Δυναμική ανάλυση οχημάτων Θ Χόνδρος

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1. 1.1 Το αυτοκινούμενο όχημα, Εισαγωγή 1.1 1.2 Οι αναμενόμενες εξελίξεις στο αυτοκίνητο 1.1 1.3 Σχεδίαση και κατασκευή με τη βοήθεια υπολογιστών 1.4 1.4 Σχεδίαση και έλεγχος της παραγωγής με υπολογιστές 1.6 1.5 Ολοκληρωμένη παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστών 1.9 Κεφάλαιο 2. 2.1 Πλαίσια οχημάτων, Εισαγωγή 2.3 2.2 Πλαίσια οχημάτων 2.19 2.3 Φόρτιση πλαισίων 2.28 2.4 Κατασκευή πλαισίων 2.41 2.5 Σχεδιασμός αυτοκινήτου με Η/Υ 2.49 2.6 Σχεδίαση αυτοκινήτου με Autocad 2.60 2.7 Computer Aided Chasis Design [CACD] 2.63 Κεφάλαιο 3. 3 Αμαξώματα οχημάτων, Εισαγωγή 3.1 3.1 Σχεδίαση αμαξώματος σε AUTOCAD 3.1 3.2 Αναλυτική διαδικασία 3.3 3.3 Χρώματα 3.30 3.4 Τροχοί 3.30 3.5 Σκίαση (Autoshading) 3.32 Κεφάλαιο 4. 4.1 Πέδηση, Εισαγωγή 4.3 4.2 Δυναμική της Πέδησης 4.6 4.3 Μέθοδοι πέδησης 4.24 4.4 Μηχανισμοί Φρένων 4.27 4.5 Ταξινόμηση συστημάτων πέδησης 4.32 4.6 Εξοπλισμός Συστήματος Πέδησης Επιβατικών Αυτοκινήτων 4.37 4.7 Εξοπλισμός Συστήματος Πέδησης Φορτηγών Αυτοκινήτων 4.47 4.8 Antilock Braking (ABS) 4.66 Κεφάλαιο 5. 5.1 Αναρτήσεις οχημάτων. Εισαγωγή 5.1 5.2 Πηγές διέγερσης ταλαντώσεων στα οχήματα 5.9 5.3 Εξομάλυνση της κίνησης ενός μηχανοκίνητου οχήματος 5.17

iii

5.4 Σύγχρονες τάσεις στα συστήματα αναρτήσεων 5.62 5.5 Μελέτη και υπολογισμός των αναρτήσεων ενός ηλεκτροκίνητου

οχήματος. 5.67

Κεφάλαιο 6. 6.1 Σύστημα Διεύθυνσης. Εισαγωγή 6.1 6.2 Ευστάθεια και κατευθυντικότητα οχημάτων στην εγκάρσια

διεύθυνση 6.3

6.3 Μελέτη της μεταβατικής συμπεριφοράς οχήματος κατά την είσοδο σε στροφή

6.72

6.4 Ανάλυση του συστήματος διεύθυνσης 6.89 6.5 Θεωρητική ανάλυση των ταλαντώσεων ενός οχήματος κατά τη

διάρκεια της κίνησής του 6.115

Κεφάλαιο 7. 7.1 Έγκριση τύπου οχημάτων 7.1 7.2.1 Ύψος αμαξωμάτων ανατρεπόμενων φορτηγών 7.8 7.3 Αγροτικά μηχανήματα 7.9 7.4 Διαστάσεις και βάρη οχημάτων 7.10 7.5 Έλξη οχημάτων 7.12 7.6 Τροχοπέδηση οχημάτων 7.16 7.7 Ωφέλιμο φορτίο αυτοκινήτων οχημάτων 7.19 7.8 Διακίνηση ειδικών προϊόντων. 7.26 Υπόδειγμα Α Τεχνικό υπόδειγμα για την έγκριση τύπου

επιβατηγών αυτοκινήτων και επιβατηγών μοτοσυκλετών

7.27

Υπόδειγμα Β Τεχνικό υπόμνημα για την έγκριση τύπου ρυμουλκού ή φορτηγού αυτοκινήτου (Μετά ή άνευ αμαξώματος).

7.28

Υπόδειγμα Γ Τεχνικό υπόμνημα για την έγκριση τύπου ρυμουλκούμενου ή ημιρυμουλκούμενου οχήματος.

7.30

Υπόδειγμα Δ Τεχνικό υπόμνημα για την έγκριση τύπου λεωφορείου.

7.32

Κεφάλαιο 8. 8.1 Υπολογισμός ταχύτητας σύγκρουσης οχήματος. 8.1 8.2 Υπολογισμός ενέργειας παραμόρφωσης του χαμένου οχήματος. 8.4 8.3 Υπολογισμός ταχύτητας δίκυκλου κατά την πέδηση. 8.9 8.4 Περιγραφή προγράμματος ανάλυσης ατυχημάτων. 8.12 8.5 Τεχνική εξέταση τροχαίων ατυχημάτων, πραγματογνωμοσύνες. 8.12

iv

v

Κεφάλαιο 9. 9.1 Κινητήρες αυτοκινήτων. Εισαγωγή. 9.1 9.2 Γενικά χαρακτηριστικά των μηχανών εσωτερικής καύσης. 9.3 9.3 Κινητήρας OTTO. 9.10 9.4 Ο κινητήρας DIESEL. 9.13 9.5 Ο κινητήρας WAΝKEL. 9.22 9.6 Στροβιλοκινητήρας. 9.26 9.7 Ανάφλεξη. 9.27 9.8 Τύποι συστημάτων ανάφλεξης. 9.33 9.9 Γενικά χαρακτηριστικά συστημάτων ψεκασμού. 9.45 9.10 Ψεκασμός σε βενζινοκινητήρες. 9.57 9.11 Καταλύτες. 9.71 9.12 Κινητήρες φτωχού μείγματος. 9.76 9.13 Όρια εκπομπών ρύπων. 9.78 Κεφάλαιο 10. 10.1 Ελαστικά. Δυνάμεις και ροπές. 10.3 10.2 Αντίσταση κύλισης των ελαστικών. 10.5 10.3 Σχέση μεταξύ επιτάχυνσης-επιβράδυνσης και ολίσθησης των

ελαστικών. 10.11

10.4 Γωνιακές ιδιότητες των ελαστικών. 10.19 10.5 Συμπεριφορά των ελαστικών σε βρεγμένες επιφάνειες. 10.36 10.6 Λειτουργικές ιδιότητες των ελαστικών. 10.41 Κεφάλαιο 11. 11. Εισαγωγή στη δυναμική της κίνησης οχημάτων 11.3 11.1 Διατύπωση της εξίσωσης κίνησης του οχήματος 11.5 11.2 Συμπληρωματικά στοιχεία για την κίνηση του οχήματος:

επιτάχυνση, ελεύθερη κύλιση. 11.52

11.3 Ανάπτυξη προγράμματος για την βελτιστοποίηση της μονάδας ισχύος

11.60

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Στοιχεία Κίνησης και Ταλαντώσεων (SAE 16)

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1

ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ

1.1 Η μηχανοκίνητη μεταφορά

Η μηχανοκίνητη μεταφορά, αν και ήταν ένα παλιό όνειρο του ανθρώπου, δεν μπόρεσε να πραγματοποιηθεί ως το ξέσπασμα της βιομηχανικής επανάστασης που έγινε στα μέσα του 19ου αιώνα. Στην περίοδο αυτή, παρουσιάστηκαν επαναστατικές μηχανολογικές τεχνικές με αποτέλεσμα το όνειρο αυτό να γίνει πραγματικότητα. Μέχρι τότε το ιππήλατο αμάξι ήταν το διαδεδομένο μέσο μεταφοράς. Ο συνδυασμός αλόγου - αμαξιού ήταν πολύ ικανοποιητικός στην εμφάνιση. Το άλογο έδινε την ισχύ κίνησης και το αμάξι με τα χρόνια συνεχούς εξέλιξης έγινε ελαφρό, ανθεκτικό και όμορφο, Σχήμα 1.1.

Σχήμα 1.1. Γύρω στα 1880

Σαν τα αμάξια της εποχής το ποδήλατο δίνει την αίσθηση της ελαφριάς κατασκευής και δύναμης. Σε αντίθεση με το αμάξι είναι μηχανισμός. Χωρίς φτερά και κάλυμμα της αλυσίδας το ποδήλατο του 1890 προβάλλει το μηχανισμό κίνησής του, τα πεντάλ, τις οδοντωτές τροχαλίες και την αλυσίδα, Σχήμα 1.2. Ο μεταλλικός σωληνωτός σκελετός του προετοιμάζει τους ανθρώπους για το πέρασμα στην εποχή των μηχανών. Ένα χαρακτηριστικό του ποδηλάτου που δεν βρίσκει

2 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ εφαρμογή στα αμάξια είναι οι τροχοί με συρμάτινες ακτίνες και πνευματικά ελαστικά. Η επίδραση του ποδηλάτου στην εξέλιξη των αμαξιών αλλά και των πρώτων αυτοκινήτων είναι εμφανής. Το ποδήλατο εξελίσσεται πολύ γρήγορα στις δεκαετίες 1870 και 1880 και οι τεχνολογικές λύσεις που υϊοθετούνται από τους κατασκευαστές αμαξιών και αυτοκινήτων φαίνονται στους τροχούς με ακτίνες, τα σωληνωτά πλαίσια, τα ελαφρά αμαξώματα κ.α.

Σχήμα 1.2. Ποδήλατο του 1892 (Royal Bicycle) και αυτοκίνητο του 1897 (De Dion). Μια μεγάλη καινοτομία ήταν η ανακάλυψη της μηχανής εσωτερικής καύσης και

η εφαρμογή της στο αυτοκινούμενο όχημα δρόμου του Karl Benz, το 1885, που συνετέλεσε στο να αποκτήσει το αυτοκίνητο πρακτική εφαρμογή. Προηγούμενα, 100 περίπου χρόνια νωρίτερα, είχαν κατασκευαστεί διάφορα ατμοκίνητα οχήματα με μικρότερη όμως επιτυχία. Επίσης, αντίθετα με ό,τι πιστεύεται, έγιναν και προσπάθειες κατασκευής ηλεκτροκίνητων οχημάτων αρκετά πριν ανακαλυφθούν οι μηχανές εσωτερικής καύσης. Χαρακτηριστική είναι η προσπάθεια του Σκοτσέζου Robert Davidson, ο οποίος κατασκεύασε το 1837 ένα ηλεκτρικό όχημα που έπαιρνε κίνηση από ένα πολύ απλό ηλεκτροκινητήρα, τον οποίο τροφοδοτούσε μια μπαταρία σιδήρου- ψευδαργύρου.

Η εξέλιξη του κινητήρα εσωτερικής καύσης μείωσε την έκταση και το ενδιαφέρον για αυτοκίνηση με άλλες μορφές κινητήρων. Μέσα στα επόμενα χρόνια, το αυτοκίνητο αποτέλεσε μια γρήγορα εξελισσόμενη μηχανή που έφθασε να περιλαμβάνει πάνω από 20.000 μηχανικά μέρη, τα οποία συνεργάζονταν αρμονικά μεταξύ τους, για την εξασφάλιση αξιόλογης και αξιόπιστης μεταφορικής ικανότητας. Η τεράστια αυτή ανάπτυξη, είχε σαν αποτέλεσμα πολλές διαφοροποιήσεις στο σχεδιασμό του αυτοκινήτου από κατασκευαστική πλευρά, εξωτερική μορφή αλλά και τη χρήση του, σαν μέσο μεταφοράς, εργαλείο δουλειάς ή ακόμα και σαν μέσο διασκέδασης και αναψυχής. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας βελτίωσε το αυτοκίνητο στους τομείς της άνεσης, της ασφάλειας, της οδικής συμπεριφοράς και των επιδόσεων.

1.2 Οχήματα του προηγούμενου αιώνα Το πρώτο μηχανοκίνητο όχημα κατασκευάστηκε το 1769 από τον Nicholas

Joseph Cugnot, Γάλλο αξιωματικό του πυροβολικού, ήταν ατμοκίνητο και θεωρείται

ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 3

ο πρόγονος του σημερινού αυτοκινήτου, Σχήμα 1.3. Μετέφερε 4 άτομα με ταχύτητα 2,25 μίλια ανά ώρα. Όταν αναποδογύρισε στρίβοντας με αυτή την ταχύτητα στους δρόμους του Παρισιού ο Cugnot βρέθηκε στη φυλακή επειδή έβαλε σε κίνδυνο τον πληθυσμό της πόλης.

Σχήμα 1.3. Το πρώτο ατμοκίνητο όχημα, φτιαγμένο το 1769 από τον Cugnot. Το πρώτο αυτοκίνητο που εμφανίσθηκε στην αγορά ήταν ηλεκτρικό και έκανε

την εμφάνιση του το 1881 κατασκευασμένο από την εταιρία Paris Omnibus, αφού προηγουμένως είχαν ανακαλυφθεί οι μπαταρίες μολύβδου - οξέως. Ανάλογα ηλεκτρικά αυτοκίνητα συνεχίζουν να παράγονται για αρκετά χρόνια μετά. Το 1876, ο Γερμανός Nikolaus Otto ανακαλύπτει την πρώτη τετράχρονη μηχανή εσωτερικής καύσεως, μετά από πολύχρονη πειραματική εργασία. Συνεχίζοντας την εργασία του Otto, αλλά εργαζόμενοι ανεξάρτητα, ο Karl Benz και ο Gottlied Daimler παρήγαγαν τα πρώτα, σε παγκόσμια κλίμακα, αυτοκίνητα με μηχανές εσωτερικής καύσης. Το αυτοκίνητο του Benz παρουσιάστηκε το 1885 και ήταν ένα τρίτροχο όχημα με σωληνωτό ατσάλινο πλαίσιο και ανοιχτό ξύλινο αμάξωμα με δύο καθίσματα για τους επιβάτες, Σχήμα 1.4. Ο μπροστινός τροχός κατευθυνόταν από ένα πηδάλιο που έπαιξε το ρόλο του τιμονιού, ενώ την κίνηση έπαιρναν οι δύο οπίσθιοι τροχοί μέσω αλυσίδας. Ο κινητήρας ήταν εμβολοφόρος, μονοκύλινδρος, τετράχρονος που έκαιγε βενζίνη και λειτουργούσε με βάση το θερμοδυναμικό κύκλο του Otto. Είχε ηλεκτρική ανάφλεξη, ήταν υδρόψυκτος και είχε τοποθετηθεί οριζόντια πάνω από τον άξονα των πίσω τροχών. Η ιπποδύναμή του ήταν 0.5 HP στις 250 - 300 στροφές ανά λεπτό και έδινε στο όχημα ταχύτητα 13 ως 16 χιλιομέτρων την ώρα.

4 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ

Σχήμα 1.4. Το αυτοκίνητο του Benz και ο Daimler με το αυτοκίνητό του. Το όχημα του Daimler κατασκευάστηκε το 1886 και ήταν το πρώτο τετράτροχο

αυτοκίνητο με μηχανή εσωτερικής καύσης (Σχήμα 1.4). Έπαιρνε κίνηση από ένα εγκάρσια τοποθετημένο εμβολοφόρο τετράχρονο μονοκύλινδρο κινητήρα, ο οποίος ήταν τοποθετημένος κατακόρυφα. Ο κινητήρας αυτός παρήγαγε ισχύ 1.5 HP στις 900 RPM. Aνάμεσα στις σημαντικότερες βελτιώσεις που έγιναν την εποχή πριν το 1900 και αφορούσαν στο γενικότερο σχεδιασμό του αυτοκινήτου, μπορούμε να διακρίνουμε την εισαγωγή του εξαερωτήρα (carburateur) με πλωτήρα (floater) από τον Maybach, το 1892, το τιμόνι, όπως το γνωρίζουμε στη σημερινή του μορφή σαν τροχό από τον Vacheron το 1894, τα ελαστικά με αέρα από τους αδελφούς Michelin, τον άξονα μετάδοσης κίνησης του Lanchester το 1895, την εφαρμογή πολλών κυλίνδρων σε μια μηχανή από τον Mors (4 κύλινδροι σε διάταξη V) ή από τον Daimler (4 σε σειρά) καθώς και τον σύνδεσμο τύπου σταυρού (cardan shaft) για την μετάδοση της κίνησης από τον διαμήκη άξονα κινήσεως στους άξονες των τροχών, από τον Renault. Κατά την πρώτη αυτή περίοδο της ζωής του αυτοκινήτου, τα μηχανικά τμήματα τοποθετούνται οπουδήποτε. Συνήθως προσαρμόζονταν γύρω από ένα υποτυπώδες, απογυμνωμένο πλαίσιο που έφερε και τα καθίσματα. Στα Σχήματα 1.5 και 1.6 φαίνονται τυπικά αυτοκίνητα της εποχής αυτής.

Στην εποχή πριν το 1900 δεν γίνεται καμιά προσπάθεια να δοθεί ενιαίο σχήμα στα αυτοκίνητα. Κρύβονται επιμελώς τα μηχανικά εξαρτήματα και τα οχήματα είναι ελαφρά και φαίνονται έτοιμα να υποδεχθούν το άλογο όπως τα παλιά αμάξια. Στο Winton του 1897 που αποτελεί τυπικό δείγμα αμερικανικού αυτοκινήτου φαίνεται ότι το βάρος έχει συγκεντρωθεί στον πίσω άξονα. Το φαινόμενο δεν είναι μόνο οπτικό αλλά και πραγματικό αφού τα 5/6 του βάρους τα φέρει ο πίσω άξονας. Η δυναμική των αυτοκινήτων ήταν άγνωστη ακόμα και παρά το ότι η συγκέντρωση του φορτίου πίσω έδινε καλά χαρακτηριστικά ελκτικής πρόσφυσης των τροχών, η οδήγηση του αυτοκινήτου ήταν μια οδυνηρή περιπέτεια. Μέχρι το 1900 τα αυτοκίνητα στην Αμερική οδηγούνται με τη βοήθεια μοχλού. Αργότερα ακολουθούν την ευρωπαϊκή αντίληψη για το τιμόνι που ξέρουμε σήμερα.


Σχήμα 1.5. Duryea 1893 και Haynes-Apperson 1894 πάνω

και Panhard-Levassor 1895 κάτω.

Σχήμα 1.6. Hertel του 1895 και Winton του 1897 επάνω

Columbia Electric Victoria του 1899 και Locomobile του1900 κάτω.

6 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ 1.3 Η εποχή της μαζικής παραγωγής - από το 1900 μέχρι το 1927

Από το 1900 και μετά στις περισσότερες βιομηχανικές χώρες εμφανίζονται διάφοροι σχεδιασμοί αυτοκινήτων και στα επόμενα χρόνια πραγματοποιούνται πολλές και σημαντικές καινοτομίες. Το αυτοκίνητο αρχίζει και καθιερώνεται σαν πρακτικός και αποτελεσματικός τρόπος μεταφοράς. Πρέπει να σημειωθεί η μεγάλη αναλογία ηλεκτρικών αυτοκινήτων που κυκλοφορούσαν εκείνη την εποχή, ειδικά στις μεγάλες πόλεις, με σημαντικές μάλιστα επιδόσεις. Το 1902 ο Αμερικανός Charles Baker δημιούργησε ρεκόρ ταχύτητας με 137 km/h. Η γρήγορη όμως εξέλιξη των μηχανών εσωτερικής καύσης αποτέλεσε τροχοπέδη στην ανάπτυξη των ηλεκτροκινητήρων που έδειξαν ότι δεν μπορούν να τις συναγωνιστούν σε ταχύτητα, επιτάχυνση και ακτίνα δράσης.

Σχήμα 1.7. Ηλεκτροκίνητο ταξί Bersey και ηλεκτρικό όχημα De Kruger, (Bullet),

140 km/h.

Η εργασία δύο Γάλλων, του Georges Bouton και του Albert de Dion, οδηγεί στην ανάπτυξη ελαφρών κινητήρων εσωτερικής καύσης με μεγάλη ταχύτητα περιστροφής. Οι συνεχείς βελτιώσεις στο σχεδιασμό - που αφορούσε σ' αυτή τη φάση κυρίως τον κινητήρα - οδήγησαν στην αύξηση των ταχυτήτων των αυτοκινήτων και έδωσαν ισχυρή ώθηση στην εξέλιξη των συστημάτων πέδησης και μετάδοσης της κίνησης. Τα πρώτα φρένα, για παράδειγμα, ήταν τα ίδια με αυτά των ποδηλάτων ή των φρένων που χρησιμοποιούνταν σε άμαξες με άλογα. 'Όμως ο Herbert Frood το 1908 εφευρίσκει ένα τύπο φρένου με επένδυση αμιάντου, το οποίο ήταν περισσότερο αποτελεσματικό απ' αυτά με βαμβακερές επενδύσεις που χρησιμοποιούνταν μέχρι τότε. Παράλληλα, το 1902, ο Frederick Lanchester ανακαλύπτει το δισκόφρενο, ενώ το 1903 η Mercedes (πρώην Daimler) εφαρμόζει ένα σύστημα φρένου με εσωτερικά διαστελλόμενα πέλματα στο εσωτερικό ενός τυμπάνου. Η Ιταλική εταιρία Isetta-Frachini, το 1911, χρησιμοποιεί σύστημα φρένου εφαρμοζόμενο και στους 4 τροχούς για πρώτη φορά. Επίσης, το 1920 εμφανίζεται το πρώτο υδραυλικό σύστημα φρένων. Σ' αυτά τα χρόνια (1900 - 1920), παρουσιάζονται πολλές καινοτομίες όπως η αυτόματη μετάδοση κίνησης, η ανάφλεξη με πολλαπλασιαστή και διανομέα, η μίζα, ο συσσωρευτής, κλπ.

Όσον αφορά στην κατασκευή των πλαισίων των αυτοκινήτων μέχρι τον πρώτο παγκόσμιο πόλεμο, η τεχνολογία ελάχιστα είχε αναπτυχθεί και δεν είχε γίνει αντιληπτή ακόμα η μεγάλη σπουδαιότητά τους. Τα πλαίσια ως τότε ήταν απλά κατασκευές που χρησίμευαν μόνο για την στήριξη των διαφόρων εξαρτημάτων και


μηχανισμών και φυσικά δεν γινόταν λόγος για θέματα ασφάλειας. Αυτό ήταν συνέπεια και των μικρών επιδόσεων των αυτοκινήτων αλλά και των μικρών απαιτήσεων που είχαν τόσο οι κατασκευαστές, όσο και οι αγοραστές. Όμως κατά την διάρκεια της πρώτης δεκαετίας του 1900 παρατηρείται μία τυποποίηση της μηχανικής διάταξης των αυτοκινήτων: Άρχισε να τοποθετείται μπροστά ο κινητήρας, πίσω η κίνηση και στο κέντρο υπήρχαν τα καθίσματα (Σχήμα 1.8). Ετσι εξασφαλίζεται μια συμβολική υποκατάσταση του αλόγου από τον κινητήρα που σέρνει το υπόλοιπο αμάξωμα. Σε αντίθεση με την Αμερική όπου όλα τα μηχανικά εξαρτήματα είναι εμφανή, στην Ευρώπη η εξέλιξη του αυτοκινήτου ακολουθεί διαφορετικό δρόμο. Η Γαλλία είναι αναμφισβήτητα πρωτοπόρος στο σχεδιασμό αυτοκινήτων στα 1890 και ο διασημότερος σχεδιαστής είναι ο Εμίλ Λεβασσώ (Emille Levassor). To 1891 o Λεβασσώ είχε την ιδέα να τοποθετήσει τον κινητήρα εμπρός εγκάρσια στο πλαίσιο και να μεταδώσει την κίνηση στον πίσω άξονα μέσω ενός διαμήκους κεντρικού άξονα στο μέσο του πλαισίου.

Σχήμα 1.8. Creanche, 1900

Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα πρώτα αυτά χρόνια για την κατασκευή των

πλαισίων, ήταν το ξύλο (φανερή η επιρροή στο υλικό αλλά και στον τρόπο κατασκευής των αμαξιών με άλογα) το οποίο αντικαταστάθηκε σταδιακά από χάλυβα. Η όλη κατασκευή ανήκε στον τύπο που σήμερα χαρακτηρίζουμε φέρον πλαίσιο, ήταν δηλαδή ανεξάρτητη και επιπλέον αρκετά βαριά. Στον τομέα των αναρτήσεων δεν είχε γίνει καμιά σημαντική πρόοδος. Τα πρώτα αυτοκίνητα χρησιμοποιούσαν έναν απλό, στιβαρό άξονα, σταθερά προσκολλημένο στο πλαίσιο, ο οποίος είχε ένα τροχό σε κάθε άκρη του. Η πρώτη ανάρτηση ήταν ένα σύστημα με πεπλατυσμένα ελατήρια (φύλλα σούστας) που, αρκετά εξελιγμένο βέβαια, χρησιμοποιείται ως τις μέρες μας. Τα ελαστικά μέχρι το 1920 περίπου, ήταν στενά και απαιτούσαν υψηλές πιέσεις αέρα.

Οι αγώνες αυτοκινήτων γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς. Στο Σχήμα 1.9 φαίνονται μερικά αντιπροσωπευτικά δείγματα τέτοιων αυτοκινήτων. Οι αγώνες

8 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ αυτοκινήτων στην Ευρώπη γίνονται αφορμή για την αλλαγή των προτιμήσεων των Αμερικανών. Τα αμερικάνικα αυτοκίνητα αυτή την εποχή είναι μικρά και απλούστερα των ευρωπαϊκών. Επιπλέον, οι αμερικανοί κριτικοί μέσω του ειδικού τύπου (The Horseless Αge 16 Μαΐου 1900) περιγράφουν τα γαλλικά αυτοκίνητα σαν …απροκάλυπτα άσχημα…, γεμάτα μηχανισμούς… δύσκολα στην χρήση τους… κτλ. Η αλλαγή στις προτιμήσεις των Αμερικανών φαίνεται μετά το ράλι Gordon - Bennett στα 1900 στη διαδρομή Παρίσι - Λυών 610 χιλιόμετρα. Ο νικητής του αγώνα Charron οδήγησε την Panhard-Levassor με μέση ταχύτητα 66,8 χλμ/ωρα. Η μέγιστη ταχύτητα που μπορούσε να πετύχει ήταν 120-130 χλμ/ωρα αλλά στη διαδρομή άλλαξε ένδεκα φορές λάστιχο. Αν αναλογισθεί κανείς ότι αυτές τις ταχύτητες ανέπτυσσαν σε άσχημα οδοστρώματα με ασταθή αυτοκίνητα και υποτυπώδη φρένα, με τα σημερινά δεδομένα φαντάζουν άθλος. Το 1902 γίνεται το ράλι Παρίσι-Βιέννη, το 1903 Παρίσι-Μαδρίτη. Οι ταχύτητες αυξάνουν κάθε χρόνο και οι θεατές συνωστίζονται κατά χιλιάδες στο μήκος της διαδρομής με κίνδυνο της ζωής τους για να θαυμάσουν αυτές τις περίεργες θορυβώδεις μηχανές που βγάζουν πυκνούς καπνούς και μυρίζουν καμένο λάδι. Τα αυτοκίνητα που κερδίζουν είναι Mors, Panhard-Levassor, Napier, Renault και De Dietrich.

Σχήμα 1.9. Αυτοκίνητα αγώνων Panhard -Levassor 1900 και Mors 1901

Τα νέα από τους αγώνες αυτούς φθάνουν στην Αμερική και τα αυτοκίνητα αυτά

γίνονται το όνειρο κάθε Αμερικανού. Όμως το αγωνιστικό αυτοκίνητο της εποχής δεν διαθέτει ούτε χώρο ούτε ανέσεις για χρήση στο δρόμο. Δημιουργείται έτσι το νέο σχήμα σαν αυτό της Mercedes του 1901 που φαίνεται στο Σχήμα 1.10 με την


προσθήκη ενός χώρου επιβατών πίσω με άνοιγμα στο πίσω μέρος. Το μοντέλο αυτό ήταν το πρώτο αυτοκίνητο με χαμηλό κέντρο βάρους (μόλις μπορούσε να κινηθεί στους χειρότερους από τους ευρωπαϊκούς αμερικανικούς δρόμους) και θα αποδειχθεί η πραγματοποίηση του ονείρου για τους λάτρεις της οδήγησης.

Σχήμα 1.10. Mercedes 1901 35 hp

Παρά τις υψηλές τιμές τα ευρωπαϊκά αυτοκίνητα πωλούνται στην Αμερική. Οι Αμερικανοί σχεδιαστές δεν αντιλαμβάνονται τις προτιμήσεις του κοινού ακριβώς και αντιγράφουν τα πιο συντηρητικά ευρωπαϊκά μοντέλα κάνοντας μικρά αυτοκίνητα. Το Columbia του 1901 είναι μια προσεκτική αντιγραφή του γαλλικού Creanche ενώ και το Ford Model A του 1903 είναι παρόμοιο Σχήμα 1.11. Στη συνέχεια ο σχεδιασμός αλλάζει προς μεγαλύτερα αυτοκίνητα Σχήματα 1.12 και 1.13.

Σχήμα 1.11. Columbia του 1901 και Ford Model A του 1903


Σχήμα 1.12. Autocar και Packard του 1903

Στα περισσότερα αυτοκίνητα το πίσω τμήμα του αμαξώματος ήταν

αποσυναρμολογούμενο (για να μετατρέπεται εύκολα σε διθέσιο ελαφρό για καλύτερες επιδόσεις) και πολλές φορές είχε την τάση να απομακρύνεται μόνο του σε ψηλές ταχύτητες και κακούς δρόμους με δυσμενείς συνέπειες για τους πίσω επιβάτες. Η πίσω πόρτα γρήγορα φάνηκε ότι δεν ήταν πρακτική και άνοιξε το δρόμο για τις πλευρικές πόρτες, Σχήμα 1.14.

Σχήμα 1.13. Το πρώτο Vauxhall του 1903 Μέχρι το 1903 η προστασία των επιβατών από τις καιρικές συνθήκες είναι

ανύπαρκτη. Το 1903 εμφανίζεται η υφασμάτινη πτυσσόμενη οροφή που όμως δεν προστατεύει τους επιβάτες από βροχή εν κινήσει, αφού δεν υπάρχει ακόμα ο ανεμοθώρακας. Η αύξηση του μεγέθους των αυτοκινήτων από το 1905 μπορεί να εξηγηθεί από την ανάγκη για την πλευρική πόρτα και αντιπροσωπεύει τη νέα άποψη για το μέγεθος των αυτοκινήτων. Τα αυτοκίνητα που κατασκευάσθηκαν μετά το 1905 είναι παρόμοια σε μέγεθος με τα σύγχρονα αν και το ύψος τους είναι μεγαλύτερο. Από την εισαγωγή του ανοικτού αμαξώματος με τις πλευρικές θύρες το 1905 μέχρι την ανάπτυξη του κλειστού αυτοκινήτου και με προσιτή τιμή για ευρύτερα στρώματα του πληθυσμού το 1920 αναπτύσσεται το αυτοκίνητο τουρισμού με 5 ή 7 θέσεις.


Σχήμα 1.14. Thomas 1904 και 1905

Γύρω στα 1906 σταθεροποιείται η σχεδιαστική άποψη για το αυτοκίνητο

τουρισμού και το ενδιαφέρον σχεδιαστών και κοινού περιορίζεται στα διακοσμητικά στοιχεία. Το 1906 η μόδα της προβολής διακοσμητικών κυρίως στοιχείων αλλά και εξαρτημάτων όπως στο Grout στο Σχήμα 1.15 κλείνει τον κύκλο της και δίνει τη σειρά της σε πιο ισορροπημένες λύσεις που βοηθούνται όμως και από την αύξηση του μεταξονίου που έγινε εν τω μεταξύ. Στο Oldsmobile του 1906 στο ίδιο σχήμα φαίνεται η νέα σχεδιαστική τάση. Οι τροχοί είναι προωθημένοι μπροστά από το αμάξωμα και δίνουν ένα δραματικό τόνο στην προσπάθεια να τραβήξουν σε κίνηση το υπόλοιπο αμάξωμα. Ενώ αρχικά το ψυγείο νερού βρίσκεται σε προωθημένη θέση σε σχέση με τον άξονα, το 1906 σταθεροποιείται στον άξονα ή πίσω απ΄αυτόν.

Η θέση αυτή του ψυγείου ήταν ζήτημα μόδας. Ενώ δεν εξυπηρετεί κανένα πρακτικό σκοπό μεταφέρει το υπόλοιπο αμάξωμα προς τα πίσω με αποτέλεσμα τα πίσω καθίσματα να βρίσκονται πάνω ακριβώς από τον πίσω άξονα μειώνοντας την άνεση των πίσω επιβατών. Επιπλέον, μετατοπίζεται το βάρος προς τα πίσω δυσκολεύοντας τον έλεγχο του αυτοκινήτου. Παρά το ότι το σχήμα αυτό δεν ήταν πρακτικό ούτε ήταν αποτέλεσμα συστηματικού σχεδιασμού, ήταν αποδεκτό αισθητικά και κυριάρχησε για ένα τέταρτο του αιώνα.


Σχήμα 1.15. Από πάνω προς τα κάτω: Grout Touring Car και Oldsmobile του 1906, Mora Touring Car του 1907


Αυτό που χαρακτηρίζει τα αυτοκίνητα του 1906 είναι ο επανασχεδιασμός των μπροστινών φτερών. Στα προηγούμενα αυτοκίνητα έμοιαζαν με αυτά του Grout του 1906 και ήταν σε αρμονία με το αμάξωμα. Όσο όμως τα αμαξώματα μακραίνουν και οι γραμμές γίνονται πιο λεπτές, η απότομη ανύψωση των φτερών πάνω από τους τροχούς δείχνει εκτός εποχής. Ένα πιο ευχάριστο σχήμα δίνει το Mora του 1907 με τα φτερά να εκτείνονται πίσω από τον πίνακα οργάνων.

Αυτή την περίοδο τα μεγάλα αυτοκίνητα τουρισμού χάνουν τις σπορτίφ επιδόσεις και δημιουργείται η ανάγκη ανάπτυξης ενός παλιότερου τύπου αυτοκινήτου με υψηλές επιδόσεις. Εμφανίζονται τα Gentlemen's Roadsters που αποτελούν ένα πλήρη κατάλογο χαρακτηριστικών συμβόλων ισχύος και ταχύτητας. Το Thomas Runabout του 1906, Σχήμα 1.16, είναι δείγμα αυτής της τάσης. Σχεδιάστηκε αρχικά για δύο επιβάτες με καθίσματα τύπου μπάκετ και διέθετε μεγάλο κινητήρα με περίσσεια ισχύος. Παρά την μεγάλη ισχύ και τις επιδόσεις μειονεκτεί σε πολλά σημεία. Το ψυγείο του κάθεται "βαριά" πάνω στον μπροστινό άξονα, τα μπροστινά φτερά είναι χοντροκομμένα ενώ τα πίσω φαίνονται πολύ λεπτεπίλεπτα. Οι συνολικές διαστάσεις μαρτυρούν ότι πρόκειται για ξανασχεδιασμένο αυτοκίνητο μεγάλου τουρισμού. Στο πίσω μέρος ο προσεκτικός παρατηρητής υποψιάζεται καλά κρυμμένα τα διπλωμένα καθίσματα για τους πίσω επιβάτες. Το American Simplex του 1909, Σχήμα 1.17, είναι πιο προσεγμένο στην εμφάνισή του και δεν κρύβει ότι είναι διθέσιο. Το ψυγείο και τα εμπρόσθια φτερά δεν έχουν τις αδυναμίες στη μορφή τους και τη διάταξή τους όπως το Thomas Runabout.

Σχήμα 1.16. Thomas Runabout, 1906

Σχήμα 1.17. American Simplex 1909

14 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Παράλληλα προς την σχεδίαση ακριβών μηχανών σαν τα Thomas και Simplex

εμφανίζονται πολλές απομιμήσεις με χαμηλό κόστος. Μερικά αποτελούν πιστά αντίγραφα που αναπαράγουν όλα τα χαρακτηριστικά των ακριβών μοντέλων σε μικρογραφία. Αλλά αποτελούν οικονομικά αυτοκίνητα στα οποία προσθέτουν μερικά σπορτίβ χαρακτηριστικά και επιδόσεις. Τέτοιο παράδειγμα αποτελεί το Ford Model N του 1906, Σχήμα 1.18, που όμως ταίριαζε καλύτερα σε αγροτικό γιατρό παρά σε θερμόαιμους εύπορους που τρέχουν με ταχύτητα στους δημόσιους δρόμους. Η Buick Model 10 του 1908 αποτελεί παραλλαγή ενός μεγάλου αυτοκινήτου τουρισμού σε Roadster με μεγαλύτερη επιτυχία από το Ford στην εντύπωση της σπορτίβ εμφάνισης. Τα μακριά φτερά βοηθούσαν σ'αυτό. Τα Gentlemen's Roadsters αποτέλεσαν τη βάση εξέλιξης και σχεδιασμού των μελλοντικών σχεδιαστικών δοκιμών (concept cars). Παράδειγμα το Aerocar Runabout του 1907, "αυτοκίνητο όνειρο" για την εποχή και το Hupmobile του 1909. Ο σκοπός της σχεδίασής του ήταν ο περιορισμός της αεροδυναμικής αντίστασης και για τα αισθητικά δεδομένα της εποχής φαινόταν εξαιρετικά φουτουριστικό. Το Hupmobile που αποτελεί πολύ καλή αντιγραφή μεγαλύτερων Roadsters κόστιζε 750 $ αντί 3.000-5.000 $ του Simplex.

Σχήμα 1.18. Ford Model N του 1906 και Buick Model 10 του 1908


Σχήμα 1.19. Aerocar Runabout του 1907 και Hupmobile του 1909

Το ψηλό κόστος και η μικρή πρακτικότητα των Roadsters έκαναν πολλούς υποψήφιους αγοραστές στην Αμερική να αισθάνονται ότι η αγορά ενός τέτοιου αυτοκινήτου δεν ήταν σύμφωνη με τη γενικότερη οικονομική και κοινωνική ηθική της εποχής. Ούτε χρειαζόντουσαν ένα μεγάλο άνετο αυτοκίνητο τουρισμού για να εξυπηρετούν τις καθημερινές ανάγκες τους. Αυτό που ήθελαν ήταν ένα μεγάλο Roadster μεταμφιεσμένο σε οικογενειακό αυτοκίνητο τουρισμού. Στο Σχήμα 1.20 φαίνεται το Stearns Roadster που ονομαζόταν και toy tonneau ή baby tonneau ή pony tonneau δείγμα αυτής της τάσης της αγοράς. Έχει τα βασικά χαρακτηριστικά ενός Roadster, ταχύτητας, άξονα τιμονιού χαμηλωμένο, μακριά και όμορφα εμπρόσθια φτερά και το ψυγείο αρκετά πίσω. Είχαν τέσσερις θέσεις και αν και το μήκος τους ήταν μικρό μπορούσαν να χαρακτηρισθούν ως οικογενειακά αυτοκίνητα. Δεν είχαν τις ανέσεις του οικογενειακού αυτοκινήτου και δεν είχαν καθόλου χώρο αποσκευών. Είχαν μεγάλη απήχηση τα χρόνια 1907 μέχρι το 1910.


Σχήμα 1.20. Stearns Roadster του 1907 και Menard Auto Buggy 1908 Το 1907 μετά από μερικά χρόνια αθόρυβης εξέλιξης ξαναεμφανίζονται στην

Αμερική τα αυτοκίνητα τύπου buggy όπως το Menard Auto Buggy, Σχήμα 1.20, με τους μεγάλους συμπαγείς τροχούς. Κινούμενα από μονοκύλινδρους ή δικύλινδρους κινητήρες που μεταδίδουν την κίνηση με αλυσίδα ή λουριά τα αυτοκίνητα αυτά δείχνουν σαν να μην υπήρξε ποτέ η σημαντική πρόοδος που έγινε την προηγούμενη δεκαετία. Οι σχεδιαστές τους πρόβαλλαν το επιχείρημα ότι οδηγήθηκαν σ'αυτή τη σχεδίαση από καθαρά πρακτικούς λόγους και επειδή οι μεγάλοι τροχοί ήταν πιο κατάλληλοι για αγροτικές περιοχές. Τα προτιμούσαν κυρίως αγρότες του Middle West επειδή έμοιαζαν με τα ιππήλατα αμάξια τους, δεν ήταν πολύπλοκα στο χειρισμό και επιπλέον ήταν φτηνά. Όμως το 1910 η ζήτηση αυτών των αυτοκινήτων περιορίσθηκε και μέχρι το 1911 βγήκαν εκτός παραγωγής. Σ'αυτό πρέπει να συνέβαλε και η εμφάνιση του Ford Model T το 1908.

Τη χρονιά αυτή το Ford Model T κατασκευάσθηκε σε 6181 κομμάτια ενώ η παραγωγή της Buick ήταν η μεγαλύτερη στην Αμερική με 8487 αυτοκίνητα και της Cadillac 2380. Μεταξύ 1908 και 1927 πουλήθηκαν 15 εκατομμύρια Ford Model T, Σχήμα 1.21, ένα παγκόσμιο ρεκόρ που καταρρίφθηκε τη δεκαετία του 70 από το σκαραβαίο της Volkswagen.


Σχήμα 1.21 Ford Model T, 15 εκατομμύρια μεταξύ 1908 και 1927

Η σχεδίαση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων ήταν άλλο ένα πισωγύρισμα στην ιστορία του αυτοκινήτου. Σε αντίθεση με τη δυναμική εμφάνιση των βενζινοκίνητων, τα ηλεκτρικά ήταν αθόρυβα και καθαρά και η σχεδίασή τους δεν έκρυβε αυτά τα προτερήματά τους. Αντίθετα, η αυτονομία τους ήταν γύρω στα 80 χιλιόμετρα και η τελική ταχύτητά τους δεν ξεπερνούσε τα 35 χλμ.α.ω. Ηλεκτρικά οικογενειακά αυτοκίνητα δεν έγινε ποτέ δυνατό να παραχθούν μαζικά ενώ εμφανίσθηκαν στόλοι ελαφρών φορτηγών διανομής προϊόντων. Γύρω στα 1919 εμφανίζονται ηλεκτρικά αυτοκίνητα με κλειστό αμάξωμα σαν τα Studebaker και Baker, Σχήμα 1.22.

Σχήμα 1.22. Studebaker electric και Baker electric 1910.

Στο Σχήμα 1.23 φαίνονται δύο μοντέλα τουρισμού που τα αμαξώματά τους

ονομάζονται Torpedo Body (Τορπίλη). Οι γραμμές του χώρου επιβατών βρίσκονται ψηλότερα από το χώρο του κινητήρα και η διαφορά τους είναι ότι στο Stafford του 1911 υπάρχουν πόρτες εμπρός και τα ξύλινα πλευρικά πανέλα του αμαξώματος αποτελούν ένα ενιαίο σύνολο για χάρη της αεροδυναμικής. Δεν υπάρχουν εμφανή ξεχωριστά τμήματα όπως στο Haynes του 1910. Ακόμη, λείπουν και τα χερούλια των θυρών.


Σχήμα 1.23. Haynes του 1910 και Stafford του 1911

Οι εμπρόσθιες θύρες βελτιώνουν την μορφή δίνοντας την εικόνα ενιαίου

αμαξώματος και όχι δύο τμημάτων όπως προηγούμενα. Οι μοχλοί χειρισμού φαίνεται οτι πρέπει να εγκαταλείψουν το εξωτερικό του αμαξώματος, οι σχεδιαστές προτείνουν στο μέσο μεταξύ των επιβατών αλλά αντιδρούν οι δεξιόχειρες οδηγοί αφού το τιμόνι βρίσκεται ακόμη στα δεξιά. Γύρω στα 1906 μπαίνει σε εφαρμογή το σύστημα φωτισμού ασετιλίνης Presto-o-Lite με κύλινδρο παραγωγής αερίου που τοποθετείται στο μασπιέ, Σχήμα 1.23. Μέχρι το 1908 τα αμαξώματα χαμηλώνουν τόσο πολύ που δεν υπάρχει χώρος ούτε για το κουτί των εργαλείων κάτω από τα καθίσματα. Επειδή τα φώτα, οι κόρνες, οι ανεμοθώρακες και άλλα αξεσουάρ δεν αποτελούν κανονικό εξοπλισμό εμφανίζεται μια πληθώρα προμηθευτών τέτοιων ειδών και επικρατεί χάος στη μορφή και τη λειτουργία τους. Από το 1912 τα προμήθευαν οι κατασκευαστές και επιπλέον τα διάφορα εμφανή κουτιά (εργαλειοθήκες, γεννήτρια ασετιλίνης κτλ) που φαίνονται εξωτερικά του πλαισίου κρύβονται κατάλληλα. Με την εμφάνιση της ηλεκτρικής ανάφλεξης αυτή την περίοδο μετατρέπεται και ο φωτισμός σε ηλεκτρικό και χάνεται και η γεννήτρια ασετιλίνης.


Σχήμα 1.24. Opel Torpedo, 1912

Σχήμα 1.25. Premier Little Six του 1913, Winton Six του 1914

Στην Ευρώπη το πέρασμα απο το Torpedo Body στο συνεχόμενο (Streamline Body) γίνεται γρήγορα. Στο Σχήμα 1.24 φαίνεται το Opel Torpedo του 1912 με μια συνεχή κλίση από το αμάξωμα προς το καπό του κινητήρα. Την ίδια περίοδο τα φώτα θέσης βρίσκονται στον θώρακα που χωρίζει το χώρο του κινητήρα από το κυρίως σώμα του αμαξώματος όπως στο Premier Little Six του 1913, Σχήμα 1.25. Η επιφάνεια αυτή περιορίζεται σταδιακά όπως στο Winton Six του 1914 και καταργείται αργότερα όπως στο Kissel Kar του 1914, Σχήμα 1.26 ανοίγοντας το δρόμο για τα συνεχή αεροδυναμικά αμαξώματα που θα ακολουθήσουν. Την ίδια

20 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ εποχή εμφανίζονται αυτοκίνητα που μεταφέρουν σε προηγούμενα χρόνια (Collonial Style) και διατηρούνται μέχρι το 1916-17, Σχήμα 1.26.

Σχήμα 1.26. Kissel Kar του 1914 πάνω και Chalmers Colonial Coupe κάτω

Ο Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος επιτάχυνε την εξέλιξη του αυτοκινήτου. Λίγο –

πολύ, οι κατασκευαστές αυτοκινήτων, που προσωρινά, σαν μέρος της πολεμικής προσπάθειας, παρήγαγαν αντί για αυτοκίνητα κινητήρες αεροπλάνων, διδάχτηκαν πολλά γύρω από τη σχεδίαση, την παραγωγή και τα υλικά.

Μετά τον πόλεμο, όλο και περισσότερος κόσμος ζητούσε αυτοκίνητο ενώ πολλοί ήταν εκείνοι που είχαν τα μέσα να το προσφέρουν. Μέσα σε δύο δεκαετίες το αμερικανικό αυτοκίνητο κέρδισε την επανάσταση που είχε αρχίσει ο Φορντ. Η παραγωγή και η πώληση αυτοκινήτων έγινε ο κυριότερος τομέας της οικονομίας.


Το κλειστό αυτοκίνητο έπαψε να είναι προνόμιο των πλουσίων. Ενώ το 1920 τα περισσότερα αυτοκίνητα ήταν ανοικτά και οι επιβάτες προστατεύονταν από τον καιρό με καλύμματα από καραβόπανο, δέκα χρόνια αργότερα το Ντιτρόιτ κατασκεύαζε, σχεδόν αποκλειστικά, κλειστά αυτοκίνητα.

Στη δεκαετία του 1920 αναπτύχθηκαν επίσης οι μεγάλοι ευρωπαϊκοί οίκοι αυτοκινήτων όπως οι: Ώστιν, Μόρρις, Σίνγκερ, Φίατ, Σιτροέν και άλλοι που όλοι είχαν ιδρυθεί μεταξύ 1906 και 1919, υπό την επίδραση του Φορντ. Ο Γουίλιαμ Μόρρις στην Αγγλία και ο Αντρέ Σιτροέν στη Γαλλία, τέθηκαν επικεφαλής της Ευρωπαϊκής κίνησης προς τη μαζική παραγωγή. Η γενίκευση της χρήσης του αυτοκινήτου δεν είχε επικρατήσει ακόμη στην Ευρώπη, αλλά η ιδέα του μικρού αυτοκινήτου, γεννήθηκε με το Austin Seven, ένα μικρό αυτοκίνητο για τις μάζες το 1922, όταν το παρήγαγε ο Χέρμπερτ Ώστεν και το οικογενειακό, φτηνό αυτοκίνητο έγινε πραγματικότητα, Σχήμα 1.27.

Σχήμα 1.27. Austin Seven, 1922 Την ίδια εποχή, γενικεύτηκε η χρήση των μηχανικών φρένων και στους τέσσερις

τροχούς, αλλά στις Η.Π.Α., ο Σκώτος Μάκλολμ Λόουγκχεντ, ανέπτυξε το πιο αποτελεσματικό, σε σχέση με το προηγούμενο, υδραυλικό σύστημα. Μια άλλη καινοτομία εκείνου του καιρού, στις αρχές της δεκαετίας του 1920, ήταν η ανεξάρτητη μπροστινή ανάρτηση που παρουσίασε ο Βιντσέντσο Λάντσια το 1922 στην Ιταλία.

Μέχρι το 1927 παρατηρείται η εμφάνιση των πρώτων μεθόδων μαζικής παραγωγής για αυτοκίνητα με χαμηλό κόστος παραγωγής, που βρήκαν μια “ώριμη” αγορά, η οποία είχε δημιουργηθεί με τις συνθήκες της αφθονίας που επικρατούσε πριν το 1920. 'Έτσι, κατασκευάζεται ένας αριθμός αυτοκινήτων

22 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ υψηλής ποιότητας και αντοχής που οφείλεται κύρια στη διαφοροποίηση των οικονομικών συνθηκών. Ανάμεσα στ' αυτοκίνητα αυτά περιλαμβάνονται φημισμένα ονόματα όπως το Royale της Buggati, το Phantom III της Rolls Royce, η Bentley και η Hispano - Suisa (Σχήμα 1.28). Αξιοσημείωτος είναι ο σχεδιασμός και η αποτελεσματικότητα των κύριων μηχανικών τμημάτων των αυτοκινήτων. Προστίθεται ποικιλία εξοπλισμού, όπως ραδιόφωνα, υαλοκαθαριστήρες, αναστρεφόμενα φώτα, αυτόματος ρυθμιστής στο καρμπυρατέρ (choke) και πολλές επιχρωμιωμένες διακοσμήσεις.

Σχήμα 1.28. Hispano-Suiza του 1925 με προσωρινό αμάξωμα για δοκιμές Από το 1920 περίπου και μετά, τα αυτοκίνητα αποκτούν κλειστό αμάξωμα, με

πόρτες και ανεμοθώρακες ασφαλείας και αρχίζουν να γίνονται χαμηλότερα και μακρύτερα με βελτίωση της ευστάθειας. Μακρύτερα αυτοκίνητα χρειάζονται μεγαλύτερο μεταξόνιο.

Η Mercedes του 1901 που φαίνεται στο Σχήμα 1.10 ήταν το πρώτο αυτοκίνητο που διέθετε πλαίσιο από πρεσσαριστό χάλυβα. Αυτή ήταν μια σημαντική καινοτομία που έμελλε ν'αλλάξει την μορφή του αυτοκινήτου στη συνέχεια. Τα πρώτα πλαίσια των αυτοκινήτων ήταν ξύλινα με μεταλλικές ενισχύσεις που δεν μπορούσαν να φέρουν μεγάλα στρεπτικά και δυναμικά φορτία. Έτσι το μεταξόνιο παραμένει μικρό και τ' αυτοκίνητα ψηλά. Το πρεσσαριστό χαλύβδινο πλαίσιο με μεταβλητή διατομή ανάλογα με τη θέση και το φορτίο δίνει τη δυνατότητα στους σχεδιαστές να εκμεταλλευτούν την στρεπτική και καμπτική ελαστικότητά του με αποτέλεσμα τα μακρύτερα πλαίσια. Με τον τρόπο αυτό οι επιβάτες κάθονται χαμηλότερα και το κέντρο βάρους της κατασκευής χαμηλώνει.

Μια πολύ σημαντική εξέλιξη έγινε στην Ιταλία. Η μέχρι τότε αντίληψη όλων των κατασκευαστών ήθελε το πλαίσιο και το αμάξωμα να αποτελούν εντελώς διαφορετικά τμήματα, ανεξάρτητα μεταξύ τους. Η Lancia, το 1922, δημιουργεί το μοντέλο Lambda με ενιαία κατασκευή για το αμάξωμα και το πλαίσιο, Σχήμα 1.29. Αντί το αμάξωμα να κατασκευαστεί πάνω στο πλαίσιο, ο κύριος σκελετός του αμαξώματος και το πλαίσιο κατασκευάστηκαν σε ένα ενιαίο σύνολο από πρεσσαριστό χάλυβα, στην οποία προστέθηκαν διαμορφωμένα τμήματα μικρού βάρους. Το αυτοκίνητο αυτό είναι το πρώτο που χρησιμοποιεί αυτοφερόμενο


πλαίσιο. Η καινοτομία αυτή θα αποδειχτεί πολύ σημαντική καθώς στο μέλλον όλες οι βιομηχανίες θα κατασκευάζουν αυτοκίνητα με ανάλογο τρόπο.

Σχήμα 1.29. Lancia Lambda του 1922 Το κραχ στα τέλη της δεκαετίας του 1920 προκάλεσε το κλείσιμο αρκετών

βιομηχανιών. Για τις βιομηχανίες λαϊκών αυτοκινήτων, η μαζική παραγωγή έγινε βασική προϋπόθεση για την επιβίωσή τους ενώ η τεχνική πρόοδος περιορίστηκε λόγω των επενδύσεων που απαιτούσε. Η σχεδίαση οπισθοχώρησε, όπως με την τάση για κοντύτερα μεταξόνια (για εξοικονόμηση υλικών) με συνέπεια την μετατόπιση του κινητήρα προς τα εμπρός και την τοποθέτηση του πίσω καθίσματος πάνω από τον πίσω άξονα.

Παρόλα αυτά, έγιναν μερικά αξιοσημείωτα βήματα προς τα εμπρός. Ο συγχρονισμός, που πρωτοπαρουσίασε στα 1928 η Cadillac για διευκόλυνση των αλλαγών ταχυτήτων, διαδόθηκε γρήγορα στην Ευρώπη. Στο Σχήμα 1.30 φαίνεται η Citroen του 1925 με ολόκληρο χαλύβδινο αμάξωμα. Μέχρι τότε τα αμαξώματα ήταν ξύλινα και πολλές φορές επενδεδυμένα με ύφασμα. Την ίδια εποχή γίνονται νέες ανακαλύψεις σε χρώματα και τεχνικές βαφής και αντισκωριακής προστασίας.


Σχήμα 1.30 Peugeot Quadrilette 1922, Tourer του 1928 και Citroen του 1925

Τα χαλύβδινα αμαξώματα είχαν δύο σοβαρά προβλήματα: Θόρυβο από συντονισμό και σκουριά. Τα μονωτικά και αντιδιαβρωτικά υλικά και τεχνικές που


ανακαλύπτονται βοηθούν στην ποιοτική παραγωγή αυτών των αυτοκινήτων. Παράλληλα με την παραγωγή των χαλύβδινων αμαξωμάτων αναπτύσσεται και η κατασκευή νέων μηχανών κοπής και διαμόρφωσης των χαλύβδινων τμημάτων των αμαξωμάτων. Το ίδιο συμβαίνει και με τις μεθόδους συγκόλλησης και συναρμολόγησης.

Μια σημαντική εξέλιξη γίνεται στον τομέα των ελαστικών μετά το 1920: γίνονται φαρδύτερα και σχεδιάζονται να λειτουργούν σε χαμηλότερες πιέσεις. Έτσι τα οχήματα αποκτούν μεγαλύτερη επαφή με την επιφάνεια του δρόμου, με περισσότερο ομοιόμορφη πίεση, εξασφαλίζοντας έτσι και περισσότερη άνεση.

1.4 Η εποχή του στύλ και της άνεσης από το 1927 μέχρι το 1956 Το 1927 είναι η χρονιά που το τελευταίο Ford Model T φεύγει από τη γραμμή

παραγωγής. Γίνεται η σύγκρουση των φιλοσοφιών του Henry Ford και του Alfred Sloan της General Motors. Ο Ford έχει αποδείξει ότι μπορεί να σχεδιάσει ένα καλό προϊόν, να αναπτύξει μια αποδοτική βιομηχανική παραγωγή και να δημιουργήσει το κατάλληλο κλίμα στην αγορά διατηρώντας για χρόνια τις πωλήσεις σε ύψη ρεκόρ και με ανταγωνιστική τιμή. Όλα αυτά έγιναν με την προσωπική του επίβλεψη και οι τελικές αποφάσεις χρειάζονται την έγκρισή του.

Σχήμα 1.31 Laurent Clement 1926, Duesenberg (Murphy) του 1931 και Ford του

1935 κάτω.

26 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Από την άλλη μεριά ο Alfred Sloan εγκαθιδρύει ένα αποκεντρωμένο οργανισμό

με ξεχωριστά τμήματα σχεδιασμού, παραγωγής και πωλήσεων. Η ευελιξία αυτή επέτρεψε στην General Motors να πάρει ηγετική θέση στην αγορά κάνοντας συνεχείς βελτιώσεις στα προϊόντα της. Στην παγκόσμια αυτοκινητοβιομηχανία παρατηρούνται δύο κύριες τάσεις: Η Αμερικανική θέλει τα αυτοκίνητα φτιαγμένα με μεγάλες ιπποδυνάμεις και πολυτελή, ενώ η Ευρωπαϊκή δείχνει προτίμηση σε μικρά και λιτά αυτοκίνητα. Κατά την διάρκεια της δεκαετίας του 1930 σχεδιάζονται και διαδίδονται τα αυτοκίνητα κλειστού τύπου, ενώ παρατηρείται και μια εξομάλυνση στις γραμμές του αμαξώματος (Σχήμα 1.31).

Σχήμα 1.32 Mercedes-Benz 1933

Σχήμα 1.33 Η Citroen Traction Avant του 1934 με κίνηση εμπρός αποτέλεσε

ένα πρωτοποριακό αυτοκίνητο με ενιαίο πλαίσιο-αμάξωμα


Σχήμα 1.34 Opel Olympia 1935, Vauxhall 1937 και Cord του 1936-37 κάτω

28 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Παράλληλα με την διάδοση του μεταλλικού αμαξώματος εμφανίζεται και η

ανάπτυξη των υδραυλικών πρεσσών για τη διαμόρφωση των τμημάτων του αμαξώματος. Μια σπουδαία πρόοδος στο τέλος της δεκαετίας του 20 είναι η δημιουργία της πρώτης πρέσσας φύλλου λαμαρίνας από τον Artz στη Γερμανία. Το σύστημα του Artz εφαρμόζει υδραυλική πίεση σε καλούπι επί φύλλου λαμαρίνας που συγκρατείται στα άκρα. Η αρχική ιδέα βελτιώθηκε στα 1930 με χρήση αρσενικού και θηλυκού καλουπιού, όπως γίνεται και σήμερα. Αυτή η ανακάλυψη άνοιξε την πόρτα για την ταχεία παραγωγή χαλύβδινων πανομοιότυπων τμημάτων αμαξωμάτων. Όμως, αυξήθηκε το κόστος των εγκαταστάσεων με συνέπεια την αλλαγή των οικονομιών κλίμακας των επιχειρήσεων παραγωγής αυτοκινήτων.

Η δυνατότητα διαμόρφωσης σύνθετων πανέλων αμαξωμάτων έφερε και μείωση του αριθμού κομματιών. Έτσι, ενώ ένα Ευρωπαϊκό αυτοκίνητο χρειαζόταν περί τα 500 κομμάτια για την κατασκευή του, μετά το 1930 περιορίσθηκαν σε 120. Την ίδια εποχή εισάγεται η χρήση πηλού για τα μοντέλα και το νέο επάγγελμα των σχεδιαστών αυτοκινήτων που λέγονται και στυλίστες (stylists) δίνει πολλές νέες στρογγυλεμένες μορφές. Οι μορφές αυτές μπορούν να υλοποιηθούν με τα νέα καλούπια διαμόρφωσης των εξωτερικών πανέλων. Ένας από τους κύριους στόχους των σχεδιαστών είναι η εξομάλυνση και τελειοποίηση των λεπτομερειών του αμαξώματος, περιορίζοντας τις ασυνέχειες στα διάφορα τμήματα, που για πρακτικούς λόγους εθεωρούντο ικανοποιητικοί μέχρι τότε. Με τον τρόπο αυτό αρχίζουν να εκλείπουν στοιχεία χαρακτηριστικά της προσωπικότητας και του χαρακτήρα που ξεχώριζαν τους διάφορους κατασκευαστές μεταξύ τους.

Στο Σχήμα 1.34 φαίνεται το Opel Olympia του 1935 που είναι το πρώτο αυτοκίνητο προσιτό σε λαϊκά στρώματα με ενιαίο πλαίσιο-αμάξωμα. Το Vauxhall του 1937 είναι το πρώτο αυτοκίνητο με ενιαίο πλαίσιο-αμάξωμα που κατασκευάσθηκε στην Αγγλία. Τα αυτοκίνητα αυτά ανήκαν σε εταιρείες της General Motors στην Ευρώπη. Το ελαφρό και καλοφτιαγμένο Opel Olympia αποτέλεσε το πιο καλομελετημένο αυτοκίνητο του είδους στην Ευρώπη και αντιγράφηκε ακριβώς απο τη Renault. Εξελίχθηκε σε Kadett και οι Σοβιετικοί μετά την απελευθέρωση το μετέτρεψαν σε Moskvitch. Στο ίδιο σχήμα φαίνεται το Cord του 1936-37 που αποτελεί τυπικό δείγμα της αμερικανικής σχολής της ίδιας περιόδου.

Τα πλαίσια την εποχή αυτή αποκτούν πιο συγκεκριμένη μορφή και λειτουργικότητα. Η διάδοση των κλειστών αμαξωμάτων βελτιώνει την λειτουργικότητά τους ενώ τα αυτοκίνητα γίνονται πιο ασφαλή. Το πλαίσιο εξακολουθεί να χρησιμεύει κατά μεγάλο ποσοστό μόνο για την στήριξη των μηχανικών μερών ενώ η βελτίωση της ασφάλειας των αμαξωμάτων είναι μάλλον φυσιολογικό γεγονός που προέρχεται από την γενική πρόοδο του σχεδιασμού. Εξάλλου δεν υπάρχουν ακόμα οι μεγάλες επιδόσεις, ούτε το μεγάλο πλήθος των τροχοφόρων και τα ατυχήματα είναι περιορισμένα. Επίσης, δεν έχει αρχίσει ο ευρύς διαχωρισμός των οχημάτων σε κατηγορίες ανάλογα με το σκοπό που προορίζονται (σπορ, οικογενειακά κτλ). Το αυτοκίνητο μέχρι τον δεύτερο παγκόσμιο πόλεμο χρησιμοποιείται αποκλειστικά για τον σκοπό που εφευρέθηκε: την βελτίωση των συνθηκών μεταφοράς. Έτσι οι διάφοροι κατασκευαστές δίνουν προτεραιότητα στη βελτίωση των μηχανικών μερών και αγνοούν την λειτουργικότητα του πλαισίου.

.


Σχήμα 1.35. Buggati και Cadillac του 1930 και Cadillac Victoria του 1933.

30 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Στην Ευρώπη και την Αμερική τα πολυτελή αυτοκίνητα ακολουθούν τις

παραδοσιακές τεχνικές στην κατασκευή τους αλλά και το σχεδιασμό. Στο Σχήμα 1.35 φαίνονται οι Buggati και Cadillac του 1930 και η Cadillac του 1934 ενώ στο Σχήμα 1.36 τα Talbot Τ26 του 1947 και Allard M81του 1949. H Bayerische Motoren-Werke A.G. με ειδίκευση στους αεροπορικούς κινητήρες, κατασκευάζει το πρώτο αυτοκίνητο B.M.W., που αποτελεί αντιγραφή του Austin Seven, με κινητήρα 18 ίππων και με εμπορικό όνομα "Wartburg". Το πρώτο αυθεντικό σχέδιο της εταιρείας εμφανίζεται το 1931, με κινητήρα 788 κ.εκ.

Σχήμα 1.36 Talbot Τ26 1947 και Allard M81, 1949.

Στη δεκαετία του 1930, στην Αμερική αναπτύσσονται μεγάλοι αργόστροφοι

κινητήρες, συχνά V8 ενώ αντίθετα, στην Ευρώπη, το υψηλότερο κόστος επέβαλλε την κατασκευή μικρότερων και πιο αποδοτικών κινητήρων. Η πιο σημαντική χρονιά για την Ευρώπη, στάθηκε πιθανότατα το 1938, όταν ο Αδόλφος Χίτλερ παρουσίασε το αυτοκίνητο του Δρα Φερντιναντ Πορς, «KDF», που αργότερα έγινε το γνωστό


«σκαθάρι» της V.W. το Ευρωπαϊκό αυτοκίνητο με τις περισσότερες πωλήσεις, Σχήμα 1.37.

Σχήμα 1.37 Volkswagen 1938 Το 1936 παράγεται το μικρότερο αυτοκίνητο του κόσμου. Το Fiat 500 είναι

μικρότερο από το Austin Seven του 1920 με μήκος 3,2 μ., πλάτος 1,2 μ., με τετρακύλινδρο κινητήρα 500 cc ισχύος 13 HP και τελική ταχύτητα 85 Km/h, Σχήμα 1.38.

Σχήμα 1.38 Fiat 500 Topolino, 1936. Στο χρονικό διάστημα μεταξύ των δύο πολέμων παρουσιάζονται πολλές

εταιρίες που φτιάχνουν ηλεκτρικά αυτοκίνητα, κυρίως στην Ευρώπη, όμως οι προσπάθειες αυτές αποτυγχάνουν. Στη διάρκεια του δεύτερου παγκόσμιου

32 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ πόλεμου η παραγωγή περιορίζεται αρκετά γιατί τόσο οι απαραίτητες πρώτες ύλες, όσο και το επιστημονικό δυναμικό απορροφούνται από τον πόλεμο. Όταν μετά τον πόλεμο η παραγωγή επανέρχεται στον κανονικό της ρυθμό τα αυτοκίνητα παρουσιάζονται μακρύτερα, βαρύτερα και απλούστερα, έχουν περισσότερες καμπύλες στο εξωτερικό τους και γενικά είναι πιο κομψά. Ωστόσο, είναι αρκετά όμοια με τα προπολεμικά και περνούν αρκετά χρόνια έως ότου τα εργοστασιακά συγκροτήματα επεξεργαστούν την παραγωγή πραγματικά νέων σχεδίων. Ένα από τα πιο πετυχημένα σχέδια αυτοκινήτων είναι το Nash του 1951 που φαίνεται στο Σχήμα 1.40.

Μετά το Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο που άρχισαν να εμφανίζονται τα πρώτα νέα μοντέλα, πολλά πράγματα στο σχεδιασμό και την παραγωγή άλλαξαν. Τα ξεχωριστά πλαίσια και αμαξώματα είχαν αντικατασταθεί από ενιαία σύνολα, για εξοικονόμηση υλικών και διευκόλυνση της παραγωγής. Έτσι, όμως, οι επισκευές έγιναν πιο δαπανηρές και καθώς η ανανέωση των εργαλειομηχανών του εργοστασίου ήταν πολυδάπανη, οι αλλαγές μοντέλων ή «μικροβελτιώσεις» στοίχιζαν περισσότερο.

To 1949 το Fiat 500 γίνεται τετραθέσιο σε έκδοση στέϊσον βάγκον (Giardiniera) και με επικεφαλής βαλβίδες στον κύλινδρο και ψύξη νερού με βαρύτητα αποκτά ισχύ 16 HP και τελική ταχύτητα 95 Km/h, Σχήμα 1.39.

Σχήμα 1.39 Fiat 500 Β C unificata, μοντέλο 1949, Πάτρα 1975 Η ανεξάρτητη μπροστινή ανάρτηση, που είχε αρχίσει να διαδίδεται

προπολεμικά, γενικεύτηκε, και η εξάλειψη του εγκάρσιου μπροστινού άξονα επέτρεψε την μετατόπιση του κινητήρα προς τα εμπρός, σε όφελος του χώρου των επιβατών. Η άνεση των πίσω επιβατών βελτιώθηκε με την μετακίνηση του πίσω καθίσματος προς τα εμπρός, που μέχρι τότε ήταν τοποθετημένο πάνω από τον πίσω άξονα, και η χωρητικότητα του χώρου αποσκευών αυξήθηκε επίσης. Το ύψος του αυτοκινήτου μειώθηκε με το χαμήλωμα των καθισμάτων που προκλήθηκε από την μετατόπιση του κινητήρα προς τα εμπρός και η εσωτερική ευρυχωρία


αυξήθηκε με την εμφάνιση των υποειδών γωνιακών διαφορικών που επέτρεψαν να τοποθετηθεί χαμηλότερα ο κεντρικός άξονας μεταδόσεως, με συνέπεια το χαμήλωμα του πατώματος και τον περιορισμό των διαστάσεων του κεντρικού τούνελ.

Σχήμα 1.40. Nash Statesman Super 1951, Tucker του 1947 και Cadillac του 1948.


Σχήμα 1.41 Chevrolet Fleetmaster 1947 και Oldsmobile Dynamic 76 1948 Πολλά από τα νέα μοντέλα έχουν ισχυρούς κινητήρες υψηλής συμπιέσεως.

Στον τομέα των αναρτήσεων γίνεται σημαντική πρόοδος καθώς εμφανίζεται η ανεξάρτητη ανάρτηση στους μπροστινούς τροχούς. Χρησιμοποιούνται καμπύλα τζάμια εμπρός και ανοίγεται μεγάλο παράθυρο στο πίσω μέρος με σημαντική αύξηση της ορατότητας. Στις Η.Π.Α παρουσιάζονται το 1948 από την εταιρία Goodrich τα ελαστικά χωρίς αεροθαλάμους.


Η επίδραση της ιταλικής γραμμής στη σχεδίαση αμαξωμάτων ήταν σημαντική, όταν ξανάρχισε η παραγωγή αυτοκινήτων το 1946. Ο πιο γνωστός σχεδιαστής ήταν ο Πινινφαρίνα, ο οποίος καθιέρωσε την ιταλική γραμμή, που χαρακτηριζόταν από χάρη, ελαφρότητα στις γραμμές και τις διαστάσεις και ελάχιστη χρήση διακοσμητικών.

Το 1947 παρουσιάζεται το Tucker Torpedo, Σχήμα 1.40, ένα φουτουριστικό μοντέλο με περιστρεφόμενο κεντρικό προβολέα. Μόνο 51 οχήματα παράγονται (από τα οποία πολλά κυκλοφορούν ακόμα). Η προσπάθεια του Tucker απέτυχε, παρά το γεγονός ότι είχε συγκεντρώσει 25 εκατομμύρια δολάρια για να ξεκινήσει και απέσπασε θετικά σχόλια από τον αρχιμηχανικό της G. M. Το αυτοκίνητο θεωρήθηκε πραγματικά πρωτοποριακό για την εποχή του, με κινητήρα ελικοπτέρου στο πίσω μέρος, δισκόφρενα παντού, ανεξάρτητη ανάρτηση και άλλες πρωτοποριακές εφαρμογές ακόμα και για σήμερα. Η Cadillac αποκτά πτερύγια, εμπνευσμένη από το καταδιωκτικό της Λόκχιντ P-38 Lightning, ξεκινώντας έτσι τη μόδα των πτερυγίων, Σχήμα 1.40. H G. M. εισάγει τους καμπυλωτούς ανεμοθώρακες, με αποτέλεσμα καλύτερο πεδίο όρασης του οδηγού και μειωμένες αντανακλάσεις. Επίσης, εισάγεται η χρήση αυτόματων κιβωτίων με μετατροπείς ροπής.

Σχήμα 1.42 Studebaker του 1950.

Στην αρχή της δεκαετίας του 50 στην Αμερική εμφανίζεται το Studebaker, με εμφανή την απομίμηση της εικόνας κινητήρα αεροσκάφους jet, Σχήμα 1.42. Πολλοί υποψήφιοι αγοραστές που θα ήθελαν να ήταν πιλότοι αεροσκαφών στον πόλεμο, γέμισαν τις εκθέσεις που πωλούσαν Studebakers. Οι πωλήσεις γνώρισαν δόξες το 1950 αλλά άρχισαν να πέφτουν δραματικά μετά το χρόνο αυτό. Η εταιρεία αποφάσισε να κάνει μια σημαντική στροφή στο σχεδιασμό και επέλεξε ένα πρωτοποριακό σχήμα για την εποχή. Το στύλ που επιλέχθηκε του δίθυρου μοντέλου του 1953 (Σχήμα 1.43) αποτέλεσε μια νέα σελίδα στο σχεδιασμό στις ΗΠΑ.


Σχήμα 1.43. Studebaker του 1953 coupe και sedan και Fiat του 1947

Έμοιαζε πολύ με το Fiat του 1947 της ιταλικής σχολής του Pinin Farina

προσαρμοσμένο βέβαια στις αισθητικές αντιλήψεις που είχαν αναπτυχθεί πέρα από τον Ατλαντικό. Το Fiat του 1947 και το Studebaker του 1953 έδωσαν μια δραματικά απλή σχεδιαστική γραμμή που θα την ξαναδούμε με μικρές παραλλαγές στη δεκαετία του 90 με το Peugeot 406 coupe.σχεδιασμένο κι αυτό από τον Pinin


Farina. Ο προσεκτικός παρατηρητής θα ξεχωρίσει την ομοιότητα ακόμα και στις γραμμές που ξεκινούν από τη βάση του ανεμοθώρακα και συγκλίνουν στο εμπρόσθιο μέρος προς τη γρίλια του ψυγείου και στο Fiat του 1947 και στο Peugeot 406 του 1997, Σχήμα 1.44. Αν και πρωτοπόρο στη γραμμή το μοντέλο του 1953 οι πωλήσεις της Studebaker δεν μπόρεσαν να ξαναβρούν το ρυθμό τους και ίσως αυτό να οφείλεται στο ότι το νέο μοντέλο δεν κατόρθωσε να εξάψει την φαντασία των καταναλωτών όπως ο πρόγονός του.

Σχήμα 1.44. Peugeot 406 coupe, 1997


Σχήμα 1.45. Chevrolet του 1951 Στην δεκαετία του 1950 τοποθετούνται για πρώτη φορά υδραυλικά συστήματα

διεύθυνσης, διπλά φώτα και βελτιώνεται η στεγανοποίηση του αμαξώματος με την χρησιμοποίηση ελαστικών στοιχείων (τσιμούχες). Καθιερώνεται το σχήμα των τριών όγκων για τα περισσότερα μεσαία αυτοκίνητα. Η Chevrolet του 1951 αποτελεί χαρακτηριστικό δείγμα (Σχήμα 1.45). Όπως είναι φανερό το αυτοκίνητο όπως διαμορφώνεται σχεδιαστικά και αισθητικά δεν προορίζεται να ικανοποιεί μόνο τις ανάγκες μεταφοράς και προστασίας των επιβατών από τις καιρικές συνθήκες. Ο κινητήρας του πολλαπλασιάζει την φυσική ισχύ του οδηγού του μερικές εκατοντάδες φορές και του επιτρέπει να ξεχύνεται σαν εξαγριωμένος ταύρος στους αυτοκινητόδρομους, τρομοκρατώντας τον κόσμο με τη δύναμή του. Η υπερβολική αυτή ισχύς του δίνει αυτοπεποίθηση να εφορμήσει στα άλλα αυτοκίνητα μέσα στην κυκλοφορία, ενώ με τη μεγέθυνση της εμφάνισής του δείχνει ευημερία και κοινωνική καταξίωση στους γείτονές του.

Το αυτοκίνητο αποτελεί έμμεσα και μέσο σεξουαλικής έκφρασης, αν και οι συμβολισμοί που περνάει είναι συνήθως αμφισβητήσιμοι και συχνά αντιφατικοί. Το αυτοκίνητο αποτελεί την προέκταση του ιδιοκτήτη του ενώ συγχρόνως αποτελεί ένα ξεχωριστό αντικείμενο. Ένα μακρύ καπώ κινητήρα μπορεί να συμβολίζει ένα φυσικό φαλλικό σύμβολο αλλά την ίδια στιγμή οι ψυχολόγοι βρίσκουν ότι το αυτοκίνητο μπορεί να συμβολίζει τη θαλπωρή της μήτρας της μητέρας μέσα στο στρογγυλεμένο αμάξωμά του. Αυτός ο τελευταίος συμβολισμός είχε συνδυασθεί με Κάντιλλακ χρώματος μπορντώ με κλιματισμό.

Για τον ιδιοκτήτη το αυτοκίνητο μπορεί να αποτελεί συγχρόνως ένα ξεχωριστό αντικείμενο και την προέκταση του εαυτού του. Εάν ίσχυε μόνο το πρώτο, τα κλασσικά αισθητικά στερεότυπα θα ήταν αρκετά για τον σχεδιαστή-στυλίστα. Όμως, η προηγούμενη πείρα είχε δείξει ότι οι διακρίσεις στον τομέα της εμφάνισης και του στύλ δεν συνοδεύονταν και από αντίστοιχη αποδοχή του κοινού. Για να πετύχει στην αγορά πρέπει η μορφή του αυτοκινήτου να εμπεριέχει και τη συμβολική του έκφραση, που ίσως να αποτελεί ένα σημαντικότερο παράγοντα από


την συνηθισμένη μορφή και αισθητική. Στις αρχές της δεκαετίας του 50 τα αυτοκίνητα της General Motors, Buick,

Oldsmobile και Cadillac αφομοίωσαν με μεγάλη επιτυχία τους κανόνες του συμβολισμού που προαναφέραμε. Η Buick του 1950, Σχήμα 1.46 αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα. Λίγα αυτοκίνητα έχουν σχεδιαστεί με τρόπο που να τρομοκρατούν τον κόσμο περισσότερο απ’ αυτό. Η φοβερή φυσιογνωμία του δείχνει λες και κάτω από ένα χρωμιωμένο χείλος, ένα τεράστιο στόμα να προσπαθεί να διαστείλει περισσότερο τη μεταλλική επιφάνεια που το περιβάλλει για να γίνει πλατύτερο. Πάνω στο άνοιγμα, σαν δόντια προϊστορικού τέρατος φαίνονται οι γρίλιες, ενώ τα στοιχεία του προφυλακτήρα δημιουργούν την αίσθηση πολιορκητικού κριού. Οι προφυλακτήρες σχεδιάζονται με τρόπο που να δίνουν την αίσθηση της άμυνας και προστασίας από σύγκρουση με άλλο αντικείμενο. Στην Buick του 1950 συμβαίνει το αντίθετο. Τα κυλινδρικά στοιχεία στον προφυλακτήρα που μοιάζουν με σφυριά, φαίνονται σαν να πρόκειται να επιβάλουν δύναμη σε κάποιο άλλο αντικείμενο, σαν να πρόκειται να επιτεθούν.

Σχήμα 1.46 Buick Series 40, και Buick Coupe 1950

40 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ Μια σημαντική εξέλιξη γίνεται με την χρησιμοποίηση στην κατασκευή του

αμαξώματος της Chevrolet Corvette του 1953 υαλοβάμβακα ενισχυμένου με ρητίνη. Το ίδιο υλικό χρησιμοποιήθηκε το 1955 στην οροφή του Citroen DS 19, Σχήμα 1.47. Έτσι ελαττώνεται σημαντικά το βάρος και αυξάνεται η αντοχή σε διάβρωση, συγχρόνως όμως ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην έρευνα για την χρησιμοποίηση άλλων προηγμένων υλικών (όπως συνθέτων υλικών) στην κατασκευή πλαισίων και αμαξωμάτων. Η βελτίωση των καυσίμων και των συστημάτων τροφοδοσίας και η εξέλιξη των κινητήρων σε συνδυασμό με τα προηγούμενα δίνει καλύτερο λόγο ισχύος προς βάρος και έτσι βελτιώνονται οι επιδόσεις των αυτοκινήτων: επιτάχυνση, ταχύτητα, κράτημα στο δρόμο και φρενάρισμα. Μισό αιώνα από τότε που ο Lanchester ανακάλυψε τα δισκόφρενα, αυτά γίνονται επιτέλους αποδεκτά και αντικαθιστούν σε πολλές περιπτώσεις τα φρένα τύπου τυμπάνου. Επίσης, το 1953 καθιερώνονται τα ειδικά ελαστικά τύπου ράντιαλ που χρησιμοποιούνται όμως στην αρχή μόνο στα αυτοκίνητα υψηλών επιδόσεων λόγω του μεγάλου κόστους τους.

Σχήμα 1.47 Chevrolet Corvette, 1954, Citroen DS 19, 1954.


Σχήμα 1.48 Fiat 1100d 1953 Vespa 400 1960 και BMW 600 1958.


Σχήμα 1.49 Oldsomobile Dynamic 76 1948 και Cadillac Elvis 1956

Σχήμα 1.50 Panhard Dyna του 1954 με αμάξωμα αλουμινίου και εκπληκτικές επιδόσεις οικονομίας.


Μια σημαντική εξέλιξη στον τομέα των κινητήρων γίνεται με την ανακάλυψη του

κινητήρα Wankel, το 1957, στον οποίο τα έμβολα και ο στροφαλοφόρος άξονας αντικαθιστώνται από ένα περιστρεφόμενο ρότορα με τρεις λοβούς στην περιφέρεια του. Τα πλεονεκτήματα αυτού του κινητήρα έναντι των συμβατικών είναι το χαμηλό βάρος, η μεγάλη ισχύς εξόδου, ομαλή λειτουργία χωρίς θόρυβο και κραδασμούς και ο μικρός χώρος που καταλαμβάνει. Ένα σοβαρό μειονέκτημα είναι η μικρή διάρκεια ζωής των λοβών του κινητήρα, πράγμα που τον έκανε να μην βρει ευρεία εφαρμογή.

Σχήμα 1.51 Giulietta Spider Veloce 1959 και Rover 100 του 1961. Μετά το 1960 ο σχεδιασμός των αυτοκινήτων επηρεάζεται κατά πολύ από το

αυξανόμενο ενδιαφέρον για την ασφάλεια του οδηγού και των επιβατών, καθώς

44 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ επίσης και για τον περιορισμό της ολοένα αυξανόμενης μόλυνσης του περιβάλλοντος. Γίνεται έτσι επιτακτική η σχεδίαση του πλαισίου και του αμαξώματος με γνώμονα την ασφάλεια. Σε πολλά κράτη θεσπίζονται κανονισμοί και προδιαγραφές που αφορούν στους παράγοντες ασφαλείας αλλά και τον περιορισμό της ρύπανσης του περιβάλλοντος. Παράλληλα, με τις βελτιώσεις αυτές τα αυτοκίνητα γίνονται πιο άνετα για τους επιβάτες και διευκολύνεται ο χειρισμός τους.

1.5 Η νεώτερη εποχή της ανάπτυξης του αυτοκινήτου Ενώ το μέγεθος του μέσου αμερικανικού αυτοκινήτου αυξανόταν συνεχώς

από το 1940 μέχρι το 1960 και η μορφή του γινόταν όλο και πιο παράδοξη, ορισμένοι έδειξαν προτίμηση για μικρότερα αυτοκίνητα με απλές γραμμές. Η επιτυχία του γερμανικού Φολκσβάγκεν και άλλων μικρών αυτοκινήτων ανάγκασε τους αμερικανούς κατασκευαστές να στραφούν στην παραγωγή μικρότερων αυτοκινήτων, που τα ονόμασαν Κόμπακτ. Και αυτά όμως ήταν μεγαλύτερα από τα ευρωπαϊκά, και δεν μπόρεσαν να περιορίσουν την αύξηση της εισαγωγής ξένων αυτοκινήτων. Γύρω στο 1965 έκαναν την εμφάνισή τους τα μοντέλα Φάστμπακ με τη χαρακτηριστική κουπέ γραμμή τους στο πίσω μέρος. Τα Φάστμπακ ήταν αρκετά πολυτελή και έμοιαζαν περισσότερο με τα ευρωπαϊκά αυτοκίνητα. Στην Ευρώπη καθώς και την Ιαπωνία, που έγινε σημαντική παραγωγός χώρα από το 1960, το μικρό αυτοκίνητο είναι αυτό που κυριαρχεί.

Με την αρχή της δεκαετίας του 1970 το αυτοκίνητο μπαίνει σε μια καινούργια περίοδο της ιστορίας του. Η ανάπτυξη της Ιαπωνικής βιομηχανίας και ο ανταγωνισμός της με την Ευρωπαϊκή και την Αμερικάνικη επιταχύνουν και πολλαπλασιάζουν τις εξελίξεις στο χώρο του αυτοκινήτου. Οι νέες τεχνολογίες, η δημιουργία νέων εργαλειομηχανών και η αυτοματοποίηση της παραγωγής δίνουν την δυνατότητα για την παραγωγή πολλών και διαφορετικών μοντέλων. Η αυτόματη μετάδοση κινήσεως, τα υδραυλικά φρένα και το υδραυλικό σύστημα διεύθυνσης γίνονται συνηθισμένα συστήματα, ενώ θέρμανση και εξαερισμός περιλαμβάνεται στον εξοπλισμό ακόμα και των μικρών, φτηνών αυτοκινήτων. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας βελτίωσε το αυτοκίνητο στους τομείς της άνεσης, της ασφάλειας, της οδικής συμπεριφοράς και των επιδόσεων.

Παράγοντες άγνωστοι μέχρι τότε, όπως για παράδειγμα η αεροδυναμική και η εργονομία, αρχίζουν και παίζουν σημαντικό ρόλο στην σχεδίαση των οχημάτων. Έτσι εμφανίζονται περισσότερο καμπυλόγραμμα περιγράμματα και μια τάση να δοθεί "σφηνοειδής" μορφή. Η εργονομική σχεδίαση είναι δεδομένη για κάθε όχημα που θέλει να έχει φιλοδοξίες στην αγορά. Το πλήθος των νέων μοντέλων δημιουργεί ιδιαίτερες απαιτήσεις στο κοινό, αφού έχει πολλά περιθώρια επιλογής. Οι κατασκευαστές για να διευρύνουν την αγορά δίνουν έμφαση στα αυτοκίνητα ειδικών χρήσεων και δημιουργούν πολλές κατηγορίες που ξεχωρίζουν από τον κυβισμό, το μέγεθος, τον προορισμό, κτλ.

Τα περισσότερα αμαξώματα κατασκευάζονται σε σύγχρονες πρέσες και είναι αυτοφερόμενα. Οι κινητήρες εξελίχτηκαν και παρέχουν σημαντικές ιπποδυνάμεις και έτσι το πλαίσιο απέκτησε ένα επιπλέον δύσκολο ρόλο: να κρατήσει με την βοήθεια των υπόλοιπων μηχανικών μερών (αναρτήσεις, φρένα, ελαστικά) το αυτοκίνητο σε ακριβή τροχιά στο δρόμο. Σχεδιάζονται έτσι πλαίσια και αμαξώματα που συνδυάζουν ικανοποιητικά την ασφάλεια, την λειτουργικότητα και την


ποιότητα κατασκευής. Η συνεχής έρευνα στον τομέα των αναρτήσεων οδήγησε σε ενεργητικά συστήματα “έξυπνων” αναρτήσεων που εξασφαλίζουν μεγάλη ενεργητική ασφάλεια διατηρώντας την πρόσφυση των τροχών του οχήματος στον δρόμο. Το ίδιο συμβαίνει και στον τομέα των ελαστικών. Σήμερα τα ελαστικά είναι ικανά να ανταπεξέλθουν στις δυσκολότερες καιρικές συνθήκες αλλά και συνθήκες οδήγησης.

Σχήμα 1.52 Peugeot 403, 404, 405. Η εξέλιξη της μορφής στις δεκαετίες του 60, 70 και 80.


Στην παραγωγή αυτοκινήτων ο ρυθμός με τον οποίο παράγονται νέα μοντέλα είναι σχεδόν διπλάσιος από αυτόν της προηγούμενης δεκαετίας. Οι νέες τεχνικές σχεδίασης και βιομηχανικής παραγωγής έχουν μειώσει το χρόνο από την απόφαση για παραγωγή ενός αυτοκινήτου μέχρι την ώρα που αυτό ξεκινά για τον καταναλωτή. Το αυτοκίνητο έχει γίνει εξαιρετικά προσιτό στον καθένα. Άμεσες συνέπειες αυτού είναι η υπερβολική αύξηση του αριθμού των αυτοκινήτων που κυκλοφορούν, ιδιαίτερα στα μεγάλα αστικά κέντρα, η αύξηση των τροχαίων ατυχημάτων και η ρύπανση του περιβάλλοντος. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες και οι κυβερνήσεις, προβλέποντας τα προβλήματα αυτά, άρχισαν εδώ και δέκα περίπου χρόνια να δίνουν προτεραιότητα στο σχεδιασμό οχημάτων με έμφαση στην ασφάλεια, την προστασία του περιβάλλοντος και την ποιότητα. Το αυτοκίνητο από την ημέρα που ανακαλύφθηκε μέχρι σήμερα έχει αλλάξει ριζικά. Το αυτοκίνητο αποτελεί ένα σύνθετο τεχνολογικό προϊόν που άλλαξε τον τρόπο ζωής του σύγχρονου ανθρώπου αλλά και τη μορφή της βιομηχανικής παραγωγής και των διαδικασιών.

Η οδική ασφάλεια έχει προσδιορισθεί με διαφορετικούς τρόπους μέσα στα χρόνια, κάθε επόμενη γενιά μηχανικών αντιμετωπίζει το καθήκον να βελτιώνει τις προσπάθειες των προηγούμενων. Στις αρχές της νεώτερης εποχής της αυτοκίνησης η οδική ασφάλεια εθεωρείτο αποκλειστική ευθύνη του οδηγού. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων πίστευαν ότι είχαν εφοδιάσει τον οδηγό με όλα τα απαραίτητα όργανα για να οδηγεί με ασφάλεια, δηλαδή αξιόπιστα και ανθεκτικά φρένα, σύστημα διεύθυνσης, φώτα, τροχούς και αναρτήσεις. Ο οδηγός είχε τη δυνατότητα να τα χρησιμοποιήσει με τρόπο που να διασφαλίζεται η οδική ασφάλεια του ίδιου και των επιβατών του δικού του αλλά και των άλλων οχημάτων, πεζών και δικυκλιστών.

Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες έχουν γίνει μεγάλα βήματα προόδου για τη βελτίωση τόσο της ενεργητικής, όσο και της παθητικής ασφάλειας. Χαρακτηριστικά αναφέρονται η χρησιμοποίηση ανδρείκελων δυναμικών δοκιμών συγκρούσεων το 1950. Τα ανδρείκελα αυτά τελειοποιήθηκαν το 1955. Αυτορρυθμιζόμενα ταμπούρα, ασφαλέστερα ελαστικά χωρίς αεροθαλάμους, σπογγώδη καλύμματα του πίνακα οργάνων για την αποφυγή τραυματισμών, δισκόφρενα, ζώνες ασφαλείας, ασφαλιζόμενη διπλή μανδάλωση θυρών, ασφάλεια παιδιών στις πίσω θύρες, αντιθαμβωτικό οπίσθιου παραθύρου, προσκέφαλα εμπρόσθιων καθισμάτων, ταυτόχρονη λειτουργία δεικτών πορείας για ένδειξη κινδύνου, αντιθαμβωτικός εσωτερικός καθρέπτης με δύο θέσεις, κατασκευή δικτύου εθνικών οδών είναι οι κύριες τεχνολογίες για τη βελτίωση της οδικής ασφάλειας κατά τη δεκαετία του 1950.

Στη δεκαετία του 1960 και στις δύο πλευρές του Ατλαντικού αρχίζει να διαδίδεται η χρήση του εναλλακτήρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Με τον εναλλακτήρα παράγεται ρεύμα ακόμη και κατά την ώρα που ο κινητήρας λειτουργεί σε χαμηλές στροφές («ρελαντί»). Εισάγεται ακόμη το διπλό κύκλωμα φρένων, οι ανεμοθώρακες με δύο επάλληλα στρώματα τζαμιού και πλαστική μεμβράνη ενδιάμεσα για την απορρόφηση κρουστικών φορτίων κατά τη σύγκρουση, η τηλεσκοπική στήλη του τιμονιού, η δοκός πλευρικής προστασίας θυρών, τυποποίηση των αυτόματων κιβωτίων ταχυτήτων, ακτινωτά ελαστικά και συστήματα αποφυγής της ακινητοποίησης των οπίσθιων τροχών κατά την πέδηση.


Η δεκαετία του 1970 χαρακτηρίζεται από τις διαφωνίες κατασκευαστών και κυβερνήσεων για το πότε και πως θα τοποθετηθούν αερόσακοι. Το 1979 και το 1980 τοποθετούνται αερόσακοι σε 500.000 αυτοκίνητα στις ΗΠΑ. Όμως, μια σημαντική κυβερνητική απόφαση στην Βικτόρια της Αυστραλίας την 1/1/71 όριζε σαν υποχρεωτική τη χρήση της ζώνης ασφαλείας. Αν και δεν δόθηκε μεγάλη σημασία από τον Τύπο της εποχής, τα αποτελέσματα από την εφαρμογή της ήταν εντυπωσιακά. Ελαττώθηκαν τα θύματα κατά 21%. Ακολούθησαν και άλλες Αυστραλιανές πολιτείες και στην Ευρώπη η Γαλλία, η Φιλανδία και η Γερμανία για να ακολουθήσουν και οι υπόλοιπες χώρες. Στις ΗΠΑ θεωρούσαν ότι δεν ήταν δυνατό να υποχρεωθούν οι Αμερικανοί με νόμο να χρησιμοποιούν ζώνες ασφαλείας. Στην πολιτεία της Νέας Υόρκης η χρήση ζώνης ασφαλείας έγινε υποχρεωτική με νόμο μόλις το 1984 για να ακολουθήσουν και οι άλλες πολιτείες. Την ίδια δεκαετία εμφανίζονται ακτινωτά ελαστικά με χαλύβδινους περιφερειακούς δακτυλίους, σφραγισμένοι συσσωρευτές, συστήματα αποφυγής ακινητοποίησης και των τεσσάρων τροχών κατά την πέδηση, ηχητικά και φωτεινά σήματα για την φθορά των φρένων και τη θέση της ζώνης ασφαλείας, φωτιστικά σώματα ισχύος 150.000 cd αντί 75.000 cd με λαμπτήρες αλογόνου

Στη δεκαετία του 1980 αρχίζει η εφαρμογή και οι συζητήσεις για τα παθητικά συστήματα ασφαλείας. Μέχρι το 1985 17 πολιτείες των ΗΠΑ (με το 51% του πληθυσμού) έχουν ψηφίσει νόμους για την υποχρεωτική χρήση ζωνών ασφαλείας. Από το 1985 και μετά εφαρμόζεται ο αερόσακος συνοδηγού, η προένταση των ζωνών ασφαλείας κατά τη σύγκρουση, αντιθαμβωτικό σύστημα πλαϊνών παραθύρων και η εισαγωγή ηλεκτρονικών συστημάτων αποφυγής της ακινητοποίησης των τροχών κατά την πέδηση.

Στη δεκαετία του 1990 δίνεται έμφαση στην πλευρική προστασία των οχημάτων κατά τη σύγκρουση. Αναπτύσσονται συστήματα πλευρικών αερόσακων που φιλοξενούνται στο κάθισμα ή το προσκέφαλο ή την οροφή, χρησιμοποιούνται τα φώτα ημέρας για καλύτερη ορατότητα του οχήματος. Στην προσπάθεια βελτίωσης της οδικής ασφάλειας αναπτύχθηκαν και συνεχίζουν να αναπτύσσονται προηγμένα συστήματα υποστήριξης του οδηγού, που λόγω της μεγάλης ανάπτύξης του τομέα των τηλεπικοινωνιών εγκαθίστανται σε μεγάλο αριθμό ακόμα και σε αυτοκίνητα μεσαίων και μικρών κατηγοριών. Χαρακτηριστικές κατηγορίες τέτοιων συστημάτων αναφέρονται σαν:

Συστήματα Επικοινωνιών Συστήματα Πλοήγησης Συστήματα Ελέγχου Τριβής και Πρόσφυσης Συστήματα Ελέγχου Πορείας Σύστημα Παρακολούθησης της Εγρήγορσης του Οδηγού Συστήματα Βελτίωσης της Ορατότητας Συστήματα Νυκτερινής Όρασης Συστήματα Παρακολούθησης των Πεζών Συστήματα Παρακολούθησης των "Τυφλών" Γωνιών Αισθητήρες περιβάλλοντος


Σχήμα 1.53 Ενισχυμένος κλωβός προστασίας επιβατών σε σύγχρονο αυτοκίνητο

Από τα παραπάνω φαίνεται ότι οι οδηγοί απαιτείται να προσλαμβάνουν ένα

συνεχώς αυξανόμενο όγκο πληροφοριών. Το πρόβλημα είναι πως αυτή η επιβάρυνση επιδρά στην ασφαλή οδήγηση. Οι οδηγοί είναι σε θέση να λαμβάνουν πληροφορίες προερχόμενες από περιφερειακές συσκευές του αυτοκινήτου χωρίς να μειώνεται η προσοχή τους κατά τη διάρκεια της οδήγησης εφόσον εξασφαλισθεί η συστηματική και ενιαία για όλα τα αυτοκίνητα ροή τους. Έτσι, προκειμένου όλες αυτές οι εντυπωσιακές νέες υπηρεσίες να αυξήσουν πράγματι την οδική ασφάλεια αλλά και την άνεση του οδηγού, θα πρέπει να αναπτυχθούν ολοκληρωμένα συστήματα διασύνδεσης οδηγού και αυτοκινήτου, ικανά να χειρίζονται μεγάλες ποσότητες πληροφοριών ερχόμενες από διαφορετικά συστήματα και αισθητήρες με τέτοιο τρόπο ώστε να ενημερώνουν τον οδηγό, να τον βοηθούν να παίρνει τις σωστές αποφάσεις, και να διορθώνει τα λάθη του, διατηρώντας ταυτόχρονα το φόρτο εργασίας του σε λογικά επίπεδα.


Αυτό μπορεί να γίνει πραγματικότητα μόνο με την χρήση κατάλληλων, απλών και εύκολων στην κατανόηση μηνυμάτων που θα ενημερώνουν τον οδηγό με μοναδικό τρόπο για όλες τις πιθανές καταστάσεις, και ταυτόχρονα με την ανάπτυξη ενός συστήματος που θα διαχειρίζεται όλο αυτόν τον όγκο πληροφοριών και θα αποφασίζει πότε θα ενημερώνει τον οδηγό και για ποια θέματα, λαμβάνοντας υπόψη του τόσο το φόρτο εργασίας του, όσο και τις συνθήκες οδήγησης την κάθε συγκεκριμένη στιγμή.

Σχήμα 1.54 Ένας αιώνας προόδου από το Ford Model T στο Mondeo του 2000

Οι νέες απαιτήσεις που βάζει η κοινωνία αφορούν στην ανάγκη για ασφάλεια

παθητική και ενεργητική, στην εξοικονόμηση ενέργειας και στο πρόβλημα της προστασίας του περιβάλλοντος. Μπορούμε λοιπόν να υποθέσουμε ότι έχει αρχίσει μια νέα περίοδος, η κοινωνική περίοδος. Μια περίοδος όπου το αισθητικό αποτέλεσμα αποτελεί ένα μέρος της καθολικής απαίτησης για ένα προϊόν που εντάσσεται στους γενικούς κοινωνικούς στόχους που η αιχμή τους σήμερα είναι η

50 ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ ασφάλεια, η ενέργεια και το περιβάλλον.

Παρά τις τόσο γενικευμένες τάσεις η αισθητική λειτουργία θα παίρνει τον πρώτο λόγο. Διότι η ανάγκη για το ωραίο υπάρχει σαν ένα γενικό ένστικτο που πάντα θα υπάρχει στις ανθρώπινες ανάγκες. 'Ένας ακόμη παράγοντας που ενισχύει την άποψη αυτή είναι η πρόβλεψη ότι η ικανοποίηση του αισθητικού παράγοντα θα κοστίζει διαρκώς και λιγότερα μπροστά στο αυξανόμενο ραγδαία κόστος των βελτιώσεων των σχετικών με την ασφάλεια, την ενέργεια και το περιβάλλον. Οι σχετικές μελέτες κοστίζουν διαρκώς όλο και περισσότερο. Οι επενδύσεις που χρειάζονται, έχουν φτάσει σε τεράστιο ύψος και η τάση είναι να αυξάνονται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αντίθετα, η καλλιτεχνική δημιουργία είναι περισσότερο προσωπική υπόθεση του δημιουργού που το κόστος της, όσο και αν αυξάνουν τα τεχνολογικά μέσα στα χέρια του δημιουργού, δεν είναι δυνατόν να ακολουθήσει την αλματώδη αύξηση που παρουσιάζουν τα άλλα έξοδα που αναφέραμε, μια και η κύρια συνεισφορά έρχεται από το μυαλό, το μάτι και τα χέρια.

ΠΛΑΙΣΙΑ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 2.1 ΠΛΑΙΣΙΑ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 2.1 Κατάταξη πλαισίων Το πλαίσιο είναι μια ισχυρή μεταλλική κατασκευή, πάνω στην οποία στηρίζονται

όλοι οι υπόλοιποι μηχανισμοί του αυτοκινήτου. Αν και παλαιότερα αποτελούσε το κύριο χαρακτηριστικό των αυτοκινήτων σήμερα το πλαίσιο (σασί) έχει αντικατασταθεί από το αυτοφερόμενο αμάξωμα.

Σχήμα 2.1 a. Ανεξάρτητο πλαίσιο και αμάξωμα (Range Rover της εταιρείας Land Rover) b. αυτοφερόμενο πλαίσιο (FORD)

2.2 ΠΛΑΙΣΙΑ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΩΝ

Εξακολουθεί όμως να υπάρχει σε μερικά σπορ αυτοκίνητα, σε αυτοκίνητα τύπου Jeep (Σχήμα 2.1), σε αυτοκίνητα που το υπόλοιπο αμάξωμα είναι κατασκευασμένο από πλαστικά υλικά και σε πολλά αμερικάνικα αυτοκίνητα.

Η πιο κλασική κατασκευή ανεξάρτητου πλαισίου περιλαμβάνει δύο παράλληλες δοκούς σε σχήμα διατομής Π ή ορθογωνικής, που συνδέονται μεταξύ τους με άλλα εγκάρσια μέλη ή σε σχήμα χιαστί για να εξασφαλίζεται έτσι μεγαλύτερη αντοχή στις καταπονήσεις που δέχεται. Η κατασκευή αυτή ανάλογα με τις διάφορες απαιτήσεις των κατασκευαστών, αλλά και με την ανάπτυξη της τεχνολογίας του αυτοκινήτου πέρασε πολλές αλλαγές και έτσι διαμορφώθηκαν διάφοροι τύποι πλαισίων. Μερικοί βασικοί τύποι ανεξάρτητων πλαισίων αναφέρονται στη συνέχεια.

Το πλαίσιο περιμετρικού τύπου που φαίνεται στο Σχήμα 2.2α. Στην κάτοψη φαίνεται ότι στην μέση περίπου το πλαίσιο είναι φαρδύτερο, ενώ στα άκρα στενεύει. Η μπροστινή απόσταση των πλευρικών μελών καθορίζεται από το μετατρόχιο και από την μέγιστη γωνία στροφής των τροχών, ενώ στο πίσω μέρος μόνο από το μετατρόχιο. Τα πλευρικά μέλη ενώνονται με αρκετά εγκάρσια στελέχη. Οι “ώμοι” που βρίσκονται μπροστά σχηματίζονται μπροστά από το κεκλιμένο μέρος του πατώματος, στο μέρος που συνήθως βρίσκεται το διαμέρισμα του κινητήρα.

Οι πίσω "ώμοι" βρίσκονται κάτω από το πίσω κάθισμα. Οι "ώμοι" μπορεί να κατασκευαστούν σαν διαφορετικά κομμάτια συγκολλημένα στα εμπρός, μεσαία και πίσω τμήματα των πλευρικών μελών ή μπορεί να είναι διαμορφωμένα μαζί με τα πλευρικά μέλη.

Το πλαίσιο σχήματος Χ που φαίνεται στο Σχήμα 2.2β αποτελείται από ένα κεντρικό τούνελ, τοποθετημένο στο επίπεδο συμμετρίας του αυτοκινήτου, ο οποίος σχηματίζει “πιρούνια” μπροστά και πίσω. Τα μπροστινά πιρούνια χρησιμεύουν για την εγκατάσταση της μονάδας ισχύος, ενώ τα πίσω για την διευθέτηση του πίσω άξονα. Το κεντρικό μέλος του περνάει διαμέσου του κεντρικού τούνελ του αμαξώματος.

Το πλαίσιο τύπου σκάλας, το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 2.2γ αποτελείται από δύο παράλληλα πλευρικά μέλη ενωμένα μεταξύ τους με αρκετά εγκάρσια μέλη. Για να μειωθεί το ύψος του πατώματος σε σημεία που αυτό είναι αναγκαίο, το ύψος των πλευρικών και των εγκάρσιων μελών μειώνεται, ενώ αυξάνεται συγχρόνως το πλάτος, για να διατηρηθεί η συνολική αντοχή τους. Με αυτό το πλαίσιο το ύψος του πατώματος από τον δρόμο είναι μεγαλύτερο από αυτό του πλαισίου περιμετρικού τύπου ενώ το τούνελ του άξονα έχει μικρό ύψος και πλάτος και επίσης το δάπεδο δεν προεξέχει δεξιά ή αριστερά.

ΠΛΑΙΣΙΑ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΦΟΡΤΙΩΝ 2.3

Σχήμα 2.2 α. Ανεξάρτητο πλαίσιο περιμετρικού τύπου.

β. Ανεξάρτητο πλαίσιο τύπου Χ. γ. Ανεξάρτητο πλαίσιο τύπου σκάλας.


2.2 Μέρη του πλαισίου – ονοματολογία

Διάφοροι τύποι πλαισίων παρουσιάζουν αρκετές διαφορές στα μέρη που τα αποτελούν και στην ονοματολογία τους. Τα κυριότερα μέρη σ' ένα τυπικό πλαίσιο, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2.2 είναι:

1. Πλευρικοί ή παράλληλοι δοκοί Είναι οι δύο πλευρικοί δοκοί του πλαισίου που αποτελούν και τα κυριότερα μέρη του. 2. Εγκάρσιοι δοκοί ή διαδοκίδες Είναι δοκοί που τοποθετούνται κάθετα στα πλευρικά και τα συνδέουν μεταξύ τους. Τα

εγκάρσια μέλη αριθμούνται από το μπροστινό μέρος του πλαισίου για να μην γίνεται σύγχυση στην ονομασία τους και έτσι είναι το 1ο εγκάρσιο, το 2ο εγκάρσιο κ.λ.π.

3. Διαγώνιες ενισχύσεις Αντί να υπάρχουν ανάμεσα στις πλευρικές δοκούς εγκάρσιοι, τοποθετούνται δύο

διαγώνιοι δοκοί και τις συνδέουν μεταξύ τους (αυτό δεν συμβαίνει σε όλα τα πλαίσια). 4. Κομβοελάσματα Είναι ελάσματα που συνδέουν δύο τμήματα του πλαισίου μεταξύ τους. 5. Βάσεις στήριξης του αμαξώματος (μπρακέτα) Είναι ειδικά στηρίγματα, κολλημένα πάνω στις δοκίδες και σ' αυτά στηρίζεται το

αμάξωμα του αυτοκινήτου. 6. Βάσεις αναρτήσεων Είναι ειδικά στηρίγματα του πλαισίου που πάνω σ' αυτά προσαρμόζονται οι

αναρτήσεις του αυτοκινήτου. 7. Βάσεις ανύψωσης του αυτοκινήτου Τοποθετούνται πάνω στις πλευρικές δοκούς, στην εξωτερική τους πλευρά και

αποτελούν την υποδοχή για να τοποθετείται ο γρύλλος και να σηκώνεται το αυτοκίνητο. Αυτές οι βάσεις μπορεί να είναι τέσσερις, δύο μπροστά και δύο πίσω, δεξιά και αριστερά, ή μόνο δύο, μία δεξιά και μία αριστερά στο μέσο του πλαισίου.

8. Βάσεις των μηχανισμών Πάνω στις βάσεις αυτές στηρίζονται τα μηχανικά μέρη του αυτοκινήτου. Ο κινητήρας,

το κιβώτιο ταχυτήτων κ.λ.π.

2.3 Οι λειτουργίες του πλαισίου 2.4 Το πλαίσιο εξυπηρετεί πολλούς σκοπούς στη συγκρότηση του οχήματος και αποτελεί

τη βάση για την κατασκευή του. Κι αυτό γιατί: 1. Στερεώνονται πάνω σ' αυτό οι μηχανισμοί του αυτοκινήτου (κινητήρας, κιβώτιο

ταχυτήτων, αμάξωμα, αναρτήσεις κ.ά.) 2. Παραλαμβάνει τα φορτία που προέρχονται από το βάρος των επιβατών, των

μηχανικών μερών, τις διάφορες αντιδράσεις από τις ανωμαλίες του εδάφους και εξασφαλίζει τη στρεπτική ακαμψία του οχήματος.

3. Αποτελεί τον ενδιάμεσο σύνδεσμο ανάμεσα στις αναρτημένες και μη αναρτημένες μάζες του οχήματος. Αναρτημένες μάζες λέγονται αυτές που το φορτίο τους μεταφέρεται στο έδαφος μέσα από τις αναρτήσεις και είναι το πλαίσιο και όλοι οι μηχανισμοί που βρίσκονται στερεωμένοι πάνω σ' αυτό. Οι υπόλοιποι μηχανισμοί (αναρτήσεις, τροχοί, ημιαξόνια, φρένα κ.ά.) που τα φορτία τους δεν μεταφέρονται στο έδαφος μέσα από τις αναρτήσεις αλλά κατευθείαν, λέγονται μη αναρτημένες μάζες.


4. Δέχεται τις διάφορες δυνάμεις από τις μικροσυγκρούσεις χωρίς να παραμορφώνεται.

Οι βασικές διαστάσεις του πλαισίου σε περίπτωση επισκευής μετρώνται σε ειδική τράπεζα (καλίμπρα) και πρέπει να συμφωνούν ακριβώς με τις διαστάσεις του κατασκευαστή για να διασφαλίζεται η σωστή γεωμετρία του αυτοκινήτου.

2.4 Βασικά χαρακτηριστικά των πλαισίων

Τα βασικά χαρακτηριστικά των πλαισίων αφορούν κύρια στις κατασκευαστικές ιδιότητές τους και είναι:

1. Ο τύπος του πλαισίου, η μορφή του δηλαδή παραλληλόγραμμο, χιαστί, σωληνωτό ή άλλη.

2. Οι βασικές διαστάσεις που φαίνονται στο Σχήμα 2.3 είναι διαφορετικές από πλαίσιο σε πλαίσιο:

α) Μήκος πλαισίου (α), είναι το μήκος των δύο παράλληλων δοκών. β) Πλάτος πλαισίου (β), είναι η μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ των δύο παράλληλων

δοκών. γ) Απόσταση αξόνων ή μεταξόνιο (γ), είναι η απόσταση μεταξύ των δύο αξόνων,

εμπρόσθιου και οπίσθιου. δ) Μπροστινό μετατρόχιο (δ), είναι η απόσταση μεταξύ των δύο μπροστινών τροχών. ε) Πίσω μετατρόχιο (ε), είναι η απόσταση μεταξύ των δύο πίσω τροχών. στ) 'Υψος (ανοχή) εδάφους, είναι η απόσταση του χαμηλότερου σημείου από το

έδαφος.

Σχήμα 2.3 Βασικές διαστάσεις πλαισίου 3. Το βάρος του πλαισίου που εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως το μέγεθος,

το σχήμα, το υλικό κατασκευής κ.ά. 4. Το υλικό κατασκευής και ο τρόπος κατασκευής του πλαισίου.


2.5 Πλαίσια επιβατικών οχημάτων Όλοι οι μηχανισμοί του αυτοκινήτου για να λειτουργήσουν σωστά και να εκτελέσουν

την αποστολή τους, πρέπει να είναι σταθερά συνδεδεμένοι σε κάποια βάση. Η βάση η οποία εκτός από τη στήριξη των διάφορων μηχανισμών, δέχεται τους επιβάτες, τις αποσκευές και τα διάφορα φορτία αποτελεί το αμάξωμα. Ανάλογα με τη μορφή και τον τρόπο κατασκευής τα πλαίσια των επιβατικών αυτοκινήτων διακρίνονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες:

1. Η αυτοφερόμενη κατασκευή. Στη μορφή αυτή το πλαίσιο και το αμάξωμα αποτελούν μια ενιαία κατασκευή.

Χρησιμοπoιείται ευρέως στα σύγχρονα αυτοκίνητα και ειδικότερα σ' αυτά που έχουν μεταξόνιο μικρότερο από 2600 - 2800 mm και μικτό βάρος κάτω από 1350 - 1450 kg. Στα πλεονεκτήματά της αναφέρονται η μικρή μάζα (που συνεπάγεται μικρό βάρος), η μεγάλη αντοχή κύρια σε στρέψη, και τα λίγα κομμάτια στη συναρμολόγηση.

Μειονεκτήματα είναι η πολυπλοκότητα του σχεδιασμού καθώς πρέπει να γίνει προσεκτική διευθέτηση χώρων και καλός υπολογισμός των ενισχύσεων, και η δυσκολία κατασκευής γιατί απαιτείται σύγχρονη τεχνολογία και εξελιγμένες εργαλειομηχανές. Σε περίπτωση ατυχήματος παρέχει αυξημένη προστασία αλλά αν παραμορφωθεί η επισκευή του είναι πολύ δύσκολη.

2. Το ανεξάρτητο πλαίσιο. Αποτελεί ξεχωριστή κατασκευή από το αμάξωμα και είναι τις περισσότερες φορές

επίπεδο. Σχεδιάζεται για να μπορεί να δεχτεί όλα τα φορτία που επιδρούν στο αυτοκίνητο. Στην περίπτωση αυτή το αμάξωμα χρησιμεύει κύρια για την προφύλαξη των επιβατών από τις καιρικές συνθήκες και σε μικρό ποσοστό για την προστασία τους από συγκρούσεις. Πλεονεκτήματα του ανεξάρτητου πλαισίου είναι η ευκολία σχεδιασμού και υπολογισμού σε σχέση με το αυτοφερόμενο, η δυνατότητα χρησιμοποίησης διαφορετικών αμαξωμάτων στο ίδιο πλαίσιο και η δυνατότητα επισκευής μετά από ατύχημα. Η κατασκευή του μπορεί να γίνει με περιορισμένη τεχνολογία. Κύρια μειονεκτήματά του είναι το μεγάλο βάρος (στις περισσότερες περιπτώσεις), η μειωμένη αντοχή στις περισσότερες καταπονήσεις και οι συγκεντρώσεις τάσεων που παρουσιάζουν στα σημεία που συνδέονται με τα μηχανικά μέρη του οχήματος. Τέτοια πλαίσια χρησιμοποιούσαν τα παλιότερα αυτοκίνητα

3. Το μικτό ή ημιαυτοφερόμενο πλαίσιο. Είναι τρισδιάστατο και αποτελεί μια ενδιάμεση λύση ανάμεσα στα δύο προηγούμενα.

Μέσω αυτού του τύπου πλαισίου παραλαμβάνονται όλα τα φορτία που ασκούνται στο όχημα, ενώ εξασφαλίζεται καλύτερη προφύλαξη των επιβατών σε περίπτωση σύγκρουσης. Το αμάξωμα εδώ προφυλάσσει τους επιβαίνοντες μόνο από τις καιρικές συνθήκες. Τα πλεονεκτήματα του είναι η ελαφριά κατασκευή, η απλή συναρμολόγηση και η αρκετά καλή αντοχή σε στρεπτικά φορτία. Και εδώ παρέχεται η δυνατότητα χρησιμοποίησης εναλλακτικών αμαξωμάτων. Ο σχεδιασμός και ο υπολογισμός του είναι ευκολότερος από τα αυτοφερόμενα αλλά δυσκολότερος από τα ανεξάρτητα. Παρέχει περιορισμένες δυνατότητες επισκευής και παρουσιάζει και αυτό συγκεντρώσεις τάσεων στα σημεία σύνδεσης με τα μηχανικά μέρη.

Στους δύο τελευταίους τύπους πλαισίων είναι δυνατόν να ελαττωθεί ο εσωτερικός θόρυβος αν προστεθούν ελαστικοί σύνδεσμοι στα σημεία σύνδεσης πλαισίου - αμαξώματος, ενώ διαχωρίζεται και απλοποιείται σημαντικά η συνολική διαδικασία παραγωγής του οχήματος.


2.3. Φόρτιση πλαισίων

2.3.1 Στατικά φορτία που επιδρούν σε ένα αυτοκίνητο Σε ένα όχημα που κινείται με μικρή ταχύτητα οι δυνάμεις που επιδρούν στο πλαίσιο

διαμέσου της εμπρόσθιας και της πίσω ανάρτησης, είναι το άθροισμα των φορτίων που προέρχονται από το βάρος του αυτοκινήτου, όταν αυτό βρίσκεται σε οριζόντιο επίπεδο δρόμο και επιπρόσθετα τα φορτία που παρουσιάζονται όταν ένας από τους τροχούς ανασηκώνεται συναντώντας μια ανωμαλία του εδάφους (Σχήμα 2.4). Τα φορτία αυτά μπορούν να θεωρηθούν στατικά φορτία ακόμα και στην περίπτωση κατά την οποία το όχημα κινείται αργά, γιατί θεωρείται ότι η μεταβολή των φορτίσεων γίνεται με πολύ αργότερους ρυθμούς από ότι στην περίπτωση που το αυτοκίνητο κινείται με ταχύτητα (στην περίπτωση αυτή παρουσιάζονται και δυναμικά φορτία).

Σχήμα 2.4: Στατικά φορτία που επιδρούν σ' ένα αυτοκίνητο: α) Σε οριζόντιος επίπεδο δρόμο.

β) Με ένα τροχό ανασηκωμένο εξαιτίας μιας ανωμαλίας του δρόμου. Αν το κέντρο μάζας του οχήματος (c.m) βρίσκεται στο διάμηκες επίπεδο συμμετρίας,

τότε τα φορτία στους δεξιούς και στους αριστερούς τροχούς θα είναι αντίστοιχα:

Rfr = Rfl = 0.5 ma g ( b/L ) (2.1)

Rrr = Rrl = 0.5 ma g ( a/L ) (2.2) όπου:

ma η μάζα του οχήματος, a, b οι αποστάσεις από το κέντρο μάζας του οχήματος στους εμπρός και πίσω

τροχούς αντίστοιχα, και L το μεταξόνιο του αυτοκινήτου (L= a + b). Από την θεώρηση που έγινε για το κέντρο μάζας προκύπτει ότι ο φέρον οργανισμός

δέχεται συμμετρικά φορτία που προκαλούν την κάμψη του. Όταν ένας από τους τροχούς, για παράδειγμα ο εμπρός αριστερά, ανασηκώνεται από μία ανωμαλία του εδάφους σε σχέση με τους άλλους, τότε ένα επιπρόσθετο φορτίο επιδρά σ' αυτόν τον τροχό και το φορτίο στον αντίθετο δεξιό τροχό μειώνεται. Σ' αυτή την περίπτωση για οριζόντιο και επίπεδο δρόμο προστίθεται στα φορτία που επιδρούν στους τροχούς του αυτοκινήτου μια


στρεπτική ροπή σε σχέση με τον διαμήκη άξονα. Η στρεπτική αυτή ροπή εξισορροπείται από την ροπή που δημιουργεί το φορτίο στους πίσω τροχούς.

Αν υποτεθεί ότι η φέρουσα κατασκευή είναι απόλυτα άκαμπτη, τότε το ύψος της ανωμαλίας που αντιστοιχεί στην περίπτωση που ο τροχός χάνει την επαφή με την επιφάνεια του εδάφους, είναι:

h0 = ftf + fsf (Bf/Sf ) + Bf (ftr/Br + fsr/Sr ) (2.3)

και: ftf και ftr οι παραμορφώσεις των ελαστικών στους εμπρός και πίσω τροχούς αντίστοιχα, fsf και fsr η βύθιση των ελατηρίων των εμπρός και πίσω αναρτήσεων αντίστοιχα, Bf και Br το μετατρόχιο των εμπρός και πίσω τροχών αντίστοιχα και Sf και Sr η απόσταση μεταξύ των ελατηρίων στους εμπρός και πίσω άξονες αντίστοιχα.

Αν το πλαίσιο δεν είναι απόλυτα άκαμπτο αλλά συστρέφεται γύρω από το μήκος του μεταξονίου κατά μια γωνία φ, τότε το ύψος της ανωμαλίας είναι:

h0 = ftf + fsf ( Bf/Sf ) + Bf (ftr/Br + fsr/Sr + φ ) (2.4)

Αντικαθιστώντας τις παραμορφώσεις από τις δυσκαμψίες και τις αντίστοιχες

συνιστώσες των δυνάμεων:

ft = R/ct , fs = RB/(csS) , φ = RB/(2cφ) (2.5)

(όπου cφ είναι η στρεπτική δυσκαμψία του φέροντος οργανισμού), η εξίσωση (2.4) γίνεται:

1 1 Bf

2 1 Br Bf h0 = R[ — + — —— + Bf ( —— + ——— + —— )] (2.6)

ctf csf Sf 2 ctrBr ctrS

2r 2cφ

Αν η τιμή h0 που βρίσκεται από την παραπάνω εξίσωση είναι μικρότερη ή ίση από

κάποιο ύψος h’ της ανωμαλίας, το οποίο εξαρτάται από την ποιότητα και την κατάσταση του δρόμου, τότε η ροπή στη φέρουσα κατασκευή θα είναι ίση με:

Τ = 0.5 RB (2.7)

όπου: R το φορτίο στον λιγότερο φορτωμένο άξονα και Β η τιμή του μετατροχίου που αντιστοιχεί.

Αν το h0 είναι μεγαλύτερο από το h', τότε ο τροχός δεν θα χάσει την επαφή του από το έδαφος και η ροπή στο πλαίσιο θα είναι:

T = 0.5 RB h'/h0 (2.8)

Στους υπολογισμούς το h παίρνεται ίσο με ±200 ή ±300 mm όταν αναφερόμαστε σε

επιβατικά ή φορτηγά αυτοκίνητα αντίστοιχα.


Σε οχήματα που έχουν στιβαρή σε στρέψη φέρουσα κατασκευή, με μαλακές αναρτήσεις και ελαστικά (όπως επιβατικά αυτοκίνητα και λεωφορεία), ο όρος Βf/(2cφ) που εμφανίζεται στην εξίσωση (2.6) είναι αμελητέος και οι ανωμαλίες του δρόμου υπολογίζονται κυρίως από τις παραμορφώσεις των ελαστικών και των αναρτήσεων (εδώ μπορεί να ισχύει T = 0.5 RB). Αν όμως το φέρον σύστημα είναι ελαστικό σε στρέψη και η ανάρτηση είναι σχετικά σκληρή (όπως στα φορτηγά), ο όρος Bf/(2cφ) είναι πολύ μεγαλύτερος και οι ανωμαλίες του δρόμου υπολογίζονται κυρίως από την ευκαμψία του φέροντος συστήματος. (Στην περίπτωση αυτή η ροπή T δεν είναι γενικά ίση με 0.5 RB).

Σύμφωνα με όσα αναφέρθηκαν προηγούμενα, διακρίνονται δύο κυρίως διαφορετικοί τύποι φέρουσας κατασκευής: η άκαμπτη και ευλύγιστη σε στρέψη.

Για τις περισσότερες περιπτώσεις, όπου το φορτίο στον μπροστινό άξονα είναι μικρότερο από τον πίσω και ένας μπροστινός τροχός, έστω ο αριστερός, ανασηκώνεται από μια ανωμαλία, τα φορτία στους τροχούς στην περίπτωση πλαισίου (με T = 0.5 RB) θα είναι:

Rfr = 0 (2.9)

Rfl = ma g b/L (2.10)

Rrr = ma/(2L) g ( a + b Bf/Br ) (2.11)

Rrl = ma/(2L) g ( a - b Bf/Br ) (2.12)

Ενώ στην περίπτωση εύκαμπτου σε στρέψη πλαίσιο [με T = 0.5 RB(h'/h0)] θα είναι:

Rfr = (ma/2) g b/L (1 - h'/h0 ) (2.13)

Rfl = (ma/2) g b/L ( 1 + h'/h0 ) (2.14)

Rrr = (ma/2) (g /L) [a + b(Bf/Br)(h'/h0)] (2.15)

Rrl = (ma/2) (g /L) [a - b (Bf/Br)(h'/h0)] (2.16) Όταν ένα αυτοκίνητο οδηγείται σε έναν ανώμαλο δρόμο τα φορτία στους τροχούς

αυξάνονται εξαιτίας της δυναμικής ενέργειας. Κινούμενο σε άσχημα κομμάτια δρόμου και συναντώντας μεγάλες ανωμαλίες με μικρή ταχύτητα, η κατακόρυφη επιτάχυνση του αναρτώμενου μέρους του αυτοκινήτου δεν υπερβαίνει την τιμή των 2.5 g κάτω από τις πιο δυσμενείς συνθήκες. Η στρεπτική ροπή για ένα πλήρως φορτωμένο όχημα είναι: Τ = ma g b Bf / (2L). Οι εξισώσεις που αναπτύχθηκαν νωρίτερα για αναρτήσεις με άκαμπτο άξονα είναι εφαρμόσιμες επίσης και για ανεξάρτητες αναρτήσεις, αν η απόσταση των ελατηρίων S αντικατασταθεί με το μετατρόχιο B και οι τιμές της δυσκαμψίας cs των ελατηρίων υπολογιστούν ξανά αντίστοιχα.


2.3.2 Στρεπτική και καμπτική δυσκαμψία του πλαισίου Η ικανότητα ενός πλαισίου να αντιστέκεται στα μεταβαλλόμενα φορτία που ενεργούν

σ' αυτό χαρακτηρίζεται στην περίπτωση της κάμψης από το μέγιστο βέλος κάμψης, και από την γωνία περιστροφής κατά το μήκος του μεταξονίου, σε περίπτωση στρέψης. Ωστόσο, οι τιμές του μέγιστου βέλους και της γωνίας περιστροφής γύρω από τον άξονα του μεταξονίου που λαμβάνονται από υπολογισμούς ή από πειράματα, δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σύγκριση του συγκεκριμένου πλαισίου με άλλων αυτοκινήτων που έχουν διαφορετικό μήκος μεταξονίου και διαφορετικό ονομαστικό φορτίο. Αυτός είναι και ο λόγος που εισάγονται παρακάτω οι έννοιες της στρέψης, κάμψης και ειδικών δυσκαμψιών.

Η στρεπτική δυσκαμψία αντιπροσωπεύει την ροπή που απαιτείται για να στραφεί ένα σύστημα κατά μία μοναδιαία γωνία γύρω από τον άξονα του μεταξονίου ή αλλιώς, είναι ο λόγος της ροπής με την λαμβανόμενη γωνία περιστροφής. Μετριέται σε Nm/deg.

Η καμπτική δυσκαμψία αντιπροσωπεύει το φορτίο που απαιτείται για να καμφθεί το πλαίσιο κατά μία μοναδιαία μονάδα βύθισης ή είναι ο λόγος του φορτίου με το μέγιστο βέλος κάμψης. Μετριέται σε N/mm.

Η ειδική στρεπτική δυσκαμψία (αντιστοιχεί στο γινόμενο CJt για τη δοκό που στρέφεται). Αντιπροσωπεύει την ροπή που απαιτείται για να στραφεί ένα τμήμα πλαισίου μοναδιαίου μήκους κατά μία μοναδιαία γωνία, ή αλλιώς είναι ο λόγος της στρέψης προς τη γωνία περιστροφής γύρω από τον άξονα του μεταξονίου του αυτοκινήτου, πολλαπλασιασμένος επί το μεταξόνιο. Μονάδα μέτρησής του είναι το Nm2/deg.

Η ειδική καμπτική δυσκαμψία (αντιστοιχεί στο γινόμενο EΙ της δοκού). Αντιπροσωπεύει το φορτίο που απαιτείται για την κάμψη ενός τμήματος ενός συστήματος με μοναδιαίο μήκος για να πάρουμε μια μονάδα βέλους κάμψης, ή αλλιώς είναι ο λόγος του φορτίου που απαιτείται για το μέγιστο βέλος, πολλαπλασιασμένος επί το μεταξόνιο υψωμένο στην τρίτη δύναμη. Μετριέται σε Nm3/mm.

Με βάση τα παραπάνω, όταν κατασκευάζεται ο φέρων οργανισμός (ανεξάρτητα αν αυτό αποτελείται από πλαίσιο και αμάξωμα, ή μόνο από πλαίσιο ή είναι αυτοφερόμενος) πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα ώστε να έχει τον κατάλληλο βαθμό δυσκαμψίας (ή ευκαμψίας) και διάρκεια ζωής. Η δεύτερη δεν πρέπει να είναι μικρότερη από την αναμενόμενη διάρκεια ζωής του οχήματος.

2.3.3 Δυναμικά φορτία οφειλόμενα στις ανωμαλίες του δρόμου

Η κίνηση του οχήματος χαρακτηρίζεται από συνεχείς μεταβολές των δυνάμεων

δράσης - αντίδρασης μεταξύ τροχών και δρόμου. Οι μεταβολές αυτές εξαρτώνται από το σχήμα και τις διαστάσεις των ανωμαλιών, την αδράνεια και την ελαστικότητα των μελών του αυτοκινήτου. Η δυσκολία που παρουσιάζεται σε αυτού του είδους την ανάλυση οφείλεται στην αδυναμία να περιγραφούν με ακρίβεια οι ανωμαλίες του δρόμου. Σήμερα αυτό ξεπερνιέται με την εισαγωγή στοχαστικών διαδικασιών. Για λεπτομερέστερη ανάλυση, γίνεται εξομοίωση του ενός τετάρτου του οχήματος με κάθε τροχό (οδόστρωμα, ελαστικό, ελατήριο, αποσβεστήρας και αναρτημένη μάζα).


Διαδικασία προσδιορισμού της αντοχής του πλαισίου σε κόπωση Τα δομικά στοιχεία ενός αυτοκινήτου υποβάλλονται κύρια σε δυναμικά φορτία δηλαδή

σε δυνάμεις οι οποίες μεταβάλλονται με το χρόνο. Η πείρα έδειξε, ότι τα υλικά κάτω από τέτοια φορτία, παθαίνουν κόπωση και αστοχούν μετά από έναν αριθμό κύκλων φόρτισης, ακόμη και αν οι τάσεις που τα καταπονούν είναι μικρότερες από το όριο αναλογίας. Παρατηρείται δηλαδή διαφορετική μηχανική συμπεριφορά ενός στοιχείου όταν αυτό υποβάλλεται σε δυναμικές ή στατικές καταπονήσεις. Τα δυναμικά φορτία προκαλούν μια διαδικασία προοδευτικής συσσώρευσης κόπωσης στο υλικό των μελών αυτών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση μικρορωγμών, οι οποίες μεγαλώνουν, ελαττώνοντας την ενεργό διατομή και στη συνέχεια οδηγούν σε αστοχία του εξαρτήματος. Οι αρχικές ενδείξεις εμφάνισης κόπωσης μπορεί να είναι μερικές μικρορωγμές που εμφανίζονται σε διάφορα σημεία. Η διαδικασία της προοδευτικής συσσώρευσης της κόπωσης στα μεταλλικά μέρη κάτω από την επίδραση μεταβαλλόμενων τάσεων τείνουν να αλλάξουν τις ιδιότητες του υλικού και οδηγούν στον σχηματισμό ρωγμών. Η ανάπτυξή τους και η τελική αστοχία του υλικού είναι γνωστή σαν κόπωση του υλικού. Η αντοχή σε κόπωση εξαρτάται από το είδος της παραμόρφωσης (καμπτική ή στρεπτική) και την φύση των μεταβολών των τάσεων με τον χρόνο.

Η πιο απλή εναλλακτική φόρτιση φαίνεται στο Σχήμα 2.5 στη μορφή ενός ημιτονοειδούς κύματος. Η μέση τάση σm μπορεί να επιβληθεί στο στοιχείο σαν προένταση γύρω από την οποία εκτελείται μια ταλάντωση με πλάτος κύματος σa. H τάση μεταβάλλεται μεταξύ μιας μέγιστης τάσης σmax και μιας ελάχιστης σmin έτσι ώστε να ισχύει :

σm= (σmax + σmin)/2 (2.17)

σa= (σmax - σmin)/2 (2.18)

Χαρακτηριστική περίπτωση δυναμικής φόρτισης αποτελεί η επαναλαμβανόμενη

φόρτιση σε εφελκυσμό και θλίψη, η οποία χαρακτηρίζεται με σmin=0 και

σm=σmax/2 =σa (2.19)

η εναλλακτική φόρτιση η οποία χαρακτηρίζεται με σm=0 και

σmax=-σmin=σa (2.20) Tο Σχήμα 2.6 παριστάνει τις δύο αυτές χαρακτηριστικές καταπονήσεις.


Σχήμα 2.5: Ημιτονοειδής εναλλακτική φόρτιση (Ν=κύκλος φορτισης,Τ=περίοδος)

Σχήμα 2.6: α) εναλλακτική β) επαναλαμβανόμενη καταπόνηση

Η συμπεριφορά των στοιχείων σε κόπωση παρουσιάζεται στο διάγραμμα Wohler

(Σχήμα 2.7) το οποίο κατασκευάζεται ως εξής: υποβάλονται τα στοιχεία σε εναλλασσόμενα φορτία με σταθερή μέση τάση σm και πλάτος σa και προσδιορίζεται ο


αριθμός κύκλων φόρτισης Ν κάτω από τον οποίο το υλικό αστοχεί. Το πείραμα επαναλαμβάνεται διατηρώντας τη σm και μεταβάλλοντας το πλάτος σa. Τα αποτελέσματα καταγράφονται στο διάγραμμα Wohler στη μορφή σa(N) για σm μηδέν.

Σχήμα 2.7: Σχηματική παράσταση διαγράμματος Wohler Όριο κόπωσης ή αντοχή κόπωσης ονομάζεται εκείνη η τάση σΑ για ορισμένη μέση

τάση σm κάτω από την οποία το υλικό δεν αστοχεί για οποιοδήποτε αριθμό κύκλων φόρτισης ( N →∞ ). Επειδή είναι αδύνατο να προσδιορισθεί πειραματικά το όριο αυτό, εισάγεται η έννοια του τεχνικού ορίου κόπωσης το οποίο χαρακτηρίζεται σαν εκείνο το όριο κόπωσης του υλικού κάτω από το οποίο δεν παρατηρείται σημαντική μείωση της αντοχής του, με αύξηση των κύκλων φόρτισης.

Το όριο αντοχής σε κόπωση ( N →∞ ) επιτυγχάνεται σε πολλά υλικά, όπως για παράδειγμα στούς χάλυβες στους Ν = 107 κύκλους, όπου η καμπύλη Wohler τείνει ασυμπτωτικά προς το όριο κόπωσης του υλικού. Πέρα από το όριο αυτά (Ν > 107) παρατηρείται μια μικρή μεταβολή του ορίου κόπωσης.

Η συνολική συμπεριφορά ενός στοιχείου σε κόπωση με διάφορες τιμές της σm και σa παριστάνεται σε διάγραμμα κατά Smith ή κατά Haigh όπως στο Σχήμα 2.8. Στο Σχήμα 2.8.a φαίνονται τα όρια κόπωσης σΑ για διαφορετικές μέσες τιμές σm. Στο διάγραμμα Smith (Σχήμα 2.8.b) γράφονται σε ένα αξονικό σύστημα η μέγιστη και η ελάχιστη τάση σε συνάρτηση της μέσης τάσης. Τέλος στο διάγραμμα Haigh γράφεται μόνο το όριο κόπωσης σΑ σε συνάρτηση της αντίστοιχης μέσης τάσης (Σχήμα 2.8.c). Τόσο στο διάγραμμα κόπωσης του Smith όσο και σε αυτό του Haigh η μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει το υλικό ορίζεται από το όριο αντοχής σB.


Σχήμα 2.8: a) Wohler b) Smith c) Haigh Ας συμβολίσουμε τώρα με Νi τον αριθμό των κύκλων φόρτισης που μπορεί να αντέξει

ένα μέλος του οχήματος πριν αστοχήσει. Είναι φανερό ότι κάτω από τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας το τμήμα αυτό χρησιμοποιείται για περιόδο ni/Ni και έχει επιπρόσθετα αποθέματα αντοχής σε κόπωση. Αν στο μέλος αυτό αναπτύσονται τάσεις σ1, σ2, ..., σi για n1, n2, ... ni κύκλους φόρτισης αντίσοιχα, τότε για να εξασφαλισθεί η διάρκεια ζωής που ορίζουν οι προδιαγραφές είναι απαραίτητο να εκπληρώνεται η παρακάτω συνθήκη:

n1/N1 + n2/N2 + ... + ni/Ni = α

ή (2.21) εni/Ni = α

όπου α είναι ο βαθμός καταπόνησης του υλικού και εξαρτάται από το υλικό και το είδος φόρτισης. Σαν μια πρώτη προσέγγιση μπορεί να θεωρηθεί ότι α = 1.0.

Ο υπολογισμός της αντοχής σε κόπωση των μηχανικών μερών ενός οχήματος είναι από τα δυσκολότερα στάδια του σχεδιασμού του. Πολλές φορές ο μηχανικός πρέπει να στηριχθεί σε αποτελέσματα εργαστηριακών πειραμάτων, τα οποία γίνονται σε τυποποιημένα δοκίμια που αστοχούν σε πολύ μεγαλύτερο αριθμό κύκλων φόρτισης από την πραγματική κατασκευή. Προκειμένου να εκτιμηθεί η αντοχή σε κόπωση της πραγματικής κατασκευής επιλέγονται διορθωτικοί συντελεστές που σχετίζονται με την


πραγματική γεωμετρία, την αβεβαιότητα ως προς το φορτίο, τη θερμοκρασία, τις συνθήκες λειτουργίας της κατασκευής κ.α.

Έτσι διακινδυνεύει στις εκτιμήσεις για την απόδοση, τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία του υπό κατασκευή οχήματος αφού για λόγους οικονομίας πρέπει να σχεδιάσει τα διάφορα μέρη με μικρούς συντελεστές ασφάλειας, συντελεστές που στην πράξη ίσως αποδειχτούν ανεπαρκείς. Όμως, η αξιοπιστία της συνολικής κατασκευής, και συνεπώς η απήχηση του μοντέλου στην αγορά, εξαρτάται κατά πολύ από τη μελέτη αυτή.

2.3.5 Μέθοδοι υπολογισμού τμημάτων του φορέα Τα φορτία που επιδρούν σε ένα αυτοκίνητο κατά την διάρκεια της λειτουργίας του είναι

τυχαίες συναρτήσεις του χρόνου. Οι μηχανικές ιδιότητες του υλικού, οι μεταβολές των θερμοκρασιακών συνθηκών κατά τη λειτουργία, από η γεωμετρία της κατασκευής (απότομες αλλαγές στη γεωμετρία προκαλούν μεγάλες συγκεντρώσεις τάσεων) είναι μόνο μερικοί από τους πολλούς παράγοντες που εισάγουν αβεβαιότητα στην εκτίμηση της αντοχής μιας κατασκευής ή ενός της μέλους.

Όταν χρησιμοποιείται μια ντετερμινιστική μέθοδος, μια ποσότητα που χαρακτηρίζεται από ένα πραγματικό αριθμό λαμβάνεται σαν ποσότητα σχεδιασμού και καθορίζεται η διάρκεια ζωής του συγκεκριμένου τμήματος μέχρι να αστοχήσει (σε υπολογισμούς ελέγχου) ή οι διαστάσεις του τμήματος (σε σχεδιαστικούς υπολογισμούς). Με χρήση μεθόδων πιθανοτήτων λαμβάνονται η καμπύλη κατανομής της λειτουργίας του οχήματος μέχρις ότου το υπό υπολογισμό τμήμα να αστοχήσει (σε υπολογισμούς ελέγχου) ή η καμπύλη κατανομής των διαστάσεων του τμήματος για την εξασφάλιση της λειτουργίας του κάτω από προκαθορισμένες συνθήκες .

Είναι σχετικά απλό να υπολογισθεί η πιθανότητα αστοχίας με τον νόμο της κανονικής κατανομής των ορίων κόπωσης και του εύρους των ενεργών φορτίων.

Οι καμπύλες της κανονικής κατανομής της ικανότητας μεταφοράς ενός τμήματος f(σy) και των ενεργών φορτίων f(σw) με τις αντίστοιχες μαθηματικές πιθανότητες σy και σw φαίνονται στο Σχήμα 2.9. Παρά το γεγονός ότι ο συντελεστής ασφάλειας n που ορίζεται σαν βαθμός των μαθηματικών πιθανοτήτων yσ και wσ είναι μεγαλύτερος της μονάδας, υπάρχουν τρεις περιπτώσεις αστοχίας του τμήματος στην μικρή περιοχή III ανάμεσα στις καμπύλες. Για να εξασφαλισθεί η ασφαλής λειτουργία του τμήματος, αυξάνεται ο υποθετικός συντελεστής ασφαλείας. Αυτό φυσικά αυξάνει τόσο το κόστος του θεωρούμενου τμήματος όσο και την μάζα του. Για την εύρεση της πιθανότητας αστοχίας για τους δεδομένους νόμους κατανομής των σy και σw, η συνθήκη αστοχίας γράφεται:

M = σy - σw < 0 (2.22)

Για τον υπολογισμό της πιθανότητας αστοχίας κατασκευάζεται μία καμπύλη

αξιοπιστίας για τα δεδομένα ικανότητας μεταφοράς φορτίου και τις συνθήκες φόρτισης του μέλους.

Αν δύο τυχαίες τιμές είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους και ισχύει ο νόμος της κανονικής κατανομής, τότε, σύμφωνα με την θεωρία των πιθανοτήτων, ο νόμος της κανονικής κατανομής με μαθηματική πιθανότητα M και μέση τετραγωνική απόκλιση σΜ θα ισχύει επίσης για την νέα ποσότητα Μ.


Σχήμα 2.9: Κατανομή πιθανοτήτων ανάλυσης αξιοπιστίας. Εδώ ισχύει: _ _ _

M = σy - σw , σΜ2 = σσy

2 + σσw2 (2.23)

Χρησιμοποιώντας αυτές τις παραμέτρους κατασκευάζεται μία καμπύλη κατανομής

f(M). Η περιοχή κάτω από την καμπύλη αυτή χαρακτηρίζει την αξιοπιστία του αναλυόμενου μέλους. Ο κατακόρυφος άξονας διαιρεί την περιοχή σε δύο μέρη. Το τμήμα I χαρακτηρίζει την πιθανότητα αστοχίας του κομματιού και το τμήμα II την πιθανότητα αντοχής του. Τώρα μπορεί να βρεθεί η πιθανότητα αστοχίας από την δοσμένη καμπύλη κατανομής. Η καμπύλη κατανομής της αξιοπιστίας είναι

_ 1 (Mi - M)2

f(M) = ————— exp [ - ————— ] (2.24) σΜ

2(2π)1/2 2 σΜ2 Για την περιοχή κάτω από την καμπύλη ισχύει: _ 1 (Mi - M)2

F(M) = —————— exp [ - ————— ] dM (2.25) −∞

+∞∫

σΜ2(2π)1/2 2 σΜ2

Εισάγοντας μια νέα μεταβλητή: _

(Mi - M ) / σΜ = z (2.26)


παίρνουμε

F(z) = 1/(2π)1/2 −∞

+∞∫ exp [ - z2/2 ] dz (2.27)

Σημειώνουμε την συντεταγμένη που καθορίζει την πιθανότητα αστοχίας του

εξεταζόμενου τμήματος με up. Η συντεταγμένη αυτή είναι γνωστή σαν ποσοστιαίο σημείο (quantile). Η εξίσωση του ποσοστιαίου σημείου είναι:

_ (Mi - M )/σM = up (2.28)

Έτσι είναι _

Mi = M + up σM (2.29) Η τιμή Μi = 0 διαχωρίζει τις περιοχές αρνητικών και θετικών τιμών του Μ. Εδώ θα είναι _ _ _

up = - ( M/σM ) = - ( σy - σw )/(σσy2 + σσw2 )1/2 (2.30) Εισάγοντας τους συντελεστές μεταβολής vσy και vσw έχουμε: _ _ _

vσy = σσy/σy , vσw = σw/σw (2.31) Ο συνδυασμός των εξισώσεων (2.38) και (2.39) δίνει:

up = ( 1 - n )/( n2 vσy2+ vσw

2) 1/2 (2.32) Έτσι, γνωρίζοντας τους συντελεστές μεταβολής και τον συντελεστή ασφάλειας n,

καθορίζεται το ποσοστιαίο σημείο up και η πιθανότητα αστοχίας P. Η ζώνη αστοχίας αντιστοιχεί στο ολοκλήρωμα της καμπύλης αξιοπιστίας (2.32) μεταξύ των ορίων -oo και up, δηλαδή

F(z) = 1/(2π)1/2 −∞

+∞∫ exp [ - z2/r ] dz (2.33)

Η συνάρτηση F(z) καθορίζεται από πίνακες. Χρησιμοποιώντας αυτή την συνάρτηση

βρίσκεται η πιθανότητα αστοχίας ενός τμήματος του αυτοκινήτου. Επίσης με την μέθοδο αυτή μπορούν να λυθούν και τα αντίστροφα προβλήματα: με

δεδομένες τις ποσότητες vσy, vσw και την πιθανότητα αστοχίας P, καθορίζονται από πίνακες οι ποσότητες που αντιστοιχούν σ' αυτή την πιθανότητα.

up = ( 1 - n ) / ( n2 vσy

2+ vσw2) ½ (2.34)

Τέλος, από τη λύση της εξίσωσης (2.34) βρίσκεται ο συντελεστής ασφαλείας


n2 ( 1 - up2 vσy

2 ) - 2n + ( 1 - up2 vσw

2 ) = 0 (2.35)

2.4. Κατασκευή πλαισίων

2.4.1 Γενικές αρχές Το πλαίσιο μαζί με το αμάξωμα αποτελεί τη φέρουσα κατασκευή του οχήματος ή τον

φέροντα οργανισμό. Τα πλαίσια των οχημάτων είναι έτσι σχεδιασμένα ωστε να παρέχουν μέγιστη αντοχή με ελάχιστο βάρος. Ο σημαντικότερος παράγων για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι η ελαστικότητα του πλαισίου. Η μέθοδος πρόσδεσης της υπερκατασκευής ή του αμαξώματος δεν πρέπει να επιδρά σημαντικά στην ελαστικότητα του πλαισίου και επιπλέον πρέπει να διασφαλίζει το πλαίσιο απο τοπικές συγκεντρώσεις τάσεων.

Ανάλογα με την φυσική ακαμψία του αμαξώματος και την σταθερότητα της ένωσής του με το πλαίσιο, η φέρουσα κατασκευή μπορεί να είναι ένα απλό πλαίσιο (όταν το αμάξωμα δεν συνεισφέρει στην συνολική ακαμψία της κατασκευής, δηλ. πλαίσιο και αμάξωμα συνδεδεμένα μεταξύ τους με ελαστικούς συνδέσμους) ή ένα πλαίσιο και αμάξωμα φτιαγμένα ενιαία, μια συνολική δηλαδή, συμπαγής κατασκευή όπου δεν υπάρχει ξεχωριστό πλαίσιο. Η συνεισφορά της δυσκαμψίας του αμαξώματος στην συνολική ακαμψία του οχήματος μπορεί να ποικίλει από 0 - 100%.

Η φέρουσα κατασκευή σε κάθε αυτοκίνητο έχει μία σύνθετη αποστολή. Χρησιμοποιείται σαν σκελετός πάνω στον οποίο προσαρμόζεται ο κινητήρας, το κιβώτιο ταχυτήτων, ο άξονας μετάδοσης κίνησης, η ανάρτηση, τα φρένα και γενικά όλα τα μηχανικά μέρη, όπως επίσης και το αμάξωμα. Επίσης, προστατεύει τον οδηγό, τους επιβάτες και τις αποσκευές από τις εξωτερικές συνθήκες, τους παρέχει άνεση μέσω της ανάρτησης και τους προφυλάσσει σε περίπτωση ατυχήματος.

Θα πρέπει επομένως ο φέρων οργανισμός να είναι φτιαγμένος με επαρκή δυσκαμψία, έτσι ώστε οι σχετικές μετατοπίσεις των μηχανισμών που είναι εγκατεστημένοι πάνω του να παραμένουν αμελητέες και οι μεταβολές των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του να είναι ελάχιστες κάτω από την επίδραση ροπών και δυνάμεων αντίδρασης. Επίσης, θα πρέπει να διαθέτει την κατάλληλη παραμορφωσιμότητα, κυρίως στα εμπρός και πίσω τμήματα ώστε να απορροφά τις δυνάμεις που προέρχονται από τυχόν σύγκρουση πριν αυτές επιδράσουν στους επιβάτες.

Ειδικά η σύνδεση δεξαμενών επί πλαισίων οχημάτων είναι η πιο εξειδικευμένη εργασία απο όλες τις άλλες υπερκατασκευές επειδή η δεξαμενή ή το βυτίο αποτελούν στρεπτικά άκαμπτες κατασκευές που μπορούν να προκαλέσουν πολύ υψηλές τοπικά συγκεντρώσεις τάσεων στο πλαίσιο. Η δεξαμενή θεωρείται σαν ένα στιβαρό δοχείο και πρέπει η σύνδεσή της με το πλαίσιο να της επιτρέπει να «επιπλέει» πάνω σ’αυτό και συγχρόνως να μην επηρεάζεται η ελαστικότητα του πλαισίου. Μεταξύ δεξαμενής και πλαισίου πρέπει να παρεμβληθούν ελαστικοί σύνδεσμοι.

Όταν δεν χρησιμοποιείται βοηθητικό πλαίσιο πρέπει απαραίτητα να υιοθετηθεί η λύση της σύνδεσης πέντε σημείων όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.10. Η εμπρόσθια μοναδική σύνδεση γίνεται μέσω ενός διαμήκους πείρου που συνδέεται μέσω ελαστικών βάσεων με το πλαίσιο στα δύο άκρα. Η σύνδεση αυτή πρέπει να είναι όσο πιο προωθημένη γίνεται ως προς τη δεξαμενή. Για την διασφάλιση της ευστάθειας του οχήματος είναι πιθανό να χρειασθούν περιοριστές της διαμήκους στροφικής κίνησης της δεξαμενής. Το ενδιάμεσο ζεύγος στηριγμάτων τοποθετείται όσο το δυνατό πιο κοντά και εμπρός απο τα στηρίγματα


της οπίσθιας ανάρτησης. Τα πίσω στηρίγματα της δεξαμενής είναι παρόμοια με τα ενδιάμεσα, διαθέτουν ελαστικά μέσα σύνδεσης με το πλαίσιο και τοποθετούνται όσο το δυνατό πιο κοντά και πίσω απο τα πίσω στηρίγματα της οπίσθιας ανάρτησης. Τα ποδαρικά στήριξης της δεξαμενής συνδέονται με στηρίγματα τύπου Γ συνήθως ηλωμένα στον κορμό του πλαισίου ή του βοηθητικού πλαισίου όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.10.

Σχήμα 2.10 Ενδιάμεσο και ακρινό στήριγμα δεξαμενής καυσίμου επι βυτιοφόρου οχήματος

χωρίς βοηθητικό πλαίσιο. Μια πρακτική που πρέπει πάντα να ακολουθείται απο τον σχεδιαστή της

υπερκατασκευής και τον κατασκευαστή της είναι η απόλυτη συμμόρφωση με τις οδηγίες και προδιαγραφές του κατασκευαστή του οχήματος-πλαισίου. Ειδικά σε περιπτώσεις μεταφοράς επικίνδυνων φορτίων χρειάζεται μεγάλη προσοχή για τη εφαρμογή των οδηγιών και κανονισμών που αφορούν στις μεταφορές επικινδύνων φορτίων όπως αυτές ισχύουν κάθε φορά αλλά εξίσου σημαντικός είναι ο σεβασμός των οδηγιών του κατασκευαστή του πλαισίου για την προσθήκη και τη στήριξη της υπερκατασκευής.


2.4.2 Υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πλαισίων Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πλαισίων πρέπει να έχουν τις

ακόλουθες ιδιότητες: αρκετά υψηλό όριο ελαστικότητας και όριο αντοχής, χαμηλή ευαισθησία σε συγκεντρώσεις τάσεων, καλές ιδιότητες κατεργασίας εν ψυχρώ, συγκολλησιμότητα (για πλαίσια με ηλώσεις η ιδιότητα αυτή είναι σημαντική όταν εκτελούνται επισκευές), και μικρές ποσότητες κραμμάτων από σπάνια μέταλλα. Οι χάλυβες χαμηλής και μεσαίας περιεκτικότητας σε άνθρακα πληρούν αυτές τις προδιαγραφές.

Για πλαίσια αυτοκινήτων χρησιμοποιούνται χάλυβες κατασκευών με βαθμό 20. Πιο σύνθετα εγκάρσια μέλη φτιάχνονται από χάλυβες με βαθμό 08 για μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό. Τόσο τα πλευρικά, όσο και τα εγκάρσια μέλη κατασκευάζονται από φύλλα χάλυβα πάχους 3 - 4 mm. (Για πλαίσια φορτηγών ή οχημάτων ειδικής χρήσης χρησιμοποιούνται ανθεκτικότεροι χάλυβες με παράλληλη αύξηση του πάχους των στοιχείων).

Τα τελευταία χρόνια γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για την κατασκευή πλαισίων και αμαξωμάτων από σύνθετα υλικά όπως το Αl, πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, Kevlar ή ανθρακονήματα. Τα υλικά αυτά δεν υστερούν σε μηχανικές ιδιότητες έναντι των συμβατικών, μερικές ιδιότητές τους μάλιστα είναι καλύτερες, και συνήθως είναι ελαφρύτερα. Η παραγωγή τους όμως εξακολουθεί να είναι ασύμφορη και γι' αυτό είναι ακόμα περιορισμένα.

Στα επιβατικά αυτοκίνητα το αμάξωμα αποτελεί το μεγαλύτερο και ταυτόχρονα το βαρύτερο "εξάρτημα" του οχήματος. Το χαλύβδινο αμάξωμα ενός επιβατικού αυτοκινήτου της μεσαίας κατηγορίας ζυγίζει σήμερα περίπου 370 κιλά. Οι συνεχείς βελτιώσεις των κατασκευών και ο σχεδιασμός με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών έχουν σα συνέπεια το βάρος αυτό να μη μπορεί να μειωθεί περισσότερο, εάν θέλουμε να διατηρηθεί το σημερινό επίπεδο ακαμψίας και παθητικής ασφάλειας. 'Ετσι, λοιπόν, η μόνη λύση είναι η χρήση άλλου, ελαφρύτερου υλικού. Το αλουμίνιο διαθέτει χαρακτηριστικά που το καθιστούν σχεδόν ιδανικό. Είναι 67% ελαφρύτερο από το χάλυβα, αλλά η διαμόρφωση και επεξεργασία του είναι πολύ πιο εύκολη, ενώ ταυτόχρονα δεν παρουσιάζει τόση μεγάλη ευαισθησία στις οξειδώσεις. Στην καθαρή του όμως μορφή, είναι τόσο "μαλακό", που δεν θα μπορούσε ποτέ να χρησιμοποιηθεί σαν φέρων οργανισμός. Για το λόγο αυτό, τα αλουμινένια αμαξώματα των αυτοκινήτων του παρελθόντος στηρίζονταν σε χαλύβδινα πλαίσια. Η κραματοποίηση του αλουμινίου με μαγνήσιο (Mg) και πυρίτιο (Si) του προσδίδει την απαραίτητη ακαμψία, ενώ οι ιδιότητες που αποκτά μπορούν να βελτιωθούν ακόμα περισσότερο με την κατάλληλη θερμική κατεργασία του. Τα χαρακτηριστικά που το κάνουν τελικά κατάλληλο για χρήση στην κατασκευή αμαξωμάτων εντοπίζονται στις παραπάνω λεπτές διεργασίες.

Η άμεση χρήση του αλουμινίου δεν είναι τόσο εύκολη, καθώς θα πρέπει πρώτα να αντιμετωπισθούν αρκετά προβλήματα, ειδικά όταν πρόκειται να κατασκευαστούν ολόκληρα αμαξώματα από το μέταλλο αυτό. Οι δυσκολίες αυξάνονται, όταν οι ρυθμοί παραγωγής ξεπερνούν τα 100 αυτοκίνητα ημερησίως. Ιδιαίτερη δυσχέρεια παρουσιάζει η σύνδεση των τμημάτων από αλουμίνιο, καθώς δεν υπάρχει μία κοινά αποδεκτή και καθιερωμένη στην πράξη τεχνική. Οι ηλώσεις (πιρτσίνια) και ειδικές κόλλες (που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην αεροπορική βιομηχανία) η σημειακή συγκόληση ή η συγκόληση με βολταϊκό τόξο είναι τεχνικές που ανταγωνίζονται μεταξύ τους και που απαιτούν τόσο ανάπτυξη τεχνογνωσίας, όσο και υψηλές επενδύσεις. Παράλληλα, ιδιαίτερα υψηλές είναι και οι ενεργειακές απαιτήσεις τους. Οι ειδικοί υπολογίζουν την


αύξηση του κόστους παραγωγής κατά ένα συντελεστή που κυμαίνεται από δύο έως τρία σε σχέση με το χάλυβα. Εάν συνυπολογιστεί και το κόστος του ακατέργαστου υλικού, που είναι έξι έως οκτώ φορές μεγαλύτερο από αυτό του χάλυβα, οδηγείται κανείς στο συμπέρασμα, ότι η ελαφριά κατασκευή και το χαμηλό κόστος είναι έννοιες ασυμβίβαστες. Το υψηλό κόστος του αλουμινίου οφείλεται στην εξαιρετικά ενεργοβόρα διαδικασία παραγωγής του. Ξεκινώντας από την πρώτη ύλη, που είναι ο βωξίτης, απαιτούνται συνολικά 77 κιλοβατώρες (kWh) για να παραχθεί ένα κιλό κράματος κατάλληλου για την κατασκευή αμαξωμάτων.

Αντίθετα, ο χάλυβας απαιτεί μόλις 18 kWh ανά κιλό τιμή που διπλασιάζεται, όμως, όταν η ποιότητά του είναι πολύ καλή. 'Οποιος όμως προσπαθεί να συγκρίνει τα δύο υλικά με αυτόν τον τρόπο, δεν λαμβάνει υπ' όψιν του τις εξαιρετικές δυνατότητες ανακύκλωσης του αλουμινίου. Η τήξη του απαιτεί πολύ μικρότερα ποσά ενέργειας από αυτά που χρειάζονται για την τήξη της ίδιας ποσότητας χάλυβα. 'Ετσι, λοιπόν, με μία εντατικοποίηση της ανακύκλωσης, η συνολική ενέργεια, που θα απαιτείται για την κατασκευή ενός ολοκληρωμένου οχήματος, μπορεί να μειωθεί κατά περισσότερο από 50%. Το τελευταίο επιχείρημα δεν μπορεί παρά να επιταχύνει τη στροφή προς τις ελαφριές κατασκευές.

2.4.3 Υπολογισμοί πλαισίων Για αυτοκίνητα με άκαμπτη φέρουσα κατασκευή ο υπολογισμός του πλαισίου

περιλαμβάνει συνοπτικά τα ακόλουθα: 1. Καθορισμός των παραμορφώσεων από κάμψη του πλαισίου κάτω από την

επίδραση του ονομαστικού φορτίου των επιβατών και αποσκευών για συμμετρική φόρτιση. Εδώ οι παραμορφώσεις δεν πρέπει να υπερβαίνουν συγκεκριμένες τιμές που θα εξασφαλίζουν την ασφάλεια και την επίδραση του θορύβου στα διάφορα μέρη του πλαισίου. Οι τιμές αυτές λαμβάνονται κυρίως από πειράματα που γίνονται κατά την λειτουργία ενός πρωτότυπου πλαισίου.

2. Υπολογισμός των γωνιών στρέψης για μια συγκεκριμένη ροπή που εφαρμόζεται μεταξύ των εγκάρσιων επιπέδων του εμπρός και του πίσω άξονα των τροχών. Και εδώ οι τιμές των γωνιών στρέψης δεν πρέπει να ξεπερνούν τις τιμές που διασφαλίζουν την ασφάλεια και την επίδραση του θορύβου των μελών του πλαισίου. Επίσης, όπως στην παραπάνω περίπτωση, οι τιμές λαμβάνονται κατά την διάρκεια πειραμάτων στο πειραματικό μοντέλο

Η εκλογή του φορτίου που προκύπτει από το βάρος των επιβατών σαν φορτίο σχεδιασμού και όχι του βάρους του αμαξώματος σε συνδυασμό με το φορτίο, βασίζεται στο γεγονός ότι οι μετατοπίσεις του φέροντος οργανισμού που οφείλονται στο ίδιο βάρος, και ειδικότερα στα ανοίγματα των θυρών, μπορούν να ληφθούν υπόψη και να αντισταθμιστούν κατά την κατασκευή και την τοποθέτηση του αμαξώματος πάνω στο πλαίσιο. Έτσι, τα απαραίτητα ανοίγματα των θυρών και παραθύρων καθορίζονται μόνο από το βάρος των επιβατών και γενικότερα του ονομαστικού φορτίου.

Εξαιτίας της γραμμικότητας στη σχέση παραμορφώσεων - ροπής, το φορτίο σχεδιασμού θεωρούμε ότι είναι σχετικά μικρό. Ωστόσο, είναι συνηθισμένο να δοκιμάζονται οι φέρουσες κατασκευές, των μεγάλων κυρίως αυτοκινήτων, σε στρεπτικές ροπές της τάξης των 3ΚNm. Έτσι, εξασφαλίζεται επαρκής ακρίβεια των αποτελεσμάτων και αποφεύγεται η πιθανότητα να υπερβούν τα όρια ελαστικότητας και να παραποιηθούν τα τελικά αποτελέσματα.


Οι μετατοπίσεις και οι τάσεις που ενεργούν στον φέροντα οργανισμό ενός οχήματος μπορούν να καθοριστούν με διάφορες μέθοδες. Οι κυριότερες από αυτές είναι:

1) Προσεγγιστική μέθοδος. Βασίζεται στο θεώρημα της διατήρησης της δυναμικής ενέργειας για να γίνουν συγκριτικοί υπολογισμοί στο αρχικό στάδιο, κυρίως, αυτού του σχεδιασμού του αμαξώματος.

2) Ακριβής μέθοδος. Βασίζεται στη θεωρία των λεπτότοιχων δοκών και χρησιμοποιείται αφού ο σχεδιασμός του συστήματος έχει αρχίσει. Είναι αρκετά επίπονη και χρονοβόρα.

3) Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων. Με την μέθοδο αυτή προσφέρονται πρακτικά απεριόριστες δυνατότητες για την ανάλυση των τάσεων και παραμορφώσεων, και χρησιμοποιείται με την βοήθεια υπολογιστών με μεγάλη μνήμη και ταχύτητα. Η μέθοδος αυτή έχει βρεί τεράστια απήχηση τα τελευταία χρόνια με την αλματώδη ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Έχουν δημιουργηθεί μεγάλα "πακέτα" προγραμμάτων ειδικά για τις αυτοκινητοβιομηχανίες με τα οποία η διαδικασία του υπολογισμού γίνεται λιγότερο επίπονη και πολύ ακριβής.

Για οχήματα με εύκαμπτη σε στρέψη φέρουσα κατασκευή (κυρίως φορτηγά) ο υπολογισμός του πλαισίου περιλαμβάνει συνοπτικά τα ακόλουθα:

1. Καθορισμός των τάσεων που παρουσιάζονται στα στοιχεία του πλαισίου όταν το πλήρες φορτωμένο όχημα ταξιδεύει με μια αρκετά μεγάλη ταχύτητα σε ένα δρόμο με μικρές ανωμαλίες. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα δυναμικά αποτελέσματα των φορτίων.

2. Υπολογισμός των τάσεων που θα παρουσιαστούν στα στοιχεία του πλαισίου όταν, στο πλήρως φορτωμένο όχημα που ταξιδεύει με μικρή ταχύτητα, ένας απ' τους τροχούς του λιγότερο φορτωμένου άξονα ανασηκώνεται συναντώντας μια ανωμαλία της τάξης των 300 mm.

Για να μην υπολογιστεί μόνο η συνολική ευκαμψία του πλαισίου και οι δυνάμεις που το καταπονούν, αλλά να βρεθούν επίσης τα κρίσιμα σημεία στα οποία οι μετατοπίσεις και οι τάσεις μεταβάλλονται απότομα καθώς επίσης και ο βαθμός μεταβολής τους κατά μήκος του πλαισίου, είναι απαραίτητο να υπολογιστούν οι τιμές των βελών κάμψης, των γωνιών περιστροφής και των τάσεων για ένα αριθμό εγκάρσιων επιπέδων που περνούν από χαρακτηριστικά σημεία, όπως τα σημεία που ενώνονται τα εγκάρσια μέλη, σημεία που μεταβάλλεται το πλάτος και το ύψος της διατομής των πλευρικών μελών και αυτά που παραλαμβάνουν μεγάλα φορτία. Είναι δε πρακτικό, να παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών σε διαγράμματα βελών κάμψης, γωνιών περιστροφής και τάσεων κατά μήκος του πλαισίου.

Για τη διευκόλυνση των υπολογισμών γίνεται η παραδοχή ότι το πλαίσιο είναι επίπεδο και τα μέλη - πλευρικά και εγκάρσια - αντικαθίστανται από ράβδους. Υποτίθεται ότι οι κόμβοι του πλαισίου στις γωνίες είναι άκαμπτοι. Θεωρείται επίσης ότι οι δοκοί που αντικαθιστούν τα στοιχεία του πλαισίου έχουν σταθερές ροπές αδράνειας σε όλο το μήκος τους μεταξύ δύο κόμβων (ή χαρακτηριστικών σημείων). Σ' αυτό το στάδιο θεωρείται σαν (σταθερή) ροπή αδράνειας ενός στοιχείου ο μέσος όρος που προκύπτει σε όλο το μήκος του.

Ο υπολογισμός των καμπτικών φορτίων ενός απλού πλαισίου τύπου σκάλας συνίσταται στον καθορισμό των βελών κάμψης και των τάσεων στα πλευρικά μέλη θεωρώντας τα ως στοιχειώδεις δοκούς. Όταν υπολογίζονται τα στρεπτικά φορτία σε ένα πλαίσιο που αποτελείται από δύο πλευρικά μέλη και μερικά εγκάρσια, σχηματίζεται ένα στατικά απροσδιόριστο σύστημα. Οι δυνάμεις που δρουν σε ένα τέτοιο σύστημα μπορούν να προσδιοριστούν με διάφορες μεθόδους παρμένες κυρίως από την Αντοχή


των Υλικών, αλλά και με μεθόδους πεπερασμένων στοιχείων. Οι μέθοδες αυτές είναι παρόλα αυτά εξαιρετικά επίπονες και χρονοβόρες, η διαδικασία όμως μπορεί να απλοποιηθεί σημαντικά αν γίνουν ορισμένες παραδοχές. Υποτίθεται ότι οι μετατοπίσεις των στοιχείων του πλαισίου που οφείλονται σε καμπτικές ροπές είναι μικρές σε σχέση με αυτές που οφείλονται σε στρεπτικές και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ακόλουθη προσεγγιστική μέθοδος.

Σχήμα 2.11: Μετατοπίσεις του πλαισίου υπο την επίδραση δυνάμεων εφαρμοζόμενων στα επίπεδα των εμπρός και πίσω αξόνων των τροχών σε συμμετρική φόρτιση.

Στην επίπεδη παράσταση του πλαισίου τύπου σκάλας του σχήματος 2.11, υπάρχουν

δυνάμεις που εφαρμόζονται στα επίπεδα των αξόνων των εμπρός και πίσω τροχών. Όπως φαίνεται, όλα τα εγκάρσια μέλη έχουν τον ίδιο βαθμό περιστροφής ανά μονάδα μήκους. Έτσι, σε μεμονωμένα στοιχεία του πλαισίου οι ροπές είναι ανάλογες με τις στρεπτικές δυσκαμψίες τους, δηλαδή:

TI:TII:...:TV:T1:T2:...:T4 = JpI:JpII:...:JpV:Jp1:Jp2:...:Jp4 (2.36)

όπου:

ΤΙ, ΤΙΙ,... οι ροπές των εγκάρσιων μελών Ι, ΙΙ,..., JpI, JpII,... οι πολικές ροπές αδράνειας των εγκάρσιων μελών Ι,ΙΙ,..., Τ1, Τ2,... οι ροπές των πλευρικών μελών που δρουν μεταξύ των εγκάρσιων Ι και ΙΙ, ΙΙ

και ΙΙΙ,..., και Jp1, Jp2,... οι πολικές ροπές αδράνειας των πλευρικών μελών μεταξύ των εγκάρσιων

Ι και ΙΙ, ΙΙ και ΙΙΙ,...


Σχήμα 2.12: Συνιστώσες που ενεργούν στο πλαίσιο σε συμμετρική φόρτιση. Θεωρώντας μία τομή του πλαισίου κατά μήκος του επιπέδου συμμετρίας, μπορούν να

εισαχθούν στη θέση των στοιχείων ροπές και εγκάρσιες δυνάμεις που ενεργούν στο επίπεδο της διατομής, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.11.

Οι εξισώσεις ισορροπίας των ροπών που οφείλονται στις εξωτερικές δυνάμεις για το εγκάρσιο μέλος Ι είναι:

RL - ( TI + TII + TIII + TIV + TV ) + QII l1 - QIII ( l1 + l2 ) -

- QIV ( l1 + l2 + l3 ) - QV ( l1 + l2 + l3 + l4 ) = 0 (2.37)

και εκφράζοντας όλες τις συνιστώσες των δυνάμεων σαν συναρτήσεις της ροπής ΤΙ του εγκάρσιου μέλους Ι θα είναι:

TII = TI ( JpII/JpJ ) , TIII = TI ( JpIII/JpJ ) ,...

TI = TI ( JpI/JpJ ) , T2 = TI ( Jp2/JpJ ) ,... (2.38) QI = ( 2T1/C ) = ( 2T1/C ) ( JpI/JpJ ) QII = 2 ( T2 - T1 )/C = ( 2TI/CJkI ) (Jp2 - Jp1 ) οπότε είναι:

(2.39)

RLJ pJT =I

JV 4

∑ pn + (2 / c) (J lpm )m

1∑

1


όπου: n ο αριθμός των εγκάρσιων μελών και m ο αριθμός των τμημάτων μεταξύ των εγκάρσιων μελών. Έτσι, γνωρίζοντας τις τιμές των πολικών ροπών αδράνειας μπορούν να

υπολογισθούν η ροπή ΤΙ στο εγκάρσιο μέλος Ι και χρησιμοποιώντας την εξίσωση (2.38) βρίσκονται οι ροπές στα υπόλοιπα στοιχεία του πλαισίου.

Σχήμα 2.13 Wartburg 353W με ανεξάρτητο πλαίσιο και τρικύλινδρο δίχρονο κινητήρα 1000 cc, 55 HP. Παραγόταν απο το 1965 μέχρι το 1990.

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

Η ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΗΣ ΠΕΔΗΣΗΣ 4.1. ΠΕΔΗΣΗ ΚΑΙ ΑΡΧΕΣ ΤΡΙΒΗΣ

Ένα από τα πλέον σημαντικά συστήματα του αυτοκινήτου είναι το σύστημα πέδησης. Η σπουδαιότητά του έγκειται στο ότι το σύστημα αυτό είναι υπεύθυνο για την επιβράδυνση του οχήματος και την ακινητοποίησή του, ελαττώνοντας βαθμιαία την κινητική του ενέργεια μετατρέποντάς την σε θερμική ή άλλης μορφής.

Η σπουδαιότητα του συστήματος φρένων είναι τόσο μεγάλη όσο και αυτή του κινητήρα, γιατί με τα δύο αυτά συστήματα μπορεί να κατευθύνεται ένα όχημα με ασφάλεια. Όσο αξιόπιστα είναι αυτά, τόσο ασφαλέστερη γίνεται η κίνηση του οχήματος, συμβάλλοντας ουσιαστικά στην αύξηση της ενεργητικής του ασφάλειας.

'Οσο μεγαλύτερη είναι η μέση ταχύτητα του αυτοκινήτου, τόσο περισσότερη προσοχή πρέπει να δίνεται στην ασφαλή κίνησή του και τόσο καλύτερες πρέπει να είναι οι ιδιότητες του συστήματος πέδησης. Κατά τη διάρκεια της πέδησης, η τριβή μετατρέπει την κινητική ενέργεια του οχήματος σε θερμότητα, που αποβάλλεται στον περιβάλλοντα αέρα. Η πέδηση προκαλεί μη ανακτήσιμες απώλειες, γιατί η ενέργεια που απορροφάται από τα φρένα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί παραπέρα. Στην περίπτωση κανονικής πέδησης (πέδησης λειτουργίας), το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας απελευθερώνεται στα φρένα (μεταξύ των επενδύσεων τριβής και των τυμπάνων) και στην περίπτωση πλήρους πέδησης (πέδησης ανάγκης), όταν οι τροχοί είναι ακινητοποιημένοι, μεταξύ των ελαστικών και του δρόμου.

Οι αρχές που περιγράφουν το φαινόμενο της πέδησης είναι αυτές της τριβής.

Σχήμα 4.1. Σύστημα πέδησης επιβατικού αυτοκινήτου Peugeot 405, διπλό κύκλωμα, δίσκοι εμπρός – πίσω.

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΗΣ ΠΕΔΗΣΗΣ 4.2

Η πέδηση επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη τριβής στους τροχούς. Τα φρένα είναι

διατάξεις που κατά την πέδηση έρχονται σε επαφή με ορισμένο μέρος των τροχών, οι οποίοι περιστρέφονται όπου αναπτύσσεται ξηρή τριβή. Η τριβή αυτή επιβραδύνει την περιστροφή των τροχών και μια άλλη δύναμη τριβής, αυτή που αναπτύσσεται μεταξύ των τροχών και του εδάφους, ακινητοποιεί το όχημα.

Κατά το φαινόμενο της πέδησης αναπτύσσονται δύο είδη μηχανισμών τριβής. Ο πρώτος εφαρμόζεται από τον μηχανισμό των φρένων στους τροχούς και ο δεύτερος μεταξύ των ελαστικών και του δρόμου. Και εδώ πρέπει να τονιστεί ένα σημαντικό σημείο: αν κατά την διάρκεια της κίνησης εφαρμοστεί δύναμη στα φρένα, τέτοια ώστε να ακινητοποιηθούν οι τροχοί τότε αυτοί ολισθαίνουν επί του οδοστρώματος και το όχημα χάνει μεγάλο μέρος από την επιβράδυνσή του. Η εξήγηση του φαινομένου αυτού είναι η εξής: αν εφαρμοστεί δύναμη πέδησης τέτοια ώστε να ακινητοποιηθούν οι τροχοί, τότε μεταξύ των τροχών και του οδοστρώματος αναπτύσσεται τριβή ολίσθησης και η θερμότητα που αναπτύσσεται στό ίδιο σημείο του ελαστικού προκαλεί τήξη του ελαστικού με αποτέλεσμα να μειςθεί ακόμα περισσότερο η τριβή ολίσθηση.

Η τριβή γενικά εξαρτάται από τους εξής τρεις παράγοντες: α) από την δύναμη που εφαρμόζεται μεταξύ δύο επιφανειών κατά την κύλισή

τους. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η δύναμη, τόσο μεγαλύτερη τριβή αναπτύσσεται.

β) από την τραχύτητα της επιφάνειας. Οσο μεγαλύτερη είναι η τραχύτητα μεταξύ των δύο τριβόμενων επιφανειών, τόσο

μεγαλύτερη θα είναι και η τριβή. Αυτό οφείλεται στο ότι οι τραχείες επιφάνειες έχουν περισσότερες ανωμαλίες, οι οποίες κατά την αντίθετη κίνηση των επιφανειών αυτών συγκρούονται, με αποτέλεσμα να απορροφάται ενέργεια και να εμφανίζεται τριβή.

γ) από το υλικό των επιφανειών. Κάθε υλικό, ανάλογα με την σύνθεσή του παρουσιάζει διαφορετικό συντελεστή

τριβής. Κατά το φαινόμενο της τριβής, αναπτύσσεται θερμότητα ανάμεσα στις δύο τριβόμενες επιφάνειες, η οποία συντελεί στην φθορά των δύο επιφανειών, αλλά και επηρεάζει την αποτελεσματικότητα των φρένων μετά από συνεχή χρήση.

Στα συστήματα φρένων γίνεται κατάλληλη επιλογή και των τριών αυτών παραγόντων ώστε να αποδίδουν τα καλύτερα αποτελέσματα. Μελετάμε την διάταξη ώστε οι εφαρμοζόμενες δυνάμεις να είναι αρκετές για να παρέχεται ικανοποιητική επιβράδυνση. Επίσης, λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την τριβή υπάρχει γρηγορότερη φθορά των επιφανειών. Γενικά επιδιώκεται ελεγχόμενη φθορά και εναλλαξιμότητα των υλικών τριβής. Γι'αυτό το λόγο η μία από τις δύο επιφάνειες κατασκευάζεται από μαλακότερο υλικό, ώστε να υπόκειται σε γρηγορότερη φθορά από την άλλη, για την οποία γίνεται προσπάθεια να φθείρεται βραδύτερα.

Ο πιο συνηθισμένος συνδυασμός υλικών που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα συστήματα φρένων είναι ο χάλυβας για την επιφάνεια που περιστρέφεται (στέλεχος) και ειδικά υλικά τριβής (φερμουίτ) για τα ανταλλακτικά μέρη.

Το φερμουίτ έχει επικρατήσει για τους εξής λόγους: i) έχει υψηλή αντοχή σε κρούσεις και σε υψηλές θερμοκρασίες. ii) έχοντας αρκετά χαμηλό κόστος, επιτρέπει τη συχνή αλλαγή του


Σχήμα 4.2. Διαγραμματικό κύκλωμα συστήματος πέδησηςμονού κυκλώματος με ταμπούρα (Απο το βιβλίο του Ιδρύματος Ευγενίδου Αυτοκίνητο)


Βέβαια έχει το μειονέκτημα ότι ο συντελεστής τριβής του είναι χαμηλότερος απ'ότι

ο συντελεστής τριβής του χάλυβα, με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγαλύτερη δύναμη για το ζεύγος επιφανειών χάλυβα - φερμουίτ, απ'ότι για το ζεύγος χάλυβα - χάλυβα, για την ίδια πάντα επιβράδυνση. Το μειονέκτημα όμως αυτό εξισορροπείται από τα πλεονεκτήματα της χρήσης του φερμουίτ και από το γεγονός ότι μπορούν να επιτευχθούν αρκετά μεγάλες δυνάμεις τριβής.

Σχήμα 4.3. Μηχανισμός πέδησης εμπρόσθιου τροχού με αεριζόμενο δίσκο.


4.2. ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΗΣ ΠΕΔΗΣΗΣ 4.2.1. Πειραματική εκτίμηση των ιδιοτήτων πέδησης.

Οι ιδιότητες πέδησης ενός αυτοκινήτου μπορούν να βρεθούν από δοκιμές σε στάση στο εργαστήριο και στο δρόμο, μετρώντας την απόσταση, το χρόνο και την επιβράδυνση όταν επιβραδύνεται με τον μέγιστο ρυθμό, όπως επίσης υπολογίζεται και το μέγεθος των δυνάμεων πέδησης.

Για εργαστηριακές δοκιμές γίνεται χρήση ειδικών εξεδρών, που συνήθως αποτελούνται από μια μετρητική στήλη και αυλακωτές πλατφόρμες διατεταγμένες στη στάθμη του δαπέδου. 'Οταν το αυτοκίνητο οδηγείται πάνω στις πλατφόρμες με ταχύτητα 3 - 3.5 m/sec, επιβραδύνεται απότομα και οι πλατφόρμες μετατοπίζονται κατά τη διεύθυνση της κίνησης, υπό την επίδραση των δυνάμεων αδρανείας. Κάθε πλατφόρμα είναι αρθρωμένη, μέσω ενός μοχλού και ενός υδραυλικού μηχανισμού, με ένα δείκτη στη μετρητική στήλη, πράγμα που κάνει δυνατό να προσδιοριστούν οι δυνάμεις πέδησης που ασκούνται στους τροχούς και να αποτιμηθεί η κατανομή της συνολικής δύναμης πέδησης μεταξύ αυτών.

Διάγραμμα 4.1. Επίδραση στην απόσταση πέδησης

α) από τον συντελεστή τριβής β) από την αρχική ταχύτητα του οχήματος


Οι δοκιμές σε δρόμο διεξάγονται πάνω σε ομαλά, στεγνά και καθαρά τμήματα του δρόμου με σκληρή επιφάνεια, όταν το όχημα φέρει πλήρες φορτίο, όπως προβλέπεται από τις τεχνικές προδιαγραφές του κατασκευαστή.

Κατά τις δοκιμές στο δρόμο, οι ιδιότητες πέδησης ενός αυτοκινήτου, μπορούν να βρεθούν, για παράδειγμα, με τη βοήθεια ενός καταγραφέα "απόστασης - χρόνου - ταχύτητας" ή μιας ταχογεννήτριας προσαρμοσμένης σε έναν ειδικό πέμπτο τροχό (μετρητικό) και μέσω ενός παλμογράφου.

Τα επεξεργασμένα αποτελέσματα των δοκιμών χρησιμοποιούνται για τη χάραξη των γραφημάτων της εξάρτησης της απόστασης πέδησης και του χρόνου από την ταχύτητα με διάφορες τιμές του συντελεστή τριβής φχ όπως φαίνονται στο Διάγραμμα 4.1α.

Από το γράφημα μπορεί να προσδιοριστεί η επιβράδυνση πέδησης (σε m/s2) ως συνάρτηση της ταχύτητας, από την εξίσωση:

tu =j dec Δ

Δ

όπου Δu = πτώση (αρνητική προσαύξηση) στην ταχύτητα σε m/s που αντιστοιχεί σε χρόνο Δt σε δευτερόλεπτα (για εξασφάλιση της απαιτούμενης ακρίβειας, τα διαστήματα του χρόνου δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερα από 0.1 sec).

Διάγραμμα 4.2. Παράμετροι Πεδήσεως

Το ίχνος πέδησης μπορεί επίσης να εκτιμηθεί με τη βοήθεια ειδικών ακροφυσίων υψηλής πίεσης που εκτοξεύουν μπογιά πάνω στο δρόμο κατά την έναρξη της


πέδησης. Μετά το σταμάτημα του οχήματος μετριέται η απόσταση από την κηλίδα επί του δρόμου μέχρι το ακροφύσιο και προσδιορίζεται η απόσταση πέδησης.

Οι επιβραδύνσεις κατά την πέδηση μπορεί να εκτιμηθούν και από τις ενδείξεις ενός επιβραδυνσιομέτρου το οποίο είναι ένα φορητό όργανο αδρανειακού τύπου. Μία ιδέα της μεταβολής της ταχύτητας και επιβράδυνσης κατά την πέδηση, φαίνεται στο Διάγραμμα 4.2.

Το τμήμα tr στο διάγραμμα αντιστοιχεί στον χρόνο αντίδρασης του οδηγού στον οποίο, αυτός αποφασίζει να φρενάρει και μεταφέρει το πόδι του από το πεντάλ του γκαζιού στο πεντάλ του φρένου. Ο χρόνος αντίδρασης του οδηγού εξαρτάται από τις ιδιαίτερες ικανότητές του και την εμπειρία του και κυμαίνεται μεταξύ 0.4 - 1 sec. Στους υπολογισμούς, ο χρόνος tr λαμβάνεται συνήθως 0.8 sec.

To τμήμα tdr δείχνει το χρόνο ενεργοποίησης του μηχανισμού του φρένου, από τη στιγμή που πατιέται το πεντάλ του φρένου μέχρι την εμφάνιση της επιβράδυνσης. Κατά τη διάρκεια του χρόνου αυτού, όλα τα κινητά στοιχεία του μηχανισμού του φρένου έχουν μετατοπιστεί στη θέση που μεταβιβάζουν την δύναμη πέδησης από το πόδι του οδηγού προς τους τροχούς. Ο χρόνος tdr εξαρτάται από τον τύπο μηχανισμού του φρένου, την τεχνική κατάστασή του και κυμαίνεται μεταξύ 0.2 - 0.4 sec για υδραυλικό και μεταξύ 0.6 - 0.8 sec για πνευματικό μηχανισμό. Σε αυτοκινούμενους συρμούς (νταλίκες) με αερόφρενα ο χρόνος tdr κυμαίνεται σε 1 - 2 sec.

Το τμήμα tin είναι ίσο (υπό κλίμακα) προς το χρόνο, κατά τη διάρκεια του οποίου η επιβράδυνση αυξάνει από μηδέν (έναρξη της δράσης πέδησης) έως την μέγιστη τιμή της. Ο χρόνος αύξησης της επιβράδυνσης tin εξαρτάται από την αποδοτικότητα του συστήματος πέδησης, το φορτίο του οχήματος, τον τύπο και την κατάσταση του οδοστρώματος. Παρακάτω δίνονται οι τιμές του χρόνου tin (σε sec) για πέδηση ανάγκης με όλους τους τροχούς ακινητοποιημένους.

Επιβατικά αυτοκίνητα 0.05-0.2 Φορτηγά και λεωφορεία με υδραυλικά φρένα 0.05-0.4 Φορτηγά με πνευματικά φρένα (αερόφρενα) και ωφέλιμο φορτίο μέχρι 4500 Κg 0.15-1.2 Φορτηγά με πνευματικά φρένα και ωφέλιμο φορτίο πάνω από 4500 Κg 0.20-1,5 Λεωφορεία με πνευματικά φρένα 0.20-1.3 Οι χαμηλότερες προδιαγραφόμενες τιμές για το χρόνο tin είναι για δρόμους με

χαμηλό συντελεστή τριβής και στην περίπτωση αυτή, το φορτίο του οχήματος δεν έχει πρακτικά επίδραση επί του χρόνου tin. Μεγαλύτερες τιμές του tin αντιστοιχούν σε κίνηση με πλήρες φορτίο σε δρόμους με μεγάλο συντελεστή τριβής.

Το τμήμα tbr παριστάνει τον χρόνο πέδησης με τη μέγιστη ένταση. Κατά τη ροή του χρόνου tr+tdr το αυτοκίνητο κινείται ομοιόμορφα με ταχύτητα u και κατά τη διάρκεια του tin με επιβράδυνση. Κατά τη διάρκεια του χρόνου tbr η επιβράδυνση παραμένει πρακτικά σταθερή και έτσι η ταχύτητα μειώνεται σχεδόν κατά γραμμικό νόμο.

Για τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας του συστήματος πέδησης, αξιολογείται η μέγιστη επιτρεπόμενη απόσταση πέδησης και η ελάχιστη δυνατή επιβράδυνση για οχήματα χωρίς φορτίο και με το ονομαστικό φορτίο (η απόδοση πέδησης επιβατικών και λεωφορείων ελέγχεται για ασφαλή κίνηση χωρίς επιβάτες).


Σύμφωνα με τον Κανονισμό 13 του ΟΗΕ και την Οδηγία 71/320 της ΕΕ (Ευρωπαϊκής Οικονομικής Επιτροπής) η απόσταση πέδησης δεν πρέπει να υπερβαίνει τις τιμές που προκύπτουν από τις παρακάτω σχέσεις:

Για επιβατηγά υπό αρχική ταχύτητα 22.2 m/s και μια πίεση 500 Ν εφαρμοσμένη επί του πεντάλ του φρένου η απόσταση πέδησης (σε m) είναι:

10u =S

2

br

Για φορτηγά μικρού και μέσου ωφέλιμου φορτίου, κινούμενα με ταχύτητα 13.8

m/s, και μια πίεση 700 Ν στο πεντάλ.

2br 0.1u0.54u =S +

Για βαριά φορτηγά και συρμούς με αρχική ταχύτητα 11.5 m/s.

2

br 0.113u + 0.65u =S

Οι κανονισμοί αυτοί ισχύουν για την περίπτωση πέδησης ενός αυτοκινήτου με

πλήρες φορτίο πάνω σε οριζόντιο δρόμο με επίπεδη, στεγνή, επιφάνεια από άσφαλτο ή μπετόν.

4.2.2. Δυνάμεις πέδησης στους τροχούς.

Κατά την πέδηση, οι στοιχειώδεις δυνάμεις τριβής που κατανέμονται επί των επιφανειών των επενδύσεων τριβής, δημιουργούν μια συνισταμένη ροπή τριβής Mbr κατευθυνόμενη αντίθετα προς την περιστροφή του τροχού, ενώ εμφανίζεται μια δύναμη πέδησης Pbr μεταξύ τροχού και δρόμου.

Η μέγιστη τιμή Pbr max της δύναμης πέδησης είναι ίση προς τη δύναμη τριβής του δρόμου. Όταν όλοι οι τροχοί του οχήματος είναι ακινητοποιημένοι με τα φρένα (Σχήμα 4.4), η μέγιστη τιμή της δύναμης πέδησης (σε Ν) είναι:

)Z+(Z =Z +Z =P+P=P 21x2x1xbr2br1xma br φφφ

αλλά επειδή ισχύει οτι a21 G=Z+Z

τότε: (4.1) aφ G = P xbrmax

Δεδομένου ότι η μέγιστη τιμή του συντελεστή Φχ κυμαίνεται μεταξύ 0.8 - 0.9, το μέγεθος της δύναμης πέδησης κατά την πέδηση επί στεγνού ασφαλτοστρωμένου δρόμου, μπορεί να φτάσει το 80 - 90% της δύναμης βαρύτητας του οχήματος.

Το σύστημα πέδησης σχεδιάζεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να έχει την ικανότητα για την ανάπτυξη τέτοιας ροπής πέδησης Μbr, η οποία να κάνει τους τροχούς να


ολισθαίνουν όταν το όχημα με πλήρες φορτίο φρενάρει επί στεγνού δρόμου με επιφάνεια από άσφαλτο ή μπετόν.

4.2.3. Εξίσωση κίνησης ενός οχήματος κατά την πέδηση.

Για την κατάστρωση της γενικής εξίσωσης της κίνησης ενός οχήματος που κινείται σε ανήφορο και φρενάρει, προβάλλονται στην επιφάνεια του δρόμου όλες οι δυνάμεις που ενεργούν στο όχημα κατά την πέδηση:

(4.2) 0 =P-P+P+P+P+P =P-P+P+P+P+P+P+P+P inhfeairrdbrinhfeairgr2r1br2br1

όπου P+ P+ P=P

P+ P=P

r2r1rd

br2br1br

Pfe = δύναμη τριβής του κινητήρα όπως εφαρμόζεται στους κινητήριους τροχούς(Ν).

Σχήμα 4.4. Δυνάμεις που ενεργούν σ'ένα όχημα όταν φρενάρει σε ανήφορο

Αν είναι γνωστή η ροπή τριβής στον κινητήρα Mfe, η τιμή της δύναμης Pfe (σε Ν)

μπορεί να προσδιοριστεί από την σχέση:

rev

trfe

rev

trfefe n

iP =

rniM

=P (4.3)

Η ροπή τριβής πέδης (σε Νm) σε ένα τετράχρονο κινητήρα μπορεί να προσδιοριστεί, κατά προσέγγιση σαν:

cylhmfe iVp8.0=Mόπου:


pm = μέση πίεση των μηχανικών απωλειών (N/m2). Vh = ενεργός όγκος του κυλίνδρου,(m3) icyl = αριθμός κυλίνδρων του κινητήρα. Ας θεωρήσουμε την περίπτωση πέδησης μόνο με το σύστημα φρένων, όταν η

δύναμη Pfe = 0. Η εξίσωση (4.2) δίνει την τιμή επιβράδυνσης jdec σε (m/s2):

aδ MP+P+P+P

=jrot.b

hairrdbrdec

όπου: Ma = Μάζα του αυτοκινήτου (Kg), δrot.b = συντελεστής που λογαριάζεται για στρεφόμενες μάζες κατά τη διάρκεια ρολαρίσματος και πέδησης. Παίρνοντας υπόψη ότι κατά την πέδηση η ταχύτητα του οχήματος ελαττώνεται,

μπορεί να θεωρηθεί ότι η δύναμη Pair=0. Δεδομένου ότι η δύναμη Ph είναι μικρή σε σύγκριση με την Pbr, αυτή μπορεί να αγνοηθεί ιδιαίτερα κατά την πέδηση έκτακτης ανάγκης. Τότε υπό τις προϋποθέσεις αυτές, που προκαλούν ένα μικρό σφάλμα σε σχέση με τη βελτίωση των ιδιοτήτων πέδησης ενός οχήματος, η εξίσωση (4.2) μπορεί να γραφεί υπό τη μορφή:

0=P-P+P inrdbr

Συνεκτιμώντας τις εκφράσεις για τον συντελεστή πρόσφυσης και την εξίσωση (4.1) θα είναι:

0 =jM -G +G decrot.bax a δψφ a (4.4)

Από την τελευταία εξίσωση προκύπτει η τροποποιημένη εξίσωση της κίνησης πέδησης επί ενός μη οριζόντιου τμήματος του δρόμου:

0 = jg

- + decrot.b

x

δψφ (4.5)

4.2.4. Χαρακτηριστικά της δυναμικής της πέδησης.

Ως χαρακτηριστικά της δυναμικής της πέδησης, χρησιμοποιούνται η επιβράδυνση πέδησης jdec σε (m/s2), ο χρόνος πέδησης t (σε sec) και η απόσταση πέδησης Sbr (σε m). Επιβράδυνση κατά τη διάρκεια της πέδησης.

Λύνοντας την εξίσωση (4.5) ως προς την επιβράδυνση jdec σε (m/s2) παίρνουμε:


g =jrot.b

xdec δ

φ+ ψ (4.6)

Ο συντελεστής φx είναι συνήθως πολύ μεγαλύτερος από το συντελεστή ψ και επομένως, η τιμή του ψ στην εξίσωση (4.6) μπορεί να αγνοηθεί.

Σ' αυτή την περίπτωση:

g =jrot.b

xdec δ

φ (4.7)

Παίρνοντας το συντελεστή δrot.b και την επιτάχυνση g=10m/s2, μπορεί να θεωρηθεί ότι κατά την πέδηση ανάγκης οχημάτων όλων των τύπων επί στεγνού δρόμου από άσφαλτο ή μπετόν, η μέγιστη επιβράδυνση θα είναι 8 - 9 m/s2.Οι επιβραδύνσεις δεν πρέπει, κατά κανόνα, να υπερβαίνουν τα 1.5 - 2.5 m/s2 κατά την κανονική πέδηση (πέδηση λειτουργίας). Η πέδηση ανάγκης, όταν οι τιμές επιβράδυνσης είναι πολύ υψηλές, προκαλεί δυσάρεστη αίσθηση στους επιβάτες και αυξημένη φθορά στα φρένα και τα ελαστικά.

Αν ο συντελεστής φχ δεν μεταβάλλεται κατά την πέδηση, η επιβράδυνση παραμένει σχεδόν σταθερή και δεν εξαρτάται από την ταχύτητα του οχήματος (Διάγραμμα 4.3α).

Χρόνος πέδησης

Ο χρόνος πέδησης μπορεί να προσδιοριστεί με γραφική και αναλυτική ολοκλήρωση της καμπύλης επιβράδυνσης jdec = f(u) που χαράσσεται από την εξίσωση (4.4). 'Υστερα από την εύρεση των επιβραδύνσεων για αρκετές τιμές της ταχύτητας, από το γράφημα jdec = f(u) υπολογίζεται η μέση επιβράδυνση σε κάθε διάστημα ταχύτητας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιείται η εξίσωση για τη στοιχειώδη αύξηση του χρόνου Δt σε κάθε διάστημα και αθροίζοντας τις προκύπτουσες τιμές Δt, προσδιορίζεται ο συνολικός χρόνος πέδησης. Η σχέση tbr = f(u) φαίνεται στο Διάγραμμα 4.3α.

Ας ξαναγυρίσουμε στο Διάγραμμα (4.2) για να βρούμε το χρόνο tst που χρειάζεται για να ακινητοποιηθεί το αυτοκίνητο από τη στιγμή που θα εμφανιστεί ο κίνδυνος, τον αποκαλούμενο χρόνο ακινητοποίησης. Κατά τη διάρκεια του χρόνου tin η επιβράδυνση μεταβάλλεται σύμφωνα με ένα σχεδόν γραμμικό νόμο. Μπορεί συνεπώς να υποτεθεί ότι κατά τη διάρκεια του χρόνου tin το όχημα επιβραδύνει κατά 0.5 jdec,max περίπου. Στην περίπτωση αυτή η στοιχειώδης μείωση της ταχύτητας (σε m/sec) θα είναι:

2

tj=u indec.maxΔ (4.8)

Έτσι η ταχύτητα (σε m/sec) στην αρχή της πέδησης ανάγκης με επιβράδυνση jdec,max. είναι:

2

tj -u =u -u =u indec.max ' Δ (4.9)


Αν η παραπέρα κίνηση του οχήματος ελαττώνεται ομοιόμορφα με επιβράδυνση jdec,max και σταματάει στο τέλος της πέδησης, η ταχύτητα μειώνεται κατά την πάροδο του χρόνου t , σύμφωνα με ένα γραμμικό νόμο από u' σε μηδέν. br

Τότε ισχύει οτι:

u'= jdec,max tbr (4.10)

Λύνοντας την εξίσωση (4.10) ως προς tbr (σε sec) και αντικαθιστώντας την ταχύτητα u' με την τιμή της από την εξίσωση (4.9), έχουμε:

t = u'j

= uj

- tbrdec max dec max

in (4.11)

'Ετσι, ο χρόνος ακινητοποίησης (σε sec) είναι:

t = t + t + t + t = t + t + t2

+ uj

= t + ujst r dr in br r dr

in

dec maxtot

dec max

(4.12)

Αν οι τιμές των δυνάμεων πέδησης σε όλους τους τροχούς, φτάνουν ταυτόχρονα τις μέγιστες τιμές συγκράτησης, η επιβράδυνση μπορεί να βρεθεί από την εξίσωση (4.7). Στην περίπτωση αυτή, παίρνοντας το συντελεστή 1 rot.b ≈δ , με επαρκή ακρίβεια για πρακτικούς υπολογισμούς θα είναι:

g

u + ttx

totst φ≈ (4.13)

Απόσταση πέδησης

Η απόσταση πέδησης μπορεί να προσδιοριστεί με γραφική και αναλυτική ολοκλήρωση της καμπύλης = f(u) υποθέτοντας ότι η κίνηση του οχήματος ελαττώνεται ομοιόμορφα σε κάθε διάστημα ταχύτητας. Χωρίζοντας την καμπύλη t = f(u) σε αρκετά διαστήματα, εφαρμόζεται η εξίσωση για το προσδιορισμό της στοιχειώδους αύξησης της απόστασης ΔS μέσα σε κάθε διάστημα ταχύτητας, κατά τον ίδιο τρόπο όπως κατά τον υπολογισμό της απόστασης επιβράδυνσης. Αθροίζοντας τις προκύπτουσες τιμές των στοιχειωδών αυξήσεων ΔS της απόστασης, η ολική απόσταση πέδησης αποτιμάται. Στο διάγραμμα (4.3) φαίνεται ένα ενδεικτικό γράφημα της σχέσης = f(u), με διακεκομμένη γραμμή όταν συνυπολογίζονται οι δυνάμεις Pr, Pair και Ph και με συνεχή γραμμή όταν οι δυνάμεις αυτές αγνοούνται.

t br

S

br

br

Sbr

Η απόσταση που χρειάζεται για να ακινητοποιηθεί το αυτοκίνητο από τη στιγμή εμφάνισης του κινδύνου, δηλαδή, η απόσταση ακινητοποίησης, μπορεί να βρεθεί υποθέτοντας τη φύση της μεταβολής επιβράδυνσης που φαίνεται στο Διάγραμμα 4.2.


'Οπως προηγουμένως, ας υποθέσουμε ότι όταν η ταχύτητα μειώνεται από u σε u', το όχημα κινείται με μια σταθερή επιβράδυνση ίση με 0.5 . Τότε, η απόσταση που καλύπτεται από το όχημα κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου θα είναι:

jdec .max

dec.max

22

dec.maxm

min j

)(u' -u =j 0.51

2)u'-(u )u'+(u =

juu =S Δ

(4.14)

Διάγραμμα 4.3. Χαρακτηριστικά της δυναμικής πέδησης

α) επιβράδυνση, χρόνος κίνησης και απόσταση πέδησης κατά το φρενάρισμα με το σύστημα πέδησης

β) επιβράδυνση με διάφορες μεθόδους πέδησης 1,2,3 καμπύλες επιβράδυνσης(συνεχείς γραμμές - φρενάρισμα με το σύστημα πέδησης, διακεκομμένες - συνδυασμένη πέδηση) Κατά τη διάρκεια της πέδησης ανάγκης η επιβράδυνση είναι ίση προς και

η απόσταση πέδησης που διανύεται από το όχημα όταν η ταχύτητα πέφτει από u' σε μηδέν (σε m) θα είναι:

j dec .max

dec.max

2

br j2)u( =S′

(4.15)

Η τιμή της S που βρίσκεται είναι η διανυόμενη απόσταση από το όχημα κατά το χρόνο με τη μέγιστη ένταση πέδησης. Η απόσταση ακινητοποίησης (σε m)

br

t br Sst


είναι μεγαλύτερη από την απόσταση , επειδή αυτή περιλαμβάνει επίσης την απόσταση που διανύεται από το όχημα κατά τη διάρκεια του χρόνου αντίδρασης του οδηγού, του χρόνου ενεργοποίησης του μηχανισμού των φρένων και της αύξησης του ρυθμού επιβράδυνσης.

Sbr

S = u (t + t ) + S + S = u (t + t ) + uj

- (u' )2 jst r dr in br r dr

2

dec.max

2

dec.max

(4.16)

Εισάγοντας στην εξίσωση (4.16) την ταχύτητα u' από την εξίσωση (4.9) και αγνοώντας την πολύ μικρή τιμή του γινομένου που περιέχει τον όρο t , έχουμε: 2

in

dec.max

2

2ju

totst + tu =S (4.17)

Αν οι δυνάμεις τριβής επί όλων των τροχών του οχήματος φτάσουν τη δύναμη συγκράτησης ταυτόχρονα, τότε, παίρνοντας υπόψη την εξίσωση (4.4) και με = = 0, η απόσταση πέδησης θα είναι:

Pfe

Ph

g2

u g2)(u'

]airP +sin G +cos G +[ 2

)u'( M =S

x

2

x

2rot.b

x

2 rot.b

br φ≈

φδ

≈αφ

δ

aa (4.18)

Η απόσταση πέδησης είναι κατ'ευθείαν ανάλογη προς το τετράγωνο της

ταχύτητας κατά τη στιγμή έναρξης της πέδησης. Για το λόγο αυτό η απόσταση πέδησης αυξάνει πολύ γρήγορα για υψηλές αρχικές ταχύτητες (Διάγραμμα 4.3α). Αν η τιμή της είναι γνωστή, η απόσταση ακινητοποίησης μπορεί να βρεθεί από την εξίσωση:

Sbr

g2

u + tu tot =x

2

st φS (4.19)

Οι τιμές των και S μπορούν να προσδιοριστούν από τις εξισώσεις (4.12) και (4.17) αν είναι γνωστή ή πειραματικά υπολογισμένη, η μέγιστη επιβράδυνση του οχήματος. Αν η μέγιστη επιβράδυνση είναι άγνωστη, οι τιμές των και μπορούν να βρεθούν από τις εξισώσεις (4.3) και (4.19) αν έχει οριστεί ο συντελεστής

tst st

tst Sst

xφ .

4.2.5. Κατανομή της δύναμης πέδησης μεταξύ των τροχών.

'Οταν ένα αυτοκίνητο φρενάρει, η δύναμη αδρανείας ενεργούσα επί του βραχίονα (Σχήμα 4.4) ανακατανέμει τα φορτία στους μπροστινούς και πίσω τροχούς: το φορτίο στους εμπρός τροχούς αυξάνει και στους πίσω μειώνεται. Κατά

Pinhg.c


συνέπεια, οι τιμές των κάθετων αντιδράσεων που δρούν, αντίστοιχα, επί των εμπρός και πίσω τροχών κατά την διάρκεια πέδησης, διαφέρουν σημαντικά από τα φορτία που φέρουν αυτοί κατά την στατική κατάσταση. 'Οπως σημειώθηκε παραπάνω οι μεταβολές αυτές υπολογίζονται με τους συντελεστές

Ζ και Ζ1 2

2G και G1

m και mr1 r2 μεταβολής των αντιδράσεων. Αν ένα όxημα φρενάρει πάνω σε οριζόντιο δρόμο, οι συντελεστές m και mr1 r2 υπολογίζονται από τις εξισώσεις:

φ

αφ

και g.cxx h -1 =

bh

r2g.c m r1 +1 =m (4.20)

Οι μέγιστες τιμές των συντελεστών μεταβολής των αντιδράσεων m και mr1 r2 , κατά την πέδηση κυμαίνονται μεταξύ των ορίων 1.5 - 2 και 0.5 - 0.7, αντίστοιχα.

m και mΈχοντας υπολογίσει τους συντελεστές r1 r2 , είναι δυνατό να βρούμε τις τιμές των κατακόρυφων αντιδράσεων σε N:

Z = m G και Ζ = m G2 r2 2 1 r1 1 Η μέγιστη ένταση πέδησης μπορεί να εξασφαλιστεί μόνο αν η δύναμη πρόσφυσης

του οχήματος αξιοποιείται πλήρως. Εφόσον η αναλογία μεταξύ των δυνάμεων πέδησης P και Pbr2

0

br1 που ενεργούν στους εμπρός και πίσω τροχούς δεν μεταβάλλεται, η συνολική δύναμη μπορεί να διατηρεί την μέγιστη τιμή της χωρίς να ολισθαίνουν οι τροχοί, μόνο σ'ένα δρόμο που έχει συντελεστή τριβής για παράδειγμα, ίσο με

Pbr

φ . Σε άλλους δρόμους είναι αδύνατο να αξιοποιηθεί πλήρως η δύναμη πρόσφυσης χωρίς ακινητοποίηση των εμπρός ή των πίσω τροχών.

0βΟ συντελεστής , κατανομής της δύναμης πέδησης στους εμπρός και πίσω τροχούς, μπορεί να βρεθεί από τις εξισώσεις:

br1

br2

br

br10 P

P -1 =PP =β

Η βέλτιστη κατανομή της δύναμης πέδησης συμβαίνει όταν οι εμπρός και πίσω

τροχοί ακινητοποιούνται ταυτόχρονα. Στην περίπτωση αυτή ο συντελεστής 0β γίνεται:

L

h +b = g.c0

0

φβ

Τα περισσότερα σύγχρονα συστήματα φρένων είναι εφοδιασμένα με μηχανισμό

που εξασφαλίζει στατική και δυναμική ρύθμιση της κατανομής της δύναμης πέδησης στους εμπρός και πίσω τροχούς.

Εφόσον η κατανομή της ολικής δύναμης πέδησης μεταξύ των τροχών, δεν αντιστοιχεί προς τις κάθετες αντιδράσεις που μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της πέδησης, η πραγματική ελάχιστη απόσταση πέδησης είναι κατά 20 - 40%


μεγαλύτερη της θεωρητικής. Για την προσέγγιση των εξαγομένων από υπολογισμούς προς τα πειραματικά δεδομένα, οι εξισώσεις περιλαμβάνουν ένα συντελεστή Keff με τον οποίο παίρνεται υπόψη ο βαθμός αξιοποίησης του πλήρους, θεωρητικά δυνατού, αποτελέσματος της ενέργειας του συστήματος πέδησης. Ο συντελεστής αποτελεσματικότητας της πέδησης Keff είναι ίσος, περίπου, με 1.2 για επιβατικά και 1.4 - 1.6 για φορτηγά και λεωφορεία.

Σ' αυτή την περίπτωση οι εξισώσεις υπολογισμών θα πάρουν τη μορφή:

g2u K +u t =S

g2u K

=S

guK + t=t

x

2

efftotst

x

2eff

br

xefftotst

φ

φ

φ

4.2.6. Τεχνική εξέταση τροχαίων ατυχημάτων - πραγματογνωμοσύνες

Η τεχνική εξέταση των τροχαίων ατυχημάτων διεξάγεται συνήθως από ομάδα ειδικών στην οποία συνήθως συμμετέχουν μηχανικοί, άνδρες της τροχαίας και νομικοί. Ένα αυτοκίνητο οδηγούμενο κατά μήκος ενός δρόμου μπορεί να προκαλέσει ένα ατύχημα και να τραυματίσει πεζούς και να κάνει ζημιές σε άλλα οχήματα, κατασκευές και φορτία ή να προκαλέσει οποιαδήποτε άλλη ζημιά.

Σκοπός μιας τεχνικής εξέτασης είναι να δώσει έναν επιστημονικά τεκμηριωμένο χαρακτηρισμό όλων των φάσεων ενός ατυχήματος, να προσδιορίσει τα αίτια και να αποσαφηνίσει τη συμπεριφορά των συμμετεχόντων. Οι ειδικοί εργάζονται για να βρουν τα τεχνικά αίτια των ατυχημάτων τα οποία μπορεί να οφείλονται σε βλάβες του αυτοκινήτου, να προσδιορίσουν το χρόνο εμφάνισής του, την ταχύτητα κίνησης, τις αποστάσεις πέδησης και ακινητοποίησης, κ.λ.π. Τα αρχικά στοιχεία της εξέτασης βρίσκονται από επιθεώρηση του τόπου του ατυχήματος, των αυτοκινήτων, ανάκριση των συμμετεχόντων και από μαρτυρίες τρίτων. Επίσης, δίνεται μεγάλη προσοχή στο περιβάλλον και καταγράφονται όλα τα περιστατικά, πράγμα που βοηθάει στον προσδιορισμό των συνθηκών και της φύσης της μετακίνησης των ατόμων που εμπλέκονται στο ατύχημα. Ο τόπος του ατυχήματος με τα κάθε είδους ίχνη και αντικείμενα που βρέθηκαν, όπως θραύσματα γυαλιών, ίχνη φρεναρίσματος, κομμάτια του αυτοκινήτου (κ.λ.π.) σημειώνονται σχηματικά υπό κλίμακα.

Ένα από τα πιο συχνά ατυχήματα στο δρόμο είναι το χτύπημα πεζών. 'Οταν ερευνώνται τέτοιες περιπτώσεις, το πρώτο πράγμα που εκτιμάται είναι η ταχύτητα του αυτοκινήτου και η ροπή πριν την εφαρμογή των φρένων και αν ήταν δυνατό να γίνει πέδηση έκτακτης ανάγκης για να προληφθεί το ατύχημα.

Αν φαίνεται το ίχνος φρεναρίσματος επί του οδοστρώματος η αρχική ταχύτητα του

οχήματος μπορεί να βρεθεί ως εξής: Στη θέση του ατυχήματος μετριέται το μήκος του ίχνους που άφησαν τα ελαστικά πάνω στο δρόμο. Γίνεται ένα πείραμα για να

εκτιμηθεί η τιμή του συντελεστή τριβής

ssk

xφ . Η τιμή αυτή μπορεί ακόμα να προσδιοριστεί από πίνακες ή μετά από εξακρίβωση του τύπου και της κατάστασης


της επιφάνειας του δρόμου από την εξέταση του τόπου του ατυχήματος. Έχοντας προσδιορίσει το συντελεστή Keff , χρησιμοποιείται η εξίσωση (4.7) για να βρεθεί η τιμή της μέγιστης επιβράδυνσης, που μπορεί να αναπτυχθεί από το όχημα με πέδηση έκτακτης ανάγκης. Μπορεί να υποτεθεί, μ'ένα ελαφρό σφάλμα, ότι το ίχνος ολίσθησης σχηματίζεται επί της επιφάνειας του δρόμου (αρχίζοντας από την πλήρη ακινητοποίηση των ελαστικών) ακριβώς κατά τη στιγμή της μέγιστης επιβράδυνσης. Σ'αυτή την περίπτωση η ταχύτητα του οχήματος (σε m/s) κατά τη στιγμή αμέσως πριν την έναρξη πέδησης, μπορεί να προσδιοριστεί από τη δευτεροβάθμια εξίσωση:

0 =s - t0.5 -1skin

2

dec.maxuu

j2 που προκύπτει από τη συνδυασμένη λύση των εξισώσεων (4.9), (4.15) και

παραλείποντας τους όρους που περιέχουν τον όρο t : in2

dec.maxskindec.maxj0.5

kn

j2s +t =u (4.21) Για παράδειγμα, ας θεωρήσουμε ένα οδικό ατύχημα κατά το οποίο χτυπήθηκε

ένας πεζός (Σχήμα 4.5). Το αυτοκίνητο εκινείτο σε μια απόσταση από το πεζοδρόμιο στην άκρη του οποίου στέκονταν ο πεζός Ρ.

sp

'Οταν όχημα και πεζός απείχαν μεταξύ τους απόσταση S, ο πεζός άρχισε να διασχίζει το δρόμο κάθετα προς την πορεία του οχήματος.

Στο Σχήμα 4.5 οι αρχικές θέσεις του οχήματος και του πεζού σημειώνονται με τα ψηφία Ι. Ο οδηγός φρενάρισε το όχημα του αλλά δεν μπόρεσε να αποφύγει να χτυπήσει τον πεζό (θέση ΙΙΙ) και κινήθηκε φρεναρισμένος παραπέρα και σταμάτησε (θέση ΙV). Ο σταυρός δείχνει το σημείο σύγκρουσης. Οι μετρήσεις στον τόπο του ατυχήματος έχουν δείξει το ίχνος φρεναρίσματος (ντεραπαρίσματος) και την απόσταση s που περπάτησε ο πεζός επί του δρόμου.

ssk

p

Υποτίθεται ότι καθ'όλο αυτό το διάστημα ο πεζός ήταν ορατός από τον οδηγό, ο οποίος είχε χρόνο να προλάβει το ατύχημα.

Κατά την πορεία της εξέτασης, ο χρόνος βαδίσματος του πεζού t συγκρίνεται με το χρόνο κίνησης του οχήματος από τη στιγμή που εμφανίζεται ο κίνδυνος σύγκρουσης. Αν ο χρόνος > t ο οδηγός αντέδρασε έγκαιρα και δεν μπορούσε ν'αποφύγει το ατύχημα. Αν ο χρόνος

p

t kn

ptt kn < t p αυτό σημαίνει ότι ο οδηγός αμέλησε

να χρησιμοποιήσει όλα τα μέσα που είχε στη διάθεσή του για να προλάβει το ατύχημα.

Μια ενδεικτική διαδοχή υπολογισμών κατά τη διάρκεια μιας εξέτασης εικονίζεται παρακάτω. Το σχεδιάγραμμα του ατυχήματος χρησιμοποιείται για να προσδιοριστεί η κίνηση του οχήματος , μετά το χτύπημα σε κατάσταση πέδησης και βρίσκεται η ταχύτητά του (σε m/s) κατά τη στιγμή της πρόσκρουσης:

ssk

dec.maxknkn j2s =υ (4.22)


Η ταχύτητα του οχήματος πριν από το φρενάρισμα υπολογίζεται από την εξίσωση (4.21), το μήκος της διαδρομής ακινητοποίησης , από την εξίσωση (4.19) και ο χρόνος (σε sec) της κίνησης του οχήματος πριν αυτό χτυπήσει τον πεζό:

sst

dec.max

knindrrkn j

- +0.5t +t +t =t υυ (4.23)

Στους υπολογισμούς, η ταχύτητα ενός πεζού παίρνεται συνήθως ως σταθερή ενώ

το πλάτος της διαδρομής του αγνοείται. Με τις παραδοχές αυτές ο χρόνος (σε sec) που χρειάζεται ο πεζός για να διασχίσει το δρόμο, θα είναι:

p

pp

s=tυ

(4.24)

Η συνθήκη για έγκαιρο φρενάρισμα ενός οχήματος μπορεί να γραφεί ως εξής: (4.25) t kn p≥ t

t Αν η συνθήκη αυτή δεν πληρούται, δηλαδή ο χρόνος t kn p≤ ο οδηγός υπήρξε

πολύ αργός στις ενέργειες του και το όχημα είχε χρόνο να κινηθεί από τη θέση Ι στη θέση ΙΙ (Σχήμα 4.5).

Για να βρεθεί αν ο οδηγός μπορούσε να αποφύγει το ατύχημα, αν αυτός δεν είχε επιτρέψει αυτήν την καθυστέρηση αλλά είχε αντιδράσει έγκαιρα, προσδιορίζεται ο χρόνος καθυστέρησης (σε sec).

t = (4.26) t - tdel p kn

Κατά τη διάρκεια του χρόνου αυτού το αυτοκίνητο, κινούμενο με μια αρχική

ταχύτητα υ, θα έχει διανύσει απόσταση: deldel t =s υ (4.27)


Σχήμα 4.5. Σχεδιάγραμμα ατυχήματος πεζού από αυτοκίνητο στην μέση του δρόμου.

Σύμφωνα με το Σχήμα 4.5, η απόσταση s μεταξύ του μπροστινού μέρους του

οχήματος και του πεζού, καθώς ο τελευταίος αρχίζει να διασχίζει το δρόμο είναι: (4.28) l -s -s +s = s kndelst όπου l είναι η απόσταση από το σημείο σύγκρουσης μέχρι το μπροστινό μέρος

του αυτοκινήτου. Αν οι υπολογισμοί δείξουν ότι η απόσταση s είναι μεγαλύτερη από τη διαδρομή

ακινητοποίησης , ο οδηγός μπορούσε να σταματήσει το όχημά του, με πέδηση ανάγκης, πριν από τη γραμμή πορείας του πεζού. Αν η απόσταση s<s ο οδηγός δεν μπορούσε να αποφύγει τον πεζό μετά το φρενάρισμα, διότι ο πεζός είτε είχε αρχίσει να κινείται σε πολύ μικρή απόσταση από το όχημα είτε εκινείτο πολύ γρήγορα.

sst

st

Παρόμοια τεχνική εξέταση χρησιμεύει στη μελέτη περιπτώσεων όπου αυτοκίνητα χτυπούν σταθερά αντικείμενα, ανατρέπονται ή συγκρούονται. Τα αποτελέσματα της εξέτασης και άλλες πληροφορίες χρησιμοποιούνται ως αποδεικτικά στοιχεία σε δικαστικές υποθέσεις.

4.3. ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΕΔΗΣΗΣ 4.3.1. Συνδυασμένη μέθοδος πέδησης αυτοκινήτου με το σύστημα φρένων και τον κινητήρα.

Με την μέθοδο αυτή, η ροπή πέδησης των τροχών προκαλείται από τα φρένα και τον κινητήρα ταυτόχρονα. Αφού σε αυτή την περίπτωση το πεντάλ του γκαζιού ελευθερώνεται πριν πιεστεί το πεντάλ του φρένου, η γωνιακή ταχύτητα του στροφαλοφόρου άξονα θα έπρεπε να εξισωθεί με την γωνιακή ταχύτητα που θα είχε,


όταν το όχημα θα βρισκόταν σε ακινησία (στροφές ρελαντί). Όμως, στην πραγματικότητα, οι κινητήριοι τροχοί περιστρέφουν τον στροφαλοφόρο άξονα διαμέσου του συστήματος μετάδοσης κίνησης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια πρόσθετη δύναμη που αντιστέκεται της κίνησης, η οποία προέρχεται από την δύναμη αντίστασης του κινητήρα και επιβραδύνει το όχημα. Η αδράνεια του σφόνδυλου του κινητήρα (βολάν) αντιστέκεται στην προσπάθεια του κινητήρα για συμμετοχή στην πέδηση. Μερικές φορές η αντίσταση του σφόνδυλου αποδεικνύεται μεγαλύτερη από την ικανότητά του για πρόσθετη πέδηση και έτσι η ένταση της πέδησης μειώνεται λίγο.

Pfe

P' fe

Ας εξετάσουμε τις περιπτώσεις όπου η συνδυασμένη πέδηση είναι επωφελής. Ας παραστήσουμε την επιβράδυνση κατά τη συνδυασμένη πέδηση με και την επιβράδυνση με σβηστό κινητήρα με . Τότε, η εξίσωση (4.2) μπορεί να γραφεί υπό την ακόλουθη μορφή:

jdec.com.br

jdec.br

aM

P+P+P+P+P 1 =j trfeairrdbr

rotdec.com.br δ

(4.29)

όπου: Ptr = δύναμη τριβής στο σύστημα μετάδοσης κίνησης, όταν μεταφέρεται

ροπή, (Ν).

rotδ = συντελεστής με τον οποίο λαμβάνονται υπόψη οι στρεφόμενες μάζες. Κατά τη διάρκεια πέδησης με τον κινητήρα εκτός λειτουργίας ισχύει:

rot.brot = δδ . Σ' αυτή την περίπτωση ισχύει :

aM

P+P+P+P 1 =j hairrdbr

rotdec.br δ

(4.30)

H συνδυασμένη πέδηση, με τα φρένα και τον κινητήρα, είναι περισσότερο έντονη

παρά όταν χρησιμοποιείται μόνο το σύστημα πέδησης, έτσι θα είναι:

dec.br dec.com.br j >j

ή

rot.b

hairrdbr

rot

trfeairrdbr P+P+P+P > P+P+P+P+Pδδ

οπότε, η σκοπιμότητα πέδησης με μόνο το σύστημα φρένων ή με συνδυασμό

φρένων και κινητήρα, εξαρτάται από τις τιμές των δυνάμεων που αντιστέκονται στην


κίνηση , από τη δύναμη πέδησης και τους συντελεστές P , P , P , P , Prd air tr h fe

rot.b brP

rot δκαιδ . Οι καμπύλες 1, 2 και 3 στο Διάγραμμα 4.3β αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές

της δύναμης πέδησης . Το διάγραμμα δείχνει μια σκιασμένη επιφάνεια μέσα στην οποία η συνδυασμένη πέδηση είναι άσκοπη, υπό τις δοσμένες συνθήκες, επειδή οι επιβραδύνσεις (διακεκομμένες γραμμές) εμφανίζονται να είναι μικρότερες από τις επιβραδύνσεις (συνεχείς γραμμές). Πάντως, η συνδυασμένη πέδηση επί οδοστρωμάτων με χαμηλό συντελεστή τριβής, αυξάνει την εγκάρσια ευστάθεια του οχήματος σε σχέση με την ολίσθηση. Σ' αυτή την περίπτωση η ευστάθεια βελτιώνεται λόγω της πιο ομοιόμορφης κατανομής των δυνάμεων πέδησης μεσω του διαφορικού μεταξύ των κινητήριων τροχών του αυτοκινήτου.

Pbr

jdec.com.brj

dec.br

4.3.2. Μέθοδος πέδησης αυτοκινήτου με διακεκομμένη χρήση των φρένων

Αυτή η μέθοδος πέδησης εξασφαλίζει μέγιστη ένταση. Όμως αυτή η μέθοδος συνίσταται μόνο σε πολύ έμπειρους οδηγούς, αφού χρειάζεται μεγάλη εμπειρία και πολύ προσοχή για να αποφευχθεί το ντεραπάρισμα. Όταν οι τροχοί που φρενάρουν περιστρέφονται, δέχονται μεγαλύτερη δύναμη πέδησης απ'ότι όταν μπλοκάρουν, επειδή ο συντελεστής τριβής μειώνεται σημαντικά στην δεύτερη περίπτωση.

Καθώς ο τροχός ολισθαίνει στο οδόστρωμα χωρίς περιστροφή, τα στοιχεία του ελαστικού που έρχονται σε επαφή με το οδόστρωμα υπερθερμαίνονται και μαλακώνουν λειτουργώντας επιπλέον και ως λιπαντικό μέσο. Αν ο οδηγός πιέζει το πεντάλ φρένου πολλές φορές, κάθε φορά απελευθερώνοντάς το λίγο, κάποια νέα, λιγότερο θερμά στοιχεία του ελαστικού, έρχονται σε επαφή με τον δρόμο, και έτσι η μέγιστη τιμή της δύναμης πέδησης διατηρείται. Τη στιγμή που ο τροχός τείνει να ολισθήσει, ο οδηγός μειώνει την πίεση στο πεντάλ φρένων, οι τροχοί περιστρέφονται και νέο μέρος του ελαστικού που δεν συμμετείχε στο φρενάρισμα, έρχεται τώρα σε επαφή με τον δρόμο.

Επειδή ο χειρισμός αυτός απαιτεί μεγάλη επιδεξιότητα και εμπειρία, καθίσταται πρακτικά ανέφικτος από την μεγάλη πλειοψηφία των οδηγών. Έτσι αναπτύχθηκαν ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα αντιεμπλοκής των τροχών (A.B.S. - Αntilock Braking Systems) που παρέχουν σημαντική ασφάλεια στην πέδηση. Τέτοια συστήματα αναπτύσσονται με λεπτομέρειες σε επόμενο κεφάλαιο.

4.4. ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΦΡΕΝΩΝ 4.4.1 Φρένα με τύμπανα (ταμπούρα)

Τέσσερα είδη φρένων με τύμπανα χρησιμοποιούνται προς το παρόν στα αυτοκίνητα. Τα φρένα αυτά διακρίνονται από τα χαρακτηριστικά της αλληλεπίδρασης της δύναμης μεταξύ των πέδιλων των φρένων και της εκτείνουσας διατάξεως και του τύμπανου (Σχήμα 4.6). Κατά συνθήκη, οι επενδύσεις (φερμουίτ) των σιαγόνων δείχνονται συμμετρικές σε σχέση με την οριζόντια διάμετρο του φρένου. Οι συνισταμένες των κάθετων δυνάμεων Ν και των δυνάμεων τριβής fN εφαρμόζονται στο μέσο των τόξων της επένδυσης, δηλαδή σε ακτίνα rd .


Σχήμα 4.6. Σχηματικές παραστάσεις φρένων με τύμπανα (ταμπούρα)

α. Με ίση μετατόπιση πέδιλων b. Αναστρέψιμο μη-εξισορροπημένο c. Μη-αναστρέψιμο εξισορροπημένο

d. Αναστρέψιμο με οδηγά πέδιλα

Διάφορες σχηματικές διατάξεις συγκρίνονται ως προς την αναστρεψιμότητα, την

ισορροπία και το συντελεστή απόδοσης. Αναστρεψιμότητα φρένου: ορίζει πόσο ανεξάρτητη είναι η ροπή πέδησης (που

αναπτύσσεται από αυτό) από τις διευθύνσεις κίνησης του οχήματος. Ισορροπία φρένου: είναι ο συνδυασμός δυνάμεων με τις οποίες η σιαγόνα του

φρένου δρα επί του τύμπανου για το συνδυασμό αυτό, η χρήση του φρένου δεν προκαλεί φόρτιση στα έδρανα των αξόνων των τροχών.

Συντελεστής απόδοσης: είναι ο λόγος της ροπής του φρένου προς την κινούσα δύναμη και την ακτίνα του τύμπανου.

Από τις σχηματικές διατάξεις που φαίνονται στα σχήματα είναι προφανές ότι το έργο επιβράδυνσης που παράγεται από τη ροπή της δύναμης τριβής fΝ, σε σχέση προς το υποστήριγμα, είναι ισοδύναμο προς την αύξηση της κινούσας δύναμης, στο οδηγό (κύριο) πέδιλο και ισοδύναμο προς τη μείωση της κινούσας δύναμης στο συρόμενο πέδιλο. Ποιο από αυτά τα πέδιλα δρα ως οδηγό (κύριο) ή συρόμενο εξαρτάται από τη φορά περιστροφής του τύμπανου του φρένου.

Παρακάτω δίνονται οι εξισώσεις υπολογισμού του συντελεστή απόδοσης για τα πέδιλα και το φρένο:


Οδηγό πέδιλο )rP(TK d11T1e = Συρόμενο πέδιλο )rP(TK d22T2e = Φρένο ]r)PP[(TK d21Te += όπου TT1, TT2 και TT είναι οι ροπές πέδησης που παράγονται αντίστοιχα από το

οδηγό, το συρόμενο πέδιλο και το φρένο, ενώ και είναι οι κινούσες δυνάμεις. 1P 2PΕίναι φανερό ότι ίσες δυνάμεις πέδησης θα δρούν επί των τροχών ενός άξονα αν

οι συντελεστές απόδοσης είναι σταθεροί. Πάντως, οι τιμές των και εξαρτώνται από το συντελεστή τριβής f ο οποίος, εξαιτίας της επίδρασης πολλών τεχνολογικών και λειτουργικών παραγόντων, δεν είναι σταθερός και αποκλίνει από την ονομαστική τιμή και στις δύο πλευρές.

1eK 2eK

Το φρένο που φαίνεται στο Σχήμα 4.6α έχει έναν διατατικό μηχανισμό τύπου εκκέντρου που εξασφαλίζει ίση μετατόπιση των πέδιλων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι κάθετες δυνάμεις που εφαρμόζονται στα πέδιλα και οι ροπές φρένου που αναπτύσσονται απ' αυτές εκκινουσών δυνάμεων 1PP 21 < προσαρμόζεται αυτόματα . Επειδή η ισότητα Ν1 = Ν2 ισχύει για κάθε φορά περιστροφής του τύμπανου, το υπόψη φρένο είναι ένα αναστρέψιμο φρένο. Το μειονέκτημα αυτού του φρένου είναι οι μεγάλες κινούσες δυνάμεις. Επιπλέον, το έκκεντρο έχει σχετικά μικρή απόδοση (0,60 - 0,80). Επειδή ο μηχανισμός τύπου εκκέντρου απαιτεί τη χρήση πνευματικού ενεργοποιητή, τέτοια φρένα βρίσκουν εφαρμογή μόνο σε φορτηγά και λεωφορεία (των οποίων η συνολική μάζα είναι 10 tn και πάνω).

Το φρένο που φαίνεται στο Σχήμα 4.6b έχει έναν εκτείνοντα μηχανισμό υδραυλικό ή τύπου σφήνας που εξασφαλίζει ισότητα των κινουσών δυνάμεων. Πάντως, η ροπή πέδησης που αναπτύσσεται από το οδηγό πέδιλο είναι μεγαλύτερη απ' αυτή που παράγεται από το συρόμενο πέδιλο, με αποτέλεσμα να προκαλείται άνιση φθορά στα πέδιλα.

Ένα τέτοιο φρένο είναι λιγότερο σταθερό από ένα άλλο που εξασφαλίζει ίση μετατόπιση των πέδιλων. Με ίδιες αναλογίες και f = 0,35 ο βαθμός απόδοσης ενός τέτοιου φρένου ισούται με Κe = 0,81, και ισοδυναμεί με 116% του βαθμού απόδοσης φρένου με ίση μετατόπιση πέδιλων (Σχήμα 4.6α). Επειδή η διαφορά Ν1 - Ν2 είναι ανεξάρτητη από τη φορά περιστροφής του τύμπανου, τούτο είναι αναστρέψιμο αλλά μη ισορροπημένο φρένο. Τέτοια φρένα χρησιμοποιούνται σε βαριά φορτηγά και επίσης για τους πίσω τροχούς επιβατηγών αυτοκινήτων.

Το Σχήμα 4.6c δείχνει τη σχηματική διάταξη ενός μη αναστρέψιμου φρένου. Το κύριο διακριτικό χαρακτηριστικό αυτού του φρένου είναι το ότι τα κινητήρια άκρα των πέδιλων κοιτούν προς διαφορετικές διευθύνσεις. Τα πέδιλα εκτείνονται με μια υδραυλική διάταξη που αναπτύσσει ίσες κινητήριες δυνάμεις. Για το λόγο αυτό και τα δύο πέδιλα δρούν ως κύρια (οδηγά) πέδιλα (όταν το αυτοκίνητο κινείται προς τα εμπρός) ή ως συρόμενα πέδιλα (κατά τη διάρκεια αντίστροφης κίνησης). Συνδυάζοντας ένα τέτοιο φρένο με ένα συνηθισμένο τέτοιο στους πίσω τροχούς (Σχήμα 4.3b) καθίσταται δυνατό να επιτευχθεί πιο εύκολα η επιθυμητή κατανομή των δυνάμεων πέδησης και να τηρηθούν οι διαστάσεις πολλών εξαρτημάτων των φρένων των πίσω και εμπρός τροχών ίσες.

)PP( 2T1T >


Η σχηματική διάταξη ενός αναστρέψιμου φρένου φαίνεται στο Σχήμα 4.6d. Εδώ και τα δύο πέδιλα είναι κύρια (οδηγά) πέδιλα, ανεξάρτητα από τη φορά περιστροφής του τύμπανου του φρένου. Τούτο συμβαίνει εξαιτίας της εφαρμογής όμοιων εκτεινουσών διατάξεων. Σε κάθε μία από αυτές τις διατάξεις, ανάλογα με τη φορά περιστροφής του τύμπανου, το ένα έμβολο προορίζεται να κινεί το ένα πέδιλο και το άλλο λειτουργεί ως αντίδραση για το δεύτερο πέδιλο. Δεν συνιστάται η χρήση ενός μη αναστρέψιμου φρένου στους πίσω τροχούς όπου είναι εγκατεστημένο το φρένο στάθμευσης (χειρόφρενο). Το φρένο στάθμευσης οφείλει να εξασφαλίζει ίσης απόδοσης πέδηση σε ανήφορο και κατήφορο.

4.4.2 Κατανομή πιέσεως κατά μήκος του πεδίλου

Είναι δύσκολο να βρεθούν αναλυτικά οι καμπύλες των κάθετων πιέσεων διότι, πέραν της ελαστικής συμπεριφοράς της επένδυσης, η πλαστικότητα του τύμπανου, του πέδιλου και του υποστηρίγματος έχει κάποια επίδραση επί της επένδυσης. Πάντως, για μια προσεγγιστική εκτίμηση, λαμβάνονται υπόψη μόνο οι ακτινικές παραμορφώσεις της επένδυσης λόγω της μικρότερης σημασίας των παραμορφώσεων των άλλων εξαρτημάτων.

Τα φρένα μπορούν να σχεδιαστούν με ένα ή δύο βαθμούς ελευθερίας.

Σχήμα 4.7. Σχηματικές διατάξεις για τον προσδιορισμό της ακτινικής παραμόρφωσης των πεδίλων.

a . Με δύο βαθμούς ελευθερίας b . Κύριο (οδηγό) πέδιλο με ένα βαθμό ελευθερίας

Ας προσδιορίσουμε την ακτινική παραμόρφωση της επένδυσης ενός κύριου

(οδηγού) πέδιλου που έχει δύο βαθμούς ελευθερίας. Η αρχή των συντεταγμένων βρίσκεται στο κέντρο Ο του τύμπανου (Σχήμα 4.7α) και οι άξονες των συντεταγμένων χαράσσονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η γραμμή να περνάει από το στιγμιαίο κέντρο περιστροφής του πέδιλου.

1y

1A


'Οταν εφαρμόζεται πέδηση το πέδιλο, χάρι στην παραμορφωσιμότητά του, στρέφεται περί το στιγμιαίο κέντρο και μετατοπίζεται συγχρόνως κατά μήκος της επιφάνειας έδρασης κατά τη διεύθυνση δράσης των δυνάμεων τριβής.

1A

Έτσι το κέντρο του πέδιλου παίρνει τη θέση και το φανταστικό περίγραμμα της απαραμόρφωτης επένδυσης (γραμμής ) μετατοπίζεται προς το σώμα του τύμπανου κατά τη διεύθυνση . Προφανώς, προς αυτή τη διεύθυνση η παραμόρφωση όλων των σημείων της επιφάνειας θα είναι η ίδια. Για ένα αυθαίρετο σημείο επί της ακτίνας , η παραμόρφωση χαρακτηρίζεται με τον τομέα

. Για εκείνο ακριβώς το σημείο η ακτινική παραμόρφωση είναι:

1O

11EE

1OO

11B OB

11BB ′ 1

΄11111 cosC ψΒΒ≈Β=δ

έχοντας υπόψη ότι: και )(90 11

•1 φ+α−=ψ max11

΄11 δ=οο=ΒΒ

θα είναι για το κύριο (οδηγό) πέδιλο: )sin( 11max1

΄1 φ+αδ≈δ

(4.31) )sin( 11max2

΄2 φ+αδ≈δ

Εδώ δ1max και δ2max είναι οι μέγιστες πιέσεις επί των πέδιλων του φρένου: α1, y1

και φ1 είναι αντίστοιχα οι γωνίες μεταξύ μιας αυθαίρετης ακτίνας OB1 και του άξονα της ακτίνας OB1 και της γραμμής OO1 (άξονας μέγιστης πίεσης),του x1 και του άξονα μέγιστης πίεσης.

1y

Ας προσδιορίσουμε τώρα την ακτινική παραμόρφωση της επένδυσης ενός κύριου πέδιλου που έχει ένα βαθμό ελευθερίας. Σ' αυτή την περίπτωση υπό την ενέργεια της κινούσας δύναμης και της δύναμης τριβής, το πέδιλο στρέφεται περί το κέντρο A1 του πείρου αγκυρώσεως κατά γωνία dγ ( σχ. 4.4b). Κατά τη φορά περιστροφής του πεδίλου οι παραμορφώσεις σ' ένα αυθαίρετο σημείο Β1 της επένδυσης τριβής αντιστοιχούν προς το ήκος ΄

11BB . Κ ν ακτινική διεύθυνση, οι παραμορφώσεις αντιστοιχούν προς την προβολή του μήκους αυτού επί της προεκτάσεως της ακτίνας OB1, δηλαδή το μήκος Β1C1.

μ ατά τη

Επειδή dγ είναι μικρό μπορεί να θεωρηθεί ότι η γωνία και τότε η ζητούμενη παραμόρφωση της επένδυσης είναι:

0΄111 90BBA =

dγsinsinBBCB 11

΄11111 γΒΑ=γ==δ


και επειδή , από το ισοσκελές τρίγωνο παίρνουμε ότι Α1Β1/sina = rd/sinγ. Οπότε η ακτινική παραμόρφωση και η επιφανειακή πίεση θα είναι:

drOBOA == 11 11OBA

γα=δ dsinrd1 (4.32)

α= sinqq max11 Γενικεύοντας τα προηγούμενα αποτελέσματα μπορεί να βγει το συμπέρασμα ότι

σε ένα καινούργιο πέδιλο, μέχρι αυτό να καθίσει (εδραστεί) σωστά, οι πιέσεις κατά μήκος της επένδυσης κατανέμονται σύμφωνα με τον ημιτονοειδή νόμο που εκφράζεται με τους τύπους (4.31) και (4.32).

Ο βαθμός ανομοιομορφίας της κατανομής των πιέσεων κατά μήκος της επένδυσης υπολογίζεται από το συντελεστή ανωμαλίας.

umax qq=Δ (4.33) όπου είναι η συμβατική ομοιόμόρφα κατανεμημένη πίεση η οποία αναπτύσσει

την ίδια ροπή πέδησης επί του πέδιλου, όπως όταν η πίεση κατά μήκος της επένδυσης του πέδιλου είναι μη ομαλά κατανεμημένη. Η μέγιστη πίεση του πέδιλου είναι .

uq

maxq

4.4.3 Προσδιορισμός των ροπών πέδησης επί των πέδιλων

Κατά τον υπολογισμό των πέδιλων των φρένων είναι αναγκαίο να οριστεί η σχέση μεταξύ των ροπών πέδησης που παράγονται και των δυνάμεων με τις οποίες αυτά πιέζονται επί του τύμπανου.

Σχήμα 4.8. Σχήμα 4.9.

Σχηματική διάταξη για τον προσδιορισμό της Σχηματική διάταξη για τον προσδιορισμό της


ροπής πέδησης κινούσας δύναμης

Για τον προσδιορισμό της ροπής TT επί του πέδιλου με ένα βαθμό ελευθερίας, ας απομονώσουμε επί της επιφανείας της επένδυσης μια στοιχειώδη εγκάρσια ζώνη βρισκόμενη σε μία γωνία α ως προς τον y άξονα. Η επιφάνεια της ζώνης ισούται με

, όπου b είναι το πλάτος της επένδυσης (Σχήμα 4.8). Από την πλευρά του τύμπανου, μια κάθετη δύναμη

addbr

adabrqdabrqdN ddu sinmax==

(4.34) και μία δύναμη τριβής fdN που προκαλεί ροπή πέδησης adasinbrqdNfrdT dmaxdT == που ενεργεί επί της ζώνης. Ολοκληρώνοντας την τελευταία σχέση από έως , παίρνουμε: ΄α ΄΄α (4.35) )cos(cosbrqT ΄΄΄

dmaxT α−α= Σε περίπτωση ομοιόμορφης κατανομής των κάθετων πιέσεων είναι (4.36) α= dbrqdN du )(fbrqT ΄΄΄

duT α−α= Οι εξισώσεις (4.35) και (4.36) επιτρέπουν τον προσδιορισμό των ροπών πέδησης

συναρτήσει των πιέσεων. Για πρακτικούς υπολογισμούς είναι αναγκαίο να συσχετιστεί η ροπή πέδησης προς την εκτείνουσα δύναμη Ρ.

Η ροπή πέδησης που αναπτύσσεται από το οδηγό (κύριο) πέδιλο μπορεί να παρασταθεί ως

1ΤΤ

111 ρΝ= fΤΤ (4.37) όπου Ν1 είναι η συνισταμένη των στοιχειωδών κάθετων δυνάμεων ρ1 είναι η

ακτίνα εφαρμογής της συνισταμένης δύναμης τριβής (Σχήμα 4.9). 1fNΗ εξίσωση ( 4.35 ) επιτρέπει τον υπολογισμό της ροπής πέδησης ενός πέδιλου αν

είναι γνωστά η γεωμετρία του και η τιμή της κάθετης πιέσεως. Για τον προσδιορισμό της Ν1, συναρτήσει της κινούσας δύναμης Ρ1,απαιτείται η

εξίσωση ισορροπίας για το πέδιλο :

0)sinf(cosNSacosP 111x101 =δ−δ−+ (4.38) 0NfcSP 11

΄x11 =ρ+−α


όπου δ1 είναι η γωνία μεταξύ του x άξονα και της γραμμής δράσης της δύναμης Ν1,S1x είναι η προβολή της αντίδρασης του πείρου αγκυρώσεως επί του x άξονα.

Η επίλυση του συστήματος εξισώσεων ( 4.38 ) ως προς N1 δίνει:

]ρf)sinf(cosc[PhN 111΄

11 −δ+δ= (4.39) Για ένα κύριο (οδηγό) πέδιλο, η εξίσωση (4.37) μπορεί να ξαναγραφεί ως : 11111

΄111Τ BP]f)sinf(cosc[hfPΤ =ρ−δ+δρ= (4.40)

Ομοίως, για ένα συρόμενο πέδιλο η εξίσωση (4.37) μπορεί να ξαναγραφεί ως: 22222

΄222Τ BP]f)sinf(cosc[–hfPΤ =ρ−δ+δ= (4.41)

Για τον προσδιορισμό των δ και ρ είναι αναγκαίο να βρεθούν η κάθετη δύναμη Ν

και οι συνιστώσες της. Αν το dΝ (Σχήμα 4.8) είναι το γεωμετρικό άθροισμα των συνιστωσών δυνάμεων dΝx και dΝy που εφαρμόζονται κατά μήκος των αντιστοίχων αξόνων, τότε σύμφωνα με την εξίσωση (4.34) θα είναι :

N x= = ∫′′

′

α

ααdNsin dbrqmax ∫

α′′

α′αdNsin2 =

= ( ) 42sinsin2brq dmax α′+α′′−β (4.42)

N y = =∫α ′′

α′αdNcos ααα∫

α ′′

α′dcossinbrq dmax = ∫

α

ααα

΄΄

΄dNcossin

= ( ) 42cos2cosbrq dmax α′′−α′ (4.43)

'Oπου,

( ) ( ) ( )[ ]α′+α′′−βα ′′−α′==δ 2sin2sin22cos2cosarctgNNarctg xy και α′−α′′=β Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις( 4.35 ) και ( 4.37 ) και θεωρώντας ότι:

2y

2x1 NNN +=

θα είναι:

2΄΄΄2΄΄΄΄΄΄d )2sin2sin2()2cos2(cos/coscos4r α+α−β+α−αα−α=ρ


Αν για πέδιλο που δρα προς την κατεύθυνση της φοράς περιστροφής του τύμπανου και αντίθετα προς αυτήν οι γωνίες α' και α'' είναι διαφορετικές, τότε, προφανώς τα δ και ρ θα έχουν διαφορετικές τιμές για τα δύο πέδιλα. Για ένα φρένο με δύο πέδιλα, η ροπή πέδησης επί του τύμπανου είναι ίση με το άθροισμα των ροπών τριβής επί του πρώτου και δεύτερου πέδιλου, δηλαδή :

22112Τ1ΤΤ BPBPΤΤΤ +=+= Για υδραυλική ενεργοποίηση Ρ1 = Ρ2. Η αναγκαία κινούσα δύναμη είναι: Τ21 Τ)BB(P += Για φρένο με εκτείνοντα μηχανισμό τύπου εκκέντρου η κινούσα δύναμη

προσδιορίζεται από τις προηγούμενες εξισώσεις προβλέποντας ότι οι ροπές επί των πέδιλων είναι ίσες:

1Τ1 BΤ5.0P = 2Τ2 PΤ5.0P = Κατά τον υπολογισμό φρένων με πέδιλα είναι αναγκαίο να γίνεται έλεγχος για την

πιθανότητα κολλήματος των πέδιλων. Η συνθήκη κολλήματος πέδιλου δίνεται από την εξίσωση (4.40). Τα πέδιλα μπορεί να κολλήσουν όταν ο παρανομαστής στην εξίσωση (4.40) είναι ίσος με μηδέν.

0f)sinfsδco(c 111΄ =ρ−δ+

Κόλλημα των πεδίλων δεν συμβαίνει αν

)sinc()cosc(f 1΄

11΄ δ−ρδ<

Από τις εξισώσεις (4.35) και (4.40) μπορούμε να προσδιορίσουμε τη μέγιστη

πίεση επί της επιφανείας του κύριου (οδηγού) πέδιλου:

]f)sinf(cosc)[cos(cosbrhPq

111΄΄΄΄2

d

11max 1 ρ−δ+δα−α

ρ=

4.4.4 Κύρια χαρακτηριστικά σχεδιασμού και υπολογισμού φρένων με τύμπανα

Οι κύριες διαστάσεις των φρένων προσδιορίζονται από τις ενδεικνυόμενες τιμές απόδοσης του φρένου. Η δύναμη πέδησης θα είναι μέγιστη όταν το κάθετο φορτίο που προέρχεται από το βάρος του οχήματος μπορεί να αξιοποιηθεί στο μεγαλύτερο βαθμό. Στην περίπτωση αυτή οι δυνάμεις πέδησης πρέπει να είναι ανάλογες προς τις κάθετες αντιδράσεις στους τροχούς.

Για ένα διαξονικό αυτοκίνητο ισχύει:


maxg

maxg

zr

zf

Tr

Tf

hahb

RR

PP

ϕ−

ϕ+== (4.44)

'Οπως φαίνεται από την εξίσωση (4.44), αυτή η σχέση εξαρτάται από το

συντελεστή πρόσφυσης φ ο οποίος καθορίζει την τυπική τιμή σταθερής επιβράδυνσης asd. Συνήθως η σχέση μεταξύ των δυνάμεων πέδησης φθάνει το 1.3 - 1.6 για επιβατηγά αυτοκίνητα, και 0.5 - 0.7 για φορτηγά και αντιστοιχεί σε φαν = 0.40 - 0.55.

Οι ροπές πέδησης που μπορούν να επιτευχθούν με τα φρένα αντιστοιχούν στις επιδιωκόμενες ροπές φρένου στους τροχούς. Δηλαδή

όπου dTfTP rPT

f= maxzfTf RP ϕ=

και όπου dTrTP rPT

r= maxzrTr RP ϕ=

Οι κύριες διαστάσεις ενός φρένου καθορίζονται αρχικά κατά το σχεδιασμό του. Η

ακτίνα rd, της επιφάνειας τριβής του τύμπανου, επιλέγεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε το διάκενο μεταξύ της στεφάνης (ζάντας) του τροχού και του τύμπανου, αναγκαίο για αερισμό, να μην είναι μικρότερο από 20-30 mm.

Η γωνία επαφής β της επένδυσης τριβής ισούται με 90°-120°. Στα πέδιλα με έναν βαθμό ελευθερίας η επένδυση θα πρέπει να τοποθετείται συμμετρικά σε σχέση με τον x άξονα ενώ στα ολισθαίνοντα (δύο βαθμοί ελευθερίας) πέδιλα, η επένδυση πρέπει να είναι μετατοπισμένη προς το άκρο της έδρασης. Το πλάτος b της επένδυσης τριβής προσδιορίζεται από τη συνθήκη ότι κατά τη διάρκεια πέδησης ανάγκης, η πίεση επί της επιφανείας του πέδιλου θα είναι κάτω από 2.5 ΜΡa. Εξ άλλου, έχει γίνει αποδεκτό σε πολλές χώρες, ότι η συμβατική ειδική φόρτιση p επί της επενδύσεως, που προσδιορίζεται από την (15), να μην ξεπερνάει τα 0.25 ΜΡa για αυτοκίνητα με μικτή μάζα μέχρι 11 tons και τα 0.3 ΜΡa για αυτοκίνητα με μικτή μάζα πάνω από 11 tons:

[ ]p)AA(qm rfa ≤+ (4.45) όπου είναι η μικτή μάζα του αυτοκινήτου, και am ≤ rf A,A είναι αντίστοιχα οι

συνολικές επιφάνειες των επενδύσεων των φρένων του εμπρός και πίσω άξονα. Οι υπολογισμοί ελέγχου για φθορά και θέρμανση γίνονται χρησιμοποιώντας

έμμεσες παραμέτρους - μέση πίεση επί της επιφανείας του οδηγού (κύριου) πέδιλου και ειδικό έργο τριβής που καθορίζει τη θερμοκρασία στην οποία θα φθάσει το τύμπανο όταν ζεσταθεί.

Η μέση πίεση επί της επιφανείας του πέδιλου λαμβάνεται ίση με το λόγο της κάθετης δύναμης Ν1 προς την επιφάνεια Α1 της επένδυσης του φρένου. Σύμφωνα με τις απαιτήσεις για επενδύσεις αμιάντου, θα ισχύει η παρακάτω σχέση:

avq

=avq Ν1/Α1 < 2 ΜΡa


Το ειδικό έργο λόγω τριβής είναι ίσο με το λόγο του έργου τριβής που δίνεται για να σταματήσει το αυτοκίνητο που κινείται με τη μέγιστη ταχύτητα, προς την ολική επιφάνεια των επενδύσεων όλων των φρένων δηλαδή: ΣA

[ ]fr

2maxaa LA2m ≤ν Σ

Εδώ, Lfr είναι το επιτρεπόμενο ειδικό έργο λόγω τριβής. Για επιβατηγά αυτοκίνητα

λαμβάνεται ίσο με 1000-1500 2cmJ . Για φορτηγά και λεωφορεία κυμαίνεται μεταξύ

600 και 800 2cmJ . Τα τύμπανα (ταμπούρα) πρέπει να έχουν μεγάλη ακαμψία και

θερμοχωρητικότητα. Η θερμοκρασία τους, όταν γίνεται φρενάρισμα, δεν πρέπει να ξεπερνάει τις οριακές τιμές για το υλικό. Το υλικό του τύμπανου, μαζί με το υλικό της επένδυσης τριβής πρέπει να εξασφαλίζουν υψηλό συντελεστή τριβής και ομοιόμορφη φθορά της επιφάνειας του φρένου.

Σύμφωνα με αυτές τις απαιτήσεις τα τύμπανα των φρένων για μεσαία και βαριά φορτηγά καθώς και για μεσαίας και μεγάλη χωρητικότητας λεωφορεία, κατασκευάζονται από φαιό ή κραματικό χυτοσίδηρο (Σχήμα 4.10α). Για άλλους τύπους αυτοκινήτων χρησιμοποιούνται σύνθετα τύμπανα (Σχήμα 4.10b) αποτελούμενα από τη φλάντζα 1 κατασκευασμένη από πρεσσαριστή λαμαρίνα και το χυτοσιδηρό δακτύλιο 2, για να ελαττωθεί η ποσότητα του μετάλλου. Τύμπανα φρένων (χυτά από κάποιο κράμα αλουμινίου) με χυτοσιδηρό δακτυλίδι 3 (Σχήμα 4.10c) χρησιμοποιούνται και σε επιβατηγά αυτοκίνητα. Η σύνδεση της φλάντζας με τη στεφάνη και του χυτοσιδηρού δακτυλιδιού με το αλουμινένιο τύμπανο, γίνεται κατά τη χύτευση. Πρόβλεψη γίνεται για τη δακτυλιοειδή διόγκωση 4 στην εξωτερική ακμή του τύμπανου, που αυξάνει την ακαμψία του, διαμέτρου dc. Η τελική κατεργασία της επιφάνειας πέδησης του τύμπανου και η στατική ζυγοστάθμισή του γίνονται αφού τούτο μονταριστεί στην πλήμνη. Η επιτρεπόμενη αζυγοσταθμία είναι 12-25 Νcm για επιβατηγά και 30-40 Νcm για φορτηγά αυτοκίνητα.


Σχήμα 4.10. Τύμπανα φρένων α. Χυτό b. και c. Σύνθετα

Το τύμπανο κεντράρεται, σε σχέση με την πλήμνη, επί της κυλινδρικής Κατά το σχεδιασμό πρέπει να εξακριβωθεί η θερμοχωρητικότητα του τύμπανου, δηλαδή να βρεθεί αν πληρούται η συνθήκη:

( ) LtCmCm rrdd ≥Δ+

Εδώ md και mr είναι οι συνολικές μάζες των τυμπάνων και χυτoσιδηρών δακτυλιδιών τους, για το δοσμένο άξονα. Cd και Cr είναι αντίστοιχα οι ειδικές θερμοχωρητικότητες των τυμπάνων και των δαχτυλιδιών (για χυτοσίδηρο C = 482 J/(KgK), για αλουμινόκραμα C = 880 J/(KgK), t είναι η αύξηση της θερμοκρασίας του τύμπανου (σ' ένα απότομο φρενάρισμα, όταν το αυτοκίνητο κινείται με ταχύτητα υα = 30 Km/h σταματάει απότομα, η αύξηση της θερμοκρασίας δεν πρέπει να υπερβαίνει τους 15°C) L είναι το μέρος της κινητικής ενέργειας του πλήρως φορτωμένου αυτοκινήτου, που μετατρέπεται σε θερμότητα με τα φρένα του συγκεκριμένου άξονα.

Επειδή το φρενάρισμα είναι μια πολύ γρήγορη διαδικασία, πρακτικά δεν υφίσταται απαγωγή θερμότητας. 'Ολη η κινητική ενέργεια, σε συσχετισμό με την κατανομή της ολικής δύναμης πέδησης μεταξύ των αξόνων, καταναλώνεται για να θερμάνει τη μάζα του μηχανισμού του φρένου. 'Ετσι:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=

bagbha

2v

mL gd.s2a

af

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

−=

bahaga

2v

mL gd.s2a

ar

όπου , a και b είναι οι συντεταγμένες του κέντρου μάζας του αυτοκινήτου, και

είναι η τυποποιημένη (αποδεκτή) σταθερή επιβράδυνση. gh

d.sa Πλάκα έδρασης: είναι το στοιχείο που εξασφαλίζει τη σωστή αμοιβαία

προσαρμογή όλων των στοιχείων του φρένου (Σχήματα 4.11 και 4.12). Η πλάκα έδρασης είναι από πρεσσαριστή λαμαρίνα (Σχήμα 4.9) ή χυτή από μαλακό σίδηρο.

Τα πέδιλα του φρένου βαρέων οχημάτων είναι χυτά από φαιό χυτοσίδηρο ή κράματα αλουμινίου, για επιβατηγά και ελαφρά φορτηγά, τα πέδιλα είναι πρεσσαριστά και συγκολλημένα. Λόγω της μικρής θερμοχωρητικότητας, της ευκολίας κατασκευής και της ευκαμψίας που βοηθάει στην εξίσωση των πιέσεων κατά μήκος και πλάτος των επενδύσεων τριβής, τα πρεσσαριστά - συγκολλητά πέδιλα είναι σε γενική χρήση.


Σχήμα 4.11. Φρένο τροχού φορτηγού 1. Πέδιλο 2. Εκτείνον έκκεντρο (κάμα)

3. Πλάκα έδρασης 4. Ρυθμιστικός βραχίονας 5. Φορέας (κονσόλα) άξονα του εκτείνοντος εκκέντρου 6. Ράουλο


Σχήμα 4.12. Φρένο με σφηνοειδή εκτείνοντα μηχανισμό


Σχήμα 4.13. Φρένο τροχού φορτηγού 1. Πέδιλο 2. Πλάκα έδρασης

3. Κάμα ρυθμιστή τζόγου 4. Έκκεντρος πείρος αγκύρωσης


Σχήμα 4.14. Φρένο πίσω τροχού (μη αυτενεργό) επιβατηγού αυτοκινήτου

1. Έμβολο 2. Δαχτυλίδι ώσεως εμβόλου 3. Στεγανοποιητικό δαχτυλίδι 4. Στοπ 5. Πλάκα έδρασης 6. Πέδιλο 7. Πείροι αγκύρωσης 8. Μπρούντζινα έκκεντρα

9. Ενδεικτικός πείρος πέδιλων 10. Κινητήριος μηχανισμός του φρένου στάθμευσης (χειρόφρενο)

Οι επενδύσεις τριβής των πέδιλων των φρένων κατασκευάζονται από ινώδη

αμίαντο και συνδετικές ύλες (λάστιχο, ορυκτά και φυτικά έλαια, συνθετικές ρητίνες). Οι εδράσεις (υποστηρίγματα) που παρέχουν δύο βαθμούς ελευθερίας στα πέδιλα

είναι απλές στο σχεδιασμό και επιτρέπουν στα πέδιλα να αυτοκεντράρονται σε σχέση με το τύμπανο (Σχήμα 4.12). Στην περίπτωση έδρασης των πέδιλων σε πείρους αγκυρώσεως (ένας βαθμός ελευθερίας), προβλέπεται δυνατότητα ρύθμισης της θέσης των κέντρων των πείρων για αξονικό κεντράρισμα των πέδιλων ως προς το τύμπανο. Γι' αυτό οι πείροι αγκυρώσεως 4 είναι κατασκευασμένοι έκκεντρα (Σχήμα 4.13), ή επάνω στους πείρους 7 (Σχήμα 4.14) είναι στερεωμένα ρυθμιστικά έκκεντρα φρένων. Οι πείροι αγκυρώσεως των αρθρωτών εδράσεων είναι


κατασκευασμένοι από χάλυβα ποιότητας 45 και έχουν υποστεί επαγωγική σκλήρυνση (βαφή). Οι κονσόλες τους (φορείς) είναι χυτές από μαλακό σίδηρο. Μπρούντζινα έκκεντρα προστατεύουν τις τρύπες της πλάκας έδρασης στα νεύρα των πέδιλων και προλαβαίνουν τη διαβρωτική φθορά αυτών των εξαρτημάτων.

Αρθρωτά υποστηρίγματα με επιμήκεις πείρους αγκυρώσεως, προφυλάσσουν αποτελεσματικά τα πέδιλα από πλάγιες μετατοπίσεις. Σε μερικές περιπτώσεις, στην πλάκα έδρασης 5 (Σχήμα 4.14) προβλέπονται διατάξεις 9, που πιέζουν το μεσαίο τμήμα του πέδιλου προς την πλάκα, και στο κεφάλι του εμβόλου 1, ή στις ράβδους του ρυθμιζόμενου εκτατήρα του φρένου υπάρχουν εγκοπές στις οποίες κάθονται οι νευρώσεις (προεξοχές) ώσεως των πέδιλων.

Εκτείνων μηχανισμός τύπου εμβόλου: που συνήθως ονομάζεται κύλινδρος πέδησης τροχού, διακρίνεται για τον απλό σχεδιασμό του και τη βολική διάταξή του στο φρένο. Το σώμα του κυλίνδρου είναι κατασκευασμένο από φαιό χυτοσίδηρο. Η τρύπα του είναι διαμπερής και η επιφάνειά της γυαλισμένη. Το έμβολο κατασκευάζεται από κράμα αλουμινίου. Στο έμβολο πρεσάρεται μια χαλύβδινη τάπα, σε μια εγκοπή του εμβόλου κάθεται ένα νεύρο ή η άκρη του πέδιλου.Ο ενεργός χώρος του κυλίνδρου στεγανοποιείται με ένα λαστιχένιο στεγανοποιητικό δαχτυλίδι (τσιμούχα) ή μια δακτυλιοειδή στεγανοποιητική διάταξη ενσωματωμένη στο έμβολο. Στον εκτείνοντα μηχανισμό με έκκεντρο (κάμα) (Σχήμα 4.11) η εκτείνουσα κάμα 2 είναι μονοκόμματη με τον άξονα. Μετά την κατεργασία, η επιφάνεια εργασίας της κάμας υφίσταται επαγωγική σκλήρυνση (βαφή) μαζί με το λαιμό του άξονα. Η κονσόλα 5 της εκτείνουσας κάμας είναι από μαλακό χυτοσίδηρο και είναι κοχλιωμένη ή πριτσινωμένη στην πλάκα εδράσεως (υποστήριγμα). Τα ράουλα 6 από χάλυβα ποιότητας 45 και επαγωγικά βαμμένα, είναι προσαρμοσμένα στα ενεργά άκρα των πέδιλων για αύξηση της απόδοσης του φρένου.

Ο εκτείνων μηχανισμός με σφήνα: που φαίνεται στο Σχήμα 4.12, αποτελείται από ένα σώμα χυτό από μαλακό σίδηρο και μονοκόμματο με την κονσόλα 2, τα έμβολα 6, τη σφήνα 4 και τα ράουλα 5. Τα τελευταία χρησιμεύουν για να απομακρύνουν μεταξύ τους τα έμβολα. Η δύναμη που απαιτείται για το σκοπό αυτό αναπτύσσεται με το θάλαμο φρένου 3 που είναι εξωτερικά βιδωμένος στο σώμα του μηχανισμού. Ο εκτείνων μηχανισμός με σφήνα είναι πιο περίπλοκος στο σχεδιασμό και κοστίζει πολύ περισσότερο από το μηχανισμό με κάμα. 'Εχει έναν αριθμό πλεονεκτημάτων: είναι πιο συμπτυγμένος, έχει μικρότερη μάζα και πολύ υψηλότερη απόδοση και μικρότερο χρόνο ώθησης. Οι σχηματικές παραστάσεις του Σχήματος 4.15 εξηγούν τη λειτουργία του εκτείνοντος μηχανισμού με σφήνα. Στην αρχική θέση, με το φρένο ελεύθερο (Σχήμα. 4.15α) το έμβολο 1 κάθεται στην πατούρα 2 του σώματος 3 υπό την ενέργεια του ελατηρίου επαναφοράς του πέδιλου. Την αρχική στιγμή εφαρμογής του φρένου, τα έμβολα 1 απομακρύνονται αρχικά, συγχρόνως, μέχρις ότου τα πέδιλα ακουμπήσουν στο τύμπανο. Τότε, ένα από τα έμβολα κινείται προς τα πίσω υπό την ενέργεια του πέδιλου, που παρασύρεται από το τύμπανο, αφού καθίσει στην πατούρα 2 τούτο χρησιμεύει ως έδραση για το πέδιλο. Το άλλο έμβολο ωθεί το δεύτερο πέδιλο (Σχήματα 4.15b και 4.15c).

Ο εκτείνων μηχανισμός υπολογίζεται ως ακολούθως. Πρώτα, για την προκαταρκτικά προσδιορισμένη τιμή της κινούσας δύναμης Ρ καθορίζουμε τη γωνία κορυφής της σφήνας α ~ 12° για την οποία δεν επέρχεται σφήνωση. Στη


συνέχεια,βρίσκουμε την προκαταρκτική τιμή της FW της δύναμης που εφαρμόζεται

επί της σφήνας κατά μήκος του άξονά της (Σχήμα 4.15d).

)(Ptg2F 2a

w =

Για την τιμή της FW που βρέθηκε, διαλέγουμε ένα θάλαμο πιέσεως φρένου,

γνωρίζοντας την πραγματική τιμή του μέγιστου φορτίου λειτουργίας επί της ράβδου ώσεως του.

Σχήμα 4.15. Σχηματικές διατάξεις που δείχνουν τη λειτουργία του εκτείνοντος μηχανισμού με σφήνα και σχηματική διάταξη για υπολογισμό αυτού του μηχανισμού.

a. Αρχική θέση εμβόλων b. Θέση κατά τη διάρκεια αρχικής σύγχρονης μετατόπισης

c. Θέση λειτουργίας ( φρενάρισμα ) d. Διάγραμμα για τον υπολογισμό δυνάμεων

4.4.6 Δισκόφρενα

Τα δισκόφρενα χρησιμοποιούνται γενικά στα επιβατικά αυτοκίνητα (κυρίως στους εμπρόσθιους τροχούς). Επιπλέον βρίσκουν εφαρμογή και σε μερικούς τύπους φορτηγών και λεωφορείων.

Στο σχήμα 4.16 απεικονίζεται μία σχηματική διάταξη ενός δισκόφρενου. Η ροπή πέδησης:

avT rNfi=T

όπου f είναι ο συντελεστής τριβής μεταξύ των δύο επιφανειών (επένδυσης-δίσκου),

N είναι η ολική δύναμη με την οποία πιέζεται ο δίσκος και


rav είναι η ακτίνα εφαρμογής των συνισταμένων δυνάμεων της τριβής.

Σχήμα 4.16. Σχηματική διάταξη υπολογισμού δισκόφρενου a) Σχηματική διάταξη δισκόφρενου,

b) Σχηματική διάταξη ακτινικών δυνάμεων στα έδρανα του τροχού κατά τη διάρκεια του φρεναρίσματος (Pb είναι η δύναμη φρεναρίσματος)

Η δύναμη με την οποία η επένδυση πιέζεται πάνω στο δίσκο, προσδιορίζεται από

την πίεση του υγρού φρένων p, τον αριθμό των τριβόμενων επιφανειών i και τη διάμετρο dc των φρένων των κυλίνδρων στη μια πλευρά της αρπάγης.

οπότε:

∑=

⋅π=n

1i

2c idp25.0N

Υποθέτωντας ότι η πίεση κατανέμεται ομοιόμορφα πάνω στην επιφάνεια της

επένδυσης, η τριβή ενεργεί στη μέση ακτίνα rav = ( rex + rin) /2. Όπου rex η εξωτερική ακτίνα και rin η εσωτερική.

Πλεονεκτήματα

Τα δισκόφρενα προσφέρουν αυξημένη ένταση δύναμης ανά μονάδα μάζας Προσφέρουν ομοιόμορφη και ομαλή δύναμη πέδης με οποιαδήποτε αρχική

ταχύτητα του οχήματος Οι τριβόμενές τους επιφάνειες απάγουν καλύτερα την θερμότητα (αυτό οφείλεται

στο ότι τα πέλματα του δισκόφρενου έχουν μικρό μήκος και η επιφάνεια τους καλύπτει περίπου 12-16% της επιφάνειας του δίσκου)

Συντηρούνται εύκολα Είναι ελαφριά Έχουν μικρό μέγεθος

Μειονεκτήματα Φθείρονται γρήγορα οι επενδύσεις Χρησιμοποιούνται δύσκολα ως πέδη στάθμευσης


Επειδή οι επιφάνειες τους είναι ακάλυπτες και λερώνονται εύκολα μειώνεται η ικανότητα πέδησης τους

Τα δισκόφρενα διακρίνονται σε δύο τύπους: α) Με σταθερή αρπάγη και αντίθετα τοποθετημένους κυλίνδρους (σχήμα 4.17) β) Με συρόμενη αρπάγη και κυλίνδρους τοποθετημένους στη μία πλευρά τους (Σχήμα 4.18)

Σχήμα 4.17. Δισκόφρενο αυτοκινήτου με σταθερή αρπάγη και αντίθετα τοποθετημένους κυλίνδρους

1. Δίσκος 2. Αρπάγη πέδης 3. Κύλινδρος 4. Πέδιλο 5. Πείροι συγκράτησης πέδιλου

Σχήμα 4.18. Δισκόφρενο με ολισθαίνουσα αρπάγη και κυλίνδρο τοποθετημένο στη μια πλευρά. a. Διάταξη b. Διάταξη πέδης στάθμευσης


4.6. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΕΔΗΣΗΣ ΓΙΑ ΕΠΙΒΑΤΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ & ΕΛΑΦΡΑ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ.

4.6.1. Μηχανικά συστήματα πέδησης

Σήμερα χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για το χειρόφρενο.

4.6.2. Υδραυλικά συστήματα πέδησης Αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται στα επιβατικά αυτοκίνητα και στα ελαφρά

φορτηγά. Μπορούν να είναι είτε υποβοηθούμενα συστήματα είτε μη μηχανικά. Τα υποβοηθούμενα συστήματα συνήθως έχουν έναν μηχανισμό υποβοήθησης της πέδησης με υποπίεση (σερβόφρενο). Το υγρό πέδησης μεταφέρει την δύναμη πέδησης στους μηχανισμούς φρένων των τροχών. Στις μηχανές βενζίνης, η αναρρόφηση πραγματοποιείται διαμέσου μιας σύνδεσης με τους αυλούς εισαγωγής της μηχανής και οι μηχανές Diesel χρησιμοποιούν μία αεραντλία κενού. Η υποπίεση αναρρόφησης είναι 0.5-0.9 bar. Οι αναρροφητικοί ενισχυτές πέδησης λειτουργούν χρησιμοποιώντας την αρχή των δύο θαλάμων. Στην κατάσταση απελευθέρωσης, στις άκρες και των δύο εμβόλων υπάρχει κενό. Στην πέδηση, στην άκρη του δεξιού εμβόλου παρέχεται αέρας. Αυτό δίνει πολύ γρήγορους χρόνους αντίδρασης παρά τις μικρές διαφορές πίεσης.


Τα συστήματα υποβοήθησης με υποπίεση λειτουργούν σε ξηρό περιβάλλον και

δεν μπορούν να παγώσουν. Έτσι δεν είναι απαραίτητη η χρησιμοποίηση συστήματος απόψυξης.

Μειονεκτήματα

Λόγω της χαμηλής διαφοράς μεταξύ της πίεσης λειτουργίας και της

ατμοσφαιρικής πίεσης, απαιτούνται μεγάλα εξαρτήματα υποπίεσης, συχνά με δύο έμβολα συνδεδεμένα σε σειρά. 4.6.3. Συστήματα πέδησης με υδραυλικές πηγές ενέργειας και υδραυλικά στοιχεία μετάδοσης

Αυτά τα συστήματα μπορούν να σχεδιαστούν όπως τα μη μηχανικά συστήματα ή τα υποβοηθούμενα συστήματα. Και οι δύο τύποι μπορούν να λειτουργήσουν με αποθέματα ενέργειας και το υποβοηθούμενο σύστημα μπορεί να λειτουργήσει στη βάση ενός ανοιχτοκεντρικού συστήματος με βοηθητικά αποθέματα. Στα υποβοηθούμενα συστήματα, διάφορα υγρά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές ενέργειας (υδραυλικό λάδι) και για το εξάρτημα μεταβίβασης (υγρά φρένων). Η αντλία χρησιμοποιείται επίσης ως η πηγή ενέργειας. Σε συνδυασμό με το σύστημα αντιεμπλοκής τροχών (ABS), η ηλεκτρική αντλία χρησιμοποιείται επίσης ως η πηγή ενέργειας για τον υδραυλικό ενισχυτή πέδησης. Εδώ, το υγρό φρένων χρησιμοποιείται ως το υδραυλικό υγρό για αύξηση και μεταβίβαση της δύναμης


πέδησης. Το σύστημα ελέγχου στα μη μηχανικά συστήματα πέδησης είναι μία βαλβίδα πέδησης με έμβολο αντίδρασης, ενώ υποβοηθούμενα συστήματα χρησιμοποιούν ενισχυτή πέδησης με έμβολο αντίδρασης. Το υδραυλικό υγρό είναι αποθηκευμένο σε υδραυλικούς συσσωρευτές στους οποίους συμπιέζεται αέριο (συνήθως άζωτο). Αέριο και υγρό ξεχωρίζονται με την βοήθεια ελαστικού πτερυγίου (συσσωρευτής πτερυγίου), διαφράγματος (συσσωρευτής διαφράγματος) ή εμβόλου με ελαστικό κάλυμμα (συσσωρευτής εμβόλου).

Σχήμα 4.19. Υδραυλικό σύστημα πέδησης (επιβατικό αυτοκίνητο) 1. Πεντάλ πέδησης 2. Σύστημα υποβοήθησης με υποπίεση,

3. Αντλία φρένων 4. Δοχείο πίεσης υγρού φρένων 5. Δισκόφρενα (μπροστά) 6. Ρυθμιστής δύναμης πέδησης

7. Φρένα τύπου τύμπανου (πίσω). Πλεονεκτήματα

Σε σχέση με τα συστήματα που χρησιμοποιούν ενισχυτές υποπίεσης, αυτές οι μονάδες είναι ελαφρύτερες και μικρότερες και έχουν εξαιρετικά γρήγορους χρόνους αντίδρασης γιατί το υγρό είναι ασυμπίεστο. Μειονεκτήματα

Διαρροές στο κύκλωμα προκαλούν πτώση της μέσης πίεσης.


4.6.4. Διαχωρισμός κυκλωμάτων πέδησης.

Τα φρένα διπλού κυκλώματος είναι πλέον υποχρεωτικά από το νόμο. Υπάρχουν πέντε διαφορετικές παραλλαγές διπλών κυκλωμάτων.

Πίνακας 4.1. Χαρακτηρισμός του τύπου κατανομής της δύναμης πέδησης (DIN 74 000)


4.6.5. Εξαρτήματα συστημάτων πέδησης Ενισχυτής υποβοήθησης με υποπίεση (σερβόφρενο)

Ο ενισχυτής υποπίεσης είναι ένας ενισχυτής της δύναμης του πεντάλ, ο οποίος συνδέεται με μία αντλία με εν σειρά κυλίνδρους. Ο συντελεστής ενίσχυσης είναι i όπου:

0E

AF -F

F = tana = i (Διάγραμμα 4.4.)

μπορεί να κυμαίνεται στο σχεδιασμό ανάλογα με την κατάλληλη επιλογή μοχλών

ελέγχου. Διαμέσου των μοχλών ελέγχου, μία ανάλογη βοηθητική δύναμη τοποθετείται στην κορυφή του πεντάλ δύναμης και μαζί δρούν στην αντλία με εν σειρά κυλίνδρους. Την ίδια στιγμή, μία δύναμη αντίδρασης μεταβιβάζεται στον οδηγό, η οποία τον καθιστά ικανό να ελέγχει την δύναμη πέδησης σωστά. Οι λειτουργικές αρχές εξηγούνται στο Σχήμα 4.20. Σε περίπτωση βλάβης του ενισχυτή, παραμένει μόνο η δύναμη του πεντάλ.

Σχήμα 4.20. Ενισχυτής πέδησης υποπίεσης με έλεγχο μοχλών. 1. Δύναμη εξόδου (προς σειρά κυρίως κυλίνδρων)

2. Σύνδεση αναρρόφησης 3. Δύναμη εισόδου (δύναμη πεντάλ) 4. Ατμόσφαιρα 5. Πίεση λειτουργίας


Διάγραμμα 4.4. Χαρακτηριστικά ενισχυτή πέδησης με υποπίεση (BOSCH Handbook 1996) Αντλία φρένων με κυλίνδρους εν σειρά

Η αντλία αυτή λειτουργεί είτε απ'ευθείας διαμέσου του πεντάλ, είτε εάν η δύναμη του πεντάλ δεν είναι επαρκής, διαμέσου ενός ενισχυτή δύναμης πεντάλ (π.χ. ενισχυτής υποπίεσης) Σχήμα 4.21. Αρχή Λειτουργίας

Το υγρό λειτουργίας βρίσκεται σε δίδυμο δοχείο (1) πάνω από την αντλία. Περνώντας την οπή πληρώσεως 5 το έμβολο 6 αναγκάζει το υγρό φρένων σε πίεση στο κύκλωμα πέδησης Ι. Η συμπίεση του ελατηρίου και το ανέβασμα της πίεσης στο κύκλωμα πέδησης Ι κινούν το ενδιάμεσο έμβολο 8, το οποίο καλύπτει την οπή πληρώσεως 3 και ανεβάζει την πίεση στο κύκλωμα πέδησης ΙΙ. Η πίεση πέδησης είναι ανάλογη της δύναμης πέδησης.

Η θύρα του κυκλώματος πέδησης Ι (10), η οποία εφοδιάζει τα πίσω φρένα τύπου τύμπανου, διαθέτει μία βαλβίδα (9) η οποία εξασφαλίζει μία παραμένουσα πίεση περίπου 1.5 bar στο κύκλωμα όταν τα φρένα ελευθερωθούν. Αυτό αποτρέπει την είσοδο αέρα διαμέσου των παρεμβυσμάτων στεγανοποίησης των πίσω κυλίνδρων.


Τα κυκλώματα πέδησης των δισκόφρενων δεν χρειάζονται παραμένουσα πίεση. Όταν τα φρένα αφεθούν ελεύθερα, οι οπές 3 και 5 εξασφαλίζουν ότι μπορούν να υπάρξουν θερμοκρασιακές μεταβολές αλλά και σχετικές διαρροές σε ποσότητα αλλά και πίεση μεταξύ του δοχείου αποθήκευσης υδραυλικού υγρού (1) και των κυκλωμάτων πέδησης.

Λειτουργικές αρχές σε περίπτωση βλάβης ενός από τα κυκλώματα πέδησης: Βλάβη στο κύκλωμα πέδησης Ι

Το έμβολο 6 κινείται μπροστά όσο και το ενδιάμεσο έμβολο 8 και μεταβιβάζει μηχανικά την δύναμη στο άθικτο κύκλωμα πέδησης ΙΙ, το οποίο μπορεί τώρα να παράγει ολόκληρη την πίεση πέδησης.

Σχήμα 4.21. Αντλία δίδυμων κυλίνδρων. 1. Δοχείο πίεσης υγρού δύο θαλάμων 2. Κομμάτι μηχανής

3. Οπή πληρώσεως κυκλώματος πέδησης ΙΙ 4. Ελατήριο συμπίεσης 5. Μικρή τρύπα για κύκλωμα πέδησης Ι 6. Έμβολο ώθησης

7. Μπροστινό κύκλωμα πέδησης Ι 8. Ενδιάμεσο έμβολο 9. Βαλβίδα 10. Πίσω κύκλωμα πέδησης Ι

Βλάβη στο κύκλωμα πέδησης ΙΙ

Η αντίδραση του άθικτου κυκλώματος πέδησης Ι πιέζει υδραυλικά το έμβολο ώθησης 6 που σταματά στο τέλος της διαδρομής από το κινούμενο έμβολο (μεταξύ των σημείων 4 και 5 στο σχήμα 4.21.). Πίεση πέδησης μπορεί να αναπτυχθεί μόνο στο κύκλωμα Ι.

Η βλάβη σε ένα κύκλωμα πέδησης προκαλεί μία σχετική μείωση στην αποτελεσματικότητα της πέδησης, αύξηση στη διαδρομή του πεντάλ και τέλος


διαρροή υγρού φρένων από κάποιον από τους δύο θαλάμους του δοχείου αποθήκευσης υγρού φρένων. Βαλβίδα ρύθμισης πίεσης πέδησης

Όσο πιο δυνατά φρενάρει ο οδηγός, τόσο περισσότερο παρατηρείται δυναμική μετατόπιση βάρους από τον πισινό άξονα στον μπροστινό άξονα. Όταν το όχημα είναι άδειο, η δύναμη πέδησης στον πίσω άξονα μπορεί να είναι τόσο μεγάλη ώστε οι τροχοί του πίσω άξονα να μπλοκάρουν πριν του μπροστινού. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια κατά την διάρκεια της πέδησης, π.χ. ντεραπάρισμα. Ευστάθεια κατά την διάρκεια της οδήγησης επιτυγχάνεται όταν, ανεξάρτητα από το φορτίο του οχήματος, οι τροχοί του μπροστινού άξονα μπλοκάρουν πριν τον πίσω. Η σωστή διανομή της δύναμης επιτυγχάνεται με την βοήθεια βαλβίδων ρύθμισης δύναμης πέδησης, οι οποίες τοποθετούνται στο κύκλωμα πέδησης στους τροχούς του πίσω άξονα. Ανάλογα με τον τύπο κάθε οχήματος, υπάρχουν διάφοροι τύποι βαλβίδων ρύθμισης δύναμης πέδησης:

-Βαλβίδες ρύθμισης πίεσης πέδησης με σταθερή μεταβολή της πίεσης. -Βαλβίδες ρύθμισης πίεσης πέδησης ευαίσθητες στο φορτίο με ρυθμιζόμενη μεταβολή πίεσης ανάλογα με το φορτίο του οχήματος.

Διάγραμμα 4.5. Χαρακτηριστικά βαλβίδας ρύθμισης πίεσης πέδησης ευαίσθητες στο φορτίο.

Οι βαλβίδες ρύθμισης της πίεσης πέδησης με ευαισθησία στο φορτίο,

τοποθετούνται κοντά στον πίσω άξονα. Η συμπίεση της ανάρτησης μεταξύ του άξονα και του σώματος χρησιμοποιείται για να μετρήσει το φορτίο του οχήματος και


μεταφέρεται διαμέσου μηχανικών μοχλών στο ελατήριο ελέγχου μέσα στην βαλβίδα ρύθμισης της πίεσης πέδησης.

Το ελατήριο ελέγχου δρα πάνω σ'ένα βηματικό έμβολο. Κατά την διάρκεια της

αρχικής πέδησης, το ελατήριο ελέγχου διατηρεί την έδρα της βαλβίδας στο βηματικό έμβολο ανοιχτή, μέχρις ότου η πίεση πέδησης να φτάσει κάποιο όριο στο οποίο, ανάλογα με την περιοχή δράσης του βηματικού εμβόλου, ανταποκρίνεται στη δύναμη του ελατηρίου ελέγχου.

Σχήμα 4.22. Βαλβίδα ρύθμισης πίεσης πέδησης με ευαισθησία στο φορτίο. 1. Από αντλία φρένων 2. Προς μηχανισμούς φρένων των τροχών

3. Μηχανικός μοχλός 4. Ελατήρια ελέγχου 5. Βηματικό έμβολο

4.7. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΕΔΗΣΗΣ ΓΙΑ ΕΜΠΟΡΙΚΑ ΟΧΗΜΑΤΑ 4.7.1. Επιβραδυντικά συστήματα πέδησης

Τα φρένα που χρησιμοποιούνται στα επιβατικά και εμπορικά οχήματα δεν είναι σχεδιασμένα για συνεχή λειτουργία. Όταν εφαρμοστούν για μεγάλο χρονικό διάστημα τα φρένα υπερθερμαίνονται με αποτέλεσμα να εξασθενούν. Σε εξαιρετικές περιπτώσεις, το σύστημα πέδησης μπορεί να καταστραφεί ολοκληρωτικά. Τα βαριά οχήματα ωστόσο έχουν ενσωματωμένο ένα σύστημα επιβραδυντή για συνεχή πέδηση που λειτουργεί ανεξάρτητα από το σύστημα πέδησης. Tα περισσότερα επιβραδυντικά συστήματα πέδησης που χρησιμοποιούνται σε εμπορικά οχήματα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: συστήματα στραγγαλισμού της πολλαπλής εξαγωγής και επιβραδυντές.


Φρένα με στραγγαλισμό της πολλαπλής εξαγωγής Μείωση στην διατομή της πολλαπλής εξαγωγής ή διαφοροποίηση στο χρονισμό

της βαλβίδας αυξάνει το αρνητικό έργο στο διάγραμμα πίεσης - όγκου του κινητήρα, συντελώντας στην επιβράδυνση του οχήματος.


Σχήμα 4.23. Φρένο με στραγγαλισμό της πολλαπλής εξαγωγής σε συνδυασμό με υδραυλικά ελεγχόμενα φρένα

1. Πεντάλ πέδησης 2. Στραγγαλιστική βαλβίδα 3.Μονάδα πέδησης 4. Διακόπτης 5. Δοχείο πίεσης αερόφρενου

Υδροδυναμικοί επιβραδυντές

Η μηχανική ενέργεια που παρέχεται από τον οδηγό άξονα μετατρέπεται από τον ρότορα σε κινητική ενέργεια ενός ρευστού. Η κινητική ενέργεια με την σειρά της μετατρέπεται σε θερμότητα στον στάτορα, που σημαίνει ότι το ρευστό που χρησιμοποιείται πρέπει να ψυχθεί. Ηλεκτροδυναμικοί επιβραδυντές

Οι σπείρες του ηλεκτρικού πεδίου είναι τοποθετημένες σ'ένα δίσκο που έχει την μορφή στάτορα. Οι ρότορες, που είναι ενισχυμένοι για καλύτερη αποβολή της θερμότητας, είναι τοποθετημένοι στον κινητήριο άξονα και στις δύο πλευρές του στάτορα.

Για να φρενάρει το όχημα, οι σπείρες του πεδίου τροφοδοτούνται με ρεύμα και δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Αδρανειακά ρεύματα διεγείρονται στους ρότορες καθώς αυτοί περιστρέφονται εντός του μαγνητικού πεδίου.Έτσι παράγεται στρεπτική ροπή πέδησης το μέτρο της οποίας είναι συνάρτηση της διέγερσης των σπειρών του στάτορα.


Σχήμα 4.24. Υδροδυναμικός επιβραδυντής

1. Στάτορας πέδησης 2. Οδηγός άξονας 3. Φλάντζα συναρμολόγησης 4. Ρότορας πέδησης 5. Εναλλάκτης θερμότητας (λάδι/νερό)

Διάγραμμα 4.6. Χαρακτηριστικά στρεπτικής ροπής πέδησης υδροδυναμικού επιβραδυντή


Μηχανικά συστήματα πέδησης

Εξαιρώντας τα επιβατικά οχήματα, τα μηχανικά συστήματα πέδησης χρησιμοποιούνται σήμερα μόνο σε ελαφρά εμπορικά οχήματα και ως χειρόφρενα σε ρυμουλκούμενα. Εξαιρώντας τα συστήματα πέδησης λειτουργίας των επιβατικών οχημάτων, τα περισσότερα από τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν εξάρτημα μηχανικής μεταβίβασης. Στο μηχανικό σύστημα πέδησης αν αυτό δεν έχει ενσωματωμένο αυτόματο ρυθμιστή, μια αύξηση στην διαδρομή του πεντάλ δείχνει φθορά του υλικού τριβής.

Σχήμα 4.25. Επιβραδυντής αδρανειακού ρεύματος

1. Ρότορας 2. Στάτορας 3. Συνδετήρας 4. Οδηγός άξονας

Διάγραμμα 4.7. Χαρακτηριστικά στρεπτικής ροπής πέδησης επιβραδυντή αδρανειακού ρεύματος


Υποβοηθούμενα μηχανικά συστήματα πέδησης

Αυτά τα συστήματα πέδησης χρησιμοποιούνται σε ελαφριά έως ελαφρώς βαριά φορτηγά. Σε περίπτωση βλάβης του υποβοηθητικού συστήματος λειτουργούν ως μηχανικά συστήματα απαιτώντας όμως μεγαλύτερη δύναμη στο πεντάλ. Μη μηχανικά συστήματα πέδησης

Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται σε ελαφρά φορτηγά έως και βαριά οχήματα με:

- συμπιεσμένο αέρα ως μέσο για τα εξαρτήματα παροχής ενέργειας και μεταβίβασης

Διάγραμμα 4.8. Χαρακτηριστικές καμπύλες διαφόρων

επιβραδυντών συστημάτων πέδησης

- πνευματική - υδραυλική δύναμη μεταβίβασης στο σύστημα πέδησης υπηρεσίας και πνευματική δύναμη μεταβίβασης στο χειρόφρενο

- υψηλή πίεση και με περιορισμένη πίεση - υψηλή πίεση στον τράκτορα Στην κατηγορία αυτή επίσης ανήκει και το χειρόφρενο χωρίς σύστημα μοχλών.

Αδρανειακά συστήματα πέδησης

Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται μόνο σε ελαφρά ρυμουλκούμενα οχήματα και σε δρόμους για κανονική οδήγηση. Σε πολλούς σχεδιασμούς η επίδραση πέδησης του οχήματος αυξάνεται από μία δύναμη ενός ελατηρίου,η οποία δρα όταν το όχημα ρυμουλκείται και παύει όταν το όχημα φρενάρεται. Το αδρανειακό σύστημα πέδησης σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιείται μαζί με το βαρυτικό σύστημα πέδησης.


Σύστημα πέδησης απλού κυκλώματος

Σ'αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται μία απλή γραμμή αέρα για τον ανεφοδιασμό του δοχείου πίεσης ενέργειας καθώς επίσης και για την λειτουργία των φρένων του ρυμουλκούμενου διά μέσου της ρυθμιστικής βαλβίδας πέδησης. Η πίεση στην γραμμή κατά την διάρκεια του πατήματος του πεντάλ απελευθερώνεται για φρενάρισμα. Εάν το ρυμουλκούμενο τείνει να αποσυνδεθεί από τον τράκτορα, απελευθερώνεται πίεση από την γραμμή ελέγχου. Αυτό σημαίνει ότι το ρυμουλκούμενο σε τέτοια περίπτωση φρενάρει αυτόματα.

Εάν κατά την διάρκεια της προηγούμενης διαδικασίας υπάρξει διαρροή, πέφτει η πίεση στο δοχείο πίεσης, πράγμα που μειώνει την δύναμη πέδησης. Τότε το σύστημα μπορεί αυτόματα να αλλάξει σε σύστημα φρένου στραγγαλισμού της εξαγωγής. Στο σύστημα πέδησης απλού κυκλώματος είναι επίσης αναγκαίο να επικοινωνούν τα δοχεία πίεσης του τράκτορα με του ρυμουλκούμενου, ώστε τα φρένα πέδησης λειτουργίας να απελευθερώνονται αμέσως μετά το φρενάρισμα. Συστήματα πέδησης πολλαπλής διαδρομής

Σ'αυτά τα συστήματα, η μία διαδρομή (γραμμή παροχής) συνδέει τα δοχεία

πίεσης τράκτορα και ρυμουλκούμενου - η πίεση παραμένει σταθερή -. Η δεύτερη διαδρομή (διαδρομή ελέγχου) οδηγεί από την βαλβίδα ελέγχου του τράκτορα στη βαλβίδα πέδησης του ρυμουλκούμενου. Η δράση πέδησης αρχίζει με μία αύξηση στην πίεση. Η γραμμή παροχής προυποθέτει την εφαρμογή αυτόματης πέδησης σε περίπτωση αστοχίας στη σύνδεση του ρυμουλκούμενου. Εάν η γραμμή παροχής διακοπεί ή χαλαρώσει, απελευθερώνεται αέρας, πέφτει η πίεση και η βαλβίδα πέδησης στο ρυμουλκούμενο εγγυάται το αυτόματο φρενάρισμα.

Σχήμα 4.26. Υποβοηθούμενο σύστημα πέδησης με υποπίεση διπλού κυκλώματος για ελαφρά εμπορικά οχήματα, 1. Μηχανή ανάφλεξης 2. Στραγγαλιστική βαλβίδα 3. Καρμπυρατέρ, 4. Βαλβίδα ελέγχου 5.Σωλήνας εισαγωγής 6. Μηχανικό χειρόφρενο. 7. Πεντάλ πέδησης 8. Σειρά κυρίως υδραυλικών κυλίνδρων, 9. Ενισχυτής πέδησης, 10. Μπροστινός άξονας, 11. Πίσω άξονας


Σχήμα 4.27. Αερόφρενα για φορτηγά Υποβοηθούμενο σύστημα πέδησης πεπιεσμένου αέρα διπλής διαδρομής

1. συμπιεστής, 2. ρυθμιστής πίεσης, 3. αντιψυκτική αντλία, 4. βαλβίδα προστασίας τετραπλού κυκλώματος, 5. δοχείο πίεσης αέρα,

6. σύνδεση κεφαλής με αυτόματο στοιχείο διακοπής, 7. βαλβίδα αποστραγγίσεως νερού, 8. βαλβίδα ελέγχου,

9.ενισχυτής διπλού κυκλώματος,10. βαλβίδα επιθεωρήσεως (συνήθως περιλαμβάνεται στην βαλβίδα χειρόφρενου),

11. βαλβίδα χειρόφρενου, 12. βαλβίδα ελέγχου ρυμουλκούμενου, 13. σύνδεση κεφαλής χωρίς αυτόματο στοιχείο διακοπής,

14. ελατήριο πέδησης - ενεργωτής, 15. μπροστινός άξονας, 16. αυτόματος μετρητής ευαισθησίας φορτίου - δύναμης πέδησης,

17. πίσω άξονας,18. βαλβίδα πέδησης λειτουργίας, 19. κύλινδρος πέδησης, 20.ρελέ, 21.κύλινδρος συνδυασμένης πέδησης,

22. βαλβίδα πέδησης λειτουργίας με όριο πίεσης, 23. βαλβίδα περιορισμού πίεσης,24. βαλβίδα χειρόφρενου με όριο πίεσης,

25 ενεργωτής κύλινδρος, 26 διπλός μετρητής πίεσης, 27. βαλβίδα προστασίας διπλού κυκλώματος, 28. μηχανισμός χειρόφρενου,

29.βαλβίδα πέδησης ρυμουλκούμενου.


Σχήμα 4.28. Υποβοηθούμενο σύστημα πέδησης διπλού κυκλώματος διπλής διαδρομής με πνευματικό σύστημα μεταβίβασης

Σχήμα 4.29. Υποβοηθούμενο σύστημα πέδησης διπλού κυκλώματος μονής διαδρομής


Σχήμα 4.30. Υποβοηθούμενο σύστημα πέδησης διπλού κυκλώματος διπλής διαδρομής με περιορισμό πίεσης και υδραυλικό σύστημα μεταβίβασης

Σχήμα 4.31. Σύστημα πέδησης διπλής διαδρομής για ρυμουλκούμενο όχημα


4.7.2. Μηχανισμοί αερόφρενων Σύστημα παροχής ενέργειας

Το σύστημα παροχής ενέργειας περιλαμβάνει τα εξής στοιχεία: - πηγή ενέργειας - ρυθμιστή πίεσης - κλιματισμό (ψύξη - αφύγρανση) Ένας συμπιεστής χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας, και έχει συνήθως την

μορφή εμβολοφόρου αντλίας. Ο εσωτερικός αέρας συμπιέζεται μέσω αυτόματης αναρρόφησης και βαλβίδων παραλαβής.

Το σύστημα ρύθμισης πίεσης διατηρεί το επιθυμητό επίπεδο πίεσης. Δύο βασικοί τύποι ρύθμισης χρησιμοποιούνται:

- Αυτή στην οποία ο ρυθμιστής πίεσης δεν έχει καμία επίδραση στην πηγή ενέργειας.

- Αυτή στην οποία ο ρυθμιστής πίεσης επηρεάζει την πηγή ενέργειας. Ο πρώτος από αυτούς τους δύο τύπους περιλαμβάνει έναν ρυθμιστή πίεσης ο

οποίος, όταν η επιθυμητή μέγιστη λειτουργική πίεση επιτευχθεί, κλείνει και επιστρέφει τον αέρα που παρείχθει από τον συμπιεστή στην ατμόσφαιρα. Εάν η πίεση στα αεροφυλάκια φτάσει το χαμηλότερο λειτουργικό όριο πίεσης, ο ρυθμιστής πίεσης ανοίγει ξανά και εφοδιάζει τον αέρα που παραδίδεται από τον συμπιεστή στα δοχεία πίεσης.

Σχήμα 4.32. Ρυθμιστής πίεσης 1. Από τον συμπιεστή αέρα 2. Στα αεροφυλάκιο 3. Ανακούφιση


Ο δεύτερος τύπος περιλαμβάνει έναν ρυθμιστή πίεσης ο οποίος, όταν επιτευχθεί

η επιθυμητή μέγιστη λειτουργική πίεση, εφαρμόζει πίεση σε ένα λειτουργικό έμβολο μέσα στο συμπιεστή, του οποίου ανοίγει την εσωτερική του βαλβίδα, χωρίς να έχει εφοδιαστεί στα δοχεία πίεσης αέρας (ο εσωτερικός αέρας αποβάλλεται διαμέσου του εσωτερικού σωλήνα). Όταν η πίεση στα δοχεία πίεσης αέρα φθάσει το χαμηλότερο λειτουργικό όριο, ο ρυθμιστής ανοίγει και η εσωτερική βαλβίδα μπορεί και πάλι αυτόματα να ανοίγει και να τροφοδοτεί με πεπιεσμένο αέρα τα αεροφυλάκια.

Επίπεδο πίεσης: Στα σημερινά ρυμουλκούμενα οχήματα, χρησιμοποιούνται τιμές μεταξύ 7 και 10 bar (χαμηλή πίεση) και μεταξύ 14 και 20 bar (υψηλή πίεση). Στα συστήματα πέδησης δύο διαδρομών, η πίεση στις γραμμές σύνδεσης του ρυμουλκούμενου οχήματος και του τράκτορα είναι μεταξύ 6 και 8 bar.

Ο καθαρισμός του αέρα είναι απαραίτητος για να εξασφαλίσει την άριστη λειτουργία των εξαρτημάτων του συστήματος πέδησης. Ακαθαρσίες μπορούν από την μία μεριά να επηρεάσουν την καλή λειτουργία των βαλβίδων ελέγχου και από την άλλη μεριά το νερό στο συμπιεσμένο αέρα οδηγεί σε διάβρωση, ή σχηματισμό πάγου κάτω από 00C. Καθαριστές αέρα, αντιψυκτικές αντλίες, βαλβίδες αποστραγγίσεως νερού και αποξηραντές αέρα χρησιμοποιούνται για να λύσουν αυτά τα προβλήματα. Σύστημα μεταβίβασης

Το σύστημα μεταβίβασης περιλαμβάνει τα εξής: - μόνωση του κυκλώματος (π.χ. προστατευτική βαλβίδα πολλαπλού κυκλώματος) - αποθήκευση ενέργειας (π.χ. δοχείο πίεσης αέρα) - εξαρτήματα ελέγχου (π.χ. βαλβίδες πέδησης) - μέτρηση ευαισθησίας φορτίου δύναμης πέδησης (π.χ. αυτόματος έλεγχος

ευαισθησίας φορτίου δύναμης πέδησης) - κύλινδροι πέδησης ή βοηθητικοί κύλινδροι Αυτά τα εξαρτήματα δουλεύουν μαζί όπως δείχνει το παρακάτω διάγραμμα ενός

μη μηχανικού συστήματος πέδησης λειτουργίας διπλού κυκλώματος. Σχεδιασμός και κατασκευή των εξαρτημάτων Απομόνωση κυκλώματος

Γίνεται ένας διαχωρισμός των κυκλωμάτων, με προτεραιότητα του ενός ως προς το άλλο σε περίπτωση ζημιάς σε κάποιο και διατήρηση της λειτουργικής ακεραιότητας των άθικτων κυκλωμάτων.

Η απομόνωση του κυκλώματος επιτυγχάνεται κυρίως με έναν συνδυασμό επιστομίων υπερχειλίσεως, τα οποία είναι συνδεδεμένα σαν μία μονάδα. Η λειτουργία τους είναι ασφαλής για χαμηλή αλλά και υψηλή τιμή πίεσης. Αποθήκευση ενέργειας

Περιλαμβάνει διάταξη αεροφυλακίων του απαιτούμενου όγκου αέρα ενέργειας για όλα τα κυκλώματα στο σύστημα πέδησης, συμπεριλαμβάνοντας διάταξη της ενέργειας σε περίπτωση βλάβης της πηγής παροχής. Γι'αυτό το σκοπό


χρησιμοποιούνται (εμπορικά διαθέσιμα) συγκολλημένα δοχεία πίεσης αέρα από ατσάλινα φύλλα. Εξοπλισμός ελέγχου

Αυτός ο εξοπλισμός χρησιμοποιείται για να προσφέρει τον επιθυμητό βαθμό μετρούμενης πίεσης στο τμήμα του συστήματος που απευθύνεται. Μηχανικά, υδραυλικά ή πνευματικά κινούμενες ή ελεγχόμενες βαλβίδες αντίδρασης χρησιμοποιούνται για να ελέγξουν την πίεση στην έξοδο κάθε βαλβίδας σαν συνάρτηση της μεταβλητής εισόδου. Λόγω της μεγάλης ποικιλίας των εφαρμογών, χρησιμοποιείται ένας μεγάλος αριθμός από διαφορετικά εξαρτήματα. Βαλβίδες ελέγχου δύο κυκλωμάτων απαιτούνται επίσης για συστήματα πέδησης λειτουργίας δύο κυκλωμάτων. Η κατάλληλη λειτουργία του συστήματος πέδησης απαιτεί καλή συμπεριφορά ελέγχου, καλή ικανότητα μέτρησης της πίεσης, γρήγορους χρόνους αντίδρασης και χαμηλή υστέρηση του συστήματος πέδησης.

Αυτόματη μέτρηση ευαισθησίας φορτίου - δύναμης πέδησης

Είναι ο αυτόματος έλεγχος της πίεσης σε σχέση με το φορτίο του οχήματος. Το φορτίο συχνά προσδιορίζεται με την πίεση ενός ελατηρίου (στην περίπτωση

αναρτήσεων με ημιελλειπτικά ελατήρια) καθώς και με πίεση αέρα (στην περίπτωση πνευματικών αναρτήσεων). Μία βαλβίδα ελέγχου με μεταβλητή επιφάνεια δράσης μειώνει την πίεση εξόδου στην βαλβίδα σε σχέση με την πίεση εξόδου σαν μία συνάρτηση της συμπίεσης του ελατηρίου ή της πίεσης. Κύλινδροι πέδησης ή βοηθητικοί κύλινδροι.

Χρησιμοποιούνται για να μετασχηματίσουν την εφαρμοζόμενη στο σύστημα πίεση σε δύναμη πέδησης.

Χρησιμοποιούνται κύλινδροι εμβολοφόρου αντλίας αλλά και κύλινδροι διαφράγματος. Οι κύλινδροι διαφράγματος χρησιμοποιούνται κυρίως για το σύστημα πέδησης λειτουργίας, ενώ ελατηριωτοί εκκινητές πέδησης χρησιμοποιούνται για το χειρόφρενο. Στην περίπτωση αξόνων στους οποίους γίνεται δράση και των δύο συστημάτων πέδησης (λειτουργίας και χειρόφρενο), χρησιμοποιείται συνδυασμός κυλίνδρων.απλού θαλάμου ελατηρίων πέδησης, οι οποίοι καλούνται συνδυασμός κυλίνδρων. Βαλβίδα πέδησης λειτουργίας.

Δύο κατά σειρά τοποθετημένες βαλβίδες ελέγχου ενεργοποιούνται από ένα κοινό σύστημα (με μεταβίβαση). Ο συγχρονισμός στο άνοιγμα και των δύο κυκλωμάτων επιτυγχάνεται λόγω των όμοιων δυνάμεων σφράγισης βαλβίδων και ελατηρίων.


Διάγραμμα 4.9. Σύστημα μεταβίβασης σε υποβοηθούμενο σύστημα πέδησης (δομικό διάγραμμα)

1. Παροχή ενέργειας 2. Μόνωση κυκλώματος 3. Αποθήκευση ενέργειας 4. Έλεγχος εξαρτημάτων

5. Αυτόματη μέτρηση ευαισθησίας φορτίου δύναμης πέδησης 6. Κύλινδρος πέδησης ή βοηθητικός VA μπροστινός άξονας, HA πίσω άξονας (Bosch

Hanbook 1996(

Στην κατάσταση πέδησης, το κινούμενο έμβολο μεταξύ τωνδύο κυκλωμάτων ελέγχου υποβάλλεται, στις δύο του πλευρές, με την τρέχουσα εφαρμοζόμενη πίεση πέδησης και έτσι εξασφαλίζεται συγχρονισμός των κυκλωμάτων. Το αφόρτιστο ελατήριο μετατόπισης παρέχει μικρές μετακινήσεις λόγω αντίδρασης της βαλβίδας πέδησης λειτουργίας. Η αλληλεπίδραση της δύναμης του εμβόλου αντίδρασης με το ελατήριο μετατόπισης καθιστά το σύστημα ικανό να εκτελεί τις απαραίτητες


μετατοπίσεις ελέγχου ανεξάρτητα. Το σφράγισμα του κινούμενου εμβόλου από δύο κυκλώματα πιστοποιεί την απαιτούμενη ασφάλεια. Αυτόματος μηχανισμός για τη διόρθωση της δύναμης πέδησης σαν συνάρτηση του φορτίου

Αυτό το εξάρτημα είναι συνδεδεμένο μεταξύ της βαλβίδας πέδησης λειτουργίας και των κυλίνδρων πέδησης. Ανάλογα με το φορτίο του οχήματος, το εξάρτημα αυτό κανονίζει την εφαρμοζόμενη δύναμη πέδησης. Το εξάρτημα έχει ένα διάφραγμα αντίδρασης μεταβλητής επιφάνειας δράσης. Το διάφραγμα αυτό στηρίζεται σε δύο ακτινικά τοποθετημένα και στερεωμένα στηρίγματα με κάποια κλίση. Ανάλογα με την θέση που βρίσκεται η βαλβίδα ελέγχου στην κάθετη διεύθυνση, υπάρχει μία μεγάλη περιοχή αντίδρασης (η βαλβίδα βρίσκεται στο κάτω μέρος) ή μία μικρή περιοχή αντίδρασης (η βαλβίδα βρίσκεται στην κορυφή). Οι κύλινδροι πέδησης εφοδιάζονται διαμέσου μιας συμπληρωματικής βαλβίδας ανταπόκρισης με μία πίεση η οποία είναι μικρότερη από την αντίστοιχη όταν το όχημα δεν είναι φορτωμένο, ή ίδια με αυτήν όταν είναι πλήρως φορτωμένο. Το σύστημα αυτό είναι τοποθετημένο στο πλαίσιο του αυτοκινήτου και αισθάνεται την κατάσταση πίεσης ενός άξονα με ένα σύστημα περιστροφής διαμέσου μοχλών. Η περιστρεφόμενη κάμα μετακινεί το στέλεχος της βαλβίδας ανάλογα στην κάθετη διεύθυνση και έτσι υπολογίζεται η θέση της βαλβίδας. Ο ρυθμιστής πίεσης ο οποίος είναι ενσωματωμένος στην κορυφή του εξαρτήματος επιτρέπει μία μικρή επιμέρους πίεση να διαρρεύσει στο πάνω μέρος του διαφράγματος. Έτσι, λόγω αυτής της πίεσης, δεν υπάρχει μείωση στην πίεση των κυλίνδρων πέδησης. Το αποτέλεσμα είναι η σύγχρονη εφαρμογή της πέδησης σε όλους τους άξονες του οχήματος. Εάν σπάσει ο μοχλός περιστροφής, η εφαρμοζόμενη πίεση διαρρέει στους κυλίνδρους πέδησης με ένα λόγο 2:1.

Σχήμα 4.34. Βαλβίδα πέδησης λειτουργίας 1. Eκκίνηση 2. Έμβολο αντίδρασης 3. Kύκλωμα πέδησης 1

4. Kινούμενο έμβολο 5. Kύκλωμα πέδησης 2 6. Aνακούφιση 7. Eλατήριο μετατόπισης


8. Kύκλωμα παροχής 1 9. Bαλβίδες ελέγχου 10. Kύκλωμα παροχής 2

Σχήμα 4.35. Αυτόματη βαλβίδα για διόρθωση της δύναμης πέδησης σε σχέση με το φορτίο 1. Ανακούφιση 2. Προπορεία, 3. Διάφραγμα αντίδρασης,

4. Από δοχείο πίεσης 5. Εκτόνωση 6. Από βαλβίδα πέδησης λειτουργίας 7. Βαλβίδα ελέγχου 8. Έμβολο αναμετάδοσης 9. Προς τον κύλινδρο πέδησης 10. Περιστροφική κάμα.

Σχήμα 4.36. Βαλβίδα ελέγχου ρυμουλκούμενου 1. Κύκλωμα πέδησης λειτουργίας 1 2. Κύκλωμα χειρόφρενου

3. Κύκλωμα πέδησης λειτουργίας 2 4. Έμβολο ελέγχου 5. Εκτόνωση 6. Έμβολο ελέγχου 7. Γραμμή ελέγχου προς το ρυμουλκούμενο


8. Γραμμή παροχής προς το ρυμουλκούμενο 9. Μονάδα ελέγχου εμβόλου

Βαλβίδα ελέγχου ρυμουλκούμενου

Σε συστήματα πέδησης δύο διαδρομών η βαλβίδα ελέγχου ρυμουλκούμενου η οποία είναι τοποθετημένη στον τράκτορα, ελέγχει το σύστημα πέδησης λειτουργίας του ρυμουλκούμενου. Αυτή η πολλαπλών κυκλωμάτων βαλβίδα αναμετάδοσης, ενεργοποιείται και από τα κυκλώματα του συστήματος πέδησης λειτουργίας αλλά και από το χειρόφρενο.

Σε κατάσταση οδήγησης, ο θάλαμος παροχής όπως και ο θάλαμος του κυκλώματος χειρόφρενου υπόκεινται την ίδια πίεση και η γραμμή ελέγχου του ρυμουλκούμενου εκτονώνεται διαμέσου της κεντρικής θύρας ανακούφισης. Μία αύξηση στην πίεση του εμβόλου ελέγχου του κυκλώματος πέδησης 1 (κορυφή) ή του συστήματος πέδησης 2 (κάτω μέρος) οδηγεί σε ανάλογη αύξηση της πίεσης στη γραμμή ελέγχου του ρυμουλκούμενου.

Το μεγαλύτερο έμβολο ελέγχου του συστήματος πέδησης 1 εννοείται ότι έχει προτεραιότητα έναντι του εμβόλου ελέγχου του κυκλώματος 2. Μείωση στην πίεση των κυκλωμάτων πέδησης λειτουργίας οδηγεί σε μία ίδια μείωση στην γραμμή ελέγχου του ρυμουλκούμενου.

Η εκτόνωση του κυκλώματος χειρόφρενου μεγαλώνει την πίεση στο θάλαμο προς την γραμμή ελέγχου του ρυμουλκούμενου. Η εφαρμογή του αέρα στο κύκλωμα του χειρόφρενου εκτονώνει και τη γραμμή ελέγχου του ρυμουλκούμενου.

Σχήμα 4.37. Συνδυασμένος κύλινδρος πέδησης για σφηνοειδή φρένα. 1. Γραμμή ελέγχου ελατηριωτού εκκινητή πέδησης

2. Γραμμή ελέγχου κυλίνδρου ενός θαλάμου 3. Διωστήρας πίεσης 4. Έμβολο διωστήρα 5. Ελεύθερος κοχλίας

Συνδυασμένος κύλινδρος πέδησης για σφηνοειδή φρένα.

Ο συνδυασμένος κύλινδρος πέδησης αποτελείται από έναν κύλινδρο διαφράγματος ενός θαλάμου για τα φρένα λειτουργίας και έναν ελατηριωτό εκκινητή πέδησης για το χειρόφρενο. Ο κύλινδρος και ο ελατηριωτός ενεργωτής πέδησης


συνδέονται εν σειρά και δρούν πάνω σε ένα κοινό διωστήρα πίεσης. Μπορούν να ενεργοποιηθούν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλον. Η ταυτόχρονη εκκίνηση έχει ως αποτέλεσμα την πρόσθεση των δυνάμεών τους.

Ο κεντρικός ελεύθερος κοχλίας επιτρέπει - και χωρίς πεπιεσμένο αέρα - εφελκυσμό του ελατηρίου του ελατηριωτού ενεργωτή πέδησης (Σχήμα 4.36). Αυτή είναι η θέση συναρμολόγησης όταν γίνεται η τοποθέτησή του. Μετά την τοποθέτηση, ο ελεύθερος κοχλίας βιδώνεται μέσα στον εκκινητή και το ελατήριο δρα διαμέσου του εμβόλου διωστήρα στο μηχανισμό της εκτεινόμενης σφήνας. Η εκροή συμπιεσμένου αέρα μπροστά από το έμβολο απελευθέρωσης χειρόφρενου κινεί το έμβολο ενάντια στην δύναμη του ελατηρίου, έτσι εκτείνεται το ελατήριο και απελευθερώνει το φρένο. Όταν το φρένο λειτουργίας ενεργοποιηθεί, ο συμπιεσμένος αέρας ρέει πίσω από το διάφραγμα και δρα διαμέσου του εμβόλου και του διωστήρα πίεσης στο μηχανισμό εκτεινόμενης σφήνας. Η μείωση της πίεσης οδηγεί ξανά το φρένο σε απελευθέρωση.

Συμπλήρωση αέρα γίνεται επίσης, κατά την διάρκεια της κανονικής πέδησης, όπου μέρος της πίεσης χάνεται. Αυτό εγγυάται αρκετή υπολειπόμενη διαδρομή εμβόλου σε περίπτωση δυσλειτουργίας. Το άνοιγμα και κλείσιμο της αντλίας, εάν η πίεση των αεροφυλακίων πέσει σε χαμηλό επίπεδο, πραγματοποιείται μέσω ασφαλιστικών διακοπτών πίεσης.

Σχήμα 4.38. Διάγραμμα συστήματος ABS 3 (Bosch).

1. Βαλβίδα πέδησης 2. Εξομοιωτής διαδρομής 3&4. Έμβολα κυρίως κυλίνδρου πέδησης 5. Διακόπτης διαδρομής εμβόλου

6. Έμβολο εμπλοκής 7. Διακόπτης πίεσης συσσωρευτή


8. Διακόπτης πίεσης 9. Συμπληρωματική βαλβίδα 10. Βαλβίδα ABS, (Bosch Handbook 1996).

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4

Η ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΗΣ ΠΕΔΗΣΗΣ 4.1. ΠΕΔΗΣΗ ΚΑΙ ΑΡΧΕΣ ΤΡΙΒΗΣ

Ένα από τα πλέον σημαντικά συστήματα του αυτοκινήτου είναι το σύστημα πέδησης. Η σπουδαιότητά του έγκειται στο ότι το σύστημα αυτό είναι υπεύθυνο για την επιβράδυνση του οχήματος και την ακινητοποίησή του, ελαττώνοντας βαθμιαία την κινητική του ενέργεια μετατρέποντάς την σε θερμική ή άλλης μορφής.

Η σπουδαιότητα του συστήματος φρένων είναι τόσο μεγάλη όσο και αυτή του κινητήρα, γιατί με τα δύο αυτά συστήματα μπορεί να κατευθύνεται ένα όχημα με ασφάλεια. Όσο αξιόπιστα είναι αυτά, τόσο ασφαλέστερη γίνεται η κίνηση του οχήματος, συμβάλλοντας ουσιαστικά στην αύξηση της ενεργητικής του ασφάλειας.

'Οσο μεγαλύτερη είναι η μέση ταχύτητα του αυτοκινήτου, τόσο περισσότερη προσοχή πρέπει να δίνεται στην ασφαλή κίνησή του και τόσο καλύτερες πρέπει να είναι οι ιδιότητες του συστήματος πέδησης. Κατά τη διάρκεια της πέδησης, η τριβή μετατρέπει την κινητική ενέργεια του οχήματος σε θερμότητα, που αποβάλλεται στον περιβάλλοντα αέρα. Η πέδηση προκαλεί μη ανακτήσιμες απώλειες, γιατί η ενέργεια που απορροφάται από τα φρένα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί παραπέρα. Στην περίπτωση κανονικής πέδησης (πέδησης λειτουργίας), το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας απελευθερώνεται στα φρένα (μεταξύ των επενδύσεων τριβής και των τυμπάνων) και στην περίπτωση πλήρους πέδησης (πέδησης ανάγκης), όταν οι τροχοί είναι ακινητοποιημένοι, μεταξύ των ελαστικών και του δρόμου.

Οι αρχές που περιγράφουν το φαινόμενο της πέδησης είναι αυτές της τριβής.

Σχήμα 4.1. Σύστημα πέδησης επιβατικού αυτοκινήτου Peugeot 405, διπλό κύκλωμα, δίσκοι εμπρός – πίσω.


Η πέδηση επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη τριβής στους τροχούς. Τα φρένα είναι

διατάξεις που κατά την πέδηση έρχονται σε επαφή με ορισμένο μέρος των τροχών, οι οποίοι περιστρέφονται όπου αναπτύσσεται ξηρή τριβή. Η τριβή αυτή επιβραδύνει την περιστροφή των τροχών και μια άλλη δύναμη τριβής, αυτή που αναπτύσσεται μεταξύ των τροχών και του εδάφους, ακινητοποιεί το όχημα.

Κατά το φαινόμενο της πέδησης αναπτύσσονται δύο είδη μηχανισμών τριβής. Ο πρώτος εφαρμόζεται από τον μηχανισμό των φρένων στους τροχούς και ο δεύτερος μεταξύ των ελαστικών και του δρόμου. Και εδώ πρέπει να τονιστεί ένα σημαντικό σημείο: αν κατά την διάρκεια της κίνησης εφαρμοστεί δύναμη στα φρένα, τέτοια ώστε να ακινητοποιηθούν οι τροχοί τότε αυτοί ολισθαίνουν επί του οδοστρώματος και το όχημα χάνει μεγάλο μέρος από την επιβράδυνσή του. Η εξήγηση του φαινομένου αυτού είναι η εξής: αν εφαρμοστεί δύναμη πέδησης τέτοια ώστε να ακινητοποιηθούν οι τροχοί, τότε μεταξύ των τροχών και του οδοστρώματος αναπτύσσεται τριβή ολίσθησης και η θερμότητα που αναπτύσσεται στό ίδιο σημείο του ελαστικού προκαλεί τήξη του ελαστικού με αποτέλεσμα να μειςθεί ακόμα περισσότερο η τριβή ολίσθηση.

Η τριβή γενικά εξαρτάται από τους εξής τρεις παράγοντες: α) από την δύναμη που εφαρμόζεται μεταξύ δύο επιφανειών κατά την κύλισή

τους. Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η δύναμη, τόσο μεγαλύτερη τριβή αναπτύσσεται.

β) από την τραχύτητα της επιφάνειας. Οσο μεγαλύτερη είναι η τραχύτητα μεταξύ των δύο τριβόμενων επιφανειών, τόσο

μεγαλύτερη θα είναι και η τριβή. Αυτό οφείλεται στο ότι οι τραχείες επιφάνειες έχουν περισσότερες ανωμαλίες, οι οποίες κατά την αντίθετη κίνηση των επιφανειών αυτών συγκρούονται, με αποτέλεσμα να απορροφάται ενέργεια και να εμφανίζεται τριβή.

γ) από το υλικό των επιφανειών. Κάθε υλικό, ανάλογα με την σύνθεσή του παρουσιάζει διαφορετικό συντελεστή

τριβής. Κατά το φαινόμενο της τριβής, αναπτύσσεται θερμότητα ανάμεσα στις δύο τριβόμενες επιφάνειες, η οποία συντελεί στην φθορά των δύο επιφανειών, αλλά και επηρεάζει την αποτελεσματικότητα των φρένων μετά από συνεχή χρήση.

Στα συστήματα φρένων γίνεται κατάλληλη επιλογή και των τριών αυτών παραγόντων ώστε να αποδίδουν τα καλύτερα αποτελέσματα. Μελετάμε την διάταξη ώστε οι εφαρμοζόμενες δυνάμεις να είναι αρκετές για να παρέχεται ικανοποιητική επιβράδυνση. Επίσης, λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την τριβή υπάρχει γρηγορότερη φθορά των επιφανειών. Γενικά επιδιώκεται ελεγχόμενη φθορά και εναλλαξιμότητα των υλικών τριβής. Γι'αυτό το λόγο η μία από τις δύο επιφάνειες κατασκευάζεται από μαλακότερο υλικό, ώστε να υπόκειται σε γρηγορότερη φθορά από την άλλη, για την οποία γίνεται προσπάθεια να φθείρεται βραδύτερα.

Ο πιο συνηθισμένος συνδυασμός υλικών που χρησιμοποιείται στα σύγχρονα συστήματα φρένων είναι ο χάλυβας για την επιφάνεια που περιστρέφεται (στέλεχος) και ειδικά υλικά τριβής (φερμουίτ) για τα ανταλλακτικά μέρη.

Το φερμουίτ έχει επικρατήσει για τους εξής λόγους: i) έχει υψηλή αντοχή σε κρούσεις και σε υψηλές θερμοκρασίες. ii) έχοντας αρκετά χαμηλό κόστος, επιτρέπει τη συχνή αλλαγή του