Συστήματα πέδησης

                       

  Ο σκοπός του συγκεκριμένου άρθρου, είναι μια γενικευμένη και απλή προσέγγιση των συστημάτων πέδησης. Μέσω σύντομων αναφορών σε ιστορικά στοιχεία σχετικά με τα συστήματα αυτά, στην κατασκευή αλλά και στον τρόπο λειτουργίας τους θα προσπαθήσω να εισαγάγω κάποιον στην βασική λογική λειτουργίας αυτών των συστημάτων. Σε επόμενα άρθρα, θα  αναφερθώ  αναλυτικά στο κάθε σύστημα ξεχωριστά.

    Το σύστημα πέδησης ανήκει στα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας του αυτοκινήτου.
Είναι ένα από τα πλέον καθοριστικά συστήματα του αυτοκινήτου για την ασφαλή κίνησή του. Από την εμφάνιση των τροχοφόρων μέχρι σήμερα, το σύστημα πέδησης έχει υποστεί σημαντικές βελτιώσεις και αλλαγές. Ο Σωστός όρος για το φρενάρισμα είναι "πέδηση", αλλά   δεν είναι αρκετά διαδεδομένος. Χρόνο πέδησης ονομάζουμε τον χρόνο από το πάτημα του φρένου μέχρι την ακινητοποίηση του οχήματος. Στην ουσία η πέδη είναι ένας μηχανισμός που μετατρέπει την κίνηση(κινητική ενέργεια) σε θερμική ενέργεια μέσω της τριβής.

Μηχανικό σύστημα πέδησης

    Τα πρώτα φρένα, που χρησιμοποιήθηκαν έως το 1950 περίπου, ήταν μηχανικά (mechanical brakes, brake cam). Χρησιμοποιούνταν μεταλλικά συρματόσχοινα για την ενεργοποίηση τους. Σήμερα, μόνο το χειρόφρενο (handbrake) λειτουργεί μηχανικά.  Το όργανο που χρησιμοποιείται  είναι το μηχανικό ταμπούρο (drum brake). Το φρενάρισμα αυτό χρησιμοποιεί σιαγόνες που διαστέλλονται στο εσωτερικό ενός τυμπάνου. Άλλωστε, η λέξη  ταμπούρο παράγεται από την αραβική λέξη tambur, δηλαδή τύμπανο. Η λειτουργιά του μηχανικού συστήματος πέδησης, χρησιμοποιεί ένα μοχλό(χειρόφρενο)για την  έλξη μιας ντίζας,  (συρματόσκοινο) όπου ενεργοποιεί στην συνέχεια τα ελατήρια τα οποία δια στέλλουν τις σιαγόνες με την σειρά τους. Έτσι πετυχαίνουμε μια σχέση πέδησης 1:1, δηλαδή όση δύναμη ασκείται στον μοχλό από ένας οδηγό, τόση δύναμη μεταφέρεται μέσω της ντίζας στις σιαγόνες των ταμπούρων. 

Μηχανικό σύστημα πέδησης

Υδραυλικό σύστημα πέδησης

    Το 1926 εμφανίζονται τα πρώτα υδραυλικά φρένα σε αυτοκίνητο στην Ευρώπη. Το πιο κοινό παράδειγμα για το υδραυλικό σύστημα πέδησης  βρίσκεται στους τροχούς των αυτοκινήτων, όπου με το πάτημα του πεντάλ ενεργοποιούμε την αντλία υγρών-φρένων (master cylinder). Το   σερβόφρενο (vacuum power booster),χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά το 1954 σε αγώνες παγκοσμίου κλίμακας από την Μερσέντες με τους οδηγούς Μος και Φάντζιο.Το συγκεκριμένο εξάρτημα είναι τοποθετημένο πριν την αντλί αυγρών- φρένων και είναι μια υποβοήθηση για την κυκλοφορία των υγρών φρένων. Με την υποπίεσης που δημιουργείται στο σύστημα πολλαπλής  εισαγωγή του αέρα κατά την εισαγωγή του στον κινητήρα (βλ. “Ανάλυση 4 χρόνων μιας μηχανής Otto”).Η σύνδεση τους επιτυγχάνεται με ένα κυλινδρικό σωλήνα, όπου μεταφέρετε η υποπίεση από την πολλαπλή εισαγωγή του αέρα στο σερβόφρενο. Με αυτόν τον τρόπο η διάταξη αυτή, μας προσφέρει μια ομαλότερη λειτουργία κατά την διάρκεια της επιβράδυνσης ενός οχήματος (μαλακό πεντάλ).Βασικό στοιχείο   αυτού του εξαρτήματος είναι οι σωληνώσεις, όπου αποτελούν τους φορείς του ρευστού (υγρά φρένων). Τα μέρη του εξαρτήματος που καθιστούν την πέδηση εφαρμόσιμη, είναι τα μέσα τριβής. Οι σιαγώνες και τα τακάκια, είναι τέτοιου είδους εξαρτήματα,όπου και ασκούν πιέσει προς το ταμπούρο ή το δίσκο φρένου αντίστοιχα.

Στα αριστερά είναι η αντλία υγρών και δεξιά το σερβοφρενο.

    Ταμπούρο: Αρχικά τα ταμπούρα ήταν πιο δημοφιλή όπως φάνηκε με το "σκαραβαίο" κατά τη διάρκεια όσο και μετά τον τερματισμό του 2ου Π.Π. Το "Κατσαριδάκι" ήταν

εξοπλισμένο με ταμπούρα σε κάθε έναν από τους τροχούς. Το υλικό κατασκευής ενός ταμπούρου είναι κατά κύριο λόγο ο χυτοσίδηρος ή και από κράμα αλουμινίου-χαλκού για εφαρμογές σε δίκυκλα οχήματα αλλά και σε επιβατικά . Αναφορικά με το υλικό των σιαγόνων, τα κράματα αλουμινίου είναι τα επικρατέστερο είδος. Παράγονται είτε με χύτευση είτε με συγκόλληση φύλλων χάλυβα. Το υλικό τριβείς  (θέρμουιτ) είναι κατασκευασμένο από θερμοπλαστική ρητίνη (παράγεται μέσω θερμικής κατεργασίας). Όταν απομακρυνθεί η σιαγόνα από το κυλινδράκι και ασκήσει πίεση στο σώμα του τυμπάνου, δημιουργείται τριβή επί της εσωτερικής επιφάνεια του τυμπάνου πέδης (ταμπούρο). Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, είναι η επιβράδυνση ή ακόμα και η ολική ακινητοποίηση ενός οχήματος.

    Δισκόφρενο: Η πρώτη εφαρμογή τους ήταν από τη Jaguar το 1952.  Είναι ένας τύπος πέδης που έχει δύο βασικά “συστατικά”. Έναν επίπεδο ρότορα (δίσκος), που είναι τοποθετημένος εντός και επί του τροχού ενός οχήματος. Άρα περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Το δεύτερο “συστατικό”, είναι ένα πάχος (δαγκάνα) που είναι ακίνητο ως προς τον ρότορα και επικαλύπτει ένα μέρος της περιφέρειάς του. Όταν το πεντάλ του φρένου είναι πατημένο, προκαλεί τη δαγκάνα να πιέσει τα τακάκια (επιφάνειες πίεσης του ρότορα)αντιδιαμετρικά αντίθετα ως προς τις δύο πλευρές του περιστρεφόμενου δίσκου, με αποτέλεσμα να επιβραδύνονται ή να σταματήσουν οι τροχοί. Το υλικό κατασκευής τέτοιων δίσκων είναι  χάλυβας υψηλής αντοχής, αλλά και από ανθρακονήματα σε κατηγορίες οχημάτων όπως F1. Το υλικό στα τακάκια(θέρμουιτ), με τη σειρά τους, είναι κατασκευασμένα από  θερμικές ρητίνες , ανθρακονήματα και κέβλαρ. Τα δύο τελευταία υλικά είναι γνωστά στον χώρο της μηχανολογίας λόγω του πολύ μικρού βάρους τους και της μεγάλης ανθεκτικότητας τους σε θερμικές και γεωμετρικές καταπονήσεις. Επίσης προτιμούνται στην μηχανοκίνηση λόγω της επίτευξης μεγάλου συντελεστή τριβής ακόμα και σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.

 Το συγκεκριμένο video είναι η λειτουργιά ενός υδραυλικού συστήματος

:http://www.youtube.com/watch?v=bMg_j5_AGMg

Συστήματα πέδησης με αέρα

Στις αρχές του 20ου αιώνα, τα πλεονεκτήματά του συγκεκριμένου συστήματος, αποδείχθηκαν κατά τη χρήση του σε σιδηροδρομικές μηχανές. Έπειτα, η χρήση τους εγκρίθηκε από κατασκευαστές βαρέων οχημάτων. Αυτό το σύστημα πέδησης χρησιμοποιεί πεπιεσμένο αέρα και αποτελείτε  από έναν ή δύο αεροσυμπιεστές, που συνδέεται με έναν αποξηραντήρα (βαλβίδα ασφάλειας έλεγχου αέρα). Το δεύτερο εξάρτημα αποξηραίνει τον αέρα, και δεν επιτρέπει την υγροποίηση του. Επόμενο στη σειρά εξάρτημα είναι ο διανομέας (κατανεμητή), όπου κατανέμει το φορτίο και στέλνει τον αέρα στα αεροφυλάκια (καζάνια) όπου και εκεί αποθηκεύετε ο αέρας.        

Σε ένα όχημα βαρέως τύπου, υπάρχουν τρία φυλάκια, δύο για το  διπλό κύκλωμα πέδησης(ένα για τους εμπρόσθιους και ένα για οπίσθιους τροχούς) και ένα για το μονό κύκλωμα πέδησης-στάθμευσης( χειρόφρενο). Τέλος υπάρχει μια βαλβίδα ρύθμισης πέδησης(ποδόπληκτρο)  όπου με την πίεση του πεντάλ επιβράδυνσης, επιτρέπει στον πεπιεσμένο αέρα να εισέλθει στους κυλίνδρους πέδησης (φυσούνες). Αναλυτικότερα, υπάρχουν φυσούνες μόνης ενέργεια, όπου βρίσκονται στο εμπρόσθιο σύστημα και συμβάλουν μόνο στην επιβράδυνση του οχήματος. Υπάρχουν επίσης και φυσούνες διπλής ενέργειας, όπου βρίσκονται στο οπίσθιο σύστημα πέδησης και έχουν ως ρόλο τους την επίτευξη δύο λειτουργιών. Η μία είναι προφανώς η επιβράδυνση του οχήματος και η άλλη είναι η ακινητοποίηση κατά την στάθμευση αυτού. Αναλόγως την εφαρμογή και τις προδιαγραφές ενός οχήματος, οι φυσούνες μπορούν να διοχετεύουν πεπιεσμένο αέρα είτε σε σύστημα πέδησης με ταμπούρα, είτε με δισκόφρενα. Σημαντικό στοιχείο που πρέπει να αναφερθεί είναι ότι πλέον, φυσούνες διπλής ενέργειας συναντιούνται και σε εμπρόσθια συστήματα. Ο “μοχλός” που χρησιμεύει στην επιβράδυνση ενός οχήματος είναι το κοινό πεντάλ ποδιού, ενώ ο μοχλός για την ακινητοποίηση κατά την στάθμευση είναι το επίσης γνωστό χειρόφρενο. 

Ηλεκτρονικά συστήματα πέδησης

    Ένα από τα ηλεκτρονικά συστάματα πέδησης είναι το ABS  (Anti-lock Brake System) δηλαδή  σύστημα “αντιμπλοκαρίσματος” των τροχών. Αναπτύχθηκε αρχικά για εφαρμογή αεροσκαφών το 1929 από τον Γάλλο Gabriel Voisin, πρωτοπόρο της αυτοκίνησης και της αεροναυπηγικής, ως κατώτατο όριο πέδησης σε αεροπλάνα. Πρωτοεμφανίστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 για αποκλειστική χρήση σε επιβατικά και αγωνιστικά οχήματα. Χαρακτηρίστηκε ως η μεγαλύτερη ανακάλυψη της αυτοκίνησης εκείνης της δεκαετίας. Ο σκοπός του συστήματος αυτού, είναι να  συμβάλει στην αποφυγή μπλοκαρίσματος των τροχών σε απότομα φρεναρίσματα (π.χ. κατάσταση πανικού) ή σε ολισθηρό οδόστρωμα κ.α. Έτσι το όχημα παραμένει σταθερό στην πορεία του και ελεγχόμενο από τον  οδηγό. Κατά την λειτουργία του, με το πάτημα του πεντάλ, ο ηλεκτρονικός ελεγκτής(control Module) δέχεται το σήμα ότι η διαδικασία  πέδησης έχει αρχίσει. Τα αισθητήρια της ταχύτητας των τροχών(Wheel Sensors) αρχίζουν να τους δίνουν συνεχώς πληροφορίες σχετικά με την περιστροφική ταχύτητα του καθενός ξεχωριστά και τυχόν μεταβολές της. Μόλις ο ηλεκτρονικός ελεγκτής πάρει το μήνυμα ότι κάποιος από τους τροχούς τείνει να κλειδωθεί (η περιστροφική του ταχύτητα δηλαδή τείνει προς το μηδέν), άμεσα στέλλει σήμα στο ρυθμιστή πίεσης(Modulator Unit) , ώστε η πίεση στον κύλινδρο του συστήματος πέδησης του συγκεκριμένου τροχού να σταθεροποιηθεί ή να μειωθεί και να αποτραπεί το κλείδωμα του.

Το συγκεκριμένο video είναι η λειτουργία ενός συστήματος ABS:

 http://www.youtube.com/watch?v=hwwXukJaTlM

 

Επιμέλεια: Αντώνης Μπερτάκης

bertakisa@windowslive.com

(Συνεχίζεται)