Capitolul 2 Studiul tehnic i economic al soluiilor posibile pentru (sub)ansamblul de proiectat. Alegerea justificat i definitivarea soluiei tehnice pentru (sub)ansamblul din tema de proiect

Sistemul de franare

Destinatia sistemului de franare. Sistemul de franare serveste la: reducerea vitezei automobilului pana la o valoare dorita sau chiar pana la oprirea lui; imobilizarea automobilului in stationare, pe un drum orizontal sau in panta; mentinerea constanta a vitezei automobilului in cazul coborarii unor pante lungi.Eficacitatea sistemului de franare asigura punerea in valoare a performantelor de viteza ale automobilului. In practica, eficienta franelor se apreciaza dupa distanta pe care se opreste un automobil avand o anumita viteza. Sistemul de franare permite realizarea unor deceleratii maxime de 6-6.5 m/s2 pentru autoturisme si de 6 m/s2 pentru autocamioane si autobuze. Pentru a rezulta spatii de franare cat mai reduse este necesar ca toate rotile automobilului sa fie prevazute cu frane (franare integrala).Efectul franarii este maxim cand rotile sunt franate pana la limita de blocare. Conditii impuse sistemului de franare. Un sistem de franare trebuie indeplineasca urmatoarele conditii: sa asigure o franare sigura; sa asigure imobilizarea automobilului in panta: sa fie capabil de anumite deceleratii impuse: franarea sa fie progresiva, fara socuri; sa nu necesite din partea conducatorului un efort prea mare; efortul aplicat la mecanismul de actionare al sistemului de franare sa fie proportional cu deceleratia, pentru a permite conducatorului sa obtina intensitatea dorita a franarii; forta de franare sa actioneze in ambele sensuri de miscare ale automobilului; franarea sa nu se faca decat la interventia conducatorului; sa asigure evacuarea caldurii care ia nastere in timpul franari; sa se regleze usor sau chiar in mod automat; sa aiba o constructie simpla si usor de intretinut.2.1 Sistemul de franare cu recuperare de energieSistemul de recuperare a energiei de frnarealturi de sistemul Start/Stop reprezint un pas n plus n direcia hibridizrii autovehiculelor.Practic n cazul unei decelerri a autovehiculului energia cinetic a acestuia este convertit n energie electric de ctre un generator (sau de ctre sistemul de propulsie eletric n cazul vehiculelor hibride). n acest fel, o parte din energia care n mod normal este pierdut prin disiparea sub form de cldur n procesul de frnare, este recuperat sub form de energie electric, stocat n baterii i apoi utilizat.

Fig 2.1 Recuperarea energiei de frnare

Simularea frnrii cu motoruln cazul automobilelorputernic hibride, n scopul recuperrii energiei de frnare, motorul cu ardere intern este decuplat, iar frnarea cu motorul este nlocuit de un generator de cuplu echivalent al motorului electric (simularea frnarii cu motorul). Energia eliberat astfel este stocat.Dac motorul cu ardere intern nu poate fi decuplat (cazul vehiculelormoderat hibride), alternativ se poate monta pe lanul de propulsie un generator de cuplu mai mic, complementar frnrii motorului cu ardere intern (creterea frnarii cu motorul).Recuperarea energiei de frnareDup cum am precizat i mai sus, n timpul frnrii propulsia electric poate acomoda un generator de cuplu adiional ca i cum ar simula o frnare cu motorul crescnd astfel fora de frnare. Cu pedala de frn n aceai poziie autovehiculul va avea o deceleraie mai mare comparativ cu un autovehicul similar convenional. Oricum lund n considerare performanele, nu pot fi implementate deceleraii importante.Totui cuplul regenerativ de frnare trebuie adaptat n funcie de gradul de ncarcare al bateriei i de starea termic a sistemului electric. Dac, spre exemplu, temperatura bateriei crete semnificativ dup cteva frnri succesive, este necesar n anumite circumstane recuperarea energiei regenerative pentru a evita astfel supranclzirea sistemului.

2.2 ClasificareSistemul de franare este clasificat in 2 tipuri: Sistem de franare cu disc Sistem de franare cu tamburi si saboti

2.3 Sistemul de franare cu disc

Fig 2.2 Sistem de franare cu disc

Atunci cand vorbim despre viteza trebuie sa ne gandim automat la franare si la posibilitatea de a opri masina rapid. La modul practic, sistemul de franare, nu face altceva decat sa transforme energia cinetica a masinii (miscare) in caldura. Incetinirea masinii este de fapt un efect dorit.Placuta de franaeste apasata pediscul de frana, astfel generandu-se caldura care este dispersata pe disc. Caldura in sine poate fi o problema pentru franare, intrucat frecarea dintre doua metale cu temperaturi ridicate este mai redusa.Atunci candpedala de franaeste apasata, forta utilizata pentru a apasa aceasta pedala este transferata intr-o cutie magica numitaservo. Sistemul servo foloseste puterea motorului pentru a amplifica puterea de apasare a placutelor de frana pe disc. Exista si masini, mai vechi, care nu utilizeaza sistem de servo-frana (de exemplu: Oltcit RM). Presiunea cu care se apasa pedala de frana trebuia sa fie mai mare.Presiunea este transferata la placute cu ajutorul unuilichid de frana. Avantajul lichidului este ca nu isi schimba proprietatile nici macar sub presiuni mari. Spre deosebire de cablul de frana (utilizat la frana de mana) care se intinde in timpul franarii. Astfel, cu ajutorul lichidului, franarea este aproape instantanee. Problema cu lichidul de frana, este ca la temperature foarte ridicate acesta poate fierbe si bule de aer pot aparea pe traseu, astfel aparand un efect de burete iar franarea fiind drastic afectata.Caldura generata este disipata dinspre placutele de frana spre discuri. Discurile ventilate au un canal central care ajuta foarte mult la racirea sistemului. De asemenea exista discuri de frana perforate, care pe langa canalul central mai au si gauri sau striatii pe suprafata de contact. De asemenea striatiile au rolul de a curata praful sau de a elimina bulele de gaz care se pot forma intre disc si placuta.Cu cat discurile sunt mai mari, cu atat franarea este mai buna. Explicatia este relativ simpla. Cu cat discul este mai mare cu atat suprafata de frecare este mai mare si deci suprafata prin care se elimina caldura este mai mare. De asemenea compozitia si marimea placutelor este foarte importanta. Ca si in cazul discurilor, cu cat placutele sunt mai mari, cu atat este mai bine. Pe de alta parte, cu cat placutele au o compozitie mai 'moale' cu atat coeficientul de frecare este mai bun si deci franarea este mai eficienta.Majoritatea sistemelor de franare moderne au sistem deABSinclus. Acesta are rolul de a preveni blocarea rotii in timpul franarii. Este clar ca pentru ca franarea sa fie eficienta roata nu trebuie sa se blocheze. In cazul in care roata este blocata, transformarea energiei cinetice in caldura este facuta de anvelopa si asfalt ceea ce este foarte ineficient. In plus, blocarea rotii in timpul franarii duce la pierderea controlului volanului, lucru deloc sigur.

Alturi de sistemul de direcie, sistemul de frnare de pe un automobil este utilizat aproape integral n timpul deplasrii acestuia. Componentele sistemului de frnare trebuie astfel proiectate nct s utilizeze n mod optim fora de apsare pe pedal, for exercitat de ctre conductorul auto, i s menin la un nivel constant fora de frnare pentru o comand constant.

Fig 2.3 Componentele unui sistem de frnare hidraulic cu structur n paralel pentru automobile1-etrier cu disc de frn;2-conduct flexibil;3-element de mbinare;4-conduct rigid;5-pompa central;6-rezervor lichid frn;7-servomecanism;8-pedal frn;9-levier frn de parcare;10-cablu acionare frn de parcare;11-supap de reglare a presiunii;12-frn cu tambur. Pentru a opera asupra sistemului de frnare pe un autovehicul convenional (sistem de frnare mecano-hidraulic) conductorul auto aplic o for de apsare pepedala de frn8 deplasnd tija pistonul servomecanismului7. Servomecanismul amplific fora de apsare pe pedal i o transmite pistonului pompei centrale5. Pompa central face conversia forei din tij n presiune. Cele dou pistoane ale pompei central mresc presiunea lichidului de frn dinconductele rigide4 iflexibile2 care se transmite mai departefrnelor cu disc1 ifrnelor cu tambure12. n cazul unei avarii la unul dintre circuite sistemul rmne funcional datorit celui de-al doilea circuit.Rezervorulcu lichid de frn 6 conectat la pompa central are rolul de a compensa fluctuaiile de volum de lichid din sistemul de frnare. n timpul procesului de frnare, datorit deceleraiilor, puntea fa a automobilului este ncrcat cu o greutate mai mare dect cea a punii spate. Pentru a preveni frnarea excesiv a punii spate, ce poate provoca blocarea roilor acesteia,supapa de reglare a presiunii11 moduleaz presiunea de frnare a punii spate n funcie de ncrcarea automobilului. Sistemul de frnare de parcare (frna de mn) acioneaz asupra roilor punii spate prin intermediul levierului9 i acablului10.2.3.1 Tipuri de sisteme de franare cu discFranele cu disc pot fi de tip deschis sau inchis. Cele de tip deschis se utilizeaza mai des la autoturisme, pe cand cele de tip inchis in special la autocamioane si autobuze.Frna cu disc deschis.

Frana cu disc deschis reprezentat in figura 3.14, este compusdin discul l montat pe butucul roii 3 i din cadrul (suportul) 5 la care se gsesc pistoanele,prevzute cu garniturile de friciune 1. Cadrul monobloc se monteaz flotant sau fix de talerulfranei, in cazul de fa, cadrul este fixat rigid i prevzut cu doi cilindri de acionare.

Figura 2.4 Frna cu disc deschis cu pistoane de actionare pe ambele fee ale discului.Aceast frana, datorit faptului c discul se dilat puin in planul axial, permite ca joculdintre disc i garniturile de friciune s fie meninut la valori mai mici decat la franele cutambur.Frana cu disc inchisaFata de frana cu disc deschisa prezinta avantajul unei bune protejari impotriva patrunderii apei si murdariei, putand fi usor ermetizata. Aceste frane pot fi cu sau fara efect servo. Franele cu disc inchise, avand suprafete de frictiune foarte mari prezinta avantajul unei uzuri mai reduse, datorita lucrului mecanic specific de frecare foarte mic. De asemenea regimul termic este mai scazut decat la o frana cu saboti echivalenta din punct de vedere al performantelor.

2.4 Sistemul de franare cu tamburi si saboti

Fig 2.5 Sistem de franare cu tambur si saboti

Mecanismul este inca utilizat in special pe axul din spate pe masinile de mici dimensiuni si cu performante reduse. Sistemul este ieftin de dezvoltat si intretinut insa eficacitatea acestuia este redusa. Ideea este aceeasi, un sabot este pus in contact pe un tambur, acestea generand caldura in urma fortei de frecare. Racirea se face mai greu iar presiunea cu care sabotii sunt apasati pe tamburi este mai mica.

2.4.1 Tipuri de frana cu tamburi si sabotiMomentul de franare poate fi variat in mod substantial in functie de modul de dispunere al sabotilor. In functie de tipul celor doi saboti exista urmatoarele tipuri de frane cu tamburi si saboti interiori: simplu, dublu(duplex) duo-dublu (twinplex) i servo (uni-servo si duo servo).

Simplex- cu saboti articulate- cu saboti flotanti

Figura 2.6 Frna simplex: a si b cu saboi articluai; c cu saboi foltani.Are o eficacitate pentru ambele sensuri de rotatie ale tamburului, stabilitate foarte buna, nu este echilibrata.Cu actionare cu forte egale a sabotilor (deplasare independenta):- cu saboti articulati- cu saboti flotantiEficacitate mai ridicata ca in cazul precedent si identica pentru ambele sensuri de rotatie ale tamburului. Stabilitate buna, nu este echilibrata si are o uzura diferita a garniturilor de frecare.Frana simplex are in compunere un sabot primar si unul secundar care pot fi articulati sau flotanti. In functie de modul de actionare al sabotilor se deosebesc: frana cu deplasare egala a sabotilor si forta de actionare diferite, frane cu deplasare independenta a sabotilor in forte de actionare egale.Frana simplex cu deplasare egala a sabotilor are o uzura egala a sabotilor de frecare. Momentul de franare este cu ceva mai redus decat la frana simplex cu forte egale de actionare a sabotilor. Deplasarile egale ale sabotilor se realizeaza cu dispozitive mecanice cu o cama simpla sau cu pene transversale.Frana simplex cu actionarea sabotilor cu forte egale prezinta o uzura mai mare a garniturii de frecare a sabotului primar. Actionarea acestei frane se face in general cu un dispozitiv hidraulic (cu pistoane avand acelasi diametru) si mai rar cu un dispozitiv mecanic. Aceste frane prezinta o constructie simpla si rigida.Frana simplex nu este echilibrata transmitandu-se o reactiune radiala care incarca suplimentar lagarele rotii. Duplex

Fig 2.7 Frana duplex- cu saboti articulati- cu saboti flotantiAre o eficacitate mare la mersul inainte si foarte mica la mersul inapoi. Stabilitate medie. Regimul de lucru si incarcare al celor doi saboti identici, este echilibrata.Frana duplex are in compunere doi saboti primari independenti care pot fi articulati sau flotanti. Prin dispunerea sabotilor astfel incat ambii sa lucreze ca saboti primari momentul de franare creste mult. Coeficientul de eficacitate pentru frana duplex depinde de sensul de rotatie a tamburului. In cazul in care sabotii sunt primari pentru ambele sensuri de rotatie a tamburului frana poarta denumirea de duo-duplex.Frana duo-duplex prezinta avantajul unei eficacitati ridicate atat la mersul inainte cat si la mersul inapoi avand acelasi coeficient de eficacitate. Frana duplex este o frana echilibrata si realizeaza aceeasi uzura a garniturilor de frecare. Deficienta franei duplex cu saboti primari, numai la mersul inainte consta in obtinerea unui moment de franare redus la mersul inapoi al automobilului. Valoarea momentului de franare obtinut la mersul inapoi determina marimea pantei pe care poate fi imobilizat un automobil cu frana de stationare. Deficienta aceasta se inlatura daca se utilizeaz frana duo-duplex.

Duo-duplex cu saboti flotantiAre o eficacitate mare si identica pentru ambele sensuri de rotatie ale tamburului. Stabilitate medie, regimul de lucru si incarcare al celor doi saboti identic, este echilibrata.

Servo ( uni-servo)

Figura 2.8 Frne servo:a uni-servo; b duo-servo; 1-tambur; 2-bolpentru articulaia sabotului 4;3 i 4 saboi; 5 i 7 arcuri; 6-clindru receptor; 8-dispozitiv de reglare a jocului dintresaboi i tambur.

Eficacitate foarte mare la mersul inainte (uni-servo) si identica pentru ambele sensuri ale rotatiei tamburului(duo-servo), stabilitate foarte mica, regim diferit de lucru si incarcare al celor doi saboti si nu este echilibrata.

2.4.2 Actionarea sabotilor de frana

Modul de actionare a sabotilor depinde de tipul mecanismului de actionare al sistemului de franare. Eficacitatea franei depinde in mare masura de modul de actionare al sabotilor. Actionarea sabotilor de frana la franele cu actionare hidraulicaLa franele cu actionare hidraulica actionarea sabotilor se face in majoritatea cazurilor, cu ajutorul unor cilindrii in interiorul carora se afla niste pistoane. Cilindrii hidraulici de actionare pot fi cu dubla actiune si cu simpla actiune. Cilindrii hidraulici cu dubla actiune au doua pistonase si se utilizeaza la franele simple, duo-duplex i duo-servo. Cilindrii hidraulici cu simpla actiune au un singur pistonas si se utilizeaza la franele duplex sau uni servo. Actionarea sabotilor de frana la franele cu actionare pneumaticaIn cazul sistemelor de franare cu actionare pneumatica, actionarea sabotilor se face prin intermediul unei came sau cu ajutorul unor plungere deplasate cu un dispozitiv cu con si role. Forma simetrica a camei si respectiv a conului realizeaza o deplasare egala a celor doi saboti si in consecinta uzura egala, a garniturilor de frecare. Datorita faptului ca sabotul primar are tendinte de a se uza mai repede el este actionat cu o forta mai mica si ca urmare eficacitatea totala a franei este mai redusa. Actionarea sabotilor de frana la franele de stationare sau de sigurantaIn cazul in care pentru frana de stationare sau de siguranta se folosesc franele rotilor posterioare, iar acestea trebuie sa fie prevazute cu un sistem de actionare suplimentar. La franele cu cilindri hidraulici interiori sistemul de actionare a franei de stationare se compune din levier si tije comandate cu un cablu de la o maneta.

In concluzie,din cele 2 tipuri de sisteme de franare prezentate mai sus,voi alege pentru a proiecta sistemul de franare cu disc.