تحقیق مقاله ترمز اتومبیل ها

مقدمه :

مروری بر سیر تکامل ترمز اتومبیل ها از ابتدا تا امروز

امروزه استفاده از ترمز های ضد بلوکه ABS  به صورت استاندارد در اکثر اتومبیلها دیده می شود و کمپانی بوش از ابتدای سال 1987 تاکنون بیش از ده ملیون دستگاه ترمز ضد بلوکه ABS تولید و روانه بازار کرده است برای آگاهی از سیر تکامل ترمز اتومبیلها ، تاریخچه ساخت و چگونگی بهینه سازی و پیشرفت آنها را با هم مرور می کنیم در گذشته برای بیشتر رانندگان ، راندن و بحرکت درآوردن و یا ادامه حرکت اتومبیلها جالبتر از ترمز کردن به نظر می رسید و شاید کمتر کسی به ترمز اتومبیل و نقش حیاتی آن توجه نشان می داد .

با ورق زدن برگهای تاریخ صنعت اتومبیل سازی و توقف در سال 1885 به زمانی می رسیم که کارل بنز برای نخستین بار از لنتهای ترمز چوبی و دیسکها یا صفحه های تسمه ای برای متوقف کردن اتومبیل های ساخت خود ، استفاده کرد کارل بنز این ایده را دقیقا ً از روی قطارها یا لوکوموتیوهای آن زمان کپی کرده بود بتدریج راه حلهای دیگری برای توقف اتومبیل توسط مبتکرین در این زمینه بکار بسته شد مثلا ً ترمزهای دایملر که شامل یک کابل فولادی بود و به دور یک صفحه فلزی در قسمت درونی چرخ پیچیده شده بود و در زمانی که این کابل کشیده می شد پس از مدتی وسیله نقلیه را مجبور به توقف می کرد ولی یکی از بزرگترین معایب اینگونه ترمزها این بود که در زمانی که راننده اتومبیل خود را در سر بالایی متوقف می کرد درست پس از توقف ، از فشار این کابل کاسته و خودرو به طرف عقب کشیده می شد بعدها راه حلی برای این مشکل پیدا شد و آن راه حل این بود که به وسیله یک اهرم بلند نیزه مانند که با بازوهای کششی در قسمت پشت اتومبیل در ارتباط بود درست در لحظه پس زدن خودرو این اهرم نیزه مانند به درون زمین فرو می رفت و اتومبیل را در سر بالایی متوقف می کرد .

بکارگیری سیستمهای انتقال قدرت ترمز به شیوه هیدرولیکی در گذشته تنها در دوچرخه ها کاربرد داشت و در سال 1897 دو نفر بنامهای Bayley  و Brigg نخستین سیستم هیدرولیکی را برای وسائط نقلیه چهار چرخ ساخته و مورد بهره برداری قرار دادند در این سیستم فعالیت ترمزها با استفاده از نیروی فنر و عقب نشینی آنها بطریق هیدرولیک انجام می گرفت در سال 1897 آقای Herbert frood فعالیتهای خود را بیشتر بر روی مواد تشکیل دهنده آن چیزی که ما امروز آنرا لنتهای ترمز می نامیم قرار داد .

وی در سال 1902 موفق به گشایش شرکتی به نام Frodo  گردید و در سال 1908 نخستین نمونه از لنت ترمزهای خود را که از ماده ای مقاوم به نام آزبست ساخته شده بود آماده فروش به خریداران نمود اینگونه لنتها تا سال 1921 مورد بهینه سازی قرار گرفتند و در این سال با استفاده از فن آوری ریخته گری از قیمتی ارزانتر از گذشته برخوردار گردیدند شاید ساخت لنتهای ترمز از Asbest که ماده ای مقاوم در برابر گرما است یک تحول اساسی در ساخت لنتهای ترمز باشد چرا که تا پیش از این زمان تنها از فلز در مقابل فلز ( دیسک و لنت ) استفاده می شد و شرکت بوگاتی نیز استفاده از فلز در برابر فلز را تا اواسط قرن بیستم همچنان مورد استفاده قرار می داد .

تاریخ تولید ترمزهای دیسکی به سال 1896 باز می گردد در این سال شرکت union electicitats gesellscaft  با ساخت دیسکهای الکترومغناطیسی مجهز به یک صفحه فرسایشی نخستین گام را در این جهت برداشت طرز کار این سیستم بدین ترتیب بود که لنتهای ترمز با نیروی الکترومغناطیسی بطرف صفحه یا دیسک گردان فشرده و فشار لازم را برای توقف اتومبیل به دیسک ترمز وارد می آورند در سال 1901 آقای می باخ موفق به ساخت نوعی ترمز کاسه ای مجهز به لنتهای داخلی گردید این ترمزها در سال 1903 بر روی مرسدسهایی که دارای 40 اسب بخار نیز بودند مصرف گردید در همین سال کمپانی مرسدس نصب ترمز بر روی چرخهای جلو را نیز به عنوان وسایل اضافی و سفارشی به خریداران خود پیشنهاد می کرد .

ولی هیچگاه از این وسیله سفارشی استقبال در خور توجهی نشد چرا که رانندگان آن زمان ترمز برای محور جلو خودرو را خطرناک می دانستند .

ترمز اتومبیل ها برای هر چه کامل تر شدن راه دور و درازی را در پیش داشتند و فکر ساختن ترمزهای هیدرولیکی و با فشار روغن نیز عده ای را به خود مشغول داشت در سال 1908 آقای E.W.Weight  ترمزی را طراحی و ساخته بود که تقریبا ً چیزی بود شبیه ترمزهای امروزی یعنی استفاده از نیروی فشار روغن و هیدرولیک و بکارگیری سیلندر و پیستون برای ترمزها

بدون شک ساخت ترمز های هیدرولیکی گام مؤثری در زمینه بهینه سازی ترمزها محسوب می شد ولی این ترمزها نیز همچنان نقص داشته و افرادی نیز در فکر ساخت ترمزهای بهتر و یا سیستمهای کامل کننده و تقویت کننده ترمزهای هیدرولیکی بودند .

در سال 1919 آقای PARRY THOMAS  نقشه و امکان ساخت بوستر ترمزها را مورد بررسی قرار داده بود این بوسترها در سال 1923 متولد شده و به واقعیت پیوستند ولی هنوز می باید زمان درازی بگذرد تا این سیستم های تقویت کننده عادی و بصورت استاندارد در آیند .

در سال 1940 شرکت گیرلینگ برای خودروهای نظامی ترمزهای دیسکی طراحی و تولید نمود این ترمزها شباهت زیادی با صفحه کلاچ های امروزی داشته یعنی دارای دو پوشش سایشی در دو طرف دیسک بودند .

سیستم ترمزهای هیدرولیکی همانگونه که می دانیم یکی از بهترین و مطمئن ترین ها است ولی اغلب این سیستم به صورت نخستین خود ( تک کاناله ) دارای عیب بزرگی بود بدین ترتیب که اگر هر گاه بدلیلی شکستگی جزئی در یکی از لوله های ترمز بوجود می آمد در اثر نشت مایع و یا ترمز و یا وارد شدن هوا در سیستم کلی ، تمام سیستم ترمز از حالت فعالیت خود بیرون آمده و خطر آفرین می شد.

برای از میان برداشتن این عیب ، خودروسازان و یا شرکتهای تولید کننده سیستمهای ترمز مجبور به تقسیم کردن نیروی ترمز در دو مدار یا کانال جداگانه بودند بدین ترتیب که نیروی ترمز ( از طریق فشار هیدرولیک ) به دو بخش یکی برای چرخهای جلو و دیگری برای چرخهای عقب تقسیم شدند .

پیشرفت و بهینه سازی سیستم ترمز اتومبیل ها با سرعتی نه چندان سریع صورت گرفته است و خوشبختانه امروزه ترمزهای سه و چهار کاناله ضد بلوکه ABS  در بیشتر اتومبیلها بصورت استاندارد وجود ندارد حال ما در این پروژه قصد داریم به بررسی قسمتهای مختلف ترمز ABS و معمولی بپردازیم و سپس در پایان این دو سیستم ترمز را با یکدیگر مقایسه کنیم .

فصل اول :

تجزیه سیستم های ترمز  هیدرولیکی

ترمزهای هیدرولیکی بدون تقویت کننده :

تنها نیرویی که در ترمزهای بدون تقویت کننده برای فشار دادن کفشک روی ترمز مورد استفاده قرار می گیرد نیروی پای راننده روی پدال ترمز است هیچ منبع انرژی دیگری مورد استفاده قرار نمی گیرد اینگونه ترمزها معمولا ً برای ماشینهای سبک تر و کوچکتر مورد استفاده قرار می گیرد نیرویی که بر پدال وارد می شود موجب جابجایی پدال می شود که در نتیجه آن میل انگشتی روی سیلندر اصلی فشار وارد می کند این اتصال پدال به این خاطر تعبیه شده است تا با ایجاد نیروی مکانیکی بین پدال و سینلدر اصلی ، پیستون سیلندر اصلی حرکت کند مساحت سطح مقطع سیلندر ترمز چرخ بیشتر از مساحت سطح مقطع سیلندر اصلی می باشد از آنجایی که میزان حرکت پیستون سیلندر اصلی با توجه به میزان حرکت پدال تعیین می شود پس رابطه بین سیلندر اصلی و سیلندر ترمز چرخ نیز محدود می شود به منظور حفظ نیروی پای راننده روی پدال کمتر از حد ماکزیمم که حدودا ً N445 (lb100) می باشد تقویت کننده ترمز که به صورت خلاء یا پمپهای فشار هستند تعبیه شده اند .

(PI) خط فشار ترمز هیدرولیک که توسط فشار پای راننده روی پدال () تولید می شود را می توان به شکل زیر محاسبه کرد :

          (شکل در فایل اصلی موجود است)                                                   (1-1)

که در این فرمول داریم :

Amc = مساحت سطح مقطع سیلندر اصلی ،

  = نیروی پای راننده روی پدال و (lb)N

 = نسبت بازوی پدال

 = بازده بازوی پدال

میزان معمول بازده بازوی پدال 8/0 می باشد که شامل بازده سیلندرهای اصلی به فنر بازگرداننده می باشد .

نیروی ترمز () را برای هر اکسل با توجه به عوامل ترمز بصورت زیر محاسبه می کنیم .

       (شکل در فایل اصلی موجود است)                    (1-2)

که خواهیم داشت :

= مساحت سینلدر ترمز چرخ

BF = عوامل ترمزی

= فشار بر روی پدال که برای متصل کردن کفشکهای ترمز به ترمز کفشکی یا ترمز دیسکی نیاز است

R = شعاع لاستیکها ( چرخ ماشین ) (in)mm

r = شعاع  مؤثر ترمز دیسکی یا کفشکی  (in)mm

 = بازده سیلندر ترمز چرخ

نیروی فشار جلویی که برای ترمزهای دیسکی در یک شرایط خوب مکانیکی استعمال می شود کمتر از 5/3 الی 5/7  برابر با (sto 10 psi) می باشد و حتی در برخی مواقع ممکن است اصلا ً به حساب نیاید فک ترمز شناور ترمزهای دیسکی که سطح کشویی آنها زنگ زده اند ممکن است نیروی فشار به جلوی بیشتری نیاز داشته باشند نیروی فشار به جلو در ترمزهای کفشکی با توجه به نیروی فنرهای بازگرداننده کفشکهای ترمز و با مساحت سیلندر ترمز چرخ محاسبه می شود که ممکن است تا حدود 70 الی   172 که برابر است با (psi250 الی 100 ) بشود بازده سیلندر ترمز چرخ تقریبا ً 96/0 در ترمزهای کفشکی و 98/0 در ترمزهای دیسکی می باشد .

کاهش سرعت در چرخهای باز از جمع برآیند نیروی ترمز تمام اکسلها محاسبه می شود و یا

      (شکل در فایل اصلی موجود است)          (1-3)

R و F که در ترمز دیده می شود مبین این امر است که پارامترهای ترمزهای چرخها که عبارتند از :  و BF و r باید برای ترمز چرخهای جلویی (F) و عقبی (R) محاسبه شوند اگر برای ترمز گرفتن بیش از دو اکسل مورد استقاده قرار بگیرند آنگاه پارامترهای جدیدی به سمت راست معادله (1-3) اضافه می شود .

برای ماشینهایی که سوپاپ تنظیم دارند خط فشار ترمزهای عقبی و جلویی برای فشار بالای نقطه زانو یکسان نیست برای محاسبه خط فشار ترمزهای عقب و جلو می توانید از فرمول (1-11) استفاده نمایید .

تجزیه سیستم تقویت کننده

1-2-1- نگاهی کلی

سیستم های تقویت ترمز این امکان را به یک راننده معمولی ( از لحاظ هیکل) می دهد تا فقط با فشاری که روی پدال وارد می آورد پدال حرکت کند تقویت کننده ها و فاکتورهای مختلف آن باید با توجه به وسیله نقلیه موتوری باشند .

موارد زیر باید در نصب تقویت کننده های ترمزی مورد توجه قرار بگیرد .

تقویت کننده ها باید به اندازه کافی حساس باشند تا در مواقعی که فشار کمی روی پدال وارد می شوند بتوانند به خوبی اعمال ترمز را تنظیم کنند ( سطوحی که سطح مالش کمی دارند ) وقتی فشار وارده روی پدال ترمز کمتر از 13 تا 20 N( lb5 الی 3 ) باشد تقویت کننده های ترمز باید مورد استفاده قرار بگیرند .

میزان فشار وارده بر پدال و کاهش سرعت باید به نحوی باشند که شخص قادر به تخمین زدن خشکی ترمز ها باشد .

زمانی که تقویت کننده ها برای عمل کردن نیاز دارند باید کمتر از 1/0 ثانیه باشند تا در مواقعی که با حرکت (Ft/s 3) m/s1 پدال ترمز به یک ترمز فوری داریم ترمزها به موقع عمل کنند .

انتقال نیرو از تقویت کننده ها به ترمزهای بدون تقویت کننده باید به نحوی باشد که شخص قادر باشد در مواقع ضروری تا جائیکه نیاز دارند روی پدال ترمز فشار بیشتری وارد کند .

درصد اطمینان تقویت کننده باید بالا باشد تا احتمال عدم عملکرد صحیح آنها کاهش یابد عدم کارکرد تقویت کننده باعث دستپاچگی راننده خواهد شد و ممکن است شخص بر اثر سردرگمی در مواقع ضروری پایش را از روی پدال بردارد .

وقتی که بر اثر عدم عملکرد تقویت کننده ها پدالها به سختی حرکت می کنند برخی رانندگان اینگونه تصور می کنند که کل سیستم ترمز ماشین دچار نقص شده و سرعت ماشین به حدی که مورد نیاز است کاسته نخواهد شد .

1-2-2- ترمز بوستردار( ترمزهای تقویت شده با خلاء) :

ترمزهای هیدرولیکی تقویت شده با خلاء که به آنها ترمز بوستردار نیز می گویند از یک تقویت کننده خلائی به طوری که در تصویر 1-1 آمده ، استفاده می کنند تا به راننده با افزایش نیرو برای چسباندن کفشکهای ترمزی در ترمز کفشکی کمک کنند سیستم معمولی ، که به آنها mastervac  نیز می گویند دقیقا ً روی دیواره جداکننده موتور از اتاق سرنشین ، جلوی پای راننده بالا می روند این سیستم ها بین پدال پایی و سیلندر اصلی بالا می رود .

نیروی کمکی نیروی فشار به جلو را ، که پیستون سیلندر اصلی را فعال می کند افزایش می دهد با تغییر فشار در پیستون تقویت کننده و یا دیافراگم خلاء و یا فشار کم در قسمت سیلندر اصلی ایجاد می شود . ( همچنین توسط فشار بالا یا اتمسفر یک در بخش ورودی نیز ، تولید می شود .

میزان نیروی کمکی با توجه به میزان نیروی وارده روی پدال ترمز توسط دیسک واکنشی که در تصویر 1-2 نشان داده شده است تنظیم می شود قسمت مالشی دیسک واکنشی مانند مایع روغنی عمل می کند که تولید فشاری برابر روی تمام سطوحی که با آن در تماس هستند می کند نتیجه این است که میزان ورودی فشار جوی با توجه به میزان فشار به جلوی تنظیم شده روی پیستون سیلندر اصلی تنظیم می شود .

خلایی که در مجرای مکش ورودی موتورهای اشتعال جرقه ای وجود دارند عموما ً برای فعال کردن بوسترها ( تقویت کننده ) کاملا ً کافی  می باشد موتورهای دیزل به خاطر کافی نبودن خلاء مجرای مکش آنها که ناشی از عدم وجود یک گلوگاه می باشد نیاز به یک پمپ خلاء دیگر دارند پمپهای خلاء به سه شکل پرده ای ، دیافراگمی و پیستونی هستند پمپ خلاء های مدل پرده ای برای تولید خلاء مورد نیاز ، نیازمند موتور دیزل روغنی می باشند با توجه به میزان کمک دهی محدود ، معمولا ً در سیلندرهای اصلی که حداکثر حجم آنها   6/24 می باشند مورد استفاده قرار می گیرند .

شکل 1-1- سیلندر اصلی بوستر خلاء (Bendix )

1-2-2-a- تجزیه تقویت کننده خلائی مدل Mastervac :

ضریب تقویت کنندگی سیستم با توجه به ضریب نیروی فشار به جلو بر پیستون سیلندر اصلی با در نظر گرفتن فشاری که از طریق پدال بر تقویت کننده وارد می شود محاسبه می گردد .

    (شکل در فایل اصلی موجود است)           (1-4)

که در فرمول فوق   برابر است با نیروی تقویت کننده بر حسب N(lb)

تقویت کننده های خلائی میزان کارآیی سیستم ترمز را در ماشینهای سنگین حدود هشت تا نه برابر و در ماشینهای کوچکتر سه تا چهار برابر افزایش می دهند بدین معنی که مثلا ً نیروی وارد بر پدال هشت برابر می شود اگر چه این میزان تقویت کننده باعث کارآیی بالای ترمز با فشار اندکی که روی پدال وارد می آورد می شود اما در مواقعی که تقویت کننده عمل نکند معمولا ً راننده قادر به وارد آوردن فشار لازم روی پدال برای کاهش مورد نظر وسیله نقلیه نخواهد بود .]3[

خط فشار ترمز توسط معادله ای تقریبا ً مشابه معادله (1-1) محاسبه می شود فقط این محاسبه بر اساس ضریب تقویت کنندگی (B) می باشد .

ضریب تقویت کنندگی را می توان با ابعاد اولیه و پایه و نیروی فنرهایی که در mastervac  پایه مورد استفاده قرار می گیرند (تصویر 1-2 ) محاسبه نمود .

شکل 1-2- یک دیافراگم متسروک Bendix

در این محاسبه قطر خارجی دیسک واکنشی را با  و قطر پیستون واکنشی را با   نشان می دهیم در محاسباتی که در زیرانجام شده است برای یک mastervac یک دیافراگم پیستون دار با قطر mm203 می باشد قطر دیسکهای واکنشی و پیستون واکنشی mm7/30 و mm18 (in729/0 و in21/1 ) می باشد .

که قطر نیروی فشار به جلو mm38/8 و Acm83/0 (in33/0) در نظر گرفته شده بود .

نیروی تقویت کننده برای یک خلاء مؤثر  928/7 (psi5/11 ) ]80%                        از حداکثر [ و بازدهی مکانیکی 95/0 عبارت است از :

نیروی مؤثر تقویت کننده  به خاطر نیروی مقاوم فنرهای بازگرداننده پیستون دیافراگم کمتر می شود بنابراین :

که نیروی فنر بازگرداننده     فرض شده است این محاسبات نشان می دهد که بخش تقویت کننده تولید نیروی فشار به جلوی هیدرولیکی به میزان (5101b)2269N می کند .

نیروی مقاومی که در برابر این نیروی فشار به جلو ایجاد می شود بعدها محاسبه خواهد شد دیسک واکنشی لاستیکی مانند یک مایع روغنی عمل می کند فشار دیسکی واکنشی        برابراست با نیروی مؤثر تقویت کننده تقسیم بر تفاضل مساحت سطح مقطع دیسک واکنشی  و پیستون واکنشی  :

فشار کنترل  بر هر سطحی که با دیسک واکنشی درتماس باشد نیروی مقاوم وارد می کند به دلیل آنکه نیروی پیستون واکنشی به قسمتی از دیسک واکنشی داده  می شود نیروی پیستون واکنشی   که برابر است با فشار واکنشی ضرب در مساحت پیستون واکنشی  ، بنابراین ؛

نیروی پیستون واکنشی در مقابل نیروی فنرهای بازگرداننده پیستون واکنشی مقاومت می کند برای یک تقویت کنده خلاء با قطر  نیروی فنر بازگرداننده تقریبا ً        (151b)66.7N می باشد نتیجتا ً نیرویی که توسط پدال بر پیستون فشار به جلوی سیلندر اصلی وارد می شود برابر است با :

1298+66.1=1364N(290.7+15=305.71b)

مجموع نیروی وارده بر پیستون سیلندر اصلی و در نتیجه نیروی تولید شده از فشار خط ترمز برابر است با مجموع نیروی مؤثر بوستر و نیروی پیستون واکنشی یا

2277+1298=3575N(5102+290.7=800.91b)

در آخر نسبت تقویت کننده خلائی (B) توسط نسبت نیروی میله انگشتی وارده بر پیستون سیلندر اصلی تقسیم بر نیروی پیستون واکنشی محاسبه می شود .

B=575 / 1298 = 2/75

[B=800/9/290/7=2/75]

همچنین جالب است بدانید که نسبت تقویت کننده (B) با نسبت مساحت دیسک واکنشی تقسیم بر مساحت پیستون واکنشی نیز برابر است ؛

نتایج تئوریک بدست آمده را می توان برای رسم جدولی که نمایانگر عملکرد بوستر باشد مورد استفاده قرار داد در شکل (1-3) نیروی میل انگشتی وارده بر پیستون سیلندر اصلی در مقابل نیروی پدال X  نسبت بازوی پدال نشان داده شده است همانطوری که دیده می شود حداکثر نیروی کمکی تقویت کننده برابر است با 3575N (800/91b) در مواردی که برای کم کردن سرعت خودرو به فشار خط ترمز و نتیجتا ً نیروی میل انگشتی بیشتری نیاز داریم نیروی اضافی وارده بر تقویت کننده های خلائی باید از طریق نیروی پای راننده روی پدال تأمین شود همانطوری که در بخش 1-3-1 بحث شد تقویت کننده ها برای کاهش سرعت ها یا ترمزهای کمتر از 1g الی 9/0 نباید به نقطه اشباع برسند همچنین در تصور 1-3 نیروهای خروجی متفاوتی از بوستر نشان داده شده است که این تفاوتها به دلیل عملکرد مختلف در سطوح مختلف خلاء می باشد .