2 Legislativní stav

Obsah

Seznam použitého označení ... 7

1 Úvod ... 8

2 Legislativní stav ... 9

2.1 Homologace ... 9

2.1.1 Žádost o homologaci ... 9

2.1.2 Uskutečnění homologace ...10

2.1.3 Změny brzdového zařízení a rozšíření homologace...12

2.2 Požadavky...12

2.2.1 Požadavky na brzdové systémy ...12

2.2.2 Funkce brzdových systémů ...13

2.2.3 Zkoušky brzdění ...14

2.2.3.1 Podmínky zkoušek...14

2.2.3.2 Zkouška ztráty brzdného účinku...16

3 Přehled současného stavu ...17

3.1 Popis brzdového zařízení ...18

3.1.1 Dělení z hlediska ústrojí pro dodávku energie...19

3.1.1.1 Přímočinné brzdové soustavy s mechanickým převodem ...19

3.1.1.2 Přímočinné brzdové soustavy s kapalinovým převodem...21

3.1.1.3 Přímočinné brzdové soustavy s kapalinovým převodem s posilovačem .22 3.1.1.4 Strojní brzda (pneumatická) ...24

3.1.1.5 Strojní brzda (pneumaticko-hydraulická)...24

3.2 Kolové brzdy ...25

3.2.1 Bubnové brzdy ...25

3.2.1.1 Druhy bubnových brzd ...26

3.2.1.2 Určení třecího momentu bubnové brzdy ...27

3.2.2 Kotoučové brzdy...29

3.2.2.1 Určení třecího momentu kotoučové brzdy...30

4 Nová řešení brzdových ústrojí...31

4.1 Typy hybridních pohonů ...31

4.1.1 Sériový hybridní pohon ...32

4.1.2 Paralelní hybridní pohon ...32

4.1.3 Sérioparalelní hybridní pohon ...33

4.2 Toyota Hybrid Synergy Drive^®...34

4.2.1 Základní princip...34

4.2.2 Součásti hybridního systému...35

4.3 Kinetic energy recovery system (KERS) ...38

5 Zhodnocení a doporučení ...39

5.1 Namáhání brzdového kotouče ...39

5.1.1 Popis součásti ...40

5.1.2 Zjednodušení úlohy ...40

5.1.3 Vstupní data ...41

5.1.4 Demonstrační analýza ...45

5.1.5 Srovnání s rekuperačním systémem brzdění ...49

5.2 Finanční náklady ...53

6 Závěr ...55

7 Použitá literatura ...56

Seznam použitého označení

DPH daň z přidané hodnoty ECB Elektronický brzdový systém EHK Evropská hospodářská komise EHS Evropské hospodářské společenství

EU Evropská unie

F síla [N]

HD bod varu

Kč Koruna česká

KERS Systém rekuperace kinetické energie

L motorová vozidla zpravidla s méně než čtyřmi koly

M motorová vozidla s minimálně čtyřmi koly pro přepravu osob

M_b brzdný moment [N.m]

N motorová vozidla s minimálně čtyřmi koly pro přepravu nákladů Ni-MH nikl metal hydrit

O přípojná vozidla

OSN Organizace spojených národů Pe Pecletův parametr [-]

Q tepelný tok [W.m^-2]

S plocha [mm²]

T třecí síla [N]

THSII hybridní systém značky Toyota druhé generace c^* vnitřní převod brzdy [-]

dm střední plné brzdné zpomalení [m.s^-2] f koeficient tření [-]

k měrná tepelná vodivost [W.m^-1.K^-1]

n počet brzdění [-]

p tlak [MPa]

r poloměr [m]

s dráha [m]

tis. tisíc

v rychlost vozidla [km.h^-1], [m.s^-1]

∆t trvání brzdného cyklu [s]

γ koeficient tepelného rozdělení [-]

µ koeficient tření [-]

1 Úvod

Myšlenka na to, jak brzdit, byla u zrodu všech vozidel a bude i u jejich zániku. Brzdová ústrojí jsou nejdůležitějšími bezpečnostními prvky automobilů, a tak jejich spolehlivost a funkci při vývoji nikdo nepodceňuje. Než se nový automobil dostane na cesty, musí být řádně zhomologován. Homologace a s ní související legislativní stav je popsán v první části mé práce. Je tam uveden sled úkonů, který začíná samotnou žádostí o homologaci a dále pojednává o uskutečnění homologace, kterému předchází konkrétní požadavky a zkoušky.

Brzdová ústrojí se během času vyvinula do současného stavu, který také popisuji. Uvádím zde typy brzdových zařízení a provedení kolových brzd s příslušnými výpočty pro brzdný moment bubnových a kotoučových brzd. Dále se ve své práci zabývám novými řešeními brzdových ústrojí, která úzce souvisí s hybridními vozy. Jsou zde tedy popsány hybridní systémy s užším zaměřením na nejvyspělejší systém se sérioparalelním pohonem, který je schopen při brzdění uchovat v akumulátoru velké množství elektrické energie. Ve své práci uvádím také mechanický rekuperační systém, kde je použit setrvačník s vysokými otáčkami. Tento systém je také známý pod zkratkou KERS a využívá se v závodech Formule 1. Nejvyspělejší systém rekuperace se sérioparalelním zapojením poté srovnávám s konvenčním hydraulickým systémem. Jako porovnávací činitel slouží v první části namáhání v počítačovém programu ANSYS, který využívá metodu konečných prvků. V něm jsou zjištěny nejdůležitější druhy namáhání, mezi které patří tepelné namáhání s výsledky v podobě teplot namáhaného kotouče. Následuje analýza, která s tímto tepelným namáháním počítá, a zjišťuje se deformace kotouče a vnitřní napětí. Díky této analýze byla zjištěna teoretická životnost kotouče, která pomohla při stanovení nákladů na údržbu brzdového systému. Tyto náklady jsou porovnány s cenami na pořízení hybridních komponentů.

2 Legislativní stav

Pro zajištění plynulé dopravy musí mít vozidla schopnost rychlé akcelerace a rychlého zpomalení. Zvlášť důležité je brzdění, tedy snížení rychlosti. Proto jsou požadavky na brzdové zařízení stanoveny zákonem, v ČR vyhláška č. 102/1995 Sb. a vyhláška č. 176/1960 Sb. Tyto požadavky jsou v souladu s homologačními předpisy EHK č. 13, 78, 90.

Ministerstvo dopravy ČR vydalo vyhlášku č. 102/1995 Sb. o schvalování technické způsobilosti a technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích na základě § 16 zákona č. 38/1995 Sb. o technických podmínkách provozu silničních vozidel na pozemních komunikacích.

Předpisy Evropské hospodářské komise (EHK) se věnují brzdám v předpisech č. 13 a č. 13-H. V předpise č. 13 jsou shrnuta jednotlivá ustanovení pro homologaci vozidel kategorií M, N a O z hlediska brzdění (EU/EHS 71/320).

Předpis č. 13-H je jen rozšíření o vozidla kategorie Mi.

Dle zákona č. 56/2001 Sb. státní správu a státní dozor ve věcech podmínek provozu vozidel na pozemních komunikacích vykonávají podle mezinárodních smluv, kterými je Česká republika vázána, ministerstvo, krajské úřady, obecní úřady obcí s rozšířenou působností a Česká obchodní inspekce.

V České republice má kontrolu, zkoušky a homologace systémů brzdění v pravomoci Ústav pro výzkum motorových vozidel.[4]

2.1 Homologace

Homologace v tomto případě znamená homologaci typu vozidla z hlediska brzdění. Před touto homologací je nutno vytvořit žádost o homologaci.

2.1.1 Žádost o homologaci

Žádost o homologaci typu vozidla z hlediska brzdění předkládá výrobce vozidla nebo jeho řádně pověřený zástupce. Musí k ní být přiloženy trojmo dále uvedené doklady s následujícími údaji:

• popis typu vozidla podle položek uvedených v odstavci „Typ vozidla“. Musí být uvedena čísla nebo symboly nebo obojí, vyznačující typ vozidla a v případě motorových vozidel vyznačující též typ motoru;

• seznam řádně identifikovaných součástí, které tvoří brzdové zařízení;

• schéma úplného brzdového zařízení s vyznačením polohy jeho částí na vozidle;

• podrobné výkresy všech součástí, aby bylo možno snadno určit jejich umístění a identifikovat je.

Vozidlo představující typ vozidla určeného k homologaci musí být předáno technické zkušebně. Příslušný orgán ověří před udělením homologace, zda existují dostatečná opatření k zajištění účinného řízení shodnosti výroby.

2.1.2 Uskutečnění homologace

Jestliže vozidlo, které bylo předáno k homologaci podle tohoto předpisu, vyhoví požadavkům podle následujících odstavců, udělí se pro tento typ vozidla homologace.

Každému homologovanému typu se přidělí číslo homologace, jehož první dvě číslice (v současné době 09) udávají sérii změn, které včleňují poslední závažné technické změny předpisu v době udělení homologace. Táž smluvní strana nesmí udělit totéž číslo témuž typu vozidla vybavenému jiným typem brzdového zařízení nebo jinému typu vozidla.

Homologace nebo odmítnutí homologace typu vozidla podle tohoto předpisu se oznámí smluvním stranám Dohody používajícím tento předpis, a to na formuláři podle vzoru v příloze k tomuto předpisu a souhrnem informací, obsažených v dokumentech, uvedených v dalších odstavcích, přičemž výkresy, dodané žadatelem o homologaci, musí mít formát maximálně A4 (210x297 mm) nebo musí být složeny na tento formát a být ve vhodném měřítku.

Na každém vozidle shodném s typem vozidla homologovaným podle tohoto předpisu se vyznačí nápadně a na snadno přístupném místě uvedeném v homologačním osvědčení mezinárodní značka homologace, která se skládá z:

• kružnice, ve které je písmeno „E“ následované rozlišovacím číslem státu, který udělil homologaci (pro Českou republiku je to č. 8), a dále

• čísla tohoto předpisu, za nímž následuje písmeno „R“, pomlčka a číslo homologace, jež jsou umístěny vpravo od kružnice uvedené v odstavci v minulém bodě.

Pokud však bylo homologováno vozidlo kategorie M2 nebo M3 podle ustanovení přílohy v předpisu č. 13 EHK, následuje za číslem předpisu písmeno M.

Pokud je vozidlo shodné s typem vozidla homologovaným podle jednoho nebo více dalších předpisů, které jsou přílohou Dohody, ve stejném státě, jenž udělil homologaci podle tohoto předpisu, symbol uvedený v předchozím bodě se neopakuje; v tomto případě se čísla a doplňkové symboly podle všech ostatních předpisů, podle kterých byla udělena homologace státem, který udělil homologaci podle tohoto předpisu, uvedou ve svislých sloupcích umístěných vpravo od symbolu uvedeného v předchozím bodě.

Značka homologace musí být zřetelně čitelná a nesmazatelná a také se musí umístit v blízkosti štítku, kterým výrobce opatřuje vozidla a na němž jsou uvedena hlavní data vozidla, nebo se umístí na tomto štítku.

Zde je příklad uspořádání homologační značky (vzor „A“):

Obr. 1 – homologační značka vzor „A“ [2]

Výše uvedená homologační značka, kterou je opatřeno vozidlo, udává, že typ tohoto vozidla byl homologován ve Spojeném království (E11), a to z hlediska brzdění, podle předpisu č. 13, pod homologačním číslem 09 2439. Toto číslo znamená, že homologace byla udělena podle ustanovení předpisu č. 13

změněného sérií změn 09. Pro vozidla kategorií M2 a M3 tato značka znamená, že tento typ vozidla byl podroben zkoušce typu II.

2.1.3 Změny brzdového zařízení a rozšíření homologace

Každá změna typu vozidla nebo jeho brzdového zařízení se musí oznámit orgánu státní správy, který udělil homologaci typu vozidla. Tento orgán pak může:

• buď usoudit, že provedené změny zřejmě nemají znatelně nepříznivý vliv a že v každém případě toto vozidlo ještě splňuje ustanovení;

• nebo požadovat nový protokol od technické zkušebny.

Potvrzení o homologaci, rozšíření nebo odmítnutí homologace se oznámí stranám Dohody, které aplikují tento předpis, podle postupu v předpisu č. 13 EHK.

Příslušný orgán, který udělí rozšíření homologace, přidělí takovému rozšíření pořadové číslo a informuje o tomto rozšíření ostatní strany Dohody z roku 1958, které aplikují tento předpis, a to osvědčením na formuláři podle vzoru v příloze předpisu č. 13 EHK.[3]

2.2 Požadavky

Kvůli tomu, že brzdy jsou nejdůležitější bezpečnostní prvek ve vozidlech, je požadavků na brzdění a brzdné soustavy velmi mnoho.

2.2.1 Požadavky na brzdové systémy

Brzdové systémy musí být konstruovány, vyrobeny a namontovány takovým způsobem, aby v normálních provozních podmínkách mohlo vozidlo vyhovět ustanovením tohoto předpisu, a to i při vibracích, kterým může být vystaveno. Zvláště musí být brzdové systémy konstruovány, vyrobeny a namontovány tak, aby odolávaly korozi a stárnutí, kterým jsou vystaveny.

Mimo jiné brzdová obložení nesmějí obsahovat azbest. Funkce brzdových systémů, včetně elektrického ovládacího vedení, nesmějí být nepříznivě ovlivněny magnetickými nebo elektrickými poli. Signál zjišťování závad může přerušit na okamžik (< 10 ms) požadovaný signál v ovládacím převodu za předpokladu, že se tím nezmenší brzdný účinek.

2.2.2 Funkce brzdových systémů

Brzdové systémy musí splňovat následující funkce:

• Provozní brzdění musí umožňovat ovládání pohybu vozidla a jeho zastavení bezpečným, rychlým a účinným způsobem, bez ohledu na rychlost, zatížení a velikost sklonu stoupání nebo klesání svahu. Jeho účinek musí být odstupňovatelný. Řidič musí být schopen vykonat toto brzdění ze svého sedadla, aniž sejme ruce z ovládacího orgánu řízení.

• Nouzové brzdění musí umožňovat zastavení vozidla v přiměřené vzdálenosti v případě selhání provozního brzdění. Musí být odstupňovatelné.

Řidič musí být schopen vykonat toto brzdění ze svého sedadla a řídit nadále vozidlo s alespoň jednou rukou na ovládacím orgánu řízení. Pro účely tohoto ustanovení se připouští, že současně se nemůže vyskytovat více než jedna porucha v systému provozního brzdění.

• Parkovací brzdění musí umožňovat udržet vozidlo v nehybném stavu na stoupajícím nebo klesajícím svahu i v nepřítomnosti řidiče, přičemž brzdicí součásti musí být udržovány v poloze pro zabrzdění čistě mechanickým zařízením.

Řidič musí mít možnost vykonat toto brzdění ze svého sedadla, s výjimkou ustanovení v předpise č. 13 EHK u přípojných vozidel. Je přípustné ovládat zároveň pneumatickou brzdu přípojného vozidla a parkovací brzdu tažného vozidla za podmínky, že řidič je schopen kdykoli se ujistit, že účinek parkovacího brzdění jízdní soupravy, který je zajišťován systémem parkovacího brzdění výhradně mechanickými částmi, je dostatečný.

2.2.3 Zkoušky brzdění

Účinek předepsaný pro brzdové systémy je založen na brzdné dráze a/nebo na středním plném brzdném zpomalení. Účinek brzdového systému se stanoví buď podle naměřené brzdné dráhy vztažené k počáteční rychlosti vozidla a/nebo podle středního plného brzdného zpomalení naměřeného v průběhu zkoušky.

Brzdná dráha je dráha, kterou vozidlo ujede od okamžiku, kdy řidič začne působit na ovládací orgán brzdového systému, až do okamžiku, kdy se vozidlo zastaví; počáteční rychlost je rychlost v okamžiku, kdy řidič začne působit na ovládací orgán brzdového systému; počáteční rychlost nesmí být nižší než 98 % rychlosti předepsané pro příslušnou zkoušku. Střední plné brzdné zpomalení dm

se vypočítá jako střední zpomalení, které je funkcí vzdálenosti ujeté v intervalu vb až ve, podle následujícího vzorce:

(

e b

)

e b

m s s

v d v

−

= − 92 , 25

2 2

[m.s^-2]

kde:

vo = počáteční rychlost vozidla, v km.h^-1, v_b = rychlost vozidla při 0,8.v_o, v km.h^-1, v_e = rychlost vozidla při 0,1.v_o, v km.h^-1,

sb = dráha, kterou vozidlo ujede mezi vo a vb, v metrech, s_e = dráha, kterou vozidlo ujede mezi v_o a v_e, v metrech,

Rychlost a dráha se zjišťují přístroji s přesností ±1 % z předepsané zkušební rychlosti. Střední plné brzdné zpomalení se může určit jinými způsoby než měřením rychlosti a dráhy; v takovém případě se musí střední plné brzdné zpomalení určit s přesností ±3 %.

2.2.3.1 Podmínky zkoušek

Pro homologaci každého motorového vozidla se měří účinek brzdění při silničních zkouškách a tyto zkoušky se musí provádět za následujících podmínek:

• vozidlo musí odpovídat podmínkám pro hmotnost, uvedeným pro každý typ zkoušky; tyto podmínky se musí uvést v protokolu o zkoušce;

• zkouška se musí vykonat z rychlostí, které jsou stanoveny pro každý typ zkoušky. Jestliže je nejvyšší konstrukční rychlost vozidla nižší než rychlost předepsaná pro zkoušku, provede se zkouška při nejvyšší rychlosti vozidla;

• síla, kterou se působí na ovládací orgán během zkoušky k dosažení předepsaného účinku, nesmí překročit nejvyšší hodnotu stanovenou pro příslušnou kategorii vozidla;

• s výhradou jiných ustanovení uvedených v příslušných přílohách, vozovka musí mít povrch s dobrými adhezními vlastnostmi;

• zkoušky se smějí konat jen tehdy, pokud výsledky nemohou být ovlivněny větrem;

• na počátku zkoušky musí být pneumatiky studené a nahuštěny na tlak předepsaný pro zatížení skutečně nesené koly ve statických podmínkách;

• předepsaného účinku se musí dosáhnout bez blokování kol, aniž by vozidlo vybočilo z vytčené dráhy, a bez abnormálních vibrací.

U vozidel poháněných zcela nebo zčásti elektromotorem (elektromotory) trvale spojeným s koly se vykonají všechny zkoušky s elektromotorem (elektromotory) zapojeným.

U vozidel popsaných v minulém odstavci, se systémem elektrického rekuperačního brzdění kategorie A, se zkoušky chování vozidla uvedené v příslušném odstavci v předpisech č. 13 EHK vykonají na zkušební dráze s nízkým součinitelem adheze.

Mimoto u vozidel se systémem elektrického rekuperačního brzdění kategorie A nesmějí přechodové stavy, jako je řazení rychlostních stupňů nebo uvolnění ovládače akcelerátoru, ovlivnit chování vozidla v podmínkách zkoušek podle minulého odstavce.

Během zkoušek uvedených ve dvou předchozích odstavcích není přípustné

volantu je menší než 120° během 2 počátečních sekund a celkem nepřesáhne 240°.

U vozidel s elektricky ovládanými provozními brzdami napájenými z trakčních baterií (nebo z pomocné baterie), které získávají energii jen z nezávislého vnějšího nabíjecího systému, musí být tyto baterie v průběhu zkoušek brzdných účinků ve stavu nabití v průměru ne o více než 5 % vyšším, než je stav, při kterém musí vstoupit do činnosti výstražný signál poruchy brzd předepsaný v příslušném odstavci v předpisech č. 13 EHK. Jestliže tento signál vstoupil do činnosti, je přípustné určité dobití baterií v průběhu zkoušek tak, aby zůstaly v požadovaném rozsahu stavu nabití.

2.2.3.2 Zkouška ztráty brzdného účinku

Dvě hlavní zkoušky brzdného účinku jsou následující:

• S opakovaným brzděním

Systémy provozního brzdění všech motorových vozidel se musí zkoušet vykonáním řady následných brzdění a uvolněním brzd, s naloženým vozidlem podle podmínek uvedených v následující tabulce:

zkouška s opakovaným brzděním [2]

Podmínky zkoušky Kategorie vozidel v₁

[km.h^-1]

v₂ [km.h^-1]

∆t [s] n M₁ 80 % vmax≤ 120 1/2 v1 45 15 M₂ 80 % vmax≤ 100 1/2 v1 55 15 N₁ 80 % vmax≤ 120 1/2 v1 55 15 M_3, N_2, N₃ 80 % v_max≤ 60 1/2 v1 60 20

kde mají jednotlivé symboly následující význam:

v1 = počáteční rychlost, na počátku brzdění, v2 = rychlost na konci brzdění,

v_max = maximální rychlost vozidla, n = počet brzdění,

∆t = trvání brzdného cyklu: čas, který uplyne mezi počátkem jednoho brzdění a počátkem následujícího brzdění.

• S trvalým brzděním

Provozní brzdy přípojných vozidel kategorií O2 a O3 se musí zkoušet tak, aby se při naloženém vozidle pohlcovala v brzdách tatáž energie, jaká vzniká za stejnou dobu u naloženého vozidla udržovaného ve stabilizované rychlosti 40 km/h na klesání 7 % na vzdálenosti 1,7 km.

Zkouška se může vykonat na vodorovné silnici, přičemž přípojné vozidlo je taženo motorovým vozidlem; během zkoušky se musí síla na ovládacím orgánu přizpůsobovat tak, aby udržovala konstantní odpor přípojného vozidla (7 % maximálního statického zatížení náprav přípojného vozidla). Jestliže není k dispozici dostatečný výkon pro tažení přípojného vozidla, může se zkouška vykonat při nižší rychlosti a na delší dráze podle následující tabulky:

zkouška s trvalým brzděním [2]

3 Přehled současného stavu

Brzdové ústrojí tvoří všechny brzdové soustavy montované na vozidlo, jehož funkcí je snížení rychlosti pohybujícího se vozidla nebo jeho zastavení nebo zajištění již stojícího vozidla. Brzdění vozidla se dosahuje zpravidla záměrně vyvolaným třením mezi rotujícími a pevnými částmi motorového vozidla, např.

mezi brzdovým kotoučem a brzdovými čelistmi. Tím se pohybová energie mění ve třecích částech na energii tepelnou, kterou je nutno odvádět do ovzduší, aby nedošlo k poškození brzd.

Rychlost [km.h^-1] Vzdálenost [m]

40 1700

30 1950

20 2500

15 3100

3.1 Popis brzdového zařízení

obsahuje ústrojí pro dodávku energie, ovládací ústrojí, převod, vlastní brzdu a je-li třeba přídavné ústrojí na motorovém vozidle pro přípojné vozidlo.

• Ústrojí pro dodávku energie dodává, reguluje a je-li třeba, upravuje energii požadovanou pro brzdění. Končí tam, kde začíná převod brzdy, tj. kde různé okruhy brzdových soustav včetně případných okruhů vedlejších spotřebičů jsou zajištěny směrem k ústrojí pro dodávku energie nebo navzájem. To platí i pro přípojné vozidla. Část ústrojí pro dodávku energie může být umístěna mimo vozidla (např. v případě vzduchově přípojného vozidla). Zdrojem energie může být i svalová síla řidiče.

• Ovládací ústrojí zahrnuje ty části brzdové soustavy, které ji uvádějí do činnosti a ovládají její účinek. Ovládací impuls může být převáděn uvnitř ovládacího ústrojí např. mechanickými, kapalinovými, vzduchovými nebo elektrickými prostředky, včetně použití pomocné nebo jiné než svalové energie.

Ovládací ústrojí začíná tam, kde působí přímo řidič nebo tam, kde se ovládací impuls přivádí do brzdové soustavy, je-li ovládána řidičem nepřímo nebo bez jeho zásahu. Ovládací ústrojí končí buď tam, kde se rozvádí energie potřebná pro vytvoření přítlačné síly, nebo tam, kde se předává část této energie pro ovládání této přítlačné síly. Ovládací ústrojí může být uváděno do činnosti přímo, buď nohou nebo rukou, nepřímo řidičem, nebo bez jeho jakéhokoliv zásahu (u přípojných vozidel) změnou tlaku ve spojovacím potrubí nebo změnou elektrického proudu ve spojovacím vedení mezi motorovým a přípojným vozidlem při činnosti jedné z brzdových soustav motorového vozidla nebo v případě poruchy. Ovládací ústrojí může být také uváděno do činnosti pomocí setrvačnosti nebo hmotností vozidla nebo jiné z jeho základních částí.

• Převod brzdy přenáší energii předávanou ovládacím ústrojím a končí v těch částech brzdové soustavy, ve kterých se vytváří síly působící proti pohybu vozidla. Může být mechanický, kapalinový, vzduchový přetlakový nebo podtlakový, elektrický nebo kombinovaný.

• Kolová brzda je ta část brzdové soustavy, ve které vznikají síly působící proti pohybu vozidla nebo proti tendenci k jeho pohybu.

3.1.1 Dělení z hlediska ústrojí pro dodávku energie

Z hlediska ústrojí pro dodávku energie dále dělíme brzdové soustavy na:

• přímočinné, kde se energie potřebná k vytvoření brzdné síly dodává pouze svalovou silou řidiče,

• přímočinné s posilovačem, u které se energie potřebná k vytvoření brzdné síly dodává svalovou silou řidiče a jedním nebo několika ústrojími pro dodávku energie,

• strojní (s energií v zásobníku), u které se energie potřebná k vytvoření brzdné síly dodává jedním nebo několika ústrojími pro dodávku energie, s vyloučením svalové síly řidiče.

Soustavy přímočinné jsou používány u kategorie L a byly donedávna používány u kategorie M1, popř. N1 (výjimečně do mc = 4t). Soustavy přímočinné s posilovačem jsou dnes běžně používány u kategorie M1 a M2, resp. N1 a N2 do mc 6 až 7 t. Strojní soustavy jsou používány u M2 a M3, resp. N2

a N3, kde spodní hranicí použití je zhruba celková hmotnost 7 t a to v případě, že se jedná o nejlehčí vozidlo z vyráběné řady. U lehčích vozidel se tato soustava nepoužívá, protože veškeré přístroje a zejména brzdové válce spolu s jejich převodem jsou při běžně používaném jmenovitém tlaku 800 kPa tak rozměrné, že jejich umístění na vozidle je problematické, ne-li zcela nemožné.

3.1.1.1 Přímočinné brzdové soustavy s mechanickým převodem

Přímočinné brzdové soustavy s mechanickým převodem používané pro provozní brzdění patří již k historii a najdeme je ještě u motocyklů a mopedů.

Mechanický převod je však používán k ovládání parkovacích brzd a to buď:

• pomocí lanek s bowdenem u parkovacích brzd sloučených v jeden celek s provozní brzdou na kolech zadní nápravy,

• pomocí táhel a pák, kdy parkovací brzda působí na převodové ústrojí.

Konstrukčně je řešena jako pásová, kde buben je umístěn za přídavnou převodovkou na vstupní hřídeli první zadní nápravy. Buben je opásán ocelovým pásem s litinovým segmentovým obložením. Svírání bubnu ovládá vačkový mechanismus.

Popis funkce mechanické brzdy:

Obr. 2 – mechanická brzda [7]

Síla řidiče se přenáší na páky brzdových klíčů pomocí táhel nebo lanovodů.

(viz Obr. 2) Funkce mechanické brzdy je proto velmi jednoduchá. Řidič sešlápne pedál, a tím zatáhne lankem lanovodu za páku klíče brzdy (3). Klíč brzdy rozevře čelisti (4), které se svým obložením (5) přiblíží k brzdovému bubnu (8), začnou se o něj třít, a buben se začne zpomalovat. Protože je buben spojen s vozidlovým kolem, začne se snižovat rychlost vozidla.

Nevýhodou těchto soustav s mechanickým převodem je, že vlivem nestejnoměrného opotřebení obložení a pohyblivých spojů mechanismu dochází i k rozdílným vůlím a tím i nestejným brzdným silám na jednotlivých kolech (je porušena směrová stabilita při brzdění).

3.1.1.2 Přímočinné brzdové soustavy s kapalinovým převodem

Přímočinné brzdové soustavy s mechanickým převodem (kapalinové brzdy) se dnes používají u většiny osobních automobilů (M1) jako provozní brzdy (Obr.

3). Síla řidiče se převádí jednoduchým hydraulickým převodem.

Obr. 3 – přímočinná brzdová soustava, kapalinová, dvouokruhová s diagonálním propojením [7]

Pohyb pedálu brzdy působí na píst hlavního válce brzdy, který vytlačuje brzdovou kapalinu z válce a tlačí ji potrubím do brzdových válečků v kolech u bubnových brzd, nebo do třmenů brzd u brzd kotoučových.

Kapalinové brzdové soustavy se plní brzdovou kapalinou. U nás se vyrábí brzdová kapalina s obchodním označením Syntol HD 205 žluté barvy, nově je k dostání Syntol HD 265 Plus. Tato kapalina je směsí éterů glykolů s polyglykoly, obarvená resinolovou žlutí, s přídavkem speciálních inhibitorů. Kapalina odpovídá mezinárodním specifikacím a je proto mísitelná s brzdovými kapalinami všech značek, které těmto specifikacím rovněž odpovídají. Použití pro jednotlivé druhy a typy vozidel stanoví jejich výrobce, který předepisuje i délku výměnného intervalu zejména vzhledem k tomu, že kapalina pohlcuje z ovzduší vodu, čímž se snižuje její bod varu a horní hranice provozní teploty. Kapalina má nízký bod

tuhnutí a malou změnu viskozity v závislosti na teplotě a její bod varu je minimálně 205 °C, resp. 265 °C (viz údaj v obchodním značení).

3.1.1.3 Přímočinné brzdové soustavy s kapalinovým převodem s posilovačem

U dnešních osobních automobilů se používá výhradně dvouokruhových brzdových soustav s kapalinovým převodem, které jsou již v převážné míře standardně vybaveny posilovačem.

Brzdy s kapalinovým převodem jsou však používány i ve stavbě nákladních automobilů kategorie N1 a N2 (resp. M2), vždy však ve spojení s posilovačem.

Obr. 4 – přímočinná brzdová soustava, kapalinová, dvouokruhová s diagonálním propojením a podtlakovým posilovačem brzdného účinku [7]

Kapalinová brzdová soustava, která se dnes používá u všech soudobých osobních automobilů, se skládá: z hlavního brzdového válce, podtlakového posilovače, vyrovnávací nádržky na brzdovou kapalinu s příslušným spojovacím potrubím. Hydraulická část soustavy je rozdělena do dvou samostatných okruhů ovládaných řidičem společným ovládacím orgánem (brzdovým pedálem). Při normální činnosti jsou brzděná všechna kola vozidla, při poruše v kterémkoliv okruhu je neporušeným okruhem brzděn určitý počet kol. Podle dnešních zákonných předpisů musí mít osobní vozidla nejméně dvouokruhovou ovládací

soustavu, která splňuje požadavek nouzového brzdění. Kromě diagonálního propojení (na Obr. 4) rozlišujeme ještě 4 další druhy zapojení dvouokruhových soustav.

Typy zapojení dvouokruhových ovládacích soustav:

Obr. 5 – schémata zapojení dvouokruhových brzdových soustav (pro názornost jsou propojení mezi koly nakresleny tence a tlustě) [7]

• klasická jednookruhová soustava

• standardní zapojení T-T – v každém okruhu je brzděna jedna náprava

• diagonální zapojení X – v každém okruhu je brzděno jedno přední a diagonálně protiležící zadní kolo

• zapojení H-T – jeden okruh ovládá přední nápravu a zadní nápravu, druhý okruh ovládá jen přední nápravu

• zapojení L-L – každý okruh ovládá přední nápravu a jedno zadní kolo

vlastnosti dvouokruhových brzdných soustav [5]

Označení brzdy

Rozdělení brzdných sil vzhledem k podélné ose

Brzdný účinek jednotlivých okruhů

T-T Souměrné Různý

X Nesouměrné Stejný

H-T Souměrné Různý

L-L Nesouměrné Stejný

H-H Souměrné Stejný

3.1.1.4 Strojní brzda (pneumatická)

Pro těžké nákladní automobily, autobusy a přípojná vozidla nestačí ovládací (nožní) síla řidiče k vyvolání potřebného brzdového tlaku. Pro tato vozidla se používá tzv. strojní brzdová soustava, u které se energie potřebná k vytvoření brzdné síly dodává určitým zdrojem energie, s vyloučením svalové síly řidiče. U vzduchové brzdové soustavy je zdrojem energie kompresor. Řidič nohou ovládá tzv. hlavní brzdič, který rozvádí tlakový vzduch do brzdových válců.

Obr. 6 – zjednodušené schéma vzduchové brzdy autobusů [7]

3.1.1.5 Strojní brzda (pneumaticko-hydraulická)

Vzducho-kapalinové brzdy se používají u automobilů kategorie N2 a u některých typů autobusů. Využívají vzduchového ústrojí stejného jako brzdy pneumatické, na vlastních nápravách jsou však vzducho-kapalinové převaděče,

kde se mění typ pracovního media z plynu na kapalinu. Rozvod tlakové kapaliny pokračuje z převaděčů do brzdových válečků na vlastních kolových brzdách.

3.2 Kolové brzdy

U silničních motorových vozidel se používají třecí brzdy, ve kterých vzniká brzdný moment třením mezi otáčející se částí a pevnou částí, čímž se pohybová energie vozidla mění v teplo. Brzda je nejčastěji umístěna přímo v kole a otáčející se část brzdy je spojena s nábojem kola. Hovoříme tedy o tzv. kolové brzdě. U hnacích náprav se někdy umísťuje brzda na skříň rozvodovky (otočná část brzdy je na hnacím hřídeli). Toto provedení slouží ke snížení hmotnosti neodpružených částí. K brzdění vozidel se používají dva typy třecích brzd:

bubnové a kotoučové. Některé nákladní automobily jsou vybaveny tzv.

převodovou brzdou, která je umístěna v převodovém ústrojí a slouží pro parkovací brzdění. Pásové brzdy se používají často v automatických převodovkách nebo u pásových vozidel k brzdění pásů při zatáčení.

3.2.1 Bubnové brzdy

Schematické znázornění bubnové brzdy je na Obr. 7. Otáčející se částí je buben, jehož vnitřní válcový povrch tvoří třecí plochu. Při brzdění jsou na tuto plochu přitlačovány brzdové čelisti s třecím obložením, které jsou umístěny ve vnitřním prostoru bubnu. Radiální přitlačení čelistí na třecí plochu zabezpečuje tzv. ovládací zařízení, které působí na jednom konci každé čelisti. Podle způsobu uložení druhého konce rozeznáváme čelisti na:

• otočné, které jsou otočně uloženy na čepu, mají tedy pevný otočný bod a 1° volnosti pohybu;

• volné, které jsou opřeny o opěrnou plochu (kolmou nebo šikmou) a nazývají se plovoucí čelisti; nebo uložené pomocí výkyvné vzpěry na čepu a nazývají se nakotvené čelisti; nemají tedy pevný otočný bod a mají 2°

volnosti pohybu.

Obr. 7 – schéma bubnové brzdy [7]

3.2.1.1 Druhy bubnových brzd

Podle způsobu uložení a ovládání čelistí rozeznáváme tři základní typy bubnových brzd:

• jednoduchá brzda (simplex) – má jednu náběžnou a jednu úběžnou čelist; k přitlačování obou čelistí slouží jedno společné ovládací zařízení;

• dvojnáběžná brzda (duplex) – má obě čelisti náběžné (při jízdě dopředu); k přitlačování každé čelisti slouží samostatné ovládací zařízení;

• brzda se spřaženými čelistmi (servo) – reakce primární (náběžné) čelisti se přenáší rozpěrným čepem na sekundární čelist, čímž na ní vznikne přítlačná síla větší než ovládací síla, a tato čelist pracuje také jako náběžná s větším účinkem v porovnání s primární čelistí; k přitlačování obou čelistí slouží jedno společné ovládací zařízení.

Protože brzdný moment dvojnáběžné brzdy při jízdě dozadu je asi třikrát menší v porovnání s jízdou dopředu, používá se někdy dvojnáběžná brzda obousměrná (duoduplex). Ze stejných důvodů se někdy používá také obousměrná brzda se spřaženými čelistmi (duo-servo).

Obr. 8 – druhy bubnových brzd [7]

3.2.1.2 Určení třecího momentu bubnové brzdy

Třecí moment bubnové brzdy lze zjednodušeně určit podle Obr. 9.

Zjednodušení spočívá v tom, že výsledná normálová síla mezi čelistí a bubnem je uvažována uprostřed čelisti a výsledná síla působí kolmo k ní na poloměru bubnu rB.

Obr. 9 – schéma pro zjednodušený výpočet brzdného momentu jednoduché bubnové brzdy (simplex) s náběžnou a úběžnou čelistí [1]

Z Obr. 9 plyne:

1 0

1⋅ − ⋅ =

+

⋅h T r N a

K _B (1)

2 0

2⋅ − ⋅ =

+

⋅h T r N a

K _B (2)

Pro obvodové třecí síly platí Ti = Ni ⋅

µ

(i = 1, 2), kde µ je součinitel tření mezi čelistí a bubnem. Dosadíme-li do rovnice (1) a (2) Ni =Ti µ (i = 1, 2), pak obvodové třecí síly jsou:

r K a

T h

B

⋅ ⋅

−

= ⋅ µ µ

1 , K

r a T h

B

⋅ ⋅ +

= ⋅ µ µ

2 .

Brzdný moment je tedy

( )

^K

r a r

h a r

T T M

B B

B

B ⋅

















+ +

−

⋅

⋅

=

⋅ +

= 1 2 µ ¹ µ ¹ µ . (3)

Rovnici (3) můžeme psát ve tvaru

K r c

M_B = ^*⋅ _B ⋅ , (4)

kde c^* je tzv. vnitřní převod brzdy

2 2

2

*

1 2 1

µ µ µ

µ

 −









⋅ ⋅

=

















+ +

−

⋅ ⋅

=

=

∑

B B

B B

B i

r a

r h a

r a r

r a h K

c T , (5)

jestliže a rB =

µ

, pak c^* →∞ a brzda je samosvorná.

3.2.2 Kotoučové brzdy

Kotoučové brzdy se v současnosti nejčastěji používají jako přední, nebo přední a zadní brzdy osobních automobilů (Obr. 10). Za jejich největší přednost se považuje stálost brzdného účinku, který je dosažen lepším odvodem tepla z kotouče.

Obr. 10 – kotoučová brzda [1]

Konstrukční provedení kotoučové brzdy se liší v realizaci jejího třmenu (Obr. 11). Z tohoto pohledu rozlišujeme kotoučové brzdy:

• S pevným třmenem

• S plovoucím třmenem

Výsledkem řešení s plovoucím třmenem je úspora místa a menší zális vlastního kotouče. U kotoučové brzdy s pevným třmenem jsou hydraulické válce uspořádány proti sobě po obou stranách kotouče a těleso třmene je nepohyblivé, počet válců bývá 2 (stejného průměru se společnou osou), 4 (stejného průměru, každá dvojice má společnou osu), nebo 3 (jeden válec většího průměru na jedné straně a dva válce menšího průměru na druhé straně, přičemž součet ploch pístu na každé straně kotouče je stejný).

Obr. 11 – kotoučová brzda s pevným a plovoucím (volným) třmenem [7]

3.2.2.1 Určení třecího momentu kotoučové brzdy

Schematické znázornění kotoučové brzdy je na Obr. 10. Otáčející se částí je v tomto případě kotouč, jehož boky tvoří třecí plochy. Při brzdění jsou pomocí ovládacího zařízení přitlačovány tyto třecí plochy desky s třecím obložením.

Z Obr. 10 tedy plyne třecí moment

(

^{T T}

)

^r

M_B = 1 + 2 ⋅ ,

kde r je střední poloměr třecího obložení (poloměr těžiště plochy obložení).

Ovládací síla K je v tomto případě stejně velká jako přítlačná síla obložení N. Třecí síly T1 a T2 jsou stejně velké; T_i = N⋅

µ

, tzn.

r N M_B =²⋅

µ

⋅ ⋅

Pro vnitřní převod kotoučové brzdy plyne

µ

⋅

=

=

∑

* 2 K

c Tⁱ

Závislost ^c* = ^f

( ) µ

je pro kotoučovou brzdu lineární, tzn. Třecí citlivost konst

d

dc^*

µ

= . Z tohoto důvodu má kotoučová brzda velmi dobrou stabilitu brzdného účinku, neboť má malou citlivost na změnu součinitele tření.

4 Nová řešení brzdových ústrojí

V běžném automobilu se při brzdění kinetická energie automobilu přemění na teplo a zmizí. Tyto energetické ztráty se zčásti dají znovu využít pomocí tzv.

rekuperace energie. Pokud mluvíme o rekuperaci, máme na mysli proces přeměny kinetické energie dopravního prostředku zpět na energii elektrickou při elektrodynamickém brzdění. Tato energie se může ukládat buď do akumulátorů, kterými je dopravní prostředek vybaven, nebo se vrací do napájecí soustavy.

Rekuperace se využívá zejména u kolejových vozidel, ale pomalu proniká také mezi silniční dopravní prostředky. Můžeme ji tedy nalézt mezi elektromobily a automobily s hybridním pohonem. Výhodou rekuperace je úspora energie a snížení ztrát. Největší rozdíl lze rozeznat při provozovaní vozidla v městské a příměstské dopravě. Problémem je nutnost získanou energii uložit nebo okamžitě zpracovat jinde. Nejjednodušší je energii uložit do akumulátorů a následně ji využít např. k opětovnému rozjezdu.

4.1 Typy hybridních pohonů

V současné době jsou k dostání tři typy hybridních pohonů, které se liší jak stavebními komponenty, tak vazbami mezi nimi. Elektromotor má u všech tří typů přímou vazbu na kola. Pokud je u tohoto elektromotoru možnost přepnutí na režim generátoru (u většiny systémů), dochází k rekuperačnímu brzdění, ovšem s nestejnou účinností.

4.1.1 Sériový hybridní pohon

Jak je patrné z názvu, energie v tomto systému proudí jednou cestou.

Spalovací motor pohání generátor a elektromotor využívá vytvořenou elektrickou energii k pohonu kol. Sériový pohon může využívat spalovací motor s nízkým výkonem a přitom účinně dodává elektrickou energii elektromotoru a dobíjí akumulátor. Používá se např. u hybridních autobusů.

Obr. 12 – schéma sériového hybridního pohonu [8]

4.1.2 Paralelní hybridní pohon

V paralelním hybridním systému pohání kola zároveň elektromotor i spalovací motor. Poměr energií přicházejících z obou agregátů je upravován podle potřeby prostředí, ve kterém se automobil nachází. Nevýhodou tohoto pohonu je, že nemůže pohánět kola a dobíjet akumulátor zároveň. Tímto pohonem je vybaven např. automobil Ford Escape Hybrid.

Obr. 13 – schéma paralelního hybridního pohonu [8]

4.1.3 Sérioparalelní hybridní pohon

Tento systém integruje sériový a paralelní systém. Je to zatím nejvyspělejší běžně používaný systém hybridního pohonu, protože obsahuje to nejlepší z obou předchozích. Systém může v jedné chvíli pohánět kola z elektromotoru a zároveň generátorem dobíjet akumulátor. Nachází se zde planetová převodovka, která propojuje elektromotor, spalovací motor a generátor. Přičemž elektromotor je spojen s korunovým kolem, kliková hřídel s unašečem satelitů a generátor s centrálním kolem planetového soukolí. Toto provedení můžeme najít u modelů firmy Toyota. Sérioparalelním pohonem se budeme dále zabývat, protože bude fungovat jako porovnávací člen s konvenčním systémem brzdění.

Obr. 14 – schéma sérioparalelního hybridního pohonu [8]

4.2 Toyota Hybrid Synergy Drive

^®

Pro pochopení rekuperačního brzdění je třeba si ukazát celý systém hybridního pohonu a to jak jeho jednotlivé součásti, tak také režimy jízdy.

Popisován je sérioparalelní hybridní pohon značky Toyota, která má s hybridními pohony u silničních vozidel nejdelší zkušenost.

4.2.1 Základní princip

Rekuperační brzdový systém při zpomalování či brzdění samočinně pomocí elektromotoru vytváří elektřinu, kterou dobíjí akumulátor. V důsledku výroby elektřiny navíc elektromotor (jenž je v tomto okamžiku generátorem) působí jako velmi účinná brzda.

Poháněná kola jsou s elektromotorem mechanicky spojena. Jakmile rotující kola roztáčejí rotor elektromotoru, který v tomto okamžiku funguje jako

generátor, dochází k jejich zpomalování. Tato brzdná funkce je také ovládána hybridním systémem pohonu, který určuje množství regenerované energie.

Regenerativní systém však není v automobilu primárně určen k tomu, aby pomáhal brzdové soustavě. Prvořadá je regenerace kinetické energie, až potom přichází na řadu brzdná funkce, která však klasické brzdové soustavě usnadňuje práci. V běžném automobilu se kinetická energie ztratí ve formě tepla, díky regeneraci se však její značnou část podaří v podobě elektrické energie opět využít.

4.2.2 Součásti hybridního systému

Obr. 15 – průřezový pohled hybridního pohonu [8]

• Zážehový motor

Motor disponuje Atkinsonovým cyklem, jenž zajišťuje velmi vysokou účinnost.

• Elektromotor

Jedná se o střídavý synchronní elektromotor. Permanentní magnety jsou v něm nainstalovány v optimální konfiguraci ve tvaru „V“, což zajišťuje velmi vysoký točivý moment a také celkový výkon. Točivý moment má hodnotu 400 Nm a výkon motoru je 50 kW. Elektromotor je připojen na korunové kolo planetové převodovky a má přímou vazbu na hnací nápravu.

• Vysokonapěťový zdroj elektřiny

Je soubor 168 článků Ni-MH baterií. Články jsou uloženy po 6 kusech v 28 modulech. Každý článek má napětí 1,2 V, takže zdroj má celkové napětí 201,6 V stejnosměrného proudu. Tento zdroj se nachází za zadními sedadly. Pokud není automobil delší dobu v provozu, akumulátor se pomalu vybíjí. Pokud jej zanecháme plně nabitý, vydrží až 60 dnů.

• Generátor

Stejně jako elektromotor, je i generátor střídavého synchronního typu.

Generátor je schopen při tvorbě energie dosahovat až 10 000 otáček za minutu.

Tyto otáčky jsou vzhledem ke konvenčním motorům nadprůměrné a vyžadují zesílení rotoru tak, aby vydržel větší odstředivé síly. Generátor je připojen na centrální kolo planetové převodovky. Slouží jako startér a záloha pro spalovací motor, dodává energii elektromotoru a kontroluje funkci převodovky.

• Vysokonapěťová řídící jednotka

Toto zařízení obsahuje invertor stejnosměrného proudu akumulátoru na střídavý proud pro elektromotor, stejně jako invertor napětí stejnosměrného proudu na 12 V.

• Další akumulátory

V systému jsou obsaženy ještě dva 12 V akumulátory, přičemž jeden slouží jako pomocný a druhý jako záloha pro rekuperační brzdění. Druhý zmiňovaný se nepoužívá k žádnému jinému účelu.

• Elektronický brzdový systém (ECB)

Ve většině automobilů stisk brzdového pedálu aktivuje brzdový posilovač, který natlakuje brzdový systém a zastaví vozidlo. U vozidel s ECB řidič stiskem brzdového pedálu aktivuje elektrické a elektronické systémy, které automobil zastaví. Tento systém má oproti konvenčnímu hydraulickému řešení celou řadu výhod. Má nejen rychlejší reakce, ale také díky elektronickému přenosu nabízí rychlejší komunikaci mezi ostatními elektronickými systémy vozu. Elektronický brzdový systém usnadňuje funkci dalším systémům podvozku v distribuci rozdílné brzdné síly k různým kolům. ECB je také přínosem pro zvýšení účinnosti rekuperačního brzdění. Systém je nastaven tak, aby vždy zregeneroval minimálně 68,36 % energie na hnací nápravě. Tzn. Brzdný výkon se transformuje na tepelný maximálně z 31,64 %.

4.3 Kinetic energy recovery system (KERS)

Od roku 2009 mohou stáje Formule 1 využívat ve svých monopostech tzv.

systém KERS. Konstrukce nebyla předepsaná, a proto se můžeme setkat s různými typy provedení, ale základní myšlenka je stejná jako u již zmíněných systémů rekuperace. Každý monopost může uchovat na jedno kolo energii o hodnotě 400kJ, což je 60 kW výkonu navíc po dobu 6,7 vteřin. Tato energie se poté uchovává v akumulátorech, vysokokapacitních kondenzátorech nebo setrvačnících. Nejčastěji se ale používá skladování v akumulátorech (ve formě elektrické energie) a v setrvačnících (ve formě mechanické energie). Celý systém pomocí skladování energie v akumulátorech je prakticky totožný s tím, který se používá v klasických hybridních automobilech. Rozdíl nastává u použití setrvačníku. [11]

• KERS s použitím setrvačníku

Setrvačník je v tomto případě samotným zásobníkem mechanické energie, která se přímo použije k urychlení vozidla. Přes převodovku s plynule proměnným převodem (CVT) je setrvačník napojen na hnací hřídel. Jakmile vůz začne brzdit, setrvačník se začne roztáčet. V ideálním případě se setrvačník otáčí rychlostí 60 000 otáček za minutu. Při potřebě využití energie z takového systému pak převodovka opět sepne a roztočený setrvačník začne pohánět hnací hřídel.

• Kombinovaný KERS

Kvůli vysoké hmotnosti převodového ústrojí pro setrvačník existuje i kombinovaný systém, kdy je automobil obdařen elektromotorem, jenž roztáčí setrvačník místo mechanického převodu.

Nevýhody tohoto systému jsou vysoká hmotnost (28 – 50 kg), obtížné prostorové umístění, nízká spolehlivost a cena. Do sériové výroby by se KERS měl dostat přibližně za dva roky.

Obr. 17 – KERS se setrvačníkem a variátorem od firem Torotrak a Xtrac [6]

5 Zhodnocení a doporučení

Ve zhodnocení jsem se zabýval namáháním brzdového kotouče pomocí metody konečných prvků. Z výsledků jsem následně usoudil, jak se zvýší trvanlivost brzdových kotoučů a destiček, a vypočítal jsem celkové finanční náklady na údržbu brzdových systémů po ujetí 300 000 km. Je třeba dodat, že tento experiment je pouze informativní a přináší jen hrubý náhled na problematiku, jde totiž o velice komplikovaný systém, který je třeba, pro získání přesných výsledků, zkoumat podrobněji.

5.1 Namáhání brzdového kotouče

Tuto analýzu jsem prováděl v programu ANSYS, který funguje jako výpočetní program pro metodu konečných prvků.

5.1.1 Popis součásti

Součástí je rotující kotouč, jehož boky tvoří třecí plochy. Při brzdění jsou pomocí ovládacího zařízení přitlačovány na tyto třecí plochy destičky s třecím obložením. Zvolil jsem klasický kotouč hrncovitého tvaru bez odvětrávání.

Obr. 18 – schéma s rozměry brzdového kotouče

5.1.2 Zjednodušení úlohy

Zjednodušení úlohy spočívá v několika krocích. Nejdříve byla zjednodušena geometrie celého kotouče tak, že zde chybí všechny rozměry menší než 1,5 mm.

Dále uvažujeme s konstantním tlakem brzdových destiček na třecí plochy kotouče. Ve skutečnosti se tlak na celé ploše mění, protože destičky pokrývají pouze částečnou oblast (mezikružní výseč plochy). Ve své úloze počítám s brzděním při rychlostech 20 – 200 km.h^-1, takže vzhledem k výsledné frekvenci rotace nejde o markantní zjednodušení. Zásadní zjednodušení této úlohy je převod z časově neustáleného tepelného pole na pole stacionární, kdy vlastně vypočítáme konečný stav tepelného namáhání. Následuje demonstrativní výpočet pro brzdění z rychlosti 100 km.h^-1.

5.1.3 Vstupní data

• Materiál kotouče

Šedá litina

Modul pružnosti v tahu 1,1.10¹¹ Pa

Poissonovo číslo 0,28

Hustota 7200 kg.m^-3

Termální konduktivita 52 W.m^-1.K^-1 Specifická tepelná kapacita 447 J.kg^-1.K^-1

• Přítlačná síla

Přítlačnou sílu na třecí plochy vypočítáme z přítlačného tlaku. Tlak na kotouče přední nápravy činí 3600 kPa, to znamená 900 kPa na každou stranu jednoho kotouče. Plocha, na kterou působí, je 27861 mm². Přítlačná síla na jednu stranu je tedy:

=

⋅

=

⋅

= 0,9 27861

1 p S

F 25 075 N

2

1 F

F =

• Setrvačná síla

Setrvačná síla kotouče je druhou složkou výsledného vektoru síly, působící na třecí plochu. Hmotnost kotouče je 2,7546 kg, rychlost je 100 km.h^-1 a poloměr disku je 119 mm. Odstředivá síla se tedy vypočítá:

⋅ =

⋅ =

= 0,119

777 , 27 7546 ,

2 ²

2

r v

F_O m 17 860 N

Abychom mohli odstředivou sílu přidat k silám přítlačným na každou stranu zvlášť, rozdělíme ji napůl.

=

=

=

= F₀ 17860

F

F 8 930 N

Obr. 19.: Schéma se vstupními hodnotami. Pevná podpora (A), která je v místech sevření kotouče, (B) a (C) jsou výsledné vektory sil působících na kotouč.

• Tepelné pole

V tomto případě nastává jev, při kterém nehybné destičky přiléhají na těleso s konstantní rychlostí (kotouč). Následkem tohoto jevu vzniká tření na kruhové kontaktní ploše, které generuje teplo. Tepelný tok, jenž se tvoří na jednotlivých výčnělcích, se vypočítá:

( )

^{r f V p}

( )

^r

Q =

γ

⋅ ⋅ ⋅

Zde vidíme, že tlak i výsledné teplo se mění s poloměrem. V naší úloze to zanedbáme a budeme počítat se středním průměrem. Abychom mohli vypočítat

tepelný tok, potřebujeme znát měrnou tepelnou vodivost k. Všechny hodnoty pro výpočet tepelné vodivosti známe z materiálového listu pro šedou litinu.

⋅ =

⋅ =

= 7200 447 52 k c

ρ

λ

1,6157.10^-5 W.m^-1.K^-1

kde

λ je součinitel tepelné vodivosti ρ je hustota šedé litiny

c je specifická tepelná kapacita

Dále vypočítáme Pecletův parametr za účelem stanovení koeficientu tepelného rozdělení γ.

⋅ =

⋅

= ⋅

⋅

= ⋅ ₋₅

10 6157 , 1 2

777 , 27 119 , 0 2 k

V

Pe a 102 292

kde

a je charakteristická velikost namáhaného kruhového pole V je rychlost

Čím větší je Pecletův parametr, tím nižší je koeficient γ. Při velmi vysoké hodnotě se γ blíží nule. Podle závislosti volím koeficient 0,000563.[10]

Obr. 20.: graf závislosti koeficientu tepelného rozdělení na Pecletově parametru

Koeficient tření se mění s povrchovou teplotou, ale nijak výrazně. Zvolil jsem destičky z keramického kompozitu se součinitelem tření f = 0,5. Dále potřebujeme spočítat tlak v určitém kontaktním místě, k čemuž poslouží vzorec pro Hertzův tlak na elementární plochu:

⋅ =

=1,5⋅ ₂ a P_O p

π ^{30,35 MPa}

a dále výsledný tlak pro průměr r = 0,095785 m

( )

^{r =P a2 −r2 =}

p _O 2,14 MPa

Nyní můžeme stanovit výsledný tepelný tok:

(

0,095785

)

=0,000563⋅0,5⋅27,777⋅2140000=

Q 16 726 W.m^-2

Tento střední tepelný tok vložíme do programu ANSYS a budeme ho brát jako konstantní.

0,00052 0,00054 0,00056 0,00058 0,0006 0,00062 0,00064 0,00066

20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 Pe [-]

γ [-]

Obr. 21.: Schéma se vstupními tepelnými hodnotami. Teplota okolí (A) je 22ºC, (B) je výsledný teplotní tok (na obou třecích stěnách).

5.1.4 Demonstrační analýza

Tato analýza je rozdělena na tři hlavní části. Nejprve zatížíme těleso pouhými silami, abychom zjistili předběžné velikosti deformací (např. pro zpětnou kontrolu). Dále provedeme jenom teplotní zatížení a výsledky této části použijeme pro finální analýzu, která těleso zatěžuje silami, ale také počítá s výsledky tepelné analýzy. Výstupem z této analýzy jsou celková deformace, ekvivalentní napětí a tepelné zatížení. Model obsahuje 9354 uzlů a je rozdělen na 4403 částí. Je zde použit kartézský a válcový souřadný systém. Se stejným modelem provádím analýzy pro brzdění z rychlostí 20 – 200 km.h^-1 po kroku 20 km.h^-1. Následně vykonám stejný postup pro rekuperační brzdění.

Obr. 22.: 3D zobrazení tepelného zatížení. Vlevo je legenda s rozsahem teplot a příslušnými barvami.

• Výsledek 1. analýzy (jen zatížení silami bez tepelného pole)

Celková deformace [mm] Ekvivalentní napětí [MPa]

Minimum 0 3,598.10^-6

Maximum 0,024779 23,818

• Výsledek 2. analýzy (jen tepelné zatížení)

Teplota [°C]

Minimum 21,987

Maximum 356,41

Obr. 23.: 3D zobrazení celkové deformace

• Výsledek 3. analýzy (sdružené zatížení)

Celková deformace [mm] Ekvivalentní napětí [MPa]

Minimum 0 3,1567.10^-3

Maximum 0,6045 229,26