MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2010
PETR ŠTĚPÁNEK
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Konstrukce brzdových soustav Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Petr Štěpánek Brno 2010
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma ……………………………………… ………….………………………………………………………………………………… vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis diplomanta……………………….
Poděkování Chtěl bych poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za cenné rady při výběru vhodných pramenů a dále také za a připomínky při konečné úpravě mé bakalářské práce.
Abstrakt Tato práce je zaměřena na problematiku brzd u osobních automobilů. Brzdy jsou zde rozděleny podle účelu i konstrukce. Je zde podrobně popsána činnost brzd bubnových i kotoučových, včetně všech prvků v brzdové soustavě. Dále je zde popsán princip elektronických brzdových asistentů, jako je ABS, ESP nebo ABA. Klíčová slova: ABS, ESP, ABA, brzdy, kotoučová brzda, bubnová brzda
Abstract This work focuses on the issue of brakes for cars. Brakes are divided according to function and construction. There is a detailed description of drum brakes and disc brakes functioning, including all elements in the brake system. Furthermore, the function of electronic brake assistants such as ABS, ESP and ABA is described. Keywords: ABS, ESP, ABA, brakes, disc brakes, drum brakes
OBSAH
1
Úvod.......................................................................................................................... 8
2
Cíl práce .................................................................................................................... 9
3
Současný stav řešené problematiky ........................................................................ 10 3.1
Rozdělení brzd podle účelu .............................................................................. 10
3.1.1
Provozní brzdy .......................................................................................... 10
3.1.2
Nouzové brzdy .......................................................................................... 10
3.1.3
Parkovací brzdy ........................................................................................ 10
3.2
Konstrukční provedení podle zdroje energie ................................................... 11
3.2.1
Brzdové systémy ovládané lidskou silou .................................................. 11
3.2.2
Brzdové systémy ovládané pomocnou silou ............................................. 11
3.2.3
Brzdné systémy ovládané cizí silou .......................................................... 11
3.3
Rozdělení brzdných okruhů ............................................................................. 11
3.4
Bubnové brzdy ................................................................................................. 12
3.4.1
Druhy bubnových brzd ............................................................................. 13
3.4.2
Kinematika bubnové brzdy ....................................................................... 14
3.4.3
Konstrukce bubnových brzd ..................................................................... 15
3.5
Kotoučové brzdy .............................................................................................. 18
3.5.1
Kotoučová brzda s pevným třmenem ....................................................... 18
3.5.2
Kotoučové brzdy s plovoucím třmenem ................................................... 19
3.5.3
Konstrukce kotoučových brzd .................................................................. 20
3.5.4
Porovnání kotoučové a bubnové brzdy ..................................................... 23
3.6
Komponenty brzdových soustav ...................................................................... 23
3.6.1
Hlavní brzdový válec ................................................................................ 23
3.6.2
Posilovače brzd ......................................................................................... 24
3.6.3
Omezovač brzdného tlaku (dělič) ............................................................. 26
3.6.4
Brzdová kapalina ...................................................................................... 26
3.7
Elektrodynamické brzdy .................................................................................. 27
3.8
Podpůrné elektronické systémy: ...................................................................... 28
3.8.1
ABS ........................................................................................................... 28
3.8.2
ESP (elektronický stabilizační program) .................................................. 30
3.8.3
ABA (adaptivní brzdový asistent) ............................................................ 32
4
Závěr ....................................................................................................................... 33
5
Seznam pouţité literatury ....................................................................................... 34
6
Seznam obrázků ...................................................................................................... 35
1
ÚVOD
Brzda je zařízení umoţňující zastavení, zpomalení pohybující se součásti nebo udrţení její konstantní rychlosti. Dále také slouţí k zajištění polohy tělesa, či k zjišťování výkonu motoru. Brzdy mohou pracovat na mechanickém, elektromagnetickém nebo hydraulickém způsobu. Při brzdění se přeměňuje kinematická energie na jiný druh energie, většinou na tepelnou energii. V poslední době probíhá snaha o rekuperaci energie tudíţ se snaţíme přeměnit tuto kinematickou energii na později vyuţitelnou energii, například elektrickou, kinematickou či tlakovou, kterou později vyuţijeme například při akceleraci vozidla.
8
2
CÍL PRÁCE
Cílem mojí práce bude zhodnotit, popsat a mezi sebou porovnat doposud pouţívané brzdné mechanismy. Dále se v této práci budu zaobírat elektronickými brzdnými mechanismy, které patří mezi prvky aktivní bezpečnosti.
9
3
SOUČASNÝ STAV ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY
3.1 Rozdělení brzd podle účelu
Provozní brzdy,
Nouzové brzdy,
Parkovací brzdy.
3.1.1 Provozní brzdy Provozní brzdy se ovládají noţním pedálem a lze s jejich pomocí sníţit rychlost vozidla, popřípadě vozidlo úplně zastavit či udrţovat konstantní rychlost při jízdě z kopce. Brzdný účinek je přenášen na všechna kola a lze jej plynule regulovat ovládací silou na pedál. (Jan, Ţdáňský, Čupera; 2007) 3.1.2 Nouzové brzdy Nouzová brzda se pouţívá teprve při nečinnosti provozní brzdy. Jejím účelem je nahradit její úlohu. K jejímu účelu můţe slouţit jeden okruh z dvouokruhových provozních brzd či parkovací brzda. Při brzdění nouzovou brzdou by mělo být v provozu alespoň jedno kolo na kaţdé straně vozidla. (Jan, Ţdáňský, Čupera; 2007)
3.1.3 Parkovací brzdy Úkolem parkovací brzdy je udrţet vozidlo v klidu na vozovce se sklonem a to i bez řidiče. Parkovací brzdy musí mít z bezpečnostního hlediska mechanické propojení mezi ovládacím prvkem a brzdou kola. Ovládá se většinou pomocí páky či pedálu a působí pouze na jednu nápravu vozidla. (Jan, Ţdáňský, Čupera; 2007)
10
3.2 Konstrukční provedení podle zdroje energie
Ovládané lidskou silou,
Ovládané pomocnou silou,
Ovládané cizí silou.
3.2.1 Brzdové systémy ovládané lidskou silou U tohoto systému se vyuţívá přenos lidské síly buď mechanicky nebo pomocí hydraulických rozvodů přímo na kola vozidla. (Bosch; 1998) 3.2.2 Brzdové systémy ovládané pomocnou silou Pouţívají se u osobních a malých uţitkových vozidel. Vyvozená síla na pedál je zesilována pomocí posilovače brzd. Pomocná síla se vytváří podtlakem nebo hydraulickou kapalinou. (Bosch; 1998) 3.2.3 Brzdné systémy ovládané cizí silou Brzdná síla je tvořena jiným zdrojem energie. Většinou tlakem vzduchu nebo kombinací tlakové kapaliny a stlačeného plynu. Řidič pouze volí intenzitu brzdné síly. (Bosch; 1998)
3.3 Rozdělení brzdných okruhů Podle zákonných předpisů se musí pouţívat dvouokruhové systémy. Norma DIN 74 000 dovoluje těchto pět moţností uspořádání:
TT - standardní zapojení. U tohoto uspořádání je přední a zadní náprava brzděna vlastním okruhem. Hlavní nevýhodou je výrazná změna řiditelnosti při poruše jednoho z okruhů, která můţe vést k nehodě.
K - diagonální zapojení. Brzdový okruh tvoří jedno přední kolo a k němu zapojené diagonálně protileţící zadní kolo.
HT - čtyři-dva. První okruh je zapojen na všechny kola a druhý pouze na přední nápravu.
11
LL - trojúhelníkové. Oba okruhy jsou zapojeny na přední nápravu a jedno zadní kolo.
HH - čtyři-čtyři. Oba okruhy jsou zapojeny na obě nápravy. Okruh je tedy zdvojený. (Jan, Ţdáňský, Čupera; 2007)
3.4 Bubnové brzdy Bubnové brzdy patří do kategorie radiálních třecích brzd. Přítlačná síla zde působí kolmo k ose rotace bubnu. Ke tření zde dochází mez vnitřní částí rotujícího bubnu, který je pevně spojen s kolem a vnější stranou čelistí s obloţením, které jsou umístěny uvnitř bubnu a jsou spojeny s nápravou vozidla. V důsledku tření mezi těmito částmi se přeměňuje mechanická energie na tepelnou.
Obrázek 1 Schéma bubnové brzdy (Vlk, F; 2000) Vznik radiální přítlačné síly zajišťuje ovládací zařízení, které působí na jednom konci brzdové čelisti. Podle toho, jakým způsobem jsou uloţeny čelisti na jejich druhém konci, je můţeme rozdělit do tří skupin:
Otočné čelisti (jsou na jedné straně uchyceny pomocí čepu a mají tedy jeden stupeň volnosti).
Volné plovoucí (konec čelisti je opřen o pevnou opěrnou plochu).
Volné nakotvené čelisti (konec čelisti je na čepu spojen s výkyvnou vzpěrou).
12
Obrázek 2 Uložení čelistí: a) otočná čelist, b) volná plovoucí, c) volná nakotvená čelist (Vlk, F; 2000) 3.4.1 Druhy bubnových brzd
Simplex (jednoduchá brzda) Jedná se o nejjednodušší způsob uspořádání bubnové brzdy. Tato brzda se skládá z náběţné a úběţné brzdové čelisti které jsou uchyceny na čepu. Ovládací zařízení, které vytváří přítlačnou sílu, působí v tomto případě na obě čelisti. U tohoto druhu brzdy se vyskytuje malý samoposilovací účinek. Opotřebení obloţení čelistí bývá nerovnoměrné. Často bývá doplněna o zařízení, které ji umoţní vyuţití jako parkovací brzdy.
Duplex (dvounáběţná brzda) Tento typ pouţívá dva brzdové válečky tudíţ jsou zde obě čelisti při jízdě vpřed náběţné. Brzdný účinek je vyšší neţ u typu Simplex.
Servo (brzda se spřaţenými čelistmi) Obě čelisti jsou spojeny pomocí rozpěrného čepu a působí tak mezi sebou navzájem. Při jízdě vpřed působí obě čelisti jako náběţné. Díky tomuto uspořádání je přítlačná síla větší neţ ovládací.
Duo duplex (dvounáběţná obousměrná brzda) Jsou zde pouţity dva dvoupístkové brzdné válečky díky kterým jsou eliminovány náběţné a úběţné čelisti, tudíţ má brzda stejný účinek při jízdě vpřed i vzad.
Duo servo (obousměrná dvounáběţná se spřaţenými čelistmy) Má podobné vlastnosti jako typ Duo duplex navíc se zde projevuje samoposilující účinek. Konstrukce je kombinací brzd Servo a Duplex. (Jan, Ţdáňský, Čupera; 2007)
13
3.4.2 Kinematika bubnové brzdy Zjednodušený výpočet brzdy Simplex
Obrázek 3 Schéma pro zjednodušený výpočet brzdného momentu brzdy simplex s náběžnou a úběžnou čelistí (Vlk, F; 2000) 𝐾. ℎ + 𝑇1 . 𝑟𝐵 − 𝑁1 . 𝑎 = 0 (1)
K - Ovládací síla (N)
𝐾. ℎ + 𝑇2 . 𝑟𝐵 − 𝑁2 . 𝑎 = 0 (2)
Ti - Obvodové třecí síly (N) Ni - Radiální síly (N) 𝜇 - Součinitel tření (-)
𝑇𝑖 = 𝑁𝑖 /𝜇 (3) 𝜇 .ℎ
𝑇1 = 𝑎−𝜇 .𝑟 . 𝐾 4 𝐵
𝜇 .ℎ
𝑇2 = 𝑎+𝜇 .𝑟 . 𝐾 (5) 𝐵
Brzdný moment: 𝑀𝑏 = 𝑇1 + 𝑇2 . 𝑟𝐵 = 𝜇. ℎ.
1 𝑎 −𝜇 𝑟𝐵
+
1 𝑎 +𝜇 𝑟𝐵
. 𝐾 (6)
𝑀𝑏 = 𝑐 ∗ . 𝑟𝐵 . 𝐾 (7) Vnitřní převod brzdy: 𝑐∗ =
𝑇𝑖 𝜇. ℎ = × 𝐾 𝑟𝐵
2.
1 1 +𝑎 = 𝑎 𝑎 − 𝜇 + 𝜇 𝑟𝐵 𝑟𝐵 𝑟𝐵
14
𝑎. ℎ .𝜇 𝑟𝐵2 2
− 𝜇2
(8)
Charakteristika brzdy:
Obrázek 4 Charakteristika brzd - závislost vnitřního převodu na součiniteli brzd pro různé typy brzd (Vlk,F; 2000) Brzdy s velkými vnitřními převody sice dosahují při malé ovládací síle velkého brzdného momentu, ale jsou velice závislé na součinitele tření mezi bubnem a čelistmi, tudíţ mají menší stabilitu brzdného účinku. Mezi hlavní nevýhodu bubnových brzd patří slábnutí, tedy takzvaný fading. Tento jev se projevuje při dlouhém brzdění například z dlouhého kopce nebo při intenzivním brzdění ve vysokých rychlostech, bubnová brzda se v důsledku tření zahřívá a můţe dojít k deformaci bubnu a ke sníţení součinitele tření mezi bubnem a obloţení čelistí. V tomto případě dochází k niţší účinnosti brzd. 3.4.3 Konstrukce bubnových brzd 3.4.3.1 Bubny Konstrukce bubnů musí splňovat dostatečné pevnostní namáhání. Z tohoto důvodu se na vnějším obvodu bubnu mohou vyskytovat různé typy dráţek a ţeber a to jak v příčném taky i podélném směru. Navíc tyto ţebra zlepšují chlazení bubnu, tudíţ dochází k menšímu ovlivnění třecího součinitele v důsledku zvýšené teploty.
15
Obrázek 5 Příklady provedení brzdových bubnů: a) buben s jedním obvodovým žebrem; b) buben s více obvodovými žebry; c) buben s příčnými žebry; d) dvoumateriálový buben s obvodovými žebry; e) dvoubateriálový buben s příčnými žebry (Vlk, F; 2000)
Lepší tepelné odolnosti se dá docílit pouţitím dvoumateriálových bubnu které se skládají z lehké slitiny na obvodu a litinovým třecím krouţkem uvnitř. Díky lehké slitině, která má větší měrné teplo neţ ocel, dosahuje buben větší schopnosti akumulace tepla. Výhoda dvoumateriálových brzd je také jejich niţší hmotnost, která je u neodpruţených částí velmi ţádaná.
3.4.3.2 Čelisti Čelisti bubnových brzd bývají obvykle svařované z ocelových plechů nebo odlévané z lehkých slitin, na jednom konci jsou opatřeny plochou pro přenos ovládací síly a na druhém konci otvorem pro čep nebo opěrnou plochou. 3.4.3.3 Ovládací zařízení Ovládací zařízení bubnových brzd přitlačuje čelisti k bubnu. Dříve se pouţívalo mechanické ovládání pomocí brzdového klíče. V dnešní době bylo mechanické ovládání nahrazeno hydraulickým obvodem, kde je na konci, mezi čelistmi, umístěn kapalinový válec. Kam je potrubím a hadicemi dováděna tlaková kapalina od hlavního brzdového válce. Tato kapalina působí uvnitř kolového válce na píst a vzniká přítlačná síla která je přenášena na čelisti pomocí tlačného čepu.
16
Obrázek 6 Pracovní válec brzdy zadního kola Škoda Felicia: 1 - odvzdušňovací šroub; 2 - krytka odvzdušňovacího šroubu; 3 - rozpěrná pružina; 4 - těleso pracovního válce; 5 - protiprachové manžety; 6 - tlačítka; 7 - těsnící manžety (Vlk,F; 2000)
Kolový válec bývá většinou dvojčinný a působí tedy na obě čelisti najednou, tento typ se vyuţívá u systému simplex. Tento válec umoţňuje také rozdílný zdvih na jednotlivé strany. Tohoto jevu vyuţíváme například při nestejnosměrném opotřebená brzdových obloţení na jednotlivých čelistech.
Obrázek 7 Schéma ovládání čelisti mechanismem parkovací brzdy (Vlk,F; 2000)
17
Bubnové brzdy se pouţívají také jako parkovací brzdy. K tomuto účelu musí být opatřeny navíc o mechanický pákový mechanismus, který je propojen s pákou ruční brzdy pomocí lanka. K odbrzdění slouţí vratná pruţina.
3.5 Kotoučové brzdy Kotoučové brzdy patří do kategorie axiálních třecích brzd. Přítlačná síla zde působí v ose rotace kotouče. Ke tření zde dochází mezi povrchem rotujícího kotouče, který je pevně spojen s kolem a brzdovými destičkami, které jsou umístěny uvnitř třmenu, který je spojen s nápravou vozidla. V důsledku tření mezi těmito částmi se přeměňuje mechanická energie na tepelnou. Kotoučové brzdy se dělí na dva typy:
Kotoučové brzdy s pevným třmenem,
Kotoučové brzdy s plovoucím třmenem.
Obrázek 8 Druhy kotoučových brzd: a) s pevným třmenem b) s plovoucím třmenem (Vlk,F; 2000) 3.5.1 Kotoučová brzda s pevným třmenem Kotoučová brzda s pevným třmenem má v kaţdé polovině třmenu vestavěny pístky, na které při brzdění působí tlak. Pístky tlačí brzdové destičky, na kterých je připevněno brzdové obloţení, na brzdový kotouč. Obvykle se ve třmenu vyskytují dva nebo čtyři pístky stejného průměru, přičemţ kaţdá dvojce má společnou osu. Existují i brzdy s lichým počtem pístku, ale jejich plocha na jedné straně se musí rovnat ploše pístku na straně druhé. 18
Tento typ brzd se díky své vysoké mechanické pevnosti pouţívá většinou u těţkých a rychlých osobních automobilů nebo u závodních speciálů. Jejich nevýhodou je naopak vyšší tepelná citlivost při dlouhodobém intenzivním zatíţení. Z tohoto důvodu se mohou vyskytovat poruchy v důsledku přehřátí brzdové kapaliny.
Obrázek 9 Kotoučová brzda s pevným třmenem: 1) brzdové obložení 2) písty 3) brzdový kotouč 4 )těleso třmenu (Bosch; 1998) 3.5.2 Kotoučové brzdy s plovoucím třmenem U kotoučové brzdy s plovoucím třmenem nalezneme pouze jeden píst který působí na obloţení a přitlačuje ho ke kotouči. Reakční síla působí na brzdový třmen s obloţením a tlačí jej proti pístu, tímto způsobem pak dojde k přitlačování brzdových destiček z obou stran ke kotouči. Velkou výhodou tohoto typu je jeho prostorová nenáročnost, tudíţ se pouţívá u vozidel s malým zástavbovým prostorem. Další výhodou oproti brzd s pevným třmenem je menší teplotní citlivost. Problémy s výparem par a z tohoto důvodu nefunkčností brzd se u tohoto typu téměř nevyskytují. Jednoduchá je i výměna brzdového obloţení. Tento způsob uloţení se objevuje u většiny aut niţší a střední třídy.
19
Obrázek 10 Kotoučová brzda s plovoucím třmenem: 1) brzdové obložení 2) píst 3) brzdový kotouč 4) těleso plovoucího třmenu 5) držák (Bosch; 1998) 3.5.3 Konstrukce kotoučových brzd 3.5.3.1 Kotouče Kotouče mohou mít mnoho konstrukčních řešení, nejjednodušší je plochý kotouč, ale má mnoho nevýhod. Díky malé vzdálenosti třecí plochy od náboje kola dochází u tohoto typu k tepelnému ovlivňování loţisek. Navíc je toto provedení náchylné na mechanické deformace. Z těchto důvodu se přešlo na hrncový typ kotouče, který je v dnešní době nejpouţívanější. Pro lepší chlazení se pouţívají kotouče s odvětráním, tyto kotouče mají duté prostory s radiálně uloţenými kanály kudy proudí vzduch a kotouče ochlazuje. K výrobě kotoučů se většinou pouţívá temperovaná litina nebo ocel na odlitky, povrch třecích ploch se brousí aby nedocházelo k velkému opotřebování obloţení. Kotouče se k náboji kola obvykle připevňují kolovými šrouby.
20
Obrázek 11 Provedení brzdových kotoučů: a) plochý kotouč b) hrncové kotouče c) odvětraný kotouč (Vlk,F; 2000) 3.5.3.2 Brzdové destičky Brzdové destičky bývají nečastěji vyrobeny z oceli a na jejich povrch je přilepeno obloţení. Destičky jsou zasunuty ve výřezu v brzdovém třmenu který zajišťuje jejich obvodové vedení. Často bývají zajištěny pomocí průběţných čepů. 3.5.3.3 Ovládání U kotoučových brzd se dá stejně jak u brzd bubnových, pomocí mechanického ovládání, vyuţít parkovací brzda. Brzdové desky jsou pak mechanicky přitlačovány pomocí pákového mechanismu. Pouţívají se dva způsoby uspořádání parkovacích brzd, mechanismus můţe působit přímo na píst kotoučové brzdy nebo je celý mechanismus včetně brzdových destiček samostatný.
21
Obrázek 12 Pevný třmen kotoučové brzdy se třemi hydraulickými válci a mechanismem parkovací brzdy (Vlk,F; 2000)
Obrázek 13 Plovoucí třmen kotoučové brzdy s mechanismem parkovací brzdy působící přímo na píst hydraulického válce (Vlk,F; 2000) 3.5.3.4 Třecí materiály kotoučových brzd V dřívějších dobách se pouţíval materiál na bázi azbestu, který měl ideální vlastnosti pro pouţití jako třecí materiál. Dosahoval vysokého koeficientu tření, měl vysokou tepelnou odolnost, která se pohybovala okolo 600°C a měl i vynikající mechanickou odolnost a pruţnost. Vzhledem k jeho karcinogenímu účinku byl ale později zcela zakázán. Nahradili jej bezazbestové materiály nové generace. Tyto materiály nepotřebují ţádné antivibrační vrstvy, které se dříve pouţívaly k odstranění pískání brzd. Materiál je celistvý, hladký a bez náběhových hran.
Obrázek 14 Obložení BREMBO (www.renovac.cz; 2010)
22
3.5.4 Porovnání kotoučové a bubnové brzdy Výhody:
niţší hmotnost asi o dvacet procent,
automatické seřizování vůle,
jednoduchá výměna opotřebovaných částí,
lepší chlazení, tudíţ menší slábnutí brzd při dlouhodobém zatíţení,
menší citlivost na změnu součinitele tření.
Nevýhody:
potřeba vyšší ovládací síly, z tohoto důvodu se musí pouţít posilovač brzd,
obtíţnější řešení parkovací brzdy.
3.6 Komponenty brzdových soustav 3.6.1 Hlavní brzdový válec Hlavní brzdový válec slouţí jako ovládací prvek v brzdové soustavě. Je ním řízen proces brzdění. Dle zákona musí mít kaţdé vozidlo dva nezávislé brzdné okruhy a z toho důvodu se nejčastěji pouţívají tandemové brzdné válce. Tento válec má tlakové komory umístěny za sebou a v případě poruchy jedné komory nahradí její činnost komora druhá. U samostatného okruhu můţeme pouţít i hlavní brzdový válec jednokomorový. V klidové poloze jsou odkryty vyrovnávací otvory, tudíţ můţe kapalina ze soustavy volně přitékat do vyrovnávací nádrţe. Toho se vyuţívá například při změně teploty kapaliny. Kdyby nebyly vyrovnávací otvory odkryty, mohlo by v důsledku ohřátí brzdové kapaliny a jejího následného rozpínání dojít k samovolnému přibrzďování. Při brzdění se po posunutí pístu v komoře vyrovnávací otvory zakryjí a tím se utěsní. V pracovním prostoru prvního okruhu se začne zvyšovat tlak, který působí na plovoucí píst a posunuje ho čímţ vzniká tlak i v pracovním prostoru druhého okruhu. Kvůli nebezpečí vniku vzduchu do hydraulické kapaliny pří odbrzdění a následném vracení pístu pomocí vratné pruţiny do původní polohy, byl za plochou pístu vytvořen takzvaný vyrovnávací prostor, který je zaplaven brzdovou kapalinou. Kapalina v tomto případě můţe proudit do pracovního prostoru, kde vzniká podtlak a doplňovat tak chybějící objem kapaliny. Přebytečný objem tekoucí zpoţděně z brzdové soustavy je vytlačen spojovacím otvorem do vyrovnávací nádrţe. 23
Obrázek 15 Hlavní brzdový válec (Vlk,F; 2000) 3.6.2 Posilovače brzd Slouţí k zesílení síly kterou vyvine řidič na pedál a sniţuje tak i jeho vynaloţenou námahu. V brzdové soustavě s posilovačem brzd nesmí dojít k ovlivnění citu řidiče pro velikost brzdění a ke sníţení plynulého odstupňování brzdné síly. Posilovače brzd vyuţívají různé zdroje energie, které jsou k dispozici ve vozidle. Nejčastěji se pouţívají dva typy posilovačů:
Podtlakový posilovač brzd,
Hydraulický posilovač brzd.
3.6.2.1 Podtlakový posilovač brzd Tento typ se u osobních vozidel vyskytuje nejčastěji. Bývá umístěn mezi brzdovým pedálem a hlavním brzdovým válcem. Zdrojem posilující energie je zde podtlak, který se u záţehových motorů vytváří v sacím potrubí, u vznětových motorů se musí k vytvoření podtlaku pouţít čerpadlo. Velikost podtlaku se pohybuje okolo 0,5 - 0,9 baru.
24
Obrázek 16 Podtlakový posilovač brzd (Vlk,F; 2000) 3.6.2.2 Hydraulický posilovač brzd Hydraulický posilovač se pouţívá nejčastěji u vozidel vybavených hydraulickým zdrojem energie, jako je například servo řízení. Dále se pouţívají u vozidel s malým podtlakem v sacím potrubí, to jsou například naftové nebo přeplňované motory. Hydraulický posilovač je kompaktnější a vyvozuje vyšší tlak neţ podtlakový posilovač. Mezi jeho nevýhody patří houbovitý pocit po sešlápnutí pedálu brzdy. Při sešlápnutí pedálu brzdy je prostřednictvím mechanického převodu zatlačována vidlice (9) do válce (6) posilovače. Tento pohyb se přenáší na odporový píst (11). Po dosednutí záklopky (12) na vypouštěcí část pístu (8) se tato oddálí od sedla v odporovém pístu a tlak vzduch z prostoru pod záklopkou, který je spojen přes vzduchojem s kompresorem, se dostává do prostoru před pístem (8). Tlakem vzduchu vyvolaný pohyb tohoto pístu se pomocí tlačítka (4) přenese na píst (2) kapalinového válce, který uvede v činnost brzdovou soustavu. Posunutím pístu (8) se však uzavírá průtok vzduchu kolem záklopky (12), která dosedne na sedlo odporového pístu. Posílení a celková brzdná síla je tedy přímo závislá na síle, kterou je působeno na ovládací vidlici (9). Toto uspořádání umoţňuje měnit brzdový tlak v soustavě podle potřeby. (Vlk, F; 2000) 25
Obrázek 17 Hydraulický posilovač brzd (Vlk,F; 2000)
3.6.3 Omezovač brzdného tlaku (dělič) Omezovač brzdného tlaku slouţí především k rozdělení brzdné síly mezi přední a zadní nápravou, která plyne z odlišného dynamického zatíţení. Tento jev je zohledněn tím ţe se přední brzdy dimenzují mnohem výkonnější neţ brzdy zadní. Z důvodu měnícího se zatíţení obou náprav v průběhu brzdění, musí se tlak rozdělovat dynamicky. Podle způsobu konstrukce a principu činnosti rozdělujeme děliče brzdného tlaku pracující:
V závislosti na zatíţení,
V závislosti na tlaku,
V závislosti na zpoţdění.
3.6.4 Brzdová kapalina Slouţí k přenosu tlakové síly v brzdné soustavě. Většinou je to kapalina na bázi glykolu a skládá se asi z 65% glykolu, 35% glykolesteru a protikorozních přísad. Existují i brzdové kapaliny zaloţené na silikonové nebo minerální bázi. Předpokladem správné funkčnosti kapaliny je nepřítomnost vody, která by zapříčinila vznik koroze v brzdném okruhu. Dále by její nízký bod varu vedl při zahřátí k tvorbě bublin par a tím by se sníţila funkčnost brzd. Z tohoto důvodu musí i samotná brzdová kapalina mít vysoký 26
bod varu a bod vzplanutí, stejně tak nesmí tuhnout ani při velkých mrazech. Díky aditivním přísadám má brzdová kapalina dobré mazací schopnosti a antikorozní účinek. Z tohoto důvodu nedochází téměř k ţádné oxidaci uvnitř brzdové soustavy. Kapalina nesmí být agresivní k pryţovým a gumovým součástem. Při dlouhodobém pouţívání nebo při změnách teploty kapaliny se nesmí měnit její chemické sloţení a fyzikální vlastnosti. (Autoexpert; 2007)
3.7 Elektrodynamické brzdy Jako elektrodynamická brzda můţe slouţit jakýkoliv elektromotor, alternátor nebo dynamo. Brzdícího účinku je v tomto případě dosahováno pomocí vířivých proudů které se
indukují
v
rotoru.
Zavedením
elektrického
proudu
do
statoru
vzniká
elektromagnetické pole které brzdí rotor. Brzdného účinku můţe být také dosaţeno protiproudem nebo přepnutí do generátorového stavu, v tomto případě začne generátor vyrábět elektrický proud který uchováváme v kondenzátorech nebo akumulátorech a později ho vyuţijeme při akceleraci. Na tomto principu fungují dnešní hybridní automobily. Nevýhodou elektrodynamické brzdy je závislost brzdné síly na rychlosti vozidla. Při malých rychlostech se velikost brzdné síly rapidně sniţuje a to zhruba druhou mocninou rychlosti, naopak při vysokých rychlostech dosahuje tato brzda nejvyšší brzdné síly. Z tohoto důvodu musí být elektrodynamické brzdy doplněny o brzdy mechanické.
Obrázek 18 Porsche 911 GT3 R Hybrid - technické schéma: 1) elektronický měnič, 2) dva elektromotory 3) kabely, 4) elektrická baterie setrvačníku, 5) elektronický měnič (www.idnes.cz; 2009) 27
3.8 Podpůrné elektronické systémy: 3.8.1 ABS Zkratka ABS vznikla z německého antiblockiersystem coţ v překladu znamená protiblokovací systém. Jak jiţ z názvu vyplývá, tento systém se bude snaţit o to, aby nedošlo při brzdění k zablokování kol a tím i k neovladatelnosti vozu.
Komponenty ABS 3.8.1.1 Snímač otáček Snímač otáček slouţí k odvození rychlosti kol. Pólový nástavec umístěný ve vinutí snímače otáček se nachází v těsné blízkosti impulzního, ozubeného kola pevně spojeného s nábojem kola vozidla. Tato mezera činní přibliţně 1mm .Pólový nástavec je spojen s trvalým magnetem, jehoţ magnetické pole zasahuje do impulsního kola. Při otáčení kola se proti kolíku střídavě nastavuje zub a zubová mezera. Tím se neustále mění magnetické pole, jehoţ následkem se ve vinutí snímače indukuje napětí a to je dále přiváděno do řídící jednotky ke zpracování. Frekvence napětí je přesným měřítkem pro okamţitou rychlost kola. (Bosch; 1998)
Obrázek 19 Snímač otáček kola s radiálním čidlem (Bosch; 1998) 3.8.1.2 Elektronická řídící jednotka Elektronická řídící jednotka přijímá, zesiluje a filtruje signály ze snímačů, stanovuje rychlosti a vypočítává z nich referenční rychlost, skluz a obvodové zpoţdění popřípadě zrychlení kola. Poté vysílá řídící příkazy hydraulické jednotce. Řídící jednotka bývá 28
většinou umístěna v místech u nohou spolujezdce kde je chráněna před vnějšími povětrnostními vlivy. (Bosch; 1998)
Obrázek 20 Vozidlo s ABS 2S; 1)snímač otáček 2) brzdový váleček 3) hydraulická jednotka 4) hlavní brzdový válec 5) řídící jednotka 6) kontrolka (Bosch; 1998) 3.8.1.3 Hydraulická jednotka Hydraulická jednotka převádí příkazy z řídící jednotky a řídí, nezávisle na řidiči, přes magnetické ventily brzdné tlaky v kolech. Vytváří hydraulické propojení mezi hlavním brzdovým válcem a brzdovými válečky kol. Hydraulická jednotka je umístěna v motorovém prostoru, aby byla hydraulická vedení k hlavnímu brzdovému válci a brzdovým válečkům co moţná nejkratší. Hydraulická jednotka se skládá z čerpadla pro zpětnou dávku, zásobníkové komory pro kaţdý brzdový okruh a magnetických ventilů. Čerpadlo pro zpětnou dávku dodává při sniţování tlaku brzdovou kapalinu proudící do brzdového válečku zpět do hlavního brzdového válce. Zásobníková komora slouţí mimo jiné v případě sníţení tlaku rychle absorbovat brzdovou kapalinu. Magnetické ventily provádějí modulaci tlaku v brzdových válečcích během regulace ABS. Magnetický ventil je přiřazen kaţdému kolu. Jedná se o magneticky ovládaný vícecestný ventil s třemi hydraulickými přípojkami a třemi spínacími polohami. Tím je umoţněno propojení mezi hlavním brzdovým válcem, brzdovým válečkem a zpětná dodávka brzdové kapaliny. Kromě toho rovněţ provádění potřebných regulačních funkcí, jako je zvyšování, udrţení a sniţování tlaku. (Bosch; 1998)
29
Obrázek 21 Hydraulická jednotkaABS 2S; 1) zásobník 2)čerpadlo pro zpětnou dodávku 3) magnetický ventil (Bosch; 1998) 3.8.2 ESP (elektronický stabilizační program) Tento systém zasahuje do řízení vozidla a zvyšuje dodatečně stabilitu v kritických chvílích, kdyţ se stává vozidlo jiţ těţce ovladatelné. Tyto situace často nastávají v momentech kdy řidič nesprávně odhadne jízdní dynamiku a například prudkými pohyby volantu uvede vozidlo do smyku. Mezi nejpouţívanější a nejznámější systém stabilizace patří systém ESP od firmy Bosch. Oproti systému ABS, který umoţňuje ovládat prokluz pneumatik pouze v podélném směru, ESP umoţňuje regulovat prokluz také v příčném směru jízdy vozidla. Tímto se zvyšuje jízdní stabilita v průjezdu zatáčkou a omezuje se riziko vzniku smyku při brzdění nebo zrychlení vozidla.
Obrázek 22 Zásah ESP při nedotáčivém nebo přetáčivém chování vozidla. Vlevo: 1) s ESP2) bez ESP 3) brzdná síla 4) vyrovnávání nedotáčivosti Vpravo: 1)bez ESP 2) s ESP 3) brzdná dráha 4)vyrovnávání přetáčivosti (Vlk,F; 2002) 30
Regulace jízdní dynamiky je systém, který vyuţívá brzdovou soustavu vozidla pro řízení vozidla. Vlastní úloha kolových brzd, tj. zpozdit nebo zastavit vozidlo, ustupují u aktivní regulace jízdní dynamiky za úlohu, aby vozidlo bylo za všech okolností stabilní a udrţovalo jízdní stopu. Cílené brzdění jednotlivých kol, například brzdění levého zadního kola při nedotáčivosti nebo pravého předního při přetáčivosti přispívá k tomu, aby tento cíl co nejlépe splnil. K tomuto účelu můţe ESP určitými zásahy motoru také zrychlit hnací kola, aby se tak zaručila stabilita vozu. Touto individuální regulací je vozidlo řiditelné tím, ţe se brzdí jednotlivá kola, nebo urychlují hnací kola. ESP zmenšuje v kritických chvílích nebezpečí kolize nebo překlopení vozidla. Vybočení nebo sjetí z vozovky se zamezí v rámci fyzikálních mezí. Tím se můţe zvýšit bezpečnost silničního provozu. (Vlk,F; 2002) Do výpočtu poţadovaného chování vozidla navíc vstupují hodnoty součinitele přilnavosti a rychlosti vozidla, které se odhadují ze signálů snímačů otáček kol, bočního zrychlení, úhlu natočení volantu, brzdných tlaků a stáčivé rychlosti.
Obrázek 23 Snímač úhlu natočení volantu: 1 )prvky AMR 2,3) magnety 4,5) ozubené kola 6) hnací kolo na hřídeli volantu (Vlk,F; 2002)
Obrázek 24 Snímač bočního zrychlení a stáčivé rychlosti (Vlk,F; 2002) 31
3.8.3 ABA (adaptivní brzdový asistent) Pokud není brzdový systém aktivován, je mezi brzdovými destičkami a kotoučem malá mezera. Je to proto, aby kdyţ není potřeba brzdit, nedocházelo ke zbytečnému tření a hluku. Avšak tato mezera znamená, ţe kdyţ jsou brzdy pouţity, musejí destičky překonat určitou vzdálenost, neţ se dostanou do kontaktu s kotoučem. Pouze v kontaktu s kotoučem brzdy nastane teprve účinek brzdění. Zatímco pro běţné brzdění je tato doba přijatelná, v situacích nouzového brzdění znamená ztrátu cenného času a prodlouţení brzdné dráhy. Zatímco dřívější systémy asistentů řidiče pouze vyuţívaly informací z okolí vozidla pro funkce usnadňující řidiči řízení, adaptivní brzdový asistent (ABA) je systém, který těchto informací vyuţívá pro bezpečnostní funkci. Na základě údajů o objektu z radarových snímačů a údajů týkajících se pohybu vozidla příslušný algoritmus rozhoduje, zda a do jaké míry aktivovat jednu z těchto dvou funkcí tohoto reţimu: • Aktivace brzdového systému • Sníţení prahu funkce asistenta hydraulických brzd. Adaptivní brzdový asistent nejlépe funguje v situacích, kdy vozidlo jede za jiným vozidlem, které náhle prudce zabrzdí. Jeho účinkem je ihned zabrzdit vozidlo, jakmile se řidič dotkne brzdového pedálu. Kromě toho sníţení prahu znamená, ţe se snadněji spouští asistent hydraulických brzd. Důsledkem je kratší brzdná dráha, která můţe zabránit nehodě nebo alespoň v maximální moţné míře sníţit rychlost při nárazu. Avšak i technologie adaptivního asistenta brzdění má svá omezení a nedokáţe reagovat dostatečně rychle v situacích, kdy například jiní účastníci silničního provozu prudce zabrzdí těsně před vozidlem. Řízení vozidla s opatrností a předvídavostí zůstává základním imperativem i s adaptivním asistentem brzdění. (BMW Service; 2006)
32
4
ZÁVĚR
V dnešní době se nejvíce pouţívají dvouokruhové brzdy s tandemovým hlavním válcem v kombinaci s kotoučovými brzdami s plovoucím třmenem a to pro jejich vyšší účinnost a nenáročnost na servis. U levnějších automobilů niţších tříd se mohou na zadní nápravě stále vyskytnout bubnové brzdy. U automobilů s vyšším výkonem, kde je zapotřebí také vyšší brzdný účinek, se pouţívají vícepístkové kotoučové brzdy s pevným třmenem. V dnešní době je ABS ve standardní výbavě většiny automobilů a systém ESP se díky bezpečnostním crash testům EuroNCAP také dostávají do základní výbavy mnoha automobilů. Moderním trendem se stávají hybridní automobily, které místo mechanických brzd pouţívají při brzdění elektromotor a generují tak elektrickou energii. Tato energie, která je uschována v bateriích či kapacitorech, se později vyuţije při následné akceleraci vozidla, čímţ se sniţuje spotřeba paliva a vozidlo produkuje méně emisí CO2.
33
5
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
1. BMW Service. Systémy podélné dynamiky E60/E61 LCI. Praha : MARTEN, 2006. 84 s. 2. VLK, Franťišek. Podvozky motorových vozidelB. Brno : VLK, 2000. 392 s. ISBN 80-238-52744. 3. VLK, Franťišek. Elektronické systémy motorových vozidel. Brno : VLK, 2002. 592 s. ISBN 80238-7282-6. 4. BROŽ, Jiří; TRNKA, Luboš. Praktická dílna. Německo (překlad) : Autoexpert, 2007. 16 s. 5. BOSCH, Robert. Protiblokovací systém ABS. Praha : MCH-TECH, 1998. 60 s. 6. Porsche představí v Ženevě hybridní 911 GT3 R se setrvačníkem. Idnes.cz. 2010, 1, s. Dostupný také z WWW: <www.idnes.cz>. 7. JAN, Zdeněk; ŽDÁNSKÝ, Broňislav; ČUPERA, Jiří. Automobily. Brno : Avid, 2007. 228 s.
34
6
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obrázek 1 Schéma bubnové brzdy (Vlk, F; 2000) .......................................................... 12 Obrázek 2 Uložení čelistí: a) otočná čelist, b) volná plovoucí, c) volná nakotvená čelist (Vlk, F; 2000) .................................................................................................................. 13 Obrázek 3 Schéma pro zjednodušený výpočet brzdného momentu brzdy simplex s náběžnou a úběžnou čelistí (Vlk, F; 2000) ..................................................................... 14 Obrázek 4 Charakteristika brzd - závislost vnitřního převodu na součiniteli brzd pro různé typy brzd (Vlk,F; 2000) ......................................................................................... 15 Obrázek 5 Příklady provedení brzdových bubnů: a) buben s jedním obvodovým žebrem; b) buben s více obvodovými žebry; c) buben s příčnými žebry; d) dvoumateriálový buben s obvodovými žebry; e) dvoubateriálový buben s příčnými žebry (Vlk, F; 2000) 16 Obrázek 6 Pracovní válec brzdy zadního kola Škoda Felicia: 1 - odvzdušňovací šroub; 2 - krytka odvzdušňovacího šroubu; 3 - rozpěrná pružina; 4 - těleso pracovního válce; 5 - protiprachové manžety; 6 - tlačítka; 7 - těsnící manžety (Vlk,F; 2000) 17 Obrázek 7 Schéma ovládání čelisti mechanismem parkovací brzdy (Vlk,F; 2000) ........ 17 Obrázek 8 Druhy kotoučových brzd: a) s pevným třmenem b) s plovoucím třmenem (Vlk,F; 2000) ................................................................................................................... 18 Obrázek 9 Kotoučová brzda s pevným třmenem: 1) brzdové obložení 2) písty 3) brzdový kotouč 4 )těleso třmenu (Bosch; 1998) ........................................................................... 19 Obrázek 10 Kotoučová brzda s plovoucím třmenem: 1) brzdové obložení 2) píst 3) brzdový kotouč 4) těleso plovoucího třmenu 5) držák (Bosch; 1998) ............................ 20 Obrázek 11 Provedení brzdových kotoučů: a) plochý kotouč b) hrncové kotouče c) odvětraný kotouč (Vlk,F; 2000) ...................................................................................... 21 Obrázek 12 Pevný třmen kotoučové brzdy se třemi hydraulickými válci a mechanismem parkovací brzdy (Vlk,F; 2000) ........................................................................................ 22 Obrázek 13 Plovoucí třmen kotoučové brzdy s mechanismem parkovací brzdy působící přímo na píst hydraulického válce (Vlk,F; 2000) ........................................................... 22 Obrázek 14 Obložení BREMBO (www.renovac.cz; 2010) ............................................. 22 Obrázek 15 Hlavní brzdový válec (Vlk,F; 2000) ............................................................ 24 Obrázek 16 Podtlakový posilovač brzd (Vlk,F; 2000) .................................................... 25 Obrázek 17 Hydraulický posilovač brzd (Vlk,F; 2000) .................................................. 26 Obrázek 18 Porsche 911 GT3 R Hybrid - technické schéma: 1) elektronický měnič, 2) dva elektromotory 3) kabely, 4) elektrická baterie setrvačníku, 5) elektronický měnič (www.idnes.cz; 2009) ...................................................................................................... 27 Obrázek 19 Snímač otáček kola s radiálním čidlem (Bosch; 1998) ............................... 28 Obrázek 20 Vozidlo s ABS 2S; 1)snímač otáček 2) brzdový váleček 3) hydraulická jednotka 4) hlavní brzdový válec 5) řídící jednotka 6) kontrolka (Bosch; 1998) ........... 29 Obrázek 21 Hydraulická jednotkaABS 2S; 1) zásobník 2)čerpadlo pro zpětnou dodávku 3) magnetický ventil (Bosch; 1998) ................................................................................ 30
35
Obrázek 22 Zásah ESP při nedotáčivém nebo přetáčivém chování vozidla. Vlevo: 1) s ESP2) bez ESP 3) brzdná síla 4) vyrovnávání nedotáčivosti Vpravo: 1)bez ESP 2) s ESP 3) brzdná dráha 4)vyrovnávání přetáčivosti (Vlk,F; 2002) .................................... 30 Obrázek 23 Snímač úhlu natočení volantu: 1 )prvky AMR 2,3) magnety 4,5) ozubené kola 6) hnací kolo na hřídeli volantu (Vlk,F; 2002) ....................................................... 31 Obrázek 24 Snímač bočního zrychlení a stáčivé rychlosti (Vlk,F; 2002) ...................... 31
36
