ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОАКТУАТОРА В ДИСКОВОМ ТОРМОЗНОМ МЕХАНИЗМЕ АВТОМОБИЛЯ

Механизм торможения, в процессе движения, является важным компонентом в автомобилях. Поскольку замедлить или остановить движущееся транспортное средство за минимальное время и контролируемым образом – необходимая функция каждого автомобиля.

В настоящее время, для того, чтобы рассеять кинетическую энергию транспортного средства и остановить его, требуется обеспечить достаточное трение между вращающимся тормозным диском, соединенным с колесом, и тормозными колодками, закрепленными в суппорте. Трение генерирует тепло, которое, в свою очередь, рассеивает кинетическую энергию автомобиля. Для обеспечения силы, необходимой для получения достаточного трения, в большинстве автомобилей используется гидравлическая система. Эта система обладает высокой производительностью и надежностью. Наряду с достоинствами, есть и недостатки гидравлической системы, к одному из которых относится малое быстродействие. Эта задержка наращивания или сброса давления составляет порядка 200 мс.

Сокращение времени отклика позволит увеличить среднее значение максимального тормозного усилия, находясь в наиболее оптимальном диапазоне коэффициента сцепления шин с дорогой, что даст уменьшение тормозного пути. Но самым значимым результатом минимизации временной задержки будет являться ускоренная разблокировка колеса, находящегося в юзе, что позволит автомобилю избежать недостаточной управляемости при манёвре. Чем скорее будет снято тормозное усилие, тем скорее колесо наберет необходимую скорость, достаточную для лучшего сцепление с поверхностью дороги.

Исходя из вышесказанного, можно поставить задачу разработки такой тормозной системы автомобиля, которая способна сократить время снятия тормозного усилия с колес автомобиля. Также следует отметить, что использование такой тормозной системы целесообразно только совместно с антиблокировочной системой или системой курсовой устойчивости.

В качестве решения проблемы уменьшения временной задержки предлагается интегрировать пакетные пьезоактуаторы в гидравлическую систему. Эти устройства могут превосходить гидравлику по быстродействию в тысячу раз, развивая такое же усилие. Но величины их перемещения недостаточно для того, чтобы они могли полностью заменить гидравлическую систему. Поэтому разрабатываемая система будет гибридной.

Для примера возьмем продукцию, представленную компанией «Physik Instrumente», в которой «пакетные пьезоактуаторы представлены большим количеством стандартных типоразмеров и могут быть дополнительно доработаны в соответствии с требованиями заказчика» [1].

Чтобы подобрать пьезоактуатор, подходящий по своим характеристикам для интеграции в гидравлическую систему автомобиля, необходимо произвести расчет силы, с которой тормозная колодка воздействует на тормозной диск и величины, на которую должен изменять свой размер пьезоактуатор.

Для примера, можно рассчитать нормальную силу (1), развиваемую одним поршнем гидравлической тормозной системы и действующую на одну фрикционную накладку для автомобиля «Волга» [2, с. 11].

Здесь: N – нормальная сила, развиваемая одним поршнем и действующая на одну накладку, H;

 – коэффициент сцепления шин колёс с дорогой;

 – радиус колёс, м;

b – расстояние от центра тяжести до задней оси, м;

 –высота центра тяжести, м;

 – сила тяжести автомобиля при полной нагрузке, H;

L – расстояние между осями передних и задних колёс, м;

 – коэффициент трения между тормозным диском и фрикционной накладкой;

 – средний радиус фрикционной накладки, м.

Что касается изменения размера пьезоактуатора, то здесь будем отталкиваться от величины биения тормозного диска. «Допустимое биение поверхности трения диска – 0,15 мм» [3, с. 4]. Выберем пьезоактуатор, изменение размера которого будет как можно ближе к величине допустимого биения. Это даст, в момент начала разблокировки колеса, пропорциональное уменьшение силы воздействия на тормозной диск. Дело в том, что чем большее перемещение дает пакетный пьезоактуатор, тем больше его длина, которая ограничена типоразмерами разрабатываемого тормозного механизма в гибридной системе. Проведя анализ параметров пакетных пьезоактуаторов компании «Physik Instrumente», можно сказать, что оптимальным вариантом будет, использовать устройства с длинной 30 мм или 60 мм, которые смогут дать уменьшение силы воздействия на 30% или 60% соответственно. Так же можно рассматривать 2 варианта конструкции пьезоэлементной составляющей гибридной системы. Первый вариант: пьезоактуатор изготавливается по форме и размеру тормозной колодки и представляет из себя один цельный пакетный пьезоэлемент (рисунок 1, а); второй вариант: пьезоактуатор состоит из n пакетных пьезоэлементов (рисунок 1, б). Подберем для каждого из вариантов наиболее предпочтительные пьезоактуаторы, характеристики которых представлены в таблице 1. Для первого варианта возьмем устройства самого большого диаметра: P-056.20; P-056.40, которые являются близкими по характеристикам к предполагаемым. А для второго варианта пьезоактуатора лучше всего подойдут устройства маленького диаметра: P-010.20; P-010.40, из которых можно будет набрать матрицу, в которой, работу вышедших из строя элементов, могут выполнять соседние пьезоэлементы. Какой из вариантов предпочтительнее, можно будет судить, лишь проведя экспериментальные испытания.

Рисунок 1. Варианты конструкций пьезоактуатора

Таблица 1.

Параметры пакетных пьезоактуаторов

Рассчитаем, какое суммарное усилие  сможет развивать второй вариант конструкции пьезоактуатора по очевидной формуле (2).

Площадь фрикционной накладки  [2, с. 13], автомобиля «Волга», равна 0,006 . Площадь , которую занимает пьезоактуатор P-010.20, с учетом промежутка до соседнего пьезоактуатора, равна 0,0002 .

Из проведённых расчетов видно, что блокирующая сила пьезоактуаторов больше в 3 раза, чем сила, развиваемая поршнем гидравлической системы. Это значит, что выбранные нами пьезоактуаторы подходят для рассматриваемой системы.

Выводы:

1. Предложена и обоснована концепция использования пъезоактуаторов для увеличения быстродействия колесной тормозной системы автомобиля;

2. Выполнены предварительные расчеты, подтверждающие работоспособность предлагаемой гибридной тормозной системы автомобиля.

Список литературы:

1. Каталог пьезоактуаторов «Physik Instrumente» [Электронный ресурс] // сайт компании «Eurotek-General». – Режим доступа: http://www.eurotek-general.ru/products/systems_pi/piezoactuators/p-007-p-056/#ad-image-2
2. Русинов, А.В. Методические указания по выполнению практических занятий по расчёту дисковых и барабанно-колодочных тормозов: методич. указания / А.В. Русинов; Саратов: ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, 2016. 30 с.
3. Осипов, Г.В.  Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Техническая эксплуатация ходовой части и систем, обеспечивающих безопасность движения»: методич. указания / Г.В. Осипов, А.Л. Бородин; Курган: ФГБОУ ВПО Курганский государственный университет, 2016. 20 с.