|
Hamownia podwoziowa |
||||||||||||||||||||||||||
|
Hamownia podwoziowa umożliwia producentom pojazdów, zespołów i podzespołów przeprowadzenie badań w warunkach laboratoryjnych, o jakie trudno podczas prób drogowych, oferując często możliwości wyjątkowe (np. badania trwałościowe umożliwiające w ściśle ustalonych warunkach eksploatacji ocenę trwałości wyrobu lub tzw. badania przyspieszone do sprawdzenia zachowania się wyrobu w warunkach szczególnego wysilenia, które nie występują podczas normalnej eksploatacji). Hamownia podwoziowa umożliwia wykonanie badań, których celem jest ocena stanu technicznego pojazdu w warunkach zbliżonych do panujących podczas rzeczywistego ruchu na drodze i zastosowanie przyrządów pomiarowych znacznie rozszerzających możliwości diagnozowania stanu pojazdu. Hamownia jest także urządzeniem, którego budowa i zasada działania jest - zwłaszcza ostatnio - przedmiotem wielu publikacji w fachowej prasie i dyskusji w gronie zainteresowanych. Można zaryzykować stwierdzenie, że hamownia podwoziowa stała się tematem modnym. Hamownia podwoziowa jest urządzeniem służącym do odtwarzania (symulacji) w warunkach laboratoryjnych (stanowiskowych) sił i mocy oporów powstających podczas ruchu pojazdu na drodze. Jako niezbędne uzupełnienie określenia dotyczącego laboratoryjnych warunków pomiaru, konieczne jest podanie następującej informacji: symulacja odbywa się w warunkach odwrotnych niż to ma miejsce w rzeczywistym ruchu pojazdu na drodze - samochód porusza się, droga pozostaje nieruchoma. W przypadku badania z wykorzystaniem hamowni - pojazd stoi (jego prędkość liniowa - prędkość z jaką porusza się względem urządzenia - wynosi zero), porusza się natomiast droga. Oczywiste staje się postawienie pytania o cel takiego odwrócenia sytuacji. Na pytanie to postaramy się odpowiedzieć szerzej w dalszej części artykułu. Uzasadnienie uproszczone sprowadza się do podania dwóch zasadniczych możliwości wynikających z tego rodzaju pomiaru. Po pierwsze, poruszająca się droga i nieruchomy pojazd umożliwia wykonanie pomiaru tzw. mocy na kołach (momentu pochodzącego od siły napędowej), podstawowego parametru decydującego o właściwościach trakcyjnych pojazdu (prędkości, przyspieszeniu itd.). Po drugie, unieruchomienie pojazdu i zamknięcie go w pomieszczeniu o regulowanej wewnątrz temperaturze, wilgotności, a czasem również ciśnieniu, umożliwia uniezależnienie się od warunków atmosferycznych i uzyskanie dużej swobody w określaniu warunków pomiaru, trudnej do uzyskania w warunkach drogowych. Nie jest wtedy konieczne posługiwanie się specjalnym odcinkiem drogi (torem doświadczalnym) umożliwiającym wykonanie szeregu pomiarów zużycia paliwa przy prędkości pojazdu np. 150 km/h, czy też pomiaru zawartości związków toksycznych w spalinach. Pomiary przeprowadzane w kontrolowanych warunkach otoczenia umożliwiają osiągnięcie znacznie większej niż w warunkach drogowych powtarzalności wyników, a także podłączenie rozbudowanych zestawów aparatury pomiarowej (analizator spalin, diagnoskop), których wykorzystanie w warunkach polowych mogłoby stać się utrudnione. Należy podkreślić, że wspomniany wyżej pomiar mocy na kołach jest możliwy tylko przy wykorzystaniu stanowiska hamowni i metody, jaką takie stanowisko oferuje. Uzasadnienie, dla którego stanowisko hamowni podwoziowej należy traktować jako narzędzie zaawansowanej oceny stanu technicznego pojazdu i umożliwiającej przeprowadzenie kompleksowej kontroli działania zespołów, niemożliwej do uzyskania bez tego typu stanowiska, będzie przedmiotem dalszej części artykułu. Określenie mocy silnika
Silnik pojazdu rozpatrywany jako źródło napędu charakteryzowany jest przez kilka podstawowych parametrów: moc, moment obrotowy, minimalne jednostkowe zużycie paliwa. Więcej informacji o właściwościach silnika dostarcza tzw. charakterystyka zewnętrzna (rys. 2) będąca zależnością wymienionych wcześniej wielkości od prędkości obrotowej wału korbowego. Charakterystyka ta, wyrażająca właściwości silnika, jest jedną z wielu. Od pozostałych odznacza się tym, że pomiary wymienionych wielkości dokonywane są w warunkach spalania maksymalnej dawki paliwa (niezależnie od rodzaju i typu układu zasilania). Warto w tym miejscu przypomnieć podstawową zależność pomiędzy mocą i momentem
obrotowym: Można więc z pewnym uproszczeniem założyć, że charakterystyka ta przedstawia przebieg wielkości wyrażających maksymalne możliwości silnika. Silnik wytwarza taką moc, wtedy gdy jest do tego zmuszony odpowiednio dużym momentem (mocą) oporów, w przeciwnym razie wytworzony moment (moc) będzie mniejszy. Jako uzupełnienie przedstawionych rozważań należy wspomnieć o tzw. charakterystyce mocy dławionych (rys. 3), będącej zestawieniem charakterystyk zewnętrznych wykonanych dla ustalonych - częściowych wartości dawek paliwa; w odniesieniu do tej ostatniej zamiennie używaną nazwą jest charakterystyka mocy częściowych. Przedstawione charakterystyki nie ilustrują parametrów istniejącej konstrukcji silnika - stanowią jedynie przykład omawianego zagadnienia. Charakterystyka ta jest szczególnie istotna dla tzw. silników trakcyjnych (stanowiących wyposażenie pojazdów), ponieważ podczas eksploatacji w warunkach rzeczywistych zmiany obciążenia (dawkowania paliwa) silnika występują przez większość jego przebiegu. Silnik trakcyjny stosunkowo rzadko/krótko pracuje z pełnym (ustalonym) obciążeniem, jakkolwiek z wielu powodów jest to stan pożądany.
Warunki równowagi - ogólnie Brak zewnętrznego obciążenia silnika - brak momentu (mocy) oporów sprawia, że silnik pokonuje jedynie moment (moc) oporów wynikający z tzw. oporów własnych, czyli oporów związanych z pracą jego mechanizmów, pochodzący głównie od siły tarcia w łożyskach, tarcia w złożeniu tłok cylinder i innych. W literaturze dość rzadko przedstawiana jest taka charakterystyka jak na rys. 4. Jak widać, silnik jest zdolny do wytworzenia mocy również w zakresie przekraczającym wartości podawane w dokumentacji technicznej pojazdu (linia przerywana). Nie wnikając chwilowo w zagadnienia teorii ruchu można założyć, że użytkownik jest zainteresowany zakresem mocy w części, w której charakterystyka wznosi się (jest rosnąca) - zwiększanie dawki paliwa powoduje wzrost mocy i silnik jest zdolny do pokonywania większych oporów. Po przekroczeniu wartości mocy maksymalnej charakterystyka opada, prędkość obrotowa nadal wzrasta - moc zmniejsza się - charakterystyka w tym zakresie prędkości obrotowej staje się funkcją malejącą. Przytoczone stwierdzenie wymaga zdecydowanego podkreślenia, ponieważ staje się źródłem częstych wątpliwości w interpretacji zjawisk zachodzących podczas ruchu pojazdu, tak w warunkach rzeczywistych, jak i symulowanych na hamowni: bez oporu zewnętrznego silnik nie oddaje mocy użytecznej. Wytwarzana moc jest zużywana na pokonanie oporów własnych, niezależnie od wartości prędkości obrotowej silnika - badanie pojazdu bez obciążenia (momentu oporu) nie odpowiada warunkom drogowym i nie może być porównywane z tzw. próbą drogową.
Wytwarzanie mocy większej od tej, która jest niezbędna do pokonania oporów własnych, rozpoczyna się w chwili, gdy wytworzony zostanie zewnętrzny moment oporów. Zjawisko takie towarzyszy badaniu pojazdu zarówno na hamowni silnikowej, jak i podwoziowej, przy czym podczas badania na hamowni silnikowej moment oporów wytwarzany w hamulcu obciąża bezpośrednio wał silnika. Na hamowni podwoziowej natomiast moment oporów (hamujący) wytwarzany jest na osi rolek, na których spoczywają koła napędzane pojazdu. Stopniowe zwiększanie momentu oporów wymusza na układzie napędowym rozwinięcie momentu równoważącego (o takiej samej wartości i przeciwnym zwrocie) - możliwy staje się wtedy pomiar momentu napędzającego koła, a następnie tzw. mocy na kołach. Przykład ten najlepiej zilustrować rysunkiem (rys. 5) przedstawiającym trzy zasadnicze krzywe: krzywą mocy silnika osiąganą przy pełnym obciążeniu silnika, krzywą mocy oporów własnych silnika i krzywą mocy rozwijaną przez silnik, niezbędną do pokonania mocy oporów własnych silnika. W rzeczywistych konstrukcjach silników przebieg charakterystyki mocy oporów własnych jest niższy - nie osiąga tak relatywnie dużych wartości w odniesieniu do Psmax. Czerwona przerywana pionowa linia przechodząca przez zaznaczony schematycznie punkt równowagi: moc oporów/moc wytwarzana, określa największą możliwą do rozwinięcia prędkość obrotową silnika w warunkach rzeczywistych. Jest ona mniejsza od prędkości obrotowej teoretycznej i stanowi pewnego rodzaju zabezpieczenie przed uszkodzeniem silnika. Silnik - wbrew pozorom - nie wytwarza wtedy mocy maksymalnej (brak jest momentu obciążającego większego niż własne opory ruchu silnika i mechanizmów z nim połączonych (np. sprzęgła); osiągana jest tylko wysoka prędkość obrotowa. Warunek równowagi mocy (momentów) daje się zapisać jako: moc oporów własnych silnika + moc oporów własnych mechanizmów = moc częściowa silnika. Stan równowagi w tak opisanych warunkach jest stosunkowo niekorzystny dla silnika, ponieważ osiąga się go przy małej wartości obciążenia i prędkości obrotowej przekraczającej wartość prędkości obrotowej mocy maksymalnej. Prędkość ta jest niekiedy bardzo bliska maksymalnej prędkości obrotowej silnika. Sposobem na wykonanie badania w warunkach zbliżonych do rzeczywistych jest wytworzenie oporów ruchu (momentu/mocy oporów) zbliżonych do tych, jakie występują podczas eksploatacji pojazdu. Osiągnięcie tak zamierzonego efektu staje się możliwe albo we wspomnianych wyżej rzeczywistych warunkach ruchu, albo w warunkach symulowanych, umożliwiających wytworzenie sztucznych oporów ruchu. Dopiero wtedy możliwe staje się przeprowadzenie oceny stanu silnika w zakresie jego charakterystyki zewnętrznej lub mocy dławionych. W sytuacji, gdy po osiągnięciu stanu równowagi dochodzi do zmiany momentu oporów (np. zmniejszenia), silnik, przy zachowaniu ustalonego dawkowania paliwa, zaczyna rozwijać większą prędkość obrotową. Zwiększając obciążenie zewnętrzne możemy, przy zachowaniu ustalonego dawkowania paliwa, doprowadzić do zmniejszenia prędkości obrotowej silnika (tzw. zdławienie) lub utrzymać (a nawet zwiększyć prędkość obrotową) przez odpowiednie zwiększenie dawkowania paliwa. Opisane warunki pracy samego silnika dają się odnieść do zjawisk występujących podczas poruszania się samochodu na drodze, jak i podczas badania na hamowni podwoziowej. Ciągłe zmiany sił/mocy oporów ruchu wymuszają zmiany dawkowania paliwa, a tym samym obciążenia silnika i układu przeniesienia napędu. W warunkach drogowych trudno o kontrolowanie tych zmian i rejestrację parametrów wyrażających warunki pracy zespołów. Badanie samego silnika w warunkach obciążenia symulowanego na stanowisku hamowni silnikowej wymaga wymontowania go z pojazdu, co jest wprawdzie możliwe, niemniej pracochłonne i kosztowne (trudne do zastosowania w badaniach innych niż przeprowadzane przez producenta) i przede wszystkim nie dające odpowiedzi na pytanie o stan wszystkich zespołów tworzących układ napędowy.
Porównanie możliwości wspomnianych rodzajów hamowni i ocena ich przydatności do badań wymagają przeanalizowania potrzeb i oczekiwań użytkownika. Urządzenia te uzupełniają się wzajemnie, ponieważ przeznaczone są do badań o innym zakresie. Przyjmując ustalone kryteria przydatności urządzenia, należy stwierdzić, że hamowania podwoziowa pozwala szybko i jednoznacznie określić ostateczny parametr, jakim jest moment i moc mierzona na kołach pojazdu. Towarzyszy temu możliwość wyznaczenia wielkości, które w przypadku hamowni silnikowej nie mogą być odniesione do rzeczywistego ruchu pojazdu: sprawność układu napędowego, przebiegowe zużycie paliwa, emisja związków toksycznych, hałas zewnętrzny. Na hamowni silnikowej trudno również o przeprowadzenie typowego badania diagnostycznego. Wymagane jest wtedy wymontowanie silnika, a to wymaga czasu, nakładów pracy i przede wszystkim jest sprzeczne z zasadą oceny stanu technicznego (pojazdu) bez demontażu jego zespołów. Hamownia silnikowa zapewnia wprawdzie możliwości zaawansowanego badania samego silnika, uniemożliwia jednak skontrolowanie stanu całego układu napędowego. Zakres wykorzystania hamowni silnikowej ogranicza się więc przeważnie do ośrodków badawczych producentów silników i ich osprzętu. Przytoczona krótka argumentacja wydaje się być dostateczna do potwierdzenia tezy sformułowanej wyżej: wymienione rodzaje hamowni stanowią uzupełnienie, zakres zastosowania hamowni podwoziowej można traktować jako znacznie szerszy. Badanie całego pojazdu wymaga więc wykorzystania stanowiska, które umożliwi przeprowadzenie badania całego pojazdu w symulowanych warunkach obciążenia odpowiadającego rzeczywistym warunkom ruchu, w zakresie wynikającym zarówno z potrzeb określonych przez producenta, jak i przez tych, którzy zamierzają korzystać z nowoczesnych metod diagnozowania pojazdu. Warunki równowagi zachodzące podczas ruchu pojazdu Równowagę tę najlepiej zapisać w postaci tzw. równania bilansu sił: Zależność tę można również zilustrować rys. 6, przedstawiającym siły oddziałujące na samochód, zgodnie z zapisem przedstawionym wyżej. Zgodnie z przyjętą umową wszystkie siły oporów pozostają zaczepione wzdłuż pewnej linii przechodzącej przez środek masy pojazdu - w rzeczywistości punkt zaczepienia tych sił zależy od ich charakteru. Na przykład siła oporu bezwładności istotnie jest zaczepiona w środku masy pojazdu, a siła oporu toczenia działa w płaszczyźnie kontaktu koła z jezdnią. Przedstawione grupowanie sił pozwala uświadomić sobie, które siły mają przeciwne zwroty, czyli przeciwstawiają się sobie. Na rysunku celowo zaznaczono jedynie siły działające w kierunku ruchu samochodu, nie zaznaczono więc innych sił działających na pojazd (np. siły ciężkości, sił reakcji nawierzchni i innych). Celowo pominięto również siłę uciągu, ponieważ jej uwzględnienie nie wnosi dodatkowej informacji w rozumowaniu, a powodować może jedynie zmniejszenie czytelności rysunku. Suma wszystkich sił działających w dół wzniesienia równoważona jest siłą napędową Xn działającą w płaszczyźnie kontaktu koła osi napędowej (przyjęto - przedniej) o długości równej sumie sił oporów i zwrocie przeciwnym do sił oporów - w górę wzniesienia. Dla uproszczenia przyjęto, że wartości sił wyrażone symbolicznie za pomocą strzałek mają długości przypadkowe - nie odpowiadające rzeczywistym wartościom wynikającym z sytuacji na drodze, a jedynie ilustrujące charakter zależności.
W przypadku pojazdu przyspieszającego na płaskiej nawierzchni drogi sytuacja wygląda jak na rys. 7, a dla pojazdu poruszającego się ze stałą ustaloną prędkością v sytuacja ulega dalszemu uproszczeniu (rys. 8) tak, że całkowitą siłę oporów stanowi jedynie suma sił oporu toczenia i powietrza: Xn = Xt + Xp Omówione warunki równowagi można przedstawić również graficznie w postaci krzywych mocy dostarczonej do kół napędowych samochodu i mocy oporów ruchu będącej krzywą trzeciego stopnia w zależności od prędkości samochodu v (rys. 9). Charakterystyka jest funkcją dwóch zmiennych: prędkości obrotowej silnika i prędkości liniowej pojazdu. Wspomniane wielkości są zależne od siebie: dla znanych wartości charakteryzujących układ napędowy pojazdu możliwe jest obliczenie prędkości pojazdu przy znanej wartości prędkości obrotowej i przełożeń w układzie napędowym. Zgodnie z przyjętymi założeniami, przy osiągnięciu prędkości obrotowej mocy maksymalnej, pojazd osiąga maksymalną prędkość liniową. Kształtując odpowiednio parametry układu przeniesienia napędu, możliwe jest otrzymanie takiego efektu jak na rys. 10 i 11, na których liniowa, maksymalna prędkość pojazdu będzie osiągana odpowiednio dla prędkości obrotowej mniejszej od prędkości obrotowej mocy maksymalnej (rys. 10) i większej (rys. 11). Przedstawione rozważania wiążą się bezpośrednio z pojęciem tzw. zapasu mocy na kołach, ponieważ jednak jest to zagadnienie dość szerokie, odsyłamy czytelników do literatury uzupełniającej. Jeśli zapas mocy ma wartość zero, to niezależnie od prędkości pojazdu nie jest on w stanie pokonać dodatkowej siły oporów, np. wynikającej ze zmiany kąta nachylenia wzniesienia, zmiany współczynnika oporu toczenia lub innych. Nie jest również w stanie przyspieszyć. Ważnie jest przy tym nie tylko o ile kilowatów, dla danej prędkości, moc na kołach jest większa od mocy oporów, ważna jest także różnica w powierzchni tzw. pola podaży mocy.
Pojawienie się chwilowej wartości dodatkowej siły oporu - np. siły oporu wzniesienia, sprawi, że równowaga zostanie zakłócona i przy założonej prędkości układ napędowy może nie dostarczyć żądanej wartości mocy. Objaw ten pojawia się często w warunkach rzeczywistych, zwłaszcza podczas jazdy z dużą prędkością (bliską lub równą maksymalnej) na najwyższym biegu. Wtedy, gdy pojazd wjeżdża na wzniesienie, samochód zaczyna zwalniać, ponieważ moc dostarczana przez układ napędowy nie jest dostatecznie duża do pokonania dodatkowych oporów. Po przekroczeniu pewnej umownej, konstrukcyjnej wartości prędkości obrotowej silnika może dojść do tzw. zdławienia silnika, czyli obciążenia go oporami większymi od tych, jakie jest w stanie pokonać. Prowadzone rozważania uzasadniają swoistą wyższość hamowni podwoziowej nad hamownią silnikową. O ile badanie silnika na hamowni silnikowej umożliwia wyznaczenie przebiegu wielkości charakteryzujących tylko jednostkę napędową, o tyle badanie na hamowni podwoziowej umożliwia ocenę dopasowania silnika do pojazdu, w którym jest lub może być zastosowany.
Sytuację opisaną wyżej najlepiej zilustrować rys. 12 nawiązującym w części do przedstawionej wcześniej charakterystyki mocy dławionych (częściowych) silnika, a tym samym mocy częściowych na kołach. Dla zachowania przejrzystości rysunku posłużono się jedynie dwoma przebiegami charakterystyki mocy częściowych i dwoma przebiegami odzwierciedlającymi moc oporów ruchu; dla większej liczby przebiegów rysunek mógłby stać się nieczytelny. Samochód porusza się z umowną prędkością v mniejszą od prędkości maksymalnej (punkt równowagi 1), wykorzystuje zatem częściową charakterystykę mocy na kołach leżącą niżej - linia jasnożółta, ponieważ pokonuje moc oporów ruchu zgodną z krzywą w kolorze czerwonym. Na skutek zmiany (wzrostu) siły oporu toczenia całkowita siła oporu ruchu przebiega tak, jak ilustruje to krzywa niebieska. Kierowca pojazdu, pragnąc utrzymać założoną prędkość poruszania się, musi zwiększyć dawkowanie paliwa - wcisnąć pedał gazu tak, aby silnik pojazdu rozwinął większą moc zdolną do pokonania zwiększonych oporów ruchu. Tym samym zmienił przebieg charakterystyki mocy częściowych silnika (punkt równowagi 2). Analizując przebiegi można stwierdzić, że bez zmiany dawkowania paliwa (ten sam przebieg krzywej mocy) wzrost siły oporu toczenia spowoduje spadek prędkości pojazdu (punkt równowagi 3).
W warunkach badania na hamowni, sumaryczna siła oporów ruchu (zarówno na drodze płaskiej, jak i podczas pokonywania wzniesienia, przyspieszania itp.) osiągana jest dzięki hamulcowi wytwarzającemu moment reakcyjny (o zwrocie przeciwnym) w odniesieniu do momentu napędowego, połączonemu z osią przedniej rolki urządzenia. Regulowanie momentu reakcyjnego (oporu), jaki występuje podczas obracania się rolek, pozwala wytworzyć warunki obciążenia odpowiadające prawie każdemu rodzajowi warunków rzeczywistych. Istotą wykonania na stanowisku pomiaru mocy na kołach jest zrównoważenie siły napędowej i siły oporów ruchu (rys. 13). |
Hamowania podwoziowa jest wyjątkowym
przyrządem diagnostycznym - stanowi urządzenie, które jest nieodzowne podczas badań doświadczalnych egzemplarzy pojazdów, staje się również niezwykle przydatnym narzędziem podczas prac związanych z tuningiem pojazdów, poczynając od poprawek wprowadzanych na poziomie amatorskim, a kończąc na przygotowaniu pojazdów przeznaczonych do najwyższej klasy wyczynu (rys. 1).
Opisywany stan pracy silnika i układu napędowego zmienia się nieustannie, zależnie od warunków drogowych i zamiarów kierowcy. Stąd wszelkie próby badania silnika i układu napędowego bez możliwości symulowania obciążenia nie dają możliwości wiarygodnej oceny jego stanu. Wspomniane już próby warsztatowe, polegające na utrzymywaniu wysokiej prędkości obrotowej silnika - tzw. przegazowanie, nie oddają rzeczywistych warunków pracy pojazdu, co gorsze - zmuszają silnik i układ napędowy do pracy w warunkach charakteryzowanych przez sztucznie dobrany zakres parametrów.