СИГНАЛИЗАТОР СОСТОЯНИЯ ТОРМОЗНОЙ КОЛОДКИ АВТОМОБИЛЯ
INDICATOR OF STATE OF CAR BRAKE PAD

Предлагаемое изобретение относится к автомобильной промышленности и направлено на повышение безопасности дорожного движения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сигнализатор состояния тормозной колодки автомобиля, содержащий тормозимое тело вращения, тормозную колодку с металлическим держателем и керамической накладкой, соединенной с упомянутым держателем и прижимаемой к телу вращения при торможении [Автомобиль КАМАЗ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Воениздат, 2010.].
В качестве сигнализатора состояния тормозной колодки автомобиля используется его внешний вид. Тормозная колодка содержит металлический держатель с соединенной керамической накладкой, которая прижимается при торможении к тормозимому телу и изнашивается. Степень износа определяется визуальным осмотром боковой поверхности накладки на держателе.
Недостатками известного сигнализатора (осмотром внешнего вида) тормозной колодки являются большая трудоемкость и простой транспортного средства ввиду необходимости частичного демонтажа деталей и узлов для доступного визуального осмотра тормозной колодки и определения степени износа керамической накладки.
Техническое решение направлено на уменьшение объема работ и времени контроля состояния тормозных керамических накладок и повышение безопасности дорожного движения.
Технический результат достигается тем, что сигнализатор состояния тормозной колодки автомобиля, содержащий тормозимое тело вращения, тормозную колодку с металлическим держателем и керамической накладкой, соединенной с упомянутым держателем и прижимаемой к телу вращения при торможении, дополнительно снабжен металлическим электродом, расположенным внутри керамической накладки на глубине, равной максимально допустимой толщине износа от прижимаемой поверхности, а также электрическим выводом электрода, резистором, генератором электрических колебаний, усилителем переменного тока со светодиодом, усилителем постоянного тока со светодиодом, дискриминатором сигнала по нижнему уровню, содержащим накопительную емкость, стабилитрон и светодиод, соединенным к выходу усилителя переменного тока и к входу усилителя постоянного тока, при этом вывод электрода соединен с резистором, а резистор соединен с выходом генератора и входом усилителя переменного тока.
Принцип действия сигнализатора состояния тормозной колодки автомобиля построен на использовании явления изменения электрической емкости конденсатора С при изменении расстояния между его электродами по формуле:
0
где ε - относительная диэлектрическая постоянная материала накладки; ε - диэлектрическая постоянная вакуума; S - площадь электродов; d - расстояние между электродами.
При этом электрическое сопротивление конденсатора по переменному току равно:
где ω и ƒ - круговая и циклическая частоты переменного тока. и линейно изменяется с изменением расстояния между электродами конденсатора.
C
C
0
Если встроить в изолирующую накладку тормозной колодки металлический электрод, то он образует электрическую емкость C с поверхностью тормозимого металлического тела. По мере износа керамической накладки расстояние d между электродом и поверхностью тормозимого тела уменьшается, емкость конденсатора увеличивается, и сопротивление его уменьшается. Если пропускать через конденсатор переменный ток I, то падение напряжения на нем с износом накладки уменьшается U = I X = I d / (2 π ƒ ε ε S) вплоть до нуля при полном износе накладки до электрода. По величине падения напряжения на конденсаторе можно судить о степени износа керамической накладки.
На фигуре 1 приведена схема тормозной колодки автомобиля (с металлическим электродом).
На фигуре 2 приведена функциональная схема сигнализатора состояния тормозной колодки автомобиля.
На фигуре 3 приведена принципиальная схема сигнализатора состояния тормозной колодки автомобиля (далее - сигнализатора).
Тормозная колодка автомобиля (фиг. 1) содержит фрикционную керамическую накладку 1, истирающуюся при торможении, металлический электрод 2, металлический держатель накладки 3, изолятор 4, электрический вывод 5 электрода 2, фиксируемого в накладке 1 клеевым соединением изолятора 4 с накладкой 1 и с держателем 3.
T
Напротив фрикционной керамической накладки 1 расположено тормозимое тело 6, которое вместе с электродом 2 образует конденсатор с электрической емкостью C. Керамическая накладка 1 обладает малым коэффициентом износа и изготавливается, как правило, из асбесто-бакелитового материала.
max
max
При торможении накладка 1 прижимается к тормозимому телу 6 и истирается. Емкость конденсатора увеличивается до максимального значения. На фиг. 2 приведена линия В, обозначающая максимально допустимую толщину износа d и проходящая по плоскости поверхности электрода 2. При износе до предельной величины d происходит прямой контакт тормозимого тела с электродом 2.
Так как ресурс работы тормозной колодки меньше ресурса работы автомобиля в целом, то необходимо периодически проверять толщину износа накладки 1 и при износе до предельно допустимой толщины произвести замену тормозной колодки на новую.
T
T
T
2
7
6
T
T
Функциональная схема (фиг. 2) сигнализатора содержит конденсатор C, емкость которого образуется электродом 2 (верхний электрод) и тормозимым металлическим телом 6 (нижний электрод) (фиг. 2), балластный резистор R для ограничения тока при коротком замыкании электрода 2 с тормозимым телом 6 (фиг. 1), генератор 7 переменного тока, соединенный с резистором R, усилитель переменного тока 8 с красным светодиодом D (светодиод с излучением красного света), усилитель постоянного тока 10 с желтым светодиодом D (с излучением желтого света), устройство 9, содержащее накопительную емкость и зеленый светодиод D. Устройство 9 соединено к выходу усилителя 8 переменного тока и к входу усилителя 10 постоянного тока, при этом вывод электрода 2 соединен с резистором R, а резистор R другим концом соединен с выходом генератора и входом усилителя переменного тока. Сигнализатор питается от источника эдс Е транспортного средства, например, от бортовой сети автомобиля.
T
T
2
6
7
1
1
2
1
1
2
3
4
6
2
3
4
5
5
6
6
6
2
Принципиальная схема сигнализатора (фиг. 3) построена в соответствии с функциональной схемой (фиг. 2) сигнализатора с едиными обозначениями и нумерацией элементов схем. Она дополнительно к обозначенным элементам (C, R, D, D, D) на функциональной схеме (фиг. 2), содержит транзистор Т (фиг. 3), образующий с резисторами R, R и переходным конденсатором С усилительный каскад 7 (фиг. 2) переменного тока. На выходе каскада соединена нагрузка по постоянному току в виде цепи (фиг. 3): стабилитрон D, красный светодиод D с резистором R, диод развязки D и резистор смещения R, а также нагрузка по переменному току: устройство 8 с накопительным конденсатором С. В устройстве 8 содержится развязывающий по отрицательным полупериодам усиливаемого напряжения диод D, балластный резистор R, регулировочный резистор R, стабилитрон D, зеленый светодиод D с резистором R ограничивающим ток диода D и задающим режим транзистора Т.
2
3
7
10
8
9
3
11
3
3
Усилитель постоянного тока 10 (фиг. 2) содержит два каскадообразующих транзистора Т, Т (фиг. 3), коллекторные резисторы R, R„ делитель R, R входного напряжения второго каскада на транзисторе T, эмиттерный стабилизатор на основе R, С по обратной связи на втором каскаде с транзистором Т.
Сигнализатор работает следующим образом.
T
T
T
При торможении тормозная колодка с держателем 3 (фиг. 1) и фрикционной керамической накладкой 1 прижимается к поверхности тормозимого тела 6 (например, тормозного барабана) и в процессе эксплуатации изнашивается. Величина износа определяется по изменению электрической емкости конденсатора C, образуемого электродом 2 в накладке 1, тормозимым телом 6 в качестве второго электрода и изолирующим материалом накладки между электродами 1 и 6. В процессе износа накладки 1 расстояние d между электродами конденсатора C уменьшается, и емкость конденсатора C увеличивается согласно формуле (1), его сопротивление уменьшается. На фиг. 1 проведена линия «В», определяющая уровень максимально допустимого износа тормозной накладки. Так как линия «В» проходит по плоскости головки электрода 2, то электрод 2 при предельном износе замыкается с тормозимым телом 6.
6
7
2
T
C
1
1
T
1
1
1
T
1
2
1
1
2
2
5
5
6
6
6
2
3
7
Вследствие изложенного, сигнализатор вырабатывает световые сигналы о нормальном рабочем состоянии накладок (зеленый светодиод D) (фиг. 2, фиг. 3), об износе, близкому к критическому (желтый светодиод D), и о критическом износе и более (красный светодиод D). Сигналы о степени износа накладок формируются следующим образом. В начале работы накладка не изношена, расстояние d (фиг. 1) большое, емкость C маленькая, сопротивление X значительно больше сопротивления R на входе транзистора Т (фиг. 3). Соотношение сопротивлений R и R подбираются так, чтобы обеспечить усилительный режим транзистора Т по переменному току. Генератор 7 переменного сигнала вырабатывает переменное (синусоидальное или прямоугольное) напряжение. Этот сигнал подается на вход транзистора Т. При малой емкости C амплитуда сигнала максимальная, напряжение покоя на выходе транзистора T1 меньше напряжения стабилитрона D (приблизительно в два раза), и стабилитрон D закрыт. Переменный сигнал с выхода транзистора Т проходит через конденсатор С, через диод и положительными импульсами заряжает конденсатор С до амплитуды переменного усиленного напряжения. В результате зарядки несколькими полупериодами усиленного переменного напряжения напряжение на С достигает значения максимума полупериода переменного усиленного напряжения. Стабилитрон D с балластным сопротивлением R имеет напряжение пробоя несколько меньше этого значения и пробивается. При этом загорается (включается) зеленый светодиод D. Напряжение, образуемое током светодиода D на светодиоде и балластном резисторе R, открывает биполярный транзистор Т. При этом транзистор T закрывается и желтый светодиод D не горит.
T
T
1
1
2
5
2
2
3
7
1
1
1
2
3
4
2
3
7
3
3
При износе накладки 1, близком к критическому, емкость конденсатора C нарастает с обратной пропорциональностью согласно (1). При этом его сопротивление по переменному току (2) линейно уменьшается. Конденсатор C своим малым сопротивлением шунтирует резистор R и полное внешнее сопротивление на затворе Т уменьшается, сигнал на входе уменьшается. Усиленное переменное напряжение уменьшается. При этом уменьшается и напряжение зарядки конденсатора С. Когда напряжение зарядки конденсатора становится меньше напряжения стабилитрона D, то последний закрывается, зеленый светодиод отключается и напряжение на входе Т обнуляется. При этом транзистор Т закрывается, а транзистор T открывается, и включается желтый светодиод D. Когда накладка изнашивается до замыкания электрода 2 с тормозимым телом 6, то переменное и постоянное напряжения на входе Т равны нулю и транзистор Т закрывается. Напряжение на стоке транзистора становится равным напряжению источника эдс (питания) Е, величина которого больше напряжения стабилитрона D, стабилитрон открывается и включается красный светодиод D. При этом постоянное напряжение на балластном сопротивлении R через диод D поступает на вход транзистора Т, который открывается и закрывает транзистор T; в результате желтый светодиод D отключается. Входное напряжение транзистора T, поступающее от резистора R перераспределяется между резистором и светодиодом и недостаточно по величине для свечения светодиода. Таким образом, схема (фиг. 2, фиг. 3) обеспечивает световую сигнализацию состояния накладки тормозной колодки непрерывно с помощью светодиодов. При достаточной толщине накладок включен зеленый светодиод; при износе, близком к критическому, включается желтый светодиод; при износе до и свыше критического включается красный светодиод. Единовременно светится только один светодиод.
Сопоставительный анализ с прототипом показал, что из процесса техосмотра автомобиля полностью исключается контрольная операция проверки толщины износа керамических накладок тормозных колодок с частичным демонтажем и визуальным осмотром тормозных колодок. Контроль толщины износа керамических накладок тормозных колодок и состояние работоспособности определяется включением сигнализатора и свечением светодиодных ламп. Световая сигнализация светодиодов однозначно характеризует работоспособность тормозных колодок.
Экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется затратами рабочего времени на контроль. В прототипе проводится периодический контроль толщины тормозных накладок. На одну операцию контроля толщины тормозных накладок (с подготовкой и со снятием колеса) затрачивается более 2-х часов. При стоимости одного нормо-часа 120 руб, при накладных расходах в 150% и при ежемесячной проверке (12 раз в год) годовой экономический эффект составит (120+180)12=3600 руб. Для автохозяйства в 100 автомобилей годовой эффект составит 360 тыс.руб.
Значительно большим оказывается условный экономический эффект от уменьшения вероятности предполагаемой аварии вследствие дискретного по времени контроля толщины накладок и проявления человеческого фактора при контроле. При вероятности аварии 1% и 10% ущербе только прямые затраты на восстановление материальной части составляют более 500 тыс.руб.