JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 3.09 5,21 Gépjárművek hidraulikus fékrendszereinek hibadiagnosztizálása modellre alapozott módszerekkel Tárgyszavak: gépjármű; hidraulikus fékrendszer; műszaki diagnosztika; modell. A gépjárművek hidraulikus fékrendszereinek hatásosságát fokozó elektronikus egységek (blokkolásgátló ABS, kipörgésgátló ASR, fékasszisztens BAS) esetleg fellépő hibáit az egységek már az indulás előtt elvégzett működésvizsgálatok során általában felismerik, jelzik a vezetőnek, és amennyiben a redundanciavizsgálatok sem a megfelelő eredményeket adják, adott esetben megszüntetik saját működésüket. A fennmaradó alaprendszer a tulajdonképpeni kétkörös hidraulikus fékrendszer továbbra is lehetővé teszi a közlekedést, azonban az ebben a rendszerben fellépő hibákat (szivárgás, gőzbuborék, légzárvány) semmi sem jelzi. A vezető az ilyen hibát nem észleli, és így az előbb vagy utóbb a fékrendszer részleges vagy teljes üzemképtelenségére vezethet. Ezt igazolják a baleseti statisztikák is, amelyek szerint az NSZK-ban 1997 és 2000 között a személyi sérüléssel járó, műszaki hiba által okozott balesetek kereken 18,4%-a fékhibával magyarázható; egy másik vizsgálat a fékhibák által okozott balesetek hányadát 36,5%-nak találta. A legtöbb hiba oka elhasználódás (porózus vagy szakadt féktömlők, törött fékcsövek, szivárgó munkahengerek) és a helytelen vagy hiányzó karbantartás (szivárgó csatlakozások, nem megfelelő légtelenítés, a fékfolyadék nagy víztartalma). A gépjárművek fékrendszereinek fejlesztésében elért eredmények az aktív biztonságot növelik, a korszerű megoldások esőben, hóban, fagyban a lehetőségek fizikai határáig segítik a biztonságos fékezést, és ez a balesetek számának csökkenésében is megnyilvánul. A műszaki hibákkal indokolható balesetek száma azonban alig változik. Ezek alapján célszerű olyan rendszer kifejlesztése, amely a gépjárműben egyébként is rendelkezésre álló jelek, mérési adatok megfelelő súlyozása és értékelése alapján a fékrendszer alapját képező hidraulikus körök kis hibáinak korai felismerését és kimutatását lehetővé teszi. A kísérleti vizsgálatokhoz fékhatásmérő padot és egy Volkswagen Golf V6 típusú személykocsi kétkörös hidraulikus fékrendszerét használták. A fék
rendszert a fékpedálra erőt kifejtő motorral, a méréseket vezérlő, az eredményeket összesítő és értékelő számítógéppel (1. ábra), továbbá a kétkörös főfékhengert és három kerékfékhengert beállítható mértékű fékfolyadékszivárgással (mérési felbontóképesség 0,008 cm 3 ) és légbuborékkal (mérési felbontóképesség 0,002 cm 3 ) terhelő elemekkel egészítették ki (2. ábra). 1. ábra A hidraulikus fékrendszer vizsgálatára alkalmazott mérőberendezés A kísérleti rendszer hidraulikus helyettesítő áramköre a 3. ábrán látható. Ennek szelepegységében csak azokat a hidraulikus ellenállásokat (szelepeket) vették figyelembe, amelyeken keresztül elektronikus (ABS, ESP) szabályozás nélküli fékezések alkalmával áramlik fékfolyadék. A hidraulikus fékrendszert koncentrált paraméterű rendszernek tekintve a fékezési dinamika elméleti analízise a hidraulikus rendszer elektromos négypólusos helyettesítő képe alapján végezhető el.
2. ábra Elrendezés hibák automatizált beillesztésére A két, egymástól teljesen csatolásmentesítettnek tekinthető fékkör kvalitatív modelljében a főfékhenger-kamrákat kapacitív potenciáltárolókként (C D és C S ), a fékezéskor a főfékhenger-kamrákban ébredő nyomásokat (P D és P S ) a vezető által vezérelhető, a potenciáltárolókkal párhuzamosan kapcsolt feszültségforrásokként modellezik. Az egyes részrendszerek bemeneti potenciálkülönbsége (fékezési nyomás) határozzák meg a négy kerékfékhengerhez irányuló ( V.. vl, V hr, V. hl, V. vr ) tömegáramokat. A hidraulikus rendszer beáramló, illetve visszacsapó szelepei a csővezetéknél lényegesen kisebb keresztmetszetűek, ezeken az áramlási iránytól függő, turbulens áramlási veszteségek jönnek létre; és így ezeknek a helyettesítő körökben diódákkal sorba kapcsolt ellenállások felelnek meg. A nyomáskülönbség (potenciálkülönbség) hatására áramló fékfolyadék gyorsulását induktív fluxustároló L i elemek, a turbulens és a lamináris áramlási veszteségeket ohmos R Li elemek modellezik. A kerékfékhengerek nemlineáris P i (V i ) jelleggörbéjének (4. ábra) a helyettesítő képben nemlineáris C i (V i ) potenciáltárolók felelnek meg, amelyek az egyes fékcsövek kapacitásán és a nyomás hatására bekövetkező tágulásán kívül a féknyergek méretváltozását, a fékbetétek és a megfelelő féktárcsák közötti légrést, továbbá a fékbetétek összenyomhatóságát is figyelembe veszik. A teljes fékrendszer nemlineáris állapottér-egyenlettel írható le. A fékberendezés négy részrendszerének ( V.. vl, V hr, V. hl, V. vr ) tömegárama és a négy kerékfékhengerben tárolt fékfolyadék-térfogat (V vl, V hr, V hl, V vr ) a nyolc x állapotjelző, a főfékhengerben mérhető két (P D és P S ) nyomás a két u
bemeneti paraméter, és a teljes fékrendszerben az alapmennyiség mellett tárolt fékfolyadék (y = V vl + V hr + V hl + V vr + C D + P D + C S + P S ) térfogata a nyolcadfokú állapottérmodell egyetlen kimeneti paramétere. 3. ábra A vizsgálórendszer fékhidraulikájának egyszerűsített helyettesítő kapcsolási vázlata 4. ábra A kerékfékhengerben fellépő nyomás nemlineáris függése a kerékfékhengerben tárolt fékfolyadék térfogatától (mérési adatok alapján azonosítva)
A teljes fékrendszer állapottér-egyenletének egyes elemei közvetlenül ugyan nem mérhetők, azonban a fékhatásmérő kísérleti berendezéssel mérhető paraméterek alkalmasak a modellparaméterek igazolására. A kísérleti berendezéssel különböző fékpedál-nyomóerőkkel mért és a modellel számított kerékfékhenger-nyomások közötti eltérés az érzékelők bizonytalanságának tartományába (~1,5%) esik, és a hidraulikus fékberendezés egyes részrendszereinek különböző dinamikája is felismerhető. A fékrendszer hibájának modellalapú felismerése a fékezéskor a két főfékhengerben kialakuló nyomás értéke, illetve a fékfolyadék számított többlettérfogata alapján viszonyító érték híján nem lehetséges. A fékrásegítő membránjának fékezés közben mért helyzetéből, a fékrásegítő membránja és a főfékhenger nyomórudas dugattyúja közötti gumi reakciótárcsa összenyomhatóságát figyelembe véve azonban számítható a fékezéskor a vezető által a főfékhengerből kiszorított fékfolyadék térfogata, amely a fékrendszerbe ténylegesen bejuttatott fékfolyadék-térfogatnak felel meg. A membrán helyzete és a vezető által a fékrendszerbe ténylegesen bejuttatott fékfolyadék-térfogat között nemlineáris összefüggés adódik. A membránhelyzet alapján számított térfogat és a két főfékhengernyomásból a modell alapján számított térfogat különbségét képezve a fékrendszer hibájára jellemző veszteségi térfogat adódik. Amennyiben ez az érték nulla, akkor a fékrendszer hibátlan, azaz a rendszerben nincs légbuborék, folyadékszivárgás sem lép fel, és a csőrendszer egyetlen elemének térfogata (sérült féktömlők dudorodása) sem változik a nyomás hatására. A rendszerben előforduló hiba mértéke a hibát jellemző veszteségi térfogat számításával meghatározható, a hiba jellegének meghatározásához azonban a számított veszteségi térfogat változásának jellege és a megfelelő hibatípus által okozott veszteségi térfogat elvi változási jellege közötti korreláció számítása szükséges. Például fékfolyadék szivárgása esetén a veszteségi térfogat a féknyomástól és ennek változásától függetlenül folytonosan nő, míg légbuborék esetén a féknyomástól függő értékre áll be. A rendszerben fellépő szivárgás diafragmával modellezhető. A szivárgási tényező, a hidraulikus nyomás és a légköri nyomás összefüggését megadó, bonyolult és ismeretlen tényezőket is tartalmazó diafragma-modellegyenletet lépésenként egyszerűsítve a veszteségi térfogat és a hidraulikus nyomás közötti összefüggés adódik. Amennyiben a veszteségi térfogat számított értéke korrelál a főfékhengerbeli nyomásváltozás abszolút értékéből vont négyzetgyök idő szerinti integráljával, akkor a fékrendszerben szivárgás lép fel. A rendszerben lévő légbuborék növekvő nyomásnál fellépő kompresszióját izotermnek tekintve, az ideális gáz állapotegyenlete alapján számítható a buborék térfogatának nyomásfüggése. Az ugyancsak nehezen kezelhető egyenletet egyszerűsítve a veszteségi térfogat és a főfékhengerbeli nyomás összefüggése adódik. Amennyiben a számított veszteségi térfogat a főfék
hengerbeli nyomás és a légköri nyomás különbségének a főfékhengerbeli nyomással elosztott értékével korrelál, akkor a rendszerben légbuborék van. A fenti egyenletek egyszerűsítése megengedhető, mivel csak a veszteségi térfogat változásának jellegét kell megismerni. A két diszkrét (mintavételezett) jelsorozat korrelációs tényezőjének számítására szolgáló, ismert összefüggést egyszerűsítve a hiba diagnosztizálásához az alábbi összefüggéseket kell számítani: P D + Patm V veszt, ~ ρ levegő ; V veszt, ~ P P D ρ szivárgás D ahol V veszt, a számított veszteségi térfogat, P D a főfékhengerbeli nyomás, P atm a légköri nyomás. A ρ levegő értéke alapján a fékrendszerbe jutott levegőre, ρ szivárgás értéke alapján a rendszer szivárgására lehet következtetni. Amennyiben a korrelációs tényező 1 vagy +1 közelébe esik, akkor ez a két jel közötti lineáris kapcsolatra utal, 0 közelébe eső érték korreláció teljes hiányát jelzi. 5. ábra A fékrendszer-hidraulika modellalapú ellenőrző rendszerének vázlata
A rendszer működése közben, az egyes fékezési műveleteknél a két korrelációs tényezőt számítva a hiba fellépése és jellege rövid időn belül meghatározható (5. ábra). Hiba észlelése esetén a hiba helyére a két főfékhengerben fellépő nyomásváltozások különbsége alapján lehet következtetni. Azonos jellegű és szimmetrikusan fellépő hibák (pl. légbuborék a két első kerékfékhengerben) esetén a hiba helyének meghatározása bizonytalanná válik. 6. ábra On-line hibafelismerés és hibadiagnosztika tetszőleges fékműködtetésnél A kísérleti rendszerben előidézett különféle hibákkal végzett mérések egyértelműen bizonyították a modell helyességét. Ezek alapján a gépkocsi két főfékhengerében fellépő nyomások és a fékrásegítő membránja helyzetének
mért értékei alapján a hidraulikus fékrendszerben fellépő kis hibák is biztonságosan felismerhetők és jelezhetők (6. ábra). E lehetőségek gyakorlati megvalósításával és alkalmazásával a fellépő fékhibák már röviddel keletkezésük után felismerhetők, jelezhetők és javíthatók, tehát a hidraulikus fékek egyébként nem mindig észlelhető hibái által okozott balesetek száma csökkenthető. (Pálinkás János) Straky, H.; Börner, M.; Isermann, R.: Fehlerdiagnose von hydraulischen Kfz-Bremssystemen mit modellbasierten Methoden. = VDI-Berichte, 2002. 1672. sz. p.147 164.