Önerősítő hidraulikus fék

A hagyományos fékek hátránya a fékrásegítési igény, valamint a hidraulikus vezérlőegység nagy hely- és teljesítményigénye. Otto-motoroknál a vákuumos működtetésűek domináltak, de a korszerű, feltöltős Otto- és dízelmotoroknál már a helyigényes vákuumszivattyúk beépítése szükséges. A szabályozó-rendszerek működésekor a fékpedálon jelentkező pulzálás pedig zavarja a járművezetőjét. Ezért találkozhatunk számos újabb és újabb fejlesztésekkel a fékrásegítés területén.
 

Az Aacheni Intézetben egy új elektrohidraulikus féket (SHB, Selbstverstärkende Elektro-Hydraulische Bremse) fejlesztettek ki, az ún „kritikus feletti önerősítés” elve alapján, mely elektromos vezérléssel kombinálva különösen előnyös a többtengelyes járművek számára. A koncepciót így erőgépeken és haszonjárművekben történő felhasználására adaptálták. Az önerősítő hidraulikus fék (SHB) lehetővé teszi az integrált féknyomaték szabályozását, és ezzel az egyenletes lassulást, függetlenül a súrlódási tényező értékének változásától - hidraulikus elemekkel, elektronika nélkül.

Az önerősítő fékek az előállított fékerőt használják fel működtető erejük növeléséhez. Egy alkalmas szerkezet a működtető erőt a fékbetétek szorító erejére vezeti át. Erre számos mechanikus megoldás került kifejlesztésre. A legismertebbek a dobfékek és az ékes fékek (1. ábra baloldali és középső képe). A dobféknél a fékerőn Fbrake kívül egy további nyomaték is hat a fékpofára, és erősíti a fékhatást. Másképpen fogalmazva a dobfékek felhasználják szorításhoz a jármű kinetikai/mozgási energiáját. Egy szimplex dobfék önerősítése 2,0-2,3-szoros lehet.

1. ábra: dobfék, ékes- fék és a hidraulikus önerősítés vázlata

Az 1. ábra közepén látható ékes-fék működési elve is hasonló. A súrlódási erő egy ferde éksíkon támaszkodik fel. A támasztóerővel történő egyensúly elérésére az éket a ferde pályán benyomják, melynek hatására megnövekszik a felületi nyomás. Minél laposabb az ékpálya, annál előbb hajlamos a fék a blokkolásra. Az elektromechanikus ékes-fék mégis a „brake-by-wire” fékfejlesztés nagy reménysége. Sajnos üzemi pontja az önerősítés kritikus tartományában van, ahol a működtető erők viszonylag kicsik, és a fékezési folyamat ingadozó, de ez megfelelő szabályozással kiiktatható.

Az 1. ábra jobboldali képe mutatja be a cikkünkben ismertetendő hidraulikus önerősítés elvét. A fékerő, Fbrake az oldalt elhelyezkedő tárcsára támaszkodik. Az előállított nyomás kölcsönös kapcsolatban van a fékszerkezet dugattyújára hatóval. A nyomás tovább növekszik és felépül a normálerő (Fn). A támasztószerkezet dugattyúja és a féket működtető szerkezet dugattyúja közötti átmérő különbségnek megfelelően a támasztó nyomás mindig nagyobb, mint az azt létrehozó működtető nyomás. A fékezéshez szükséges összes hidraulikus teljesítmény magából a fékezési folyamatból nyerhető ki.

A hidraulikus önerősítés

A 2. ábrán láthatjuk az önerősítő hidraulikus fék kapcsolási rajzát. A hagyományos féktárcsán és fékbetéteken kívül rendelkezik egy mindkét forgásirányba eltolható keretszerkezettel, amely a fékerőt a megtámasztó hengerbe vezetheti. Minden egyes fékszerkezethez tartozó szelepegység három visszacsapó szelepből (CV1-3) és kettő kétállású üléses-szelepből áll. Két hidraulikus vezetéke közül az egyik egy nyomásnélküli vezeték a kiegyenlítő tartályhoz, a másik a működtető szerkezethez (fékpedál) csatlakozik.

2. ábra: az SHB kapcsolási koncepciója

A fékerő felépülése. Nyitott féknél a működtető berendezéssel (fékpedál) előállított nyomás nyitja a nagynyomású szelepet, melyet majd a felépülő támasztónyomás később lezár. Megemlítendő, hogy a nagynyomású szelep ülésrésze két különböző nagyságú működő felülettel rendelkezik, melyek aránya 1:12. Egyensúly akkor áll fenn, ha a támasztónyomás 12-szer nagyobb, mint a működtető nyomás. A kisnyomású szelep hasonlóan, 1:13-as arányú felületekkel lett kialakítva.
A fékszerkezetbe történő folyadékáramlás a fékbetétet felfekteti a féktárcsára. Mihelyt felépül egy bizonyos nagyságú fékerő, a fékbetétet felfogó keretszerkezet a féktárcsa forgásirányába kényszerűen elmozdul, a támasztóhenger dugattyúja a terhelés hatására benyomódik. Mivel a támasztó hengerben fellépő nyomás a kisebb dugattyúfelület miatt mindig nagyobb, mint a fékszerkezetben fellépőé, a fék a kritikus feletti önerősítés üzempontjába kerül. Azaz, a kezdeti „szorító” nyomás nagyon gyorsan növekszik, egészen addig, amíg a támasztónyomás olyan nagy nem lesz, hogy a nagynyomású szelepben lezárja a működtető nyomás vezetékét. Ezen a ponton éri el a járművezető által megkövetelt járműlassuláshoz szükséges fékező nyomatékot.

Szabályozott féknyomaték. Ellentétben az összes többi fékszerkezettel az SHB fékszerkezetnél a vezető áttételesem egy fékező nyomaték mértéke, és nem egy közvetlen nyomásnövelést valósít meg. A 3. ábra világítja meg a tényt, hogy a szükséges féknyomaték - függetlenül az aktuális súrlódási tényező értékétől – automatikusan szabályozott. A grafika a prototípus kialakításának megfelelően megkövetelt 2000 Nm-es féknyomatékkal szembe állítja az SHB működtető erejét a súrlódási tényezőtől független összeszorító erővel.

A fékerő leépülése. Ha a működtető nyomás csökken vagy a súrlódási érték a fékezés vége felé növekszik, a kisnyomású szelep kinyit, és a fékfolyadék a fékszerkezetből a tartályba áramlik vissza. A fékdugattyút a hagyományos fékekhez hasonlóan a rugalmas tömítőgyűrű húzza vissza. A fékerő leépülésével a támasztó hengert a beszerelt rugó kiindulási helyzetébe nyomja vissza, mialatt a fékfolyadékot egy visszacsapó szelepen keresztül a tartályba vezetik vissza.

Kimeríthető-e az SHB? A támasztóhenger térfogata jelenti a fék nyomásellátásának pufferét. Úgy alakították ki, hogy maximális fékezésekre és az összes vezérlésen keresztüli, szabályozási beavatkozásra elegendő legyen. Ha mégis a kimerülés felé közeledne, az érintett fék rövid idejű oldással kiindulási helyzetébe megy vissza. Ezalatt a féknyomaték a megmaradó fékeken úgy oszlik el, hogy a jármű stabilitása ne változzék.

Az SHB-prototípusa

A hidraulikus önerősítés használata több kerékközeli egység elhelyezését követeli meg, ezért beépítési helyigénye nagyobb, mint a hagyományos hidraulikus fékeké, de eltűnik a motortérből a fékrásegítő. Ezért fontos kérdés, milyen kompakt építésben valósítható meg, és mekkora a rugózott-, és rugózatlantömegnövekedés. A címképen látható az ökölnyerges kivitel, a fékbetétek vezetésére szolgáló keret, és az oldalt szimmetrikusan elhelyezkedő támasztóhengerek. Az ökölnyereg a kerethez rögzítve a féktárcsára merőlegesen két vezetőrúdon mozgatható. Maga a keret a támasztóhengerek irányába a képen nem látható vezető rudakon mozdulhat el. A támasztóhengereket felfogó talpelemet pedig a féktartóra szerelték fel.
A szelepegység a fék legfontosabb alkotórésze. A rugózatlan tömeg legkisebb értéken tartása érdekében oldalt a vázszerkezeten helyezték el, és tömlőkkel kötötték össze a fékszerkezettel. A szelepegység két dugattyúból áll. Mindkét dugattyú nagyobbik felületére hat a működtető-nyomás, a kisebbekre a támasztónyomás. Ezáltal valósul meg a fékrásegítés működtetése.

3. ábra: az SHB működtető ereje 2000 Nm féknyomatékra és ehhez szükséges összenyomó erőre

Egy 1,5 tonnás középkategóriás jármű teljes lefékezésére az első kereket mintegy 95 bar féknyomással kell fékezni (2000 Nm féknyomaték 115 mm-es közepes fékrádiusz, 0,4-es súrlódási tényező és 54 mm-es fékdugattyú átmérő esetén). A szelepek közötti felület-arányok miatt ehhez 35 bar működtető nyomás szükséges, csekély tömegáramlással. A fék összeszorításhoz a hidraulikus teljesítményt a támasztóhenger szolgáltatja, a működtetés részéről a szelep állításához csak nagyon kevés energia szükséges.

Elektromos vezérlési koncepció az SHB számára

Az SHB robosztus, mechanikus-hidraulikus módon valósította meg a féknyomaték szabályozását elektromos ellátás nélkül.

4. ábra: SHB bekötése járműszabályzó rendszerekbe

Három különböző vezérlési koncepció látható az 4. ábrán. Elvileg a hidraulikus fékezési folyamat szabályozása a szabályozó szelepen alkalmazott kiegészítő elektromágnesekkel is lehetséges. Ha ezáltal a fékezés alatt a teljes befolyásolási lehetőség adva van, az ABS-rendszer megvalósítható. Ez a rendszer nem képes teljesíteni az ESP működtetési követelményeit. Ezt a probléma külön szivattyú beépítésével kiküszöbölhető. Az SHB esetében a szivattyú csak a vezérlőnyomás felépítéséhez szükséges folyadékmennyiséget szállítja alacsony nyomásszinten.

A tervezett konstrukció kiterjesztését tervezik az IFAS-Intézetében a repülőgépek és stacioner ipari berendezésekre is. Az SHB természetesen szabadalmi bejelentésre is került.