СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТОРМОЗОВ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD TO DIAGNOSE AUTOMOTIVE BRAKES

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к диагностированию тормозов автотранспортных средств (АТС).
Известны способы постановки диагноза тормозов АТС в дорожных и стендовых условиях, рекомендуемые ГОСТ Р 51709-2001 [1], а также способ постановки диагноза тормозов АТС в стендовых условиях, изложенный в патенте 2297932 Российской Федерации, МПК В60Т 17/22, G01L 5/28 [2]. Последний из известных способов является аналогом для заявляемого способа постановки диагноза тормозов АТС.
Общими признаками с заявляемым способом постановки диагноза тормозов АТС является использование при определении оценочных показателей тормозов энергосберегающих стендов инерционно-силового принципа действия, позволяющего на порядок снижать энергозатраты, по сравнению с силовым принципом действия тормозного стенда.
Недостатками известного способа постановки диагноза тормозов АТС является то, что постановка диагноза в известном способе основывается на определении оценочных показателей, регламентированных ГОСТ Р 51709-2001 [1], и интегральных показателей: среднего реализованного значения удельной тормозной силы, среднего реализованного значения показателя Петрова, среднего за время торможения, а также текущего значения проскальзывания колес автомобиля, характеризующихся недостаточной информативностью, следовательно, невысокой достоверностью поставленного диагноза.
Введенное ГОСТ Р 51709-2001 [1] понятие относительной разности F тормозных сил колес одной оси (в процентах) предназначено для оценки устойчивости АТС при торможении. Относительная разность тормозных сил на колесах одной оси определяется по формуле [1]
Т ЛЕВ.
Т ПР.
где F, F - тормозная сила соответственно на левом, правом колесе проверяемой оси, Н;
Tmax
F - наибольшая из указанных тормозных сил.
Предусмотренный стандартом показатель относительной разности тормозных сил характеризует допустимые пределы различий в протекании процессов изменения тормозных сил на колесах одной оси АТС. Изменение значения этого показателя в эксплуатации допускается в пределах от 0 до 20-25% [1].
Установлено, что регламентируемый ГОСТ Р 51709-2001 [1] оценочный показатель относительной разности F тормозных сил не учитывает изменения разности тормозных сил на колесах одной оси, поскольку он определяется по наибольшим значениям тормозных сил, действующих на каждом колесе.
T ЛЕВ.
Т ПР.
ЛЕВ.
ПP
Из диаграммы, представленной на фиг.1, видно, что на участке нарастания тормозных сил наблюдается различие в интенсивности роста тормозных сил F и F. Поэтому время достижения максимального значения тормозной силы на левом колесе t не совпадает со временем достижения максимального значения тормозной силы на правом колесе t.
T ЛЕВ.
Т ПР.
Возможен и такой вариант, когда значения максимальных тормозных усилий на левом F и правом F колесе будут не равны. В связи с этим F не может в полной мере характеризовать устойчивость АТС при торможении, следовательно, является недостаточно информативным.
В режиме торможения с установившимся замедлением относительная разность F может принимать нулевое значение (F=0), в то время как в период нарастания замедления может наблюдаться существенная разность тормозных сил на левом и правом колесе оси, приводящая к возникновению разворачивающего момента, существенно влияющего на устойчивость АТС при торможении.
Из вышеотмеченного следует, что регламентированные ГОСТ Р 51709-2001 [1] оценочные показатели не могут в полной мере характеризовать эффективность тормозов, а поэтому для оценки эффективности торможения и устойчивости АТС необходимы новые, более информативные оценочные показатели.
Для установления таких показателей проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, в процессе которых обращено внимание на наличие неравномерности тормозных моментов, действующих на колесах АТС. Изменение тормозных моментов на колесах одной оси АТС, в зависимости от времени его торможения, представлено на фиг.2. Характерным для фиг.2 является рассогласование тормозных моментов, вызванное отставанием темпа нарастания тормозного момента на правом колесе (кривая 2) по отношению к динамике тормозного момента на левом колесе (кривая 1).
ННМ
Для оценки этого рассогласования предлагается ввести коэффициент неравномерности нарастания тормозного момента К, характеризующий различие в интенсивности роста тормозного момента на колесах одной оси АТС. Численная величина этого коэффициента определяется из выражения
где ,  - темп нарастания тормозного момента на левом, правом колесе соответственно.
Графическая интерпретация результатов расчетов параметров процесса торможения колес одной оси АТС представлена на нижеследующих фиг.3, 4, 5 и 6.
Б.К.ЛЕВ.
Б.К.ПР.
НБ
На фиг.3 показаны зависимости угловых скоростей левого и правого колеса от времени торможения соответственно кривые 1 и 2. Приведенные на фиг.3 кривые позволяют не только проследить изменение угловых скоростей тормозящих колес, но и определить время их блокирования. Знание величин t, t, - времени блокирования левого, правого колеса позволяет ввести еще один оценочный показатель, характеризующий процесс торможения АТС, в частности, коэффициент неравномерности блокирования колес оси по времени К, определяемый как
НБ
Введение коэффициента неравномерности блокирования колес оси по времени К можно рассматривать, как предложение вернуться к понятию времени срабатывания тормозов, которое при проверках последних на тормозных стендах не регламентируется ГОСТ Р 51709-2001 [1].
Х ЛЕВ.
Х ПР.
На фиг.4 представлены зависимости продольных реакции R и R на левом (кривая 1) и правом (кривая 2) колесе одной оси АТС. По своему физическому смыслу величины, приведенные на фиг.2 и 4, подобны, и неравномерность тормозных сил для каждого момента времени может быть определена по формулам Петрова М.А. [3].
Графическое изображение зависимости относительной разности F тормозных сил от времени торможения показано на фиг.5. Следует отметить, что пиковое увеличение относительной разности F тормозных сил имеет место в начале диаграммы, что объясняется запаздыванием срабатывания тормозного механизма одного из колес, в частности правого.
Х
Знание текущих значений продольных реакции R в каждый момент времени позволяет определять разворачивающий момент, который зависит от разности величин продольных реакций на колесах одной оси АТС и находится из выражения
А
где В - колея автомобиля.
Х
На фиг.6 представлена зависимость разворачивающего момента от времени торможения. Характерно отметить влияние на разворачивающий момент реакций R, а также перемену знака и направления, в котором действует этот момент.
Следует отметить, что в процессе торможения очень часто имеет место отставание или не достижение тормозными силами на колесах своих максимальных значений (фиг.1), а также не одновременное достижение ими максимумов.
Т
Т
TF
Х
ТТ
В связи с этим возникает вопрос о корректности оценки эффективности процесса торможения на основании расчета удельных тормозных сил γ, регламентируемых ГОСТ Р 51709-2001 [1], так как в данном случае возможно определение двух различных значений γ. Во-первых, при достижении тормозными силами своих максимальных значений, но в разное время (γ), и, во-вторых, при достижении максимального значения R только на одном опережающем колесе (γ).
Т
Для подтверждения вышесказанного для каждого из отмеченных случаев были определены величины удельных тормозных сил, поскольку в качестве основных показателей эффективности торможения и устойчивости АТС при торможении на стендах ГОСТ Р 51709-2001 [1] рекомендует по нижеприведенной формуле (5) определять удельные тормозные силы γ и относительные разности F (1) тормозных сил
Т
где γ - удельная тормозная сила на колесах АТС;
T
ΣF - сумма тормозных сил на всех колесах (оси) АТС;
А
m - масса АТС;
g - ускорение свободного падения.
TF
ТТ
ННМ
Результаты расчетов показали, что в первом случае величины γ, остаются постоянными, стремясь к численному значению коэффициента сцепления. Во втором случае прослеживается определенное влияние на величину γ коэффициента, учитывающего неравномерность нарастания тормозного момента К.
РАЗВ.
В ходе исследований также установлено, что разворачивающий момент М является главным силовым фактором, определяющим устойчивость АТС при торможении.
Зависимость разворачивающего момента от коэффициента сцепления и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента показана на фиг.7.
Х
ННМ
На фиг.8 представлена установленная в процессе исследований зависимость относительной разности F тормозных сил от коэффициента сцепления φ. Отставание в нарастании тормозного усилия (момента) на одном из колес (правом) вызвано коэффициентом неравномерности нарастания тормозного момента К, учитывающим неравнозначность тормозных сил левого и правого колеса одной оси, следовательно, характеризующим устойчивость АТС при торможении.
ННМ
Х
Х
ННМ
Х
ННМ
На фиг.8 видно, что относительная разность F тормозных сил в большей степени зависит от коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К, чем от коэффициента сцепления φ. В соответствии с проведенными расчетами величина оценочного показателя F для заданных условий не превышает 70%. Для обычных условий эксплуатации, когда φ≤0,7 и К≤1,5, величина F не превышает 15%, что отвечает требованиям ГОСТ Р 51709-2001 [1]. В случае изменения коэффициента сцепления даже до максимальной величины φ=0,9 при К≤1,5, показатель F достигает значения 17%, что также удовлетворяет требованиям действующего стандарта.
ННМ
Х
Х
Х
Другая картина наблюдается при изменении коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента. Если К превысит значение 2, то даже при коэффициенте сцепления φ=0,3 относительная разность F тормозных сил превысит значение 22%, что уже не удовлетворяет требованиям действующего ГОСТ Р 51709-2001 [1], при φ= 0,5 - F ≥ 27%, при φ = 0,7 - F ≥ 32% и т.д.
ННМ
РАЗВ.
На фиг.8 вышеотмеченное наглядно демонстрируется зависимостью относительной разности F тормозных сил от такого параметра, как К, что еще раз подчеркивает информативность последнего, несмотря на то, что в отличие от разворачивающего момента М этот параметр в меньшей степени зависит от коэффициента сцепления.
НБ
Х
НБ
Х
ННМ
Одним из информативных оценочных показателей торможения является коэффициент К, учитывающий неравномерность блокирования колес одной оси АТС. В случае, когда реакции R на левом и правом колесе достигают одинаковых максимальных значений, показатель F становится равным нулю, а это означает, что он ни каким образом не характеризует процесс торможения. Поэтому неравномерность торможения целесообразно оценивать при помощи показателя К, графическая зависимость которого от коэффициента сцепления φ и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К представлена на фиг.9.
НБ
ННМ
НБ
На фиг.9 видно, что изменение коэффициента неравномерности блокирования колес одной оси автомобиля К аналогично изменению относительной разности F тормозных сил, но в отличие от последней еще в большей степени подвержено влиянию коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К. Отмеченное позволяет сделать вывод о еще большей информативности коэффициента К и целесообразности его использования для оценки устойчивости АТС при торможении и работоспособности его тормозов.
TF
TT
Х
ННМ
Аналитическим путем можно проанализировать зависимость изменения удельных тормозных сил γ и γ от коэффициента сцепления φ и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К.
TF
ННМ
ТF
TF
Следует отметить, что в заданных условиях на удельную тормозную силу γ оказывает влияние только изменение коэффициента сцепления, а варьирование величины коэффициента К, при равенстве тормозных моментов на левом и правом колесе, не приводит к изменению γ. При этом величина удельной тормозной силы на всех представленных режимах определения постоянна и не превышает величины значения коэффициента сцепления. Удельная тормозная сила γ, безусловно, характеризует работоспособность тормозов, однако по этому параметру затруднительно дать достоверную оценку эффективности торможения и устойчивости АТС при торможении.
TT
Х
ННМ
Полученные аналитическим путем данные также позволяют проанализировать зависимость изменения удельных тормозных сил γ, имеющих место при достижении максимальных тормозных усилий только на одном (опережающем) колесе оси АТС, от коэффициента сцепления φ и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К.
TF
ТТ
ННМ
ТТ
ТТ
Как и в вышерассмотренном случае с γ, имеет место зависимость γ от значения коэффициента сцепления, однако при этом с ростом неравномерности нарастания тормозного момента К наблюдается падение значений γ. В данном случае показатель γ приобретает дополнительную информативность и способность отражать изменения и несоответствия в работе тормозных механизмов, приводящие к снижению эффективности торможения и устойчивости АТС при торможении.
РАЗВ.
ННМ
TF
ТТ
В качестве еще одного аргумента можно рассмотреть зависимость разворачивающего момента М, изменяющего свои значения в соответствии с изменением неравномерности нарастания тормозного момента К от удельных тормозных сил γ и γ, представленную на фиг.10.
ТF
На фиг.10 видно, что удельная тормозная сила γ, имеющая место при достижении максимальных значений тормозных усилий на всех колесах, остается постоянной и ее величина не связана с изменением разворачивающего момента. Таким образом, при помощи этого параметра затруднительно оценить и охарактеризовать устойчивость АТС при торможении.
ТТ
РАЗВ.
Иная картина наблюдается у зависимости γ от М что свидетельствует о взаимосвязи последних и взаимовлиянии друг на друга.
ННМ
Расчетным путем установлены связи между существующими интегральными параметрами эффективности процесса торможения АТС и его устойчивости при торможении и предлагаемым высокоинформативным оценочным показателем процесса торможения - коэффициентом неравномерности нарастания тормозного момента К.
Графическая интерпретация результатов расчета оценочных показателей процесса торможения АТС показана на фиг.11, 12 и 13.
Анализ представленных расчетных данных позволяет заключить, что коэффициент неравномерности нарастания тормозного момента связан со средним реализованным значением удельной тормозной силы и интегральным показателем Петрова прямопропорциональной зависимостью, а со средним за время торможения значением проскальзывания - экспонентой и не зависит от коэффициента сцепления. Это свидетельствует о том, что данный предлагаемый оценочный показатель характеризуется наибольшей, по сравнению с другими показателями, информативностью и стабильностью.
ННМ
НБ
РАЗВ.
Поэтому при постановке диагноза тормозов АТС на тормозных стендах в качестве высокоинформативных оценочных показателей процесса торможения предлагается использовать коэффициент неравномерности нарастания тормозного момента К, коэффициент неравномерности блокирования колес оси К и разворачивающий момент М, характеризующий устойчивость машины.
НБ
Х
Уместно отметить, что коэффициент неравномерности блокирования колес оси К позволяет объективно анализировать процесс торможения АТС даже в случае, когда зависимость R(t) характеризуется значительными пульсациями.
На основании вышеизложенного можно констатировать, что регламентируемые действующим в настоящее время ГОСТ Р 51709-2001 [1] оценочные показатели характеризуются недостаточной информативностью и не позволяют при постановке диагноза тормозов на тормозных стендах достоверно оценить эффективность торможения и устойчивость АТС.
За прототип заявляемого способа постановки диагноза тормозов АТС принят способ постановки диагноза [2] (Патент РФ 2297932, МПК В60Т 17/22, G01L 5/28.), наиболее близкий по своей сущности и достигаемому результату.
Общими признаками с заявляемым способом постановки диагноза тормозов АТС являются использование для определения оценочных показателей на энергосберегающем инерционно-силовом роликовом стенде компьютерных технологий и измерение в процессе торможения веса диагностируемой оси, усилия на педали тормоза, тормозных сил, угловых скоростей опорных и следящих роликов, а также времени торможения для вычисления оценочных показателей (диагностических параметров).
Недостатком способа-прототипа, с точки зрения достижения практического результата, является недостаточная достоверность и информативность определяемых оценочных показателей, на основании которых ставится диагноз тормозов АТС.
ННМ
НБ
РАЗВ.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи получения достоверного способа постановки диагноза тормозов АТС на тормозных стендах на основании определения высокоинформативных оценочных показателей: коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К, коэффициента неравномерности блокирования колес оси К и разворачивающего момента М, характеризующего устойчивость АТС.
Практический результат заключается в постановке достоверного диагноза тормозов АТС за счет определения в стендовых условиях высокоинформативных оценочных показателей, позволяющих получать объективную картину процесса торможения АТС.
ННМ
НБ
PАЗВ.
Таким образом, практический результат заявляемого изобретения достигается благодаря использованию тормозных стендов, в том числе энергосберегающих стендов инерционно-силового принципа действия, и определения для постановки достоверного диагноза высокоинформативных оценочных показателей: коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента К, коэффициента неравномерности блокирования колес оси К и разворачивающего момента M, характеризующего устойчивость АТС.
Наличие отличительных признаков, в частности трех высокоинформативных оценочных показателей процесса торможения, позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «новизна».
Из уровня техники известны способы постановки диагноза тормозов АТС в стендовых условиях на тормозных и комбинированных стендах, в том числе инерционно-силового принципа действия, на основании определения оценочных показателей, регламентируемых ГОСТ Р 51709-2001 [1], и известных интегральных показателей, используемых при постановке диагноза в патенте РФ 2297932, МПК В60Т 17/22, G01L 5/28 [2].
В заявляемом способе постановки диагноза тормозов АТС оценка эффективности его торможения и устойчивости при этом осуществляется на основании определения дополнительных трех новых высокоинформативных оценочных показателей. При этом повышается достоверность поставленного диагноза при одновременном сокращении энергозатрат в случае использования тормозных стендов инерционно-силового принципа действия.
Проведенный сопоставительный анализ свидетельствует о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
ННМ
НБ
РАЗВ.
Присутствие в патентуемом способе отличительных признаков, в частности, трех новых высокоинформативных оценочных показателей К, К и М позволяет значительно повысить достоверность устанавливаемого диагноза и наиболее полно реализовать преимущества энергосберегающих способов постановки диагноза тормозов АТС в стендовых условиях.
Подрисуночные подписи
Фиг.1 - Схематические зависимости изменения тормозных сил на левом и правом колесе одной оси АТС
Фиг.2 - Изменение величины тормозных моментов на колесах одной оси АТС во время торможения
Фиг.3 - Изменение угловых скоростей колес одной оси АТС за время торможения: 1 - левое колесо; 2 - правое колесо
x
Фиг.4 - Изменение реакций R на колесах одной оси АТС во время торможения: 1 - левое колесо; 2 - правое колесо
Фиг.5 - Изменение величины относительной разности F тормозных сил
Фиг.6 - Изменение величины разворачивающего момента во время торможения
Фиг.7 - Зависимость разворачивающего момента от коэффициента сцепления и неравномерности нарастания тормозного момента на колесе
Фиг.8 - Зависимость относительной разности тормозных сил от коэффициента сцепления и неравномерности нарастания тормозного момента
Фиг.9 - Коэффициент неравномерности блокирования колес оси АТС
ТF
ТТ
Фиг.10 - Зависимость удельных тормозных сил γ, и γ от разворачивающего момента
Фиг.11 - Зависимость среднего значения удельной тормозной силы и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента от коэффициента сцепления
Фиг.12 - Зависимость среднего за время торможения значения проскальзывания и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента от коэффициента сцепления
Фиг.13 - Зависимость показателя Петрова М.А. и коэффициента неравномерности нарастания тормозного момента от коэффициента сцепления
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ Р 51709-2001. Автотранспортные средства. Требования безопасности к техническому состоянию и методы проверки [Текст]. - Взамен ГОСТ 25478-91; введ. 2002.01.01 - М.: Госстандарт России: Изд-во стандартов, 2001. - 44 с.
2. Патент 2297932 Российской Федерации, МПК В60Т 17/22, G01L 5/28 [2]. Способы диагностирования тормозной системы автомобиля, оборудованного антиблокировочной системой, (варианты); способ диагностирования тормозной системы автомобиля и устройство для осуществления способов [Текст]. / А.И.Федотов, А.Г.Осипов, А.В.Бойко [и др.]; Заявитель и патентообладатель Иркут. гос. техн. ун-т. - №2005139074/11; заявл. 14.12.2005; опубл. 27.04.2007. Бюл. №12. - 13 с., ил.
3. Петров М.А. Работа автомобильного колеса в тормозном режиме [Текст]. / М.А.Петров. - Омск: Зап.-Сиб. книжн. изд., 1973. - 224 с.