MBM a motor fordulatszám nM függvényében mutatja. A motorok a lökettérfogat és a maximális nyomatékuk MM,max függvényében a diagramból kiválaszthatók. Kellő pontosságú közelítő adat a motor fékező nyomatékából a következő összefüggéssel határozható meg:
(3.70)
iD a differenciálmű áttétele,
ezekkel a jelölésekkel a következő összefüggések adódnak:
(3.71) így tehát a specifikus fordulatszám:
(3.72) A 3.15. ábra és 3.70 és 3.72 egyenlet értékeivel a 3.69 egyenlettel a hajtó tengelyre ható motor fékező erő meghatározható. Első közelítésben – különösen kis lefékezett-ségnél csúszós úton – a tömegtehetetlenség miatti motor fékező nyomaték csökkenés elha-nyagolható.
3.8.3. Személygépkocsi automatikus sebességváltóval és fix effektív fékerő felosztással Az automatikus sebességváltóval szerelt gépkocsiknál a viszonyok nem tekinthetők át olyan egyszerűen, mint a kézi kapcsolású sebességváltókkal szerelteknél. Ennek oka, hogy a hidrodinamikus nyomatékváltó áttétele nem ismert. Ez legtöbb esetben csak a hajtási üzemmódban ismert. A toló üzemmódra vonatkozóan csak kevés az információ. A gyakor-lat számára azonban nem a pontos érték a fontos. Elegendő lenne csak a várható kiegészítő erő nagyságrendjét ismerni.
Mivel ez különösen nehéz a kimeneti adatokat megszerezni, egy félig empirikus módszert mutatunk be. Lehetővé teszi a kiegészítő erő várható értékének nagyságrendjét megbecsülni. Ennek a módszernek a pontossága a baleseti rekonstrukciókhoz elegendő. A számításhoz az adott gépkocsi „kifutási görbéjét” használjuk. Ennek felvételéhez pontosan sík és vízszintes út, valamint egy „ötödik kerék” kell. A mérés a következő módon törté-nik: a gépkocsit felgyorsítjuk a v0 kezdeti sebességre, ezután következik a kifutás. Amit az
„ötödik kerékkel” mérünk: az utat az idő függvényében. A kifutási görbét a következő kö-zelítő egyenlet írja le:
(3.73) A „K” meghatározásához két empirikusan meghatározott pontot kell a kifutási görbén fel-venni. Ezekhez tartoznak az s1 és az s2 utak, illetve a t1 és a t2 idők. Az alábbi összefüggés-sel egy programozható zsebszámológép segítségével meghatározható a lassulási faktor K [s-1].
(3.74) A további számításokhoz a v0 kezdősebesség [m/s]-ban:
(3.75) A pillanatnyi sebesség tetszőleges időpontban t. mely a t1 és a t2 időpillanatok között van:
(3.76) és az ehhez tartozó gépjárműlassulás
(3.77) Itt mutatkozik az exponenciális összefüggés előnye.
Tehát a számolt gépkocsi lassulásnál a légellenállás, a gördülési ellenállás, és a mo-tor fékező hatása veendő figyelembe. Azért, hogy ezeket a hatásokat szétválaszthassuk egymástól, a kifutási méréseket semleges helyzetű sebességváltó karnál és több sebesség-fokozatban kell végrehajtani.
A lassítási faktort tehát mérjünk a harmadik fokozatban K3, majd semleges helyzetben K0, így a motor fékező hatásának értéke:
(3.78) A hajtott tengely fajlagos fékereje:
(3.79) Ezek az értékek csak a kifutási vizsgálatnál érvényesek. A legtöbb esetben a nagyobb las-sulású fékezéseknél a hajtáslánc tehetetlenségi nyomatékát is figyelembe kell venni. Ezek-nél a mechanikus sebességváltóknál levezetett 3.68 egyenlet érvényes. A tömegtehetetlen-ség miatti fékező erő csökkenés a kifutási kísérleteknél és a lefékezetttömegtehetetlen-ség.
(3.77a) Ha megkaptuk a 3.80 egyenlet által kiszámított értéket, a végleges korrekciós értéket le kell vonni ebből. Valamennyi befolyásoló tényezőt figyelembe véve a kifutási vizsgálatnál végül megkapható az eredő fékező erő.
(3.80) Ezzel valamennyi a számításhoz szükséges érték ismert.
3.8.4. Számítási példa: automatikus sebességváltó
Adott egy standard építésű személygépkocsi, három fokozatú automatikus sebességváltó-val. A kifutási vizsgálatnál a mért nehézségi erő a: Gg = 21,4 kN. A további adatok:
3. fokozati áttétel: 2. fokozati áttétel:
A hajtáslánc tömegtehetetlenségi nyomatéka:
– Motor
– Hidrodinamikus nyomatékváltó, primer – Hidrodinamikus nyomatékváltó, szekunder Kerekek és tengelyek a motor fordulatszámra redukálva:
3. fokozatban
– menetkész súlyerő a vezetővel együtt – a hátsó tengelyterhelés részaránya – fajlagos súlypontmagasság
– a fékerő fix felosztású
A megadott adatokkal a 3.74 egyenletből:
a specifikus fordulatszám a 3. fokozatban:
a második fokozatban
A hajtáslánc tömegtehetetlenségének fékereje a harmadik (közvetlen) fokozatban:
(3.68) a második fokozatban:
(3.68a) a lassítási faktor a harmadik fokozatban
(3.78) a második fokozatban:
(3.78a) A számítás eredményeit a hátsókerék hajtású gépkocsinál a 3.16. ábrán, a harmadik foko-zatban és a 3.17. ábrán a második fokofoko-zatban láthatjuk.
A motor fékező hatásának, mint látható, a következő hatása van:
Miközben a gépkocsi a kiegészítő fékhatás nélkül a teljes fékezési tartományban kb.
z = 0,905-ig abszolút stabil, ez erősen korlátozottá válik a motor fékező hatása miatt, külö-nösen nagy sebességnél. 50 m/s menetsebességnél a gépkocsi z = 0,35 z = 0,65 lefékezett-ség között stabil. 40 m/s sebeslefékezett-ség alatt a motor befolyása olyan csekély, hogy a gyakorlat-ban elhanyagolható. 30 m/s sebességnél z = 0,09 z = 0,84 lefékezettség között stabil.
A vizsgált három fokozatú sebességváltónál a második fokozatban a viszonyok még sokkal kedvezőtlenebbek. 30 m/s sebességnél a teljes lefékezettségi tartományban a féke-zés nem stabil. A vezető csak olyan erővel léphet a fékpedálra, hogy a kritikus tapadási tényezőt a hátsó keréknél ne lépje túl. A megcélzott lefékezettség z = 0,75 µx,B,max = 0,8-nál túl nagy. Csak akkor realizálható, ha a vezető a gépkocsit jól tudja uralni. 20 m/s sebes-ségnél a stabil tartomány z = 0,25 z = 0,85 lefékezettség közötti.
Hátsókerék hajtású gépkocsinál, üres állapotban a motor fékező hatása a stabilitásra kedvezőtlen. A gépkocsi fix fékerő felosztásnál annál kedvezőbben viselkedik, minél na-gyobb a terhelése. Egészen a megengedett terhelésig egyre jobb a lefékezettség és a stabili-tás is.
3.16. ábra: A csaknem üres hátsókerék hajtású gépkocsinál a motor fékező hatásának befolyása a megvalósí-tott fékerő arányra a példaként felhozott gépkocsinál.
A fékerő arány fix az automatikus sebességváltóval szerelt gépkocsinál a „D” fokozat volt bekapcsolva.
1 – Az ideális fékerő arány parabolája; 2 – A megvalósított fékerő arány egyenesei, amikor a sebességváltó semleges „N” fokozatban van.
A számok 10 –től 50 –ig a megvalósított fékerő aránynál a sebességet jelölik. A motorfék hatása látszik a diagramon.
3.17. ábra: A motor fékhatásának hatása a megvalósított fix fékerő arányra csaknem üres, hátsókerék hajtá-sú gépkocsinál a bekapcsolt második sebességfokozatban.
A gépkocsi három fokozatú automatikus sebességváltóval van szerelve (a részletek a 3.16 ábrán).
3.8.5. Standard építésű gépkocsi, automatikus sebességváltóval és fékerő módosítóval Alapvetően ugyan azok a hatások mutatkoznak az automatikus sebességváltóval szerelt, hátsókerék hajtású gépkocsinál, amelyet fékerő módosítóval is elláttak, mint a fix fékkör felosztású változatnál. Itt az elvileg kisebb stabilitási tartalék negatív hatása a közepes le-fékezettségeknél kisebb. Nagy sebességeknél a gépkocsi a teljes fékezési tartományban instabil. Ez különösen érvényes az erős motorral szerelt változatoknál. A leírt jelenség bi-zonyítja, hogy a fékerő módosítóval ellátott típusváltozat, különösen nagy sebességnél rosszabbul viselkedik, mint a fix fékerő felosztású változat. A fenti kijelentést helyhiány miatt nem részletezzük tovább. Akit a részletek érdekelnek, további információkat talál a Burckhart/Burg: A személygépkocsik fékezési viselkedésének számításai és rekonstrukció-ja (Berechnung und Rekonstruktion des Bremsverhaltens von PKW) című könyvben [11].
hogyan viselkedne a számításoknál leírt gépkocsi elsőkerék-hajtással. Egyből felismerhető, hogy kinyomott tengelykapcsolónál a stabilitás javul, az első kerék blokkolási pontjának az árán. Minél nagyobb a motor teljesítménye, annál nagyobb lesz az első kerekek túlféke-zettsége akkor, amikor a sebességfokozat be van kapcsolva.
3.18. ábra: A motor fékhatásának hatása a megvalósított fix fékerő arányra csaknem üres, elsőkerék hajtású gépkocsinál a bekapcsolt közvetlen sebességfokozatban (részletek a 3.16 ábrán).
3.19. ábra: A motor fékező hatásának befolyása a megvalósított fékerő arányra, csaknem üres gépkocsinál fix fékerő aránynál.
A gépkocsi elsőkerék-hajtású, az automatikus sebességváltó a 2. fokozatban van (további részletek a 3.16 ábrán)
3.8.7. Összefoglalás
A tengelyek blokkolási pontjai az ismertetett módon számíthatók. A hátsókerék-hajtású gépkocsiknál az először blokkoló első tengelynél a lefékezettség:
(3.81)
Az először blokkoló hátsó tengelynél:
(3.82) A kettő közül a kisebb érték a mértékadó. Egyúttal ez azt is megadja, hogy melyik tengely blokkol először. Ehhez hasonlóan az elsőkerék-hajtású gépkocsinál is megadja az előbb blokkoló első tengelyt.
(3.83) és az először blokkoló hátsó tengelyt:
(3.84) Az egyenletekből egyértelműen adódik, hogy a hátsókerék-hajtásnál a motor fékező nyo-matéka zbl,v és a zbl,h értékekből, destabilizáló hatású, miközben az elsőkerék-hajtású gép-kocsinál a zbl,v és a zbl,h értékek alapján a stabilitás szempontjából első tengely túlfékezett-ség jön létre.