Braki i zwalniacze: When You Need to Stop

Układ hamulcowy w ciężarówce zbierającej odpady przechodzi niesamowity trening każdego tygodnia w najbardziej surowych warunkach i okolicznościach. Ciężarówka musi utrzymywać normalne funkcje hamowania w warunkach ruchu drogowego, począwszy od autostrady, poprzez ciężki ruch miejski, aż po powtarzające się zatrzymywanie i ruszanie na trasie zbiórki odpadów. Z każdym postojem masa samochodu ciężarowego wzrasta aż do osiągnięcia jego ładowności – przy czym oczekuje się, że charakterystyka hamowania samochodu ciężarowego pozostanie w miarę stała od stanu pustego do pełnego. Jeśli dodać do tego konieczność wykonania nieoczekiwanego panicznego hamowania przed kierowcą, który nagle wjedzie przed ciężarówkę, lub przed dzieckiem na trójkołowym rowerze, które niepostrzeżenie wyjdzie spomiędzy dwóch zaparkowanych samochodów, aby zobaczyć „wielką ciężarówkę”, to mamy do czynienia z systemem, który jest odporny na awarie.

W skrócie, systemy hamowania i zwalniania działają na zasadzie selektywnego oporu stawianego ruchomemu elementowi, albo obracającemu się kołu, albo obracającemu się wałowi, w postaci siły tarcia równej i przeciwnej ruchowi, aż do zatrzymania obiektu. W wyniku działania funkcji hamowania energia zawarta w poruszającym się obiekcie zamienia się w ciepło, które następnie rozprasza się do atmosfery. Układy hamulcowe mają przede wszystkim charakter mechaniczny, natomiast układy zwalniające działają na zasadzie oporu płynu lub sił elektromagnetycznych. Zwalniacze służą do uzupełnienia głównego układu hamulcowego poprzez zmniejszenie siły, jaką musi włożyć główny układ hamulcowy w celu zatrzymania pojazdu.

Podstawowe informacje o układach hamulcowych

W ciężarówce zbierającej śmieci układ hamulcowy składa się z dwóch podsystemów: hamulca roboczego, który jest przeznaczony do obsługi za pomocą pedału nożnego i jest uruchamiany podczas normalnej eksploatacji pojazdu, oraz hamulca postojowego, który jest układem mechanicznym przeznaczonym do utrzymywania hamulców, gdy pojazd jest zaparkowany, a silnik wyłączony. W sytuacjach, w których kierowca musi wielokrotnie opuszczać pojazd podczas postoju, można zastosować hamulec roboczy, który łączy w sobie cechy zarówno hamulca roboczego, jak i postojowego, bez powodowania znacznego zużycia hamulca postojowego uruchamianego sprężyną.

Układy hamulcowe wykorzystują do działania płyn hydrauliczny lub powietrze. Chociaż oba systemy mają odpowiednie zastosowania w różnych pojazdach, podstawowe układy hamulcowe w pojazdach zbierających śmieci są uruchamiane powietrzem. Wymaga to sprężarki do generowania powietrza o odpowiednim ciśnieniu i zbiornika do przechowywania sprężonego powietrza. Powietrze jest następnie uzdatniane w celu usunięcia wilgoci, która może zmniejszyć skuteczność układów hamulcowych. Układ hamulcowy jest często podzielony na obwody, które są zaprojektowane tak, aby zapewnić redundancję systemu. Nadmiarowość ta ma na celu umożliwienie zachowania przez pojazd ponad 50% funkcji hamowania w przypadku awarii obwodu. Każdy obwód ma odpowiedni system zaworów, który rozprowadza powietrze do hamulców fundamentowych na każdym zespole koła.

Systemy hamulców pneumatycznych są dominującą platformą ze względu na ich niezawodność i niższe koszty utrzymania. „System hamulców pneumatycznych jest systemem wybaczającym błędy”, stwierdza Ron Bailey, kierownik ds. sprzedaży technicznej w firmie Bendix Spicer Foundation Brake LLC w Elyria, OH. „Można obsługiwać układ hamulca pneumatycznego z pewną nieszczelnością w układzie i nie dochodzi do utraty układu hamulcowego. Chodzi mi o to, że zarówno układy pneumatyczne, jak i hydrauliczne mają redundancję polegającą na tym, że w przypadku utraty części układu, druga połowa układu działa. Jednak układ pneumatyczny może pracować z niewielkimi nieszczelnościami w układzie i nadal działać, a w przypadku hydraulicznego nie jest to możliwe. Jeśli w układzie hydraulicznym pojawi się nieszczelność, tracimy część układu.”

Komponenty hamulców do ciężarówek zbierających odpady muszą być wytrzymałe, aby zatrzymać ciężkie pojazdy podczas ich codziennych rund. Zgodnie z ruchem wskazówek zegara od góry po lewej stronie znajdują się: pneumatyczny hamulec tarczowy; siłownik zaworu, który wykorzystuje powietrze z hamulców postojowych do utrzymywania pedału nożnego w pozycji włączonej podczas kontroli; oraz sprężarka, która jest wykorzystywana jako źródło energii do ładowania powietrza do układu hamulca pneumatycznego. Z prawej strony technik pracuje nad pneumatycznym hamulcem tarczowym.

Hamulce fundamentowe mogą składać się z hamulców tarczowych lub bębnowych. Większość układów hamulcowych w pojazdach do wywozu śmieci to hamulce bębnowe z krzywką S, które składają się z komory hamulcowej i regulatora luzu obracającego krzywkę w kształcie litery S, która dociska szczęki do bębna, tworząc siłę hamowania. Hamulce tarczowe wykorzystują zacisk do wywierania nacisku przez klocki na wirnik. Hamulce bębnowe naciskają na zewnątrz na powierzchnię bębna, który porusza się równolegle do powierzchni drogi, podczas gdy hamulce tarczowe wywierają nacisk na tarczę obracającą się prostopadle do powierzchni drogi.

Według Bailey’a istnieją pewne charakterystyczne różnice pomiędzy tymi dwoma systemami. „Mniej niż 2% ciężkich pojazdów w Stanach Zjednoczonych posiada powietrzne hamulce tarczowe” – mówi. „Myślę, że głównym tego powodem jest ekonomia. Hamulce tarczowe są generalnie droższe z góry, ale wierzymy, że są płatności w cyklu życia, które zmniejszą ten koszt i sprawią, że pneumatyczne hamulce tarczowe będą bardziej opłacalne dzięki dłuższej żywotności okładzin i łatwiejszej konserwacji. Dla porównania, hamulce bębnowe mają kilka cech, które hamulce tarczowe pokonują. Pierwszą z nich jest stabilność. Może być nawet 30% różnicy z prawej do lewej strony. Hamulce tarczowe z natury mają znacznie większą stabilność – prawdopodobnie mniej niż 10% wahań między hamulcami. Inną kwestią związaną z hamulcami tarczowymi w porównaniu z hamulcami bębnowymi jest to, co nazywamy zanikaniem hamulców, czyli utrata skuteczności hamowania. Wraz ze wzrostem temperatury, hamulce bębnowe z pewnością będą miały spadek skuteczności, ponieważ hamulce się nagrzewają. Zanik skuteczności hamulców bębnowych może wynosić nawet 30% do 40% w przypadku hamulców zimnych i gorących. Hamulce tarczowe mają prawdopodobnie mniej niż 10% zmian w zależności od tego, czy są zimne czy gorące. Praca z odpadami jest uważana za ciężką pracę z hamulcami gorącymi. Widzieliśmy do 60 zatrzymań na milę na śmieci. Hamulce bębnowe nagrzewają się, blakną i zaczynasz tracić skuteczność hamowania, a wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się zużycie okładzin. Hamulce tarczowe są znacznie mniej wrażliwe na te warunki i mogą zaoferować poprawę zużycia okładzin i znacznie szybszy czas obsługi, gdy trzeba wymienić klocki.”

Określenie, który typ układu hamulcowego (tarczowy czy bębnowy) jest odpowiedni dla konkretnego zastosowania, zależy od wielu czynników, mówi John Hall, wiceprezes ds. inżynierii produktu w Webb Wheel Products w Cullman, AL. Niektóre z tych czynników to cykl pracy, nawyki kierowcy, rodzaj ładunku, waga i koszty.

Dzisiaj koszt pneumatycznego hamulca tarczowego jest znacznie wyższy niż koszt hamulca bębnowego. Główną tego przyczyną jest fakt, że komponenty hamulca bębnowego są produkowane w znacznie większych ilościach niż komponenty pneumatycznego hamulca tarczowego. Koszt komponentów jest bardzo wrażliwy na wielkość produkcji. Wraz ze wzrostem ilości komponentów do pneumatycznego hamulca tarczowego, różnica pomiędzy kosztem pneumatycznego hamulca tarczowego a kosztem hamulca bębnowego będzie się zmniejszać.

Poprawa żywotności bębnów hamulcowych

Żywotność zamiennych bębnów hamulcowych może być zwiększona poprzez zaniechanie powszechnej praktyki „rozwiercania” nowego bębna hamulcowego przed oddaniem go do użytku. Obecnie większość producentów bębnów obrabia bęben w jednym uchwycie. Pozwala to na zminimalizowanie bicia pomiędzy średnicą powierzchni hamującej a średnicą pilotażową. Praktyka dalszej obróbki bębna hamulcowego zmniejsza żywotność nowego bębna poprzez zwiększenie jego średnicy powierzchni hamującej. Ponadto, praktyka ta zazwyczaj zwiększa bicie średnicy powierzchni hamującej w stosunku do średnicy pilotażowej, co może przyczynić się do powstawania szczelin cieplnych na powierzchni hamującej. Może to ostatecznie skrócić żywotność bębna.

Zastosowanie bębnów wentylowanych wraz z turbinami hamulcowymi może obniżyć temperaturę pracy bębnów hamulcowych w ciężkich warunkach eksploatacji. Niższe temperatury robocze korelują ze zwiększoną żywotnością bębnów.

Dodanie do układu hamulca roboczego pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie układu hamulcowego, mówi Chuck Eberling, starszy inżynier personalny z Bendix Commercial Vehicle Systems. „Jednym z największych wrogów układu hamulcowego w śmieciarce jest uruchamianie hamulca postojowego podczas rutynowych zatrzymań typu dom-dom” – zauważa. „Dzięki badaniom przeprowadzonym w branży dowiedzieliśmy się, że jest dosłownie niemożliwe, aby układy ładowania, które są zwykle stosowane w tych pojazdach, nadążały za trasą liczącą od 800 do 1200 przystanków, na której kierowca faktycznie uruchamia hamulce postojowe na każdym przystanku. Bardzo ważne jest, aby posiadał on tak zwany hamulec roboczy, który będzie faktycznie wykorzystywał hamulec zasadniczy. W ten sposób trzykrotnie zmniejszy się zużycie powietrza, a tym samym system ładowania będzie miał możliwość nadążania za zapotrzebowaniem. Jeśli system ładowania nie nadąża za zapotrzebowaniem, to nasyci cały system i będzie miał problemy z wewnętrzną korozją, zamarzaniem i tego typu rzeczami.”

Retardery pomagają w hamowaniu

Każdy, kto stał wzdłuż zjazdu z autostrady, gdy ciężka ciężarówka zwalnia, słyszał znajomy warkot systemu zwalniającego silnik. W połączeniu ze zwalniaczami układu napędowego i skrzyni biegów, mają one na celu wspomaganie istniejącego układu hamulcowego poprzez przekształcanie energii generowanej przez układ napędowy pojazdu w układ hamulcowy.

Gdy przepustnica ciężarówki jest wciśnięta, silnik przyspiesza, ponieważ paliwo jest przepychane przez cylindry i zapalane, tworząc pracę. Gdy przepustnica jest zwalniana, silnik pracuje na biegu jałowym. Zwalniacz silnika przechwytuje spaliny z silnika i spręża je tak, że silnik musi pracować ciężej, aby wypchnąć gaz z cylindrów, a zatem opóźnia i spowalnia silnik poprzez opór. Powoduje to, że pojazd zwalnia, wymagając mniejszej siły hamowania na hamulcach roboczych, aby zatrzymać pojazd.

Zwalniacze skrzyni biegów pełnią podobną funkcję, ponieważ spowalniają siły obrotowe układu napędowego poprzez tworzenie oporu w skrzyni biegów. Steve Spurlin, główny inżynier w firmie Allison Transmissions w Indianapolis, IN, opisuje działanie tego systemu: „Retarder składa się z łopatkowego elementu obrotowego zwanego wirnikiem. Po obu stronach wirnika znajdują się elementy łopatkowe, które się nie obracają, zwane stojanami. Przestrzeń pomiędzy wirnikiem a stojanami jest wypełniona olejem pod ciśnieniem. Wirnik jest połączony wielowypustem z wałem wyjściowym skrzyni biegów. Olej pod ciśnieniem pracujący pomiędzy wirnikiem a stojanem spowalnia pojazd, gdy operator zażąda opóźnienia. Zwalniacz pompuje olej do około 60 galonów na minutę i pobiera go z normalnego źródła oleju przekładniowego.”

Zwalniacze układu napędowego są instalowane między przekładnią a tylną częścią ciężarówki i wykorzystują energię elektromagnetyczną do przeciwdziałania energii w obracającym się układzie napędowym, podobnie jak silnik elektryczny. „Na rynku śmieciarek są one kupowane głównie w celu wydłużenia żywotności hamulców” – mówi Joe Gawlik, regionalny kierownik sprzedaży w firmie Telma Inc. z Elk Grove Village, IL, będącej spółką zależną Valeo Group. „Biorąc pod uwagę ilość prac związanych z hamulcami, które są wykonywane na rynku śmieciowym, system ten pozwoli na wydłużenie żywotności hamulców i związanych z tym wydatków na hamulce, jak również żywotności opon. Stojan jest przykręcony do szyny ramy i jest nieruchomy. Gdy zwalniacz jest aktywowany, powstaje pole elektromagnetyczne wykorzystujące prądy wirowe, które spowalnia obrót tych wirników, co oznacza, że spowalniasz samochód ciężarowy bez użycia hamulców”. Według Johna Gillespie, dyrektora generalnego firmy Telma, „Żadna inna technologia hamowania pomocniczego nie jest tak dobrze dostosowana do branży śmieciowej jak elektromagnetyczna. Zaobserwowaliśmy nawet pięciokrotne wydłużenie żywotności hamulców i zmniejszenie liczby awarii opon spowodowanych wysoką temperaturą przy zastosowaniu tej technologii.”

Według Spurlina istnieją dwa powody, dla których warto mieć jakikolwiek rodzaj zwalniacza w pojeździe zbierającym odpady. „Jednym z nich jest kontrola prędkości na pochyłościach, co nie jest celem pojazdu zbierającego śmieci” – mówi. „Drugim celem jest zapewnienie dodatkowego hamowania pojazdu, które w rzeczywistości może pomóc w oszczędzaniu normalnych hamulców roboczych, aby przedłużyć żywotność hamulców. Najbardziej rozpowszechnioną korzyścią jest praca w trybie stop/start, jak w przypadku śmieciarki. W normalnym mieszkalnym wywozie śmieci, czy to sideloader, rearloader, czy nawet frontloader, kiedy wykonują pracę z niską prędkością, nie uzyskasz wiele korzyści z jakiegokolwiek rodzaju zwalniacza, ponieważ pracujesz z niską prędkością. Energia hamowania, którą wkładasz w hamulce robocze jest bardzo mała, ponieważ prędkość jest niska. Ale każda z tych ciężarówek wyjeżdża poza okolicę. Poruszają się w normalnym ruchu ulicznym, a w większości przypadków wyjeżdżają na autostradę kilka razy dziennie z dużą prędkością na wysypiska lub do stacji transferowych. Zyskałyby one korzyści z zastosowania zwalniacza w postaci oszczędności na hamulcach, ponieważ poruszają się teraz z większymi prędkościami i w hamulcach roboczych jest więcej energii hamowania. Jeśli zwalniacz może pochłonąć tę energię w porównaniu z hamulcami roboczymi, to w ten sposób można wydłużyć żywotność hamulców.”

Aktywację systemów zwalniania można ustawić w oparciu o potrzeby systemu operacyjnego. „Kierowcy i firmy mają wybór, jak chcą, aby system był skonfigurowany” – mówi Gawlik. „Większość jednostek, które trafiają na rynek śmieci, jest wyposażona w sterowanie nożne, co oznacza, że gdy tylko kierowca naciska hamulec, zwalniacz jest aktywowany w czterech różnych etapach z 25% na każdy etap. Jest on aktywowany za pomocą przełącznika ciśnienia powietrza i jest aktywowany przy 3, 5, 7 i 10 funtach powietrza w przewodach hamulcowych. To jest najbardziej popularna opcja na rynku odpadów. Istnieją jednak inne opcje, takie jak sterowanie poza przepustnicą. Kilka firm śmieciarki wybrać tę opcję, gdzie około 25% lub 50% mocy jest aktywowany, jak tylko pedał gazu jest zwolniony, z dodatkowych etapów jest aktywowany z pedału hamulca. Jak tylko zwolnisz pedał gazu, bum, masz 50% zwalniacza działającego natychmiast.”

Przyszłe systemy

Obecnie wszystkie systemy hamulcowe muszą spełniać lub przekraczać wymagania National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), aby być w stanie zatrzymać pojazd klasy 8 w odległości 355 stóp z prędkości 60 mil na godzinę. NHTSA prowadzi obecnie dziewięcioetapowy program mający na celu zmniejszenie liczby ofiar śmiertelnych w pojazdach ciężarowych o 50% do roku 2010. „W jednym z głównych wysiłków planowana jest redukcja tego wymogu odległości zatrzymania z obecnych 355 stóp do 248 stóp” – mówi Bailey. „Hamulce bębnowe mogą być w stanie osiągnąć ten poziom, ale czynnik skuteczności zaczyna być brany pod uwagę, gdy zaczynamy montować większe hamulce bębnowe na przednich osiach. Hamulce tarczowe sobie z tym poradzą. Mamy informacje, które pokazują, że droga hamowania typowego ciągnika z hamulcami tarczowymi może wynosić od 185 do 215 stóp.”

Ponieważ aktywacja układów hamulcowych może powodować problemy ze stabilnością i obsługą, zwłaszcza w trudnych warunkach pogodowych lub w przypadku zastosowań wymagających gwałtownego hamowania, przyszłe układy będą zawierać takie funkcje jak kontrola stabilności i bardziej zaawansowane zautomatyzowane układy hamulcowe. „Zaawansowane systemy, o których mówimy, są w rzeczywistości tymi, które można znaleźć bardziej rozpowszechnione w pełnym elektronicznym układzie hamulcowym, który jest dość powszechny w Europie” – mówi Eberling. „Jednak ze względu na brak krótszej drogi hamowania i koszty związane z posiadaniem w pełni elektronicznego układu hamulcowego z pneumatyczną redundancją wymaganą przez prawo, to co zrobiliśmy, to włączenie zaawansowanych funkcji w pełni elektronicznego układu hamulcowego do obecnej platformy układu przeciwblokującego. Uważamy, że nasz system jest na tyle zaawansowany, że nie ma realnej wartości dla w pełni elektronicznego układu hamulcowego.”