„Zabrania się hamowania silnikiem”. Widzisz takie znaki na stromych odcinkach autostrady i zastanawiasz się, co tak naprawdę oznaczają. Nie chodzi tylko o hałas, choć to część problemu. Symbol odnosi się do kompresyjnego układu hamulcowego, zwanego także urządzeniem zwalniającym silnik. Urządzenia te są niezbędne dla ciężarówek komercyjnych pokonujących przełęcze górskie. Bez nich zatrzymanie ciężkiego pojazdu staje się niebezpieczną grą tarcia i ciepła.
Aby zrozumieć, dlaczego te znaki istnieją, musimy przyjrzeć się wewnętrznej mechanice silnika. Silnik pracuje w cyklu czterosuwowym: dolot, sprężanie, suw mocy i wydech. Podczas suwu sprężania zawory dolotowe i wydechowe są zamknięte. Tłok porusza się w górę, sprężając powietrze wewnątrz cylindra. W górnym punkcie paliwo zapala się i wypycha tłok w dół. Następnie otwiera się zawór wydechowy, uwalniając gazy.
Ale hamulec silnikowy zmienia ten proces. Jeśli zawór wydechowy otworzy się tuż przed osiągnięciem przez tłok maksymalnego skoku, sprężone powietrze zostaje natychmiast uwolnione. Tłok nie otrzymuje „przyspieszenia” w wyniku eksplozji. Zamiast tego silnik staje się sprężarką powietrza. Grawitacja ściąga ciężarówkę w dół wzniesienia, zmuszając silnik do pracy wbrew oporowi sprężonego powietrza. Spowoduje to spowolnienie pojazdu bez użycia hamulców kół.
Rezultatem jest charakterystyczny odgłos strzelania lub trzaskania. Nowoczesne systemy są cichsze niż ich poprzednicy, ale reputacja pozostaje ta sama. Kierowcy oczekują, że hamulce pneumatyczne przejmą największy ciężar. Czym zatem hamulce ciężarówek różnią się od układów hydraulicznych w Twoim samochodzie?
Układy hydrauliczne i pneumatyczne
Hamulce zarówno samochodów osobowych, jak i ciężarowych opierają się na tarciu. Wykorzystują kliny i kliny połączone z osiami kół. Samochody osobowe korzystają z układu hydraulicznego, który przenosi siłę za pomocą płynu hamulcowego. Ciężarówki wykorzystują sprężone powietrze. To rozróżnienie ma znaczenie, ponieważ powietrze nigdy się nie kończy. Płyn hamulcowy może wyciekać lub wrzeć. Powietrze po prostu krąży. Jeśli w układzie ciężarówki wystąpi niewielka nieszczelność, hamulce będą nadal działać.
Większość samochodów ciężarowych o dużej ładowności jest wyposażona w dwuobwodowy pneumatyczny układ hamulcowy. Jeden zestaw steruje dwoma oddzielnymi obiegami powietrza. Jeśli jeden z nich zawiedzie, drugi przejmuje kontrolę. Ta nadmiarowość jest ważną cechą bezpieczeństwa, której nie można znaleźć w samochodach osobowych.
Hamulce pneumatyczne mają jednak wadę: opóźnienie hamowania. Jest to opóźnienie pomiędzy naciśnięciem pedału a przepływem powietrza przez przewody w celu dociśnięcia okładzin do bębna. Zajmuje to mniej niż sekundę. Kierowcy muszą dostosować swoje oczekiwania. Hamulce samochodów ciężarowych nie działają natychmiastowo, tak jak hamulce samochodowe.
Układ pneumatyczny spełnia trzy główne zadania. Zapewnia stabilny dopływ sprężonego powietrza. Kieruje tym strumieniem powietrza. Przekształca energię ciśnienia powietrza w siłę mechaniczną, aby zatrzymać koła.
Trzy poziomy hamowania ciężarówki
Architektura hamowania ciężarówki opiera się na trzech różnych układach.
Hamulce główne zapewniają siłę hamowania podczas normalnej jazdy. Po naciśnięciu pedału rozpoczyna się sekwencja działań. Powietrze przechodzi przez przewody do komory hamulcowej. To powietrze jest wypychane przez popychacz. Popychacz aktywuje regulator luzu. Regulator obraca wałek rozrządu. Ten wałek rozrządu obraca S-Cam (S-Cam), nazwaną tak ze względu na swój kształt. Pięść w kształcie litery S dociska okładziny hamulcowe do bębna, powodując tarcie.
Hamulce postojowe działają inaczej. Kierowca pociąga za dźwignię na desce rozdzielczej. Hamulce ciągnika uruchamiane są żółtym przyciskiem. Hamulce przyczepy – czerwone. Pociągnięcie tej dźwigni powoduje zwolnienie mocnej sprężyny znajdującej się w komorze hamulca. Sprężyna ta następnie zmusza zwrotnicę S do działania, blokując hamulce.
Hamulce awaryjne pełnią funkcję ubezpieczenia. W przypadku awarii układu pneumatycznego hamulce awaryjne włączają się automatycznie. Sprężyna wewnątrz komory wytrzymuje ciśnienie około 2500 funtów. Pozostaje sprężony dzięki stałemu przepływowi powietrza. Jeśli ciśnienie spadnie poniżej 60 psi, zaświeci się wskaźnik niskiego ciśnienia i rozlegnie się alarm. Sprężyna zostaje zwolniona, powodując nagłe uruchomienie hamulców.
Bezpieczeństwo, gospodarka i historia Westinghouse
Retardery zapewniają dwie wyraźne korzyści. Bezpieczeństwo jest najważniejsze. Używanie hamulca kompresyjnego podczas stromego zjazdu zapewnia schłodzenie hamulców pneumatycznych. Pozostają w gotowości, jeśli zajdzie potrzeba nagłego zatrzymania. Oszczędność to drugi czynnik. Mniejsze tarcie na bębnach i okładzinach oznacza mniejsze zużycie. Oszczędza to pieniądze na robociźnie i częściach.
Historia tych systemów sięga czasów George’a Westinghouse’a Jr. Nazwę tę można rozpoznać po sprzęcie gospodarstwa domowego. Jednak w 1869 roku opatentował pierwszy praktyczny hamulec pneumatyczny dla kolei. Po odbyciu służby w wojnie secesyjnej i pracy w warsztacie ojca stał się płodnym wynalazcą. Założył Westinghouse Air Brake Company, pierwszą z 60 stworzonych przez siebie firm. Jego innowacje uratowały niezliczone życie na torach kolejowych, a później na drogach.
Problem z przepaleniem hamulca
Nawet w przypadku zwalniaczy i hamulców pneumatycznych tarcie może być wrogiem. Kiedy bębny hamulcowe się przegrzewają, rozszerzają się. Bęben oddala się od klocków hamulcowych. Kontakt staje się niepełny. Hamulce stają się nieskuteczne. Nazywa się to wypaleniem hamulca.
Jeśli sytuacja będzie się powtarzać, pozostała moc hamowania ulegnie przegrzaniu. Podkładki mogą dymić lub zapalić się. Kierowcy, którzy czują, że muszą mocniej nacisnąć pedał, aby się zatrzymać, mają problem. Muszą natychmiast sprawdzić, czy nie ma przepalenia hamulca. Jest to niebezpieczny stan, który może prowadzić do całkowitej awarii hamulców.
Nie wszyscy ufają konstrukcji przegubu w kształcie litery S. Niektórzy kierowcy wolą nowe układy hamulców tarczowych w ciężarówkach. Hamulce tarczowe lepiej odprowadzają ciepło. Są mniej podatne na wypalenie zawodowe. Tradycyjne systemy perkusyjne pozostają jednak szeroko rozpowszechnione.
Znaki „Zakaz hamowania silnikiem” są utrzymywane nie bez powodu. Przypominają kierowcom, że hałas to coś więcej niż tylko uciążliwość. Jest to mechaniczna konieczność pokonania sił grawitacji podczas opadania. Bez tych urządzeń spowalniających nowoczesny transport towarowy na drogach górskich byłby znacznie bardziej niebezpieczny.
Zasada działania pneumatycznych hamulców tarczowych może wydawać się znajoma osobom, które spędziły czas pod podwoziem naczepy. Ciśnienie powietrza przepływa do komory hamulcowej i przez regulator luzu, tak jak ma to miejsce w tradycyjnych układach bębnów S-cam. Rozbieżność zaczyna się w siłowniku. Zamiast krzywki w kształcie litery S wypychającej klocki hamulcowe na zewnątrz, śruba napędowa przekształca liniowe ciśnienie powietrza w moment obrotowy. Ta śruba obraca zacisk, dociskając klocki hamulcowe bezpośrednio do tarczy. Jest to bezpośrednie mechaniczne sprzężenie, a nie pchnięcie zapewniane przez mechanizm krzywkowy.
Debata zwykle toczy się w obszarze produktywności.
Przewaga w zakresie drogi hamowania
Dane nie kłamią. Pneumatyczne hamulce tarczowe skracają drogę hamowania nawet o czterdzieści procent w porównaniu ze standardowymi układami bębnowymi. Nie jest to niewielka poprawa. To kolosalne zmniejszenie odległości wymaganej do zatrzymania ruchu. Ponieważ nacisk na wirnik jest wywierany równomiernie i w sposób ciągły, pojazd zatrzymuje się ze znacznie bardziej przewidywalną geometrią.
Następnie przychodzi zarządzanie ciepłem. Hamulce bębnowe są znane z przepalania się hamulców, czyli utraty współczynnika tarcia w przypadku przegrzania okładzin. Pneumatyczne hamulce tarczowe praktycznie eliminują ten problem. Otwarta konstrukcja pozwala na rozproszenie ciepła w powietrzu, a nie na pieczenie w zamkniętym bębnie.
Tempo zużycia opowiada inną część historii. Dzięki tarczom nie doświadczysz nadmiernego zużycia okładzin w naczepach ani szybkiego zużycia klocków w ciągnikach, które są problemem w układach bębnów. Powierzchnia styku pozostaje stała.
Bariera cenowa w USA
Skoro korzyści techniczne są tak oczywiste, dlaczego nie każda ciężarówka na autostradzie jest w nie wyposażona? Odpowiedź jest prosta: ekonomia. W Stanach Zjednoczonych nie ma przepisów federalnych wymagających stosowania pneumatycznych hamulców tarczowych. Pozostają opcją premium, kosztującą około dwa razy więcej niż porównywalny układ hamulca bębnowego.
Cena ta powoduje wyraźną różnicę we wskaźnikach adopcji.
- USA: Około 95 procent ciężkich pojazdów ciężarowych nadal korzysta z hamulców bębnowych.
- Europa: Ponad 80 procent pojazdów użytkowych wykorzystuje pneumatyczne hamulce tarczowe.
Rynek amerykański powoli się dostosowuje. Obserwatorzy branży szacują, że może minąć dziesięć do piętnastu lat, zanim hamulce tarczowe staną się standardem, a nie wyjątkiem. Bezwładność istniejącej floty i niechęć menedżerów flot do poniesienia początkowych kosztów kapitałowych to główne czynniki hamujące tę transformację.
Przepisy dotyczące odporności i bezpieczeństwa
Krajowa Administracja Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego (NHTSA), biuro Departamentu Transportu Stanów Zjednoczonych, sprzeciwia się status quo. Ich stanowisko opiera się na suchych faktach.
Podstawą ich ustaleń były testy symulacyjne przeprowadzone na Uniwersytecie Iowa. NHTSA twierdzi, że wyposażenie flot w pneumatyczne hamulce tarczowe znacznie zmniejsza liczbę wypadków w sytuacjach awaryjnych. Ich modelowanie pokazuje, że obowiązkowe trzydziestoprocentowe skrócenie minimalnej drogi hamowania uratowałoby znaczną liczbę istnień ludzkich.
Jednak bez presji regulacyjnej zachęcającej do adopcji, rynek porusza się w swoim własnym, powolnym tempie. Technologia działa. Argumenty za bezpieczeństwem są rozsądne. Ale dopóki koszt nie dorówna poziomowi ryzyka, hamulec bębnowy pozostaje królem amerykańskich autostrad.
Złożenie wszystkich elementów w całość wyjaśnia, dlaczego skuteczność hamowania przy dużych obciążeniach tak bardzo różni się od skuteczności hamowania w codziennym samochodzie osobowym. Diagram to nie tylko rysunek; odzwierciedla fizyczną rzeczywistość dotyczącą umiejscowienia tych elementów pod podwoziem.
Anatomia hamowania ze wspomaganiem
Aby zrozumieć skalę zachodzących procesów, należy przyjrzeć się szczegółom. W typowym samochodzie płyn hamulcowy dociska klocki do tarcz. W ciężarówce główną pracę wykonuje sprężone powietrze. Pneumatyczny układ hamulcowy wykorzystuje ciśnienie do ściskania elementów z siłą, której płyn hydrauliczny nie byłby w stanie bezpiecznie zapewnić na taką skalę.
Lokalizacja części jest nie mniej ważna niż sam mechanizm. Te hamulce nie są ukryte. Są one wyśrodkowane na osiach, wystawione na działanie czynników atmosferycznych, ale zaprojektowane z myślą o maksymalnym przekazywaniu ciepła. Ta otwartość jest konieczna, ponieważ zatrzymanie ważącego 80 000 funtów ciągnika siodłowego generuje ogromne ilości energii cieplnej. Gdyby hamulce były uszczelnione, jak niektóre zaciski w samochodach osobowych, przegrzałyby się i straciły skuteczność w ciągu zaledwie kilku minut.
Dlaczego powietrze, a nie ciecz?
Układy hydrauliczne dobrze radzą sobie z lekkimi ładunkami. Zawodzą pod wpływem ciągłego, intensywnego hamowania. Hamulce pneumatyczne zapewniają niezawodny mechanizm. W przypadku utraty ciśnienia powietrza hamulce włączają się automatycznie. Jest to konstrukcja „zasilająca sprężynę i uwalniająca powietrze”, która zapobiega staczaniu się ciężarówek z naczepami ze wzniesień.
To właśnie ta funkcja bezpieczeństwa powoduje, że kierowcy zawodowi spędzają tak dużo czasu na sprawdzaniu ciśnienia powietrza przed każdą jazdą. To nie tylko rutyna. To różnica pomiędzy płynną jazdą po autostradzie a katastrofalną awarią.
Ewolucja siły hamowania
Starsze ciężarówki w dużym stopniu opierały się na hamulcach bębnowych. Są proste, tanie i trwałe. Ale zatrzymują ciepło. Nowoczesne floty przechodzą na hamulce tarczowe uruchamiane pneumatycznie. Zapewniają lepsze odprowadzanie ciepła i stabilną pracę. Transformacja ta nie jest napędzana wyłącznie przez technologię. To kwestia marginesów bezpieczeństwa i presji regulacyjnej.
Krajowa Rada Bezpieczeństwa Transportu (NTSB) podkreśliła wnioski wyciągnięte z wypadków śmiertelnych związanych z awarią hamulców. Raporty te zachęcają branżę do przejścia na bardziej niezawodne systemy. Testowanie wydajności jest obecnie obowiązkowe pod pewnymi warunkami, aby upewnić się, że ciężarówki mogą faktycznie zatrzymać się pod obciążeniem.
Łączenie wszystkiego w całość
Zrozumienie systemu wymaga wiedzy na temat interakcji jego części. Sterownik hamulca w kabinie wysyła sygnał. Zawory przekaźnikowe otwierają się, umożliwiając przepływ powietrza. Siłowniki hamulcowe są dociskane przez regulatory luzu. Kam odwraca się. Buty lub podkładki są dociskane.
To reakcja łańcuchowa. Jeden słaby element psuje cały system. Dlatego konserwacja nie jest opcjonalna. Jest to wymóg prawny i bezpieczeństwa.
Powiązane artykuły
- Jak hamować podczas holowania
- Jak działają sterowniki hamulców
- Jak działają klocki hamulcowe
- Jak działają hamulce pneumatyczne?
- Jak działają hamulce tarczowe
- Jak działają hamulce bębnowe
- Jak działają sterowniki hamulców
- Jak działają wzmacniacze hamulców?
Źródła
-
„Hamulce pneumatyczne 101.” (31.10.08). http://www.newbiedriver.com/ABCsUpdates/AirBrakes101.htm (Data dostępu: 11.05.08)
-
Zwięzła encyklopedia Britannica. „Hamulec pneumatyczny”. (31.10.08). http://www.encyclopedia.com/printable.aspx?id=1B:354794 (Data dostępu: 05.11.08)
-
Transporter masowy. „Bendix Spicer JV promuje pneumatyczne hamulce tarczowe”. http://bulktransporter.com/mag/transportation_bendix
