1 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Versuchszusammenfassung 2 2. Einleitung 2 3. Versuchsaufbau 2 4. Versuchsdurchführung 3 5. Messergebnisse und Diagramme 5 5.1 Messergebnisse für Kalt- und Warmbremsung: 5 5.2 Messdiagramme zu Kalt- und Warmbremsung 6 5.3 Auswertung zur Messreihe Kalt- und Warmbremsung 7 5.4 Dauerbremsung 8 5.5 Auswertung Dauerbremsversuch 9 6. Kritik 9 7. Pneumatische Swimmrahmenbremsen 10 für LKW und Busse von 6 19 t ges. Gewicht 8. Anhang 11 Messkurven Kalibrierkurve
2 1. Versuchszusammenfassung Der Versuch beschreibt die Aufnahme von Bremswegen einer LKW Schwimmsattel- Druckluftbremsanlage. Wir haben verschiedene Kalt- und Warmbremsungen untersucht, bei denen der Bremsdruck verändert wurde. Dabei führten wir die Messungen einmal bei 50 km/h (n = 265 min -1 ) und dann bei 80 km/h (n= 424 min 1 ) durch und stellten dabei fest, dass bei höheren Bremsdrücken kürzere Wegstrecken zurückgelegt werden und solch schnelle Abbremsungen die Temperatur nicht mehr so stark ansteigen läßt. Abschließend haben wir dann noch eine Dauerbremsung durchgeführt, bei der eine Talfahrt von 7% Gefälle über eine Strecke von 6 km und einer konstanten Geschwindigkeit von 30 km/h, nach dt. Vorschriften, simuliert wurde. Hierbei stieg die Temperatur der Bremsscheibe monoton auf einen bestimmten Wert an und blieb dann, auf den letzten Kilometern, relativ konstant. 2.Einleitung Zu den Aufgaben einer Fahrzeug - Bremse gehört das Verzögern, das Halten im Stillstand und das Halten auf konstante Geschwindigkeiten bei Gefällstrecken. Im Fahrzeug werden hauptsächlich Reibungsbremsen verwendet, die die Bewegungsenergie des Fahrzeuges in Wärme umwandeln. In diesem Versuch wurde die Verzögerung bis zum Stillstand und das Halten auf konstanter Geschwindigkeit einer Betriebsbremsanlage untersucht. Weitere Bremsanlagen, wie Hilfsbremsanlagen, Feststellbremsanlagen und Dauerbremsanlagen ( z.b. Retarder ) wurden bei diesem Versuch nicht berücksichtigt. Die abstufbare Betätigung der Bremse wurde über unterschiedliche Luftdrücke der Luftdruckbremsanlage realisiert.
3 3. Versuchsaufbau Der Bremsenprüfstand wird von einer Gleichstrommaschine angetrieben, die ihrerseits über einen Leonardsatz mit Gleichspannung versorgt wird. Dabei ist es von besonderer Wichtigkeit, dass der E-Motor ständig durch ein Gebläse gekühlt wird, da der Motor zeitweise mit einer sehr hohen Last betrieben wird. Um ein möglichst breites Drehzahl- sowie Momentenband zu erreichen, ist dem Motor ein 6-Gang- Getriebe nachgeschaltet. Dieses treibt über eine Welle verschiedene Schwungmassen an, welche unterschiedliche Fahrzeuggewichtsklassen simulieren. Hinter den Schwungmassen ist die Bremseinrichtung, auf der man wahlweise verschiedene Bremstypen installieren kann, angebracht. In unserem Fall war eine LKW - Schwimmsattel Druckluftbremsanlage vormontiert. Scheibennummer I [ kgm² ] I 392,400 II 392,400 III 196,200 IV 98,100 V 49,050 VI 24,530 Grundschwungmasse 49,050 Größtes Massenträgheitsmoment: Kleinstes Massenträgheitsmoment: 1201,7 kgm² 49,05 kgm²
4 Durch ein Thermoelement (Eisen- Konstantan Draht), das sich direkt in der Bremsscheibe befindet, wird die Temperatur gemessen und über eine Telemetrieeinheit an den Messstand übertragen. Die Drehzahl der Bremsscheibe wird über verschiedene Messsysteme, wie z.b. einen Tachogenerator, einer Lichtschranke und einem Induktivgeber aufgenommen. Weiterhin wurde über eine Kraftmessdose das Bremsmoment direkt ermittelt.
5 4. Versuchsdurchführung Es wurden mehrere Messungen mit Luftdrücken von 1 bar bis 6 bar in unserem Versuch durchgeführt. Darunter waren Kalt- und Warmbremsungen und eine Dauerbremsung. Während der Bremsversuche wurden jeweils die Temperaturen und Bremswege aufgenommen. Der Prüfstand wurde auf die von uns bestimmten Drehzahlen hochgefahren, und dann wurde der Motor ausgekuppelt und der Bremsvorgang bis zum Stillstand eingeleitet. Um bei der Dauerbremsung die benötigte Stellkraft, welche dann das Moment auf der Bremse bestimmt, zu berechnen muß zunächst der Bremsenkennwert C* ermittelt werden: C F u * F = F u s M = r B r B = r = 170 mm Da wir auf dem Versuchsstand nur rotatorische Massen haben mußten wir die Rotationsenergie in Translationsenergie umrechnen. E rot = E trans J 2 ω 2 = m 2 v 2 Im Folgenden haben wir die Radlast aus den angeschlossenen rotatorischen Massen bestimmt. 392,4 + 196,2 + 98,1 + 49,05 + 24,53 + 49,05 = 809,33 kgm² Hieraus läßt sich die Masse m bestimmen. J 809,33 m = = = 3237kg 2 2 r 0,5 Als nächstes mußten wir die vorgegebenen Geschwindigkeiten in für uns einstellbare Drehzahlen umrechnen. v = ω r = 2 π r n v n = 2 π r Für v = 30 km/h ist n = 159 min -1 Für v = 50 km/h ist n = 265 min -1 Für v = 80 km/h ist n = 424 min -1
6 Um das C * zu bestimmen wurden zwei Messungen durchgeführt: n = 265 min -1 v = 50 km/h Luftdruck [bar] T 0 [ C] T e [ C] Umdrehungen 2 64,1 102 13,8 4 84,5 146 6,5 1.Messung M 4000 Fu rb 0,17 C * = = = = 0,724 F F 32500 s s 2.Messung M 9500 Fu rb 0,17 C * = = = = 0,798 F F 70000 s s Die Momente und den Anpressdruck haben wir aus dem Diagramm des x-y-schreibers entnommen. Um den abgelesenen Druck in die Stellkraft Fs zu wandeln, benutzten wir die Kalibrierungskurve. Nach der Vorschrift für Dauerbremsungen muß eine Gefällstrecke von 7% und 6 km Länge mit einer konstanten Geschwindigkeit von 30 km/h abgefahren werden. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Hangabtriebskraft, der die Bremse entgegen wirken muß. F AB 4 F G F Fahrzeug = m * g = 31754,97 N F AB = sin4 * F Fahrzeug F AB = 2215,11 N M = F AB * r B = 2215,11 * 0,5 M = 1107,5 Nm M 1107,5Nm F = = = 8560, N S c r 0,761 0,17m 72 * m B Aus der Kalibrierungskurve folgt der Einstelldruck der Luftdruckbremse von 0,8bar für den Dauerbremsversuch.
7 Glühende Bremsscheibe beim Dauerbremsversuch 5. Messergebnisse und Diagramme 5.1 Messergebnisse für Kalt- und Warmbremsung: Kaltbremsung T< 85 C p Drehzahl Radumdrehungen Anfangstemp. Endtemp. mittleres M Bremskraft Umfangskraft C* bar N N T 0 [ C] T e [ C] Mb Fs Fu 1 35,9 79 98 1450 13000 8529,41 0,656 2 265 13,5 85 128 3950 32000 23235,29 0,726 3 8,1 84 133 6900 52500 40588,24 0,773 4 (50 6,3 83 134 9500 70000 55882,35 0,798 5 km/h) 5,0 83 138 12200 91000 71764,71 0,789 6 4,6 83 134 14250 113000 83823,53 0,742 1 95,3 68 113 1450 10800 8529,41 0,790 2 424 36,6 76 220 4000 32000 23529,41 0,735 3 23,6 77 186 6250 50000 36764,71 0,735 4 (80 17,1 79 192 8500 70000 50000,00 0,714 5 km/h) 14,0 99 202 10650 90000 62647,06 0,696 6 11,8 87 202 12500 108000 73529,41 0,681 Warmbremsung bei 150 C p Drehzahl Radumdrehungen Anfangstemp. Endtemp. Mittleres M Bremskraft Umfangskraft C* Bar N N T 0 [ C] T e [ C] Mb Fs Fu 1 34,3 151 177 1550 14000 9117,65 0,651 2 265 12,8 150 203 4400 33000 25882,35 0,784 3 7,9 150 198 7250 53000 42647,06 0,805 4 (50 6,2 150 193 9900 72000 58235,29 0,809 5 km/h) 5,0 150 194 12500 93000 73529,41 0,791 6 4,6 148 190 14350 110000 84411,76 0,767 1 87,5 150 245 1750 14000 10294,12 0,735 2 424 34,6 150 268 4250 32500 25000,00 0,769 3 22,5 150 237 6600 49000 38823,53 0,792 4 (80 16,5 150 252 8900 72000 52352,94 0,727 5 km/h) 13,7 150 254 11000 93000 64705,88 0,696 6 12,0 150 251 13050 107500 76764,71 0,714
8 Warmbremsung bei 250 C p Drehzahl Radumdrehungen Anfangstemp. Endtemp. mittleres M Bremskraft Umfangskraft C* Bar N N T 0 [ C] T e [ C] Mb Fs Fu 1 32,3 250 283 1700 13000 10000,00 0,769 2 13,5 250 296 4000 33000 23529,41 0,713 3 265 8,4 250 295 6700 50000 39411,76 0,788 4 6,6 250 295 9000 70000 52941,18 0,756 (50 km/h) 5 5,1 250 294 11700 89000 68823,53 0,773 6 4,4 250 286 14100 109000 82941,18 0,761 1 79,1 235 305 1900 14000 11176,47 0,798 2 34,5 250 352 4000 33000 23529,41 0,713 3 424 21,6 250 338 6400 52000 37647,06 0,724 4 16,5 250 349 9100 73000 53529,41 0,733 (80 km/h) 5 13,7 250 354 10800 89000 63529,41 0,714 6 12,0 250 355 12600 110000 74117,65 0,674
9 5.2 Messdiagramme zu Kalt- und Warmbremsung 40,0 35,0 30,0 Kaltbremsung 80 C Warmbremsung 150 C Warmbremsung 250 C Umdrehungen 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 Luftdruck [bar] Diagramm für Bremsung von 50km/h 120,0 100,0 Kaltbremsung 80 C Warmbremsung 150 C Warmbremsung 250 C 80,0 Umdrehungen 60,0 40,0 20,0 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 Luftdruck [bar] Diagramm für Bremsung von 80 km/h
10 5.3 Auswertung zur Messreihe Kalt- und Warmbremsung Die Versuche zeigen, dass mit Erhöhung des Bremsdruckes der Verzögerungsweg erheblich abnimmt. Besonders stark ist dies im Bereich zwischen 1 und 3 bar zu erkennen, von 3 auf 6 bar ist der Effekt jedoch nicht mehr so stark. Alle Messungen, ob Warm oder Kalt und von 50 km/h und 80 km/h zeigen dies auf. Auch zu erkennen ist der Unterschied der Ausgangstemperaturen. Die Versuche mit 150 C und 250 C Ausgangstemperatur haben besonders im Bereich kleinerer Bremsdrücke einen kürzeren Bremsweg. Bei hohen Bremsdrücken ist der Bremsweg am Kürzesten und weniger abhängig von der Ausgangstemperatur. Aus diesem Grund beträgt der Vorratsdruck bei Fahrzeugbremsanlagen min. 8bar. Bei einer Ausgangsgeschwindigkeit von 80km/h ist bei dem Bremsversuch mit 6 bar die Kaltbremsung sogar leicht besser als die Warmbremsung. Während die Temperaturen bei niedrigen Drücken nur gering ansteigen, unterscheiden sich die End-Temperaturen bei hohen Drücken nur geringfügig. Bei 6 bar Bremsdruck ist häufig sogar eine leicht geringere End-Temperatur festzustellen als bei 5bar. * C = 2 µ 1. Messung Kaltbremsung Damit ist der Reibwert immer die Hälfte unseres C* Wertes. Laut Herstellerangaben sollte der Reibwert µ in den Toleranzen von 0,35 < µ < 0,5 liegen. In unserem Fall betrug der Reibbeiwert µ = 0,368. 1. Messung Warmbremsung Der Kennwert bleibt während der Warmbremsung relativ konstant. Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Messung traten kaum Schwankungen innerhalb der Werte auf. Dies begründet sich auf die nicht konstanten Belüftungsmaßnahmen während der Messung. Reibbeiwert bei Ausgangstemperatur 150 C : µ = 0,377 Reibbeiwert bei Ausgangstemperatur 250 C : µ = 0,372
11 5.4 Dauerbremsung Versuchsablauf: Bei diesem Versuch wird der Motor nicht nach dem Beschleunigen ausgekuppelt, sondern er läuft weiterhin auch während der Bremsung mit, um die Drehzahl bei 159 1/min (was 30 km/h entspricht) konstant zu halten. Dies soll das Gefälle von 7 % simulieren. Während des Versuchs wird ständig der Bremsdruck manuell korrigiert. Umdrehungen 175 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600 1700 1800 1900 T [ C] 375 399 425 437 445 450 456 462 468 483 504 529 597 620 634 629 700 600 500 T [ C] 400 300 200 100 0 0 500 1000 1500 2000 Umdrehungen Diagramm zu dem Dauerbremsversuch
12 5.5 Auswertung Dauerbremsversuch Starttemperatur des Versuches war ca. 342 C. Mit dem Start des Versuches stieg die Temperatur erst einmal sprunghaft an, nach ca. 250 Umdrehungen flachte der Anstieg der Kurve ab. Erst als wir die Lüfter bei ca. 1500 Umdrehungen abschalteten stieg die Temperatur wieder stärker an. Die Bremse wurde durch die Dauerbremsung rotglühend. Die höchste gemessene Temperatur war kurz vor Meßende bei 1800 Umdrehungen mit 634 C. Danach kühlte die Bremse wieder leicht ab, da wir den Bremsdruck von Hand ständig nachregeln mußten. Zum Ende hin mußte viel Druckluft abgelassen werden da durch die abgeführte Reibwärme die Luft stark expandiert ist und somit der Druck gestiegen ist. 6. Kritik: Da wir in unserem Versuch mit einer ca. 30 Jahre alten Anlage gearbeitet haben, ließen sich in unseren Messungen Fehler nicht vermeiden. Diese Fehler sind im Speziellen bedingt durch die Regel- und Justiermechanismen der Anlage, welche eine konstante Einstellung von bestimmten Parametern (z.b. Druck) nicht wirklich zuließ. Ganz extrem fiel diese Ungenauigkeit bei der Dauerbremsung auf, wobei wir das entsprechende Bremsmoment durch Regelung des Druckes halten mußten. Dies wurde jedoch erschwert, da die Regelung nur mechanisch durch ein Stellrad erfolgte und nur eine sehr träge und ungenaue Reaktion auf die Nachjustierungen des Stellrades einsetzte(schwankung des erzeugten Momentes um 100Nm). Eine weitere große mögliche Fehlerquelle im Bremsversuch stellte die Ermittlung der Temperaturspitzen dar. Die Temperatur wurde zwar digital angezeigt, aber leider war eine Speicherfunktion des maximalen Wertes nicht vorhanden. Somit war ein korrektes Ablesen der maximalen Temperatur nur durch Beobachten der schnell wechselnden Werte möglich, was jedoch durch die Trägheit des menschlichen Auges stark fehlerbehaftet war. Leider sind wir bei keinem Versuch zu einem feststellbaren Verglasen der Bremsen gekommen. Das Fading-Verhalten der Bremse haben wir daher nicht dokumentieren können.