Μηχανολογία (Ε.Ε.) (Επαγγελματικό Λύκειο)
Κατεβάστε σε μορφή PDF
 3 ώρες

Σύστημα πέδησης (φρένων).

30 λεπτά

Βασικές έννοιες – λειτουργία συστήματος

Φύλλα Εργασίας

Είναι γνωστό από τη Φυσική/Μηχανική, ότι κάθε σώμα που κινείται, εμπεριέχει ένα ποσό ενέργειας (κινητική), η οποία  αποδίδεται, όταν «υποχρεωθεί» το σώμα να σταματήσει την κίνηση.

Το σύστημα πέδησης (φρένων) ενός οχήματος είναι το σύστημα που επιτρέπει στον οδηγό  να μειώνει προοδευτικά την ταχύτητα του οχήματός του, να το ακινητοποιεί σε κατάλληλο χρόνο και απόσταση όταν αυτό κινείται, ή να μην επιτρέπει αυτόματη και ανεπιθύμητη κίνησή του όταν είναι σταματημένο, ανεξάρτητα από την κλίση του δρόμου.

Η κατασκευή του συστήματος πέδησης και τα επιμέρους εξαρτήματά του, είναι σε θέση να ικανοποιούν και να επιτυγχάνουν όλους τους παραπάνω στόχους του συστήματος πέδησης.

Σε απλή περιγραφή το σύστημα πέδησης αποτελείται από ακίνητα (σταθερά) εξαρτήματα (ενεργά μέρη) και από τα κινούμενα εξαρτήματα.

ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΕΔΗΣΗΣ

Η λειτουργία του συστήματος πέδησης βασίζεται στην τριβή. Δηλαδή όταν οι επιφάνειες των σταθερών-ακίνητων εξαρτημάτων πιεστούν με δύναμη πάνω στις επιφάνειες των κινούμενων εξαρτημάτων, αναπτύσσεται ισχυρή τριβή, με αποτέλεσμα την εξουδετέρωση της κινητικής ενέργειας του οχήματος. Η κινητική ενέργεια του οχήματος δεν χάνεται, αλλά μέσω της τριβής μετατρέπεται σε θερμότητα, που απάγεται στο περιβάλλον.    

Η δύναμη που απαιτείται για την πίεση ανάμεσα στις τριβόμενες επιφάνειες, προέρχεται από τη δύναμη που ασκεί ό οδηγός μέσω του ποδιού του ή του χεριού του στο ποδομοχλό (πεντάλ) φρένων  ή το μοχλό (λεβιέ) του χειρόφρενου. Βέβαια η δύναμη του ποδιού ή του χεριού του οδηγού είναι σχετικά μικρή, παρότι υπολογίσιμη για τον οδηγό, είναι στην πραγματικότητα πολύ μικρότερη από αυτή που απαιτείται.  Για το λόγο αυτό, με τη βοήθεια μηχανισμών και εξαρτημάτων του συστήματος υποβοήθησης της  πέδησης,  υποβοηθείται (αυξάνεται) αυτή η δύναμή του. Στη συνέχεια «μεταφέρεται» με μηχανικά, υδραυλικά ή πνευματικά μέσα και εφαρμόζεται στα κινούμενα εξαρτήματα με τελικό σκοπό την μείωση της ταχύτητας του οχήματος ή τον μηδενισμό της (ακινητοποίηση), με μικρότερη προσπάθεια (δύναμη) από τον οδηγό.

Κινητική ενέργεια - ενέργεια πέδησης

Ως κινητική ενέργεια (Εκ) ορίζεται η ενέργεια που ενσωματώνει ένα σώμα λόγω κίνησης (ταχύτητα) και μπορεί να αποδοθεί σε έργο ή παραμόρφωση και είναι γνωστό από τη Φυσική, ότι ισούται με: Εκ =  ½.m •           υ2     ή   Εκ = 0,5.m. υ 2  , (1)

όπου, (m) η μάζα του σώματος που κινείται, σε kg, και (υ) η ταχύτητα του σώματος σε m/sec. Σημειώνεται ότι το βάρος (Β) του σώματος μάζας m, θα είναι:

Β = m.g, ή  m=B/g, (2)

όπου g η επιτάχυνση της βαρύτητας και ισούται με 9,81 m/sec2

Αν στη σχέση (1) αντικαταστήσουμε τη μάζα  με το ίσον της  από τη σχέση (2), προκύπτει :

Εκ = 1/2.B/g . υ 2    ή       Εκ = 0,5.B/g . υ 2   (3)

Για να ακινητοποιηθεί ένα όχημα σε μια απόσταση Sπ (απόσταση πέδησης), θα πρέπει να ασκηθεί μια δύναμη από τα φρένα Fπ (δύναμη πέδησης), που εφαρμόζεται θεωρητικά στο κέντρο βάρος του οχήματος και η οποία πρέπει να παράγει ένα Έργο πέδησης ( Επ ), ίσο και αντίθετο με την κινητική ενέργεια του οχήματος. Αυτό το έργο που απαιτείται για να ακινητοποιηθεί ένα όχημα ονομάζεται έργο πέδησης και ισούται :

 Επ = Sπ.Fπ = - ½.m •  υ2 (4)

Αν από την παραπάνω σχέση επιλύσουμε ως προς Sπ (απόσταση  πέδησης ή ακινητοποίησης) προκύπτει ότι η απόσταση ακινητοποίησης θα ισούται με :

  Sπ.Fπ = - ½.m •υ2    → Sπ= m •υ/ 2.Fπ        ή         Sπ= 0,5 . m •υ/Fπ     (5)

Από την παραπάνω σχέση για συγκεκριμένο όχημα (δηλαδή m σταθερή) και συγκεκριμένη (σταθερή) ταχύτητα, προκύπτει ότι τα μεγέθη απόσταση ακινητοποίησης (Sπ) και δύναμη πέδησης (Fπ) είναι αντιστρόφως ανάλογα. Δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη πέδησης, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση πέδησης (ακινητοποίησης).

Στην πράξη η δύναμη πέδησης εφαρμόζεται στα σημεία επαφής των ελαστικών των τροχών με το οδόστρωμα και ΔΕΝ μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την εκάστοτε δύναμη τριβής μεταξύ των ελαστικών των τροχών και του οδοστρώματος. Αν ονομαστεί Τολ η μεγαλύτερη δυνατή δύναμη τριβής σε επίπεδο (οριζόντιο) οδόστρωμα, τότε η μεγαλύτερη δύναμη πέδησης (Fπ) θα πρέπει να ισούται με τη μεγαλύτερη τριβή. Από τη φυσική γνωρίζουμε ότι η τριβή ισούται με : Τ ολ = μ. B, όπου μ είναι ο συντελεστής τριβής ολίσθησης μεταξύ ελαστικών των τροχών και οδοστρώματος και Β το βάρος του οχήματος σε Νιούτον (Ν). Από τη φυσική γνωρίζουμε ότι ο συντελεστής τριβής ολίσθησης είναι ένας καθαρός αριθμός (χωρίς μονάδες) που κυμαίνεται από 0 έως 1 και εξαρτάται κυρίως από το υλικό τριβής των τριβόμενων επιφανειών και όχι από την επιφάνεια τριβής. (Περισσότερα στο σχολικό βιβλίο Μηχανές Εσωτερικής Καύσης Ι, Κεφ 2.3, Τριβή σελ. 23-24)

Αν θεωρήσουμε ότι, η κίνηση του οχήματος, από τη στιγμή που αρχίζει να φρενάρει μέχρι την ακινητοποίηση του, είναι μια ομαλά επιβραδυνόμενη κίνηση, τότε σύμφωνα με τον 2ο νόμο του Νεύτωνα (Newton), μπορούμε να εφαρμόσουμε τη σχέση:

ΣF = m.a       ή       Fπ = m.a (6), όπου α η επιβράβευση (αρνητική επιτάχυνση) του οχήματος.  

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι το άθροισμα των δυνάμεων (αδράνειας) κατά τη πέδηση θα ισούται με τη μεγαλύτερη δύναμη τριβής, άρα με τη μεγαλύτερη επιβράδυνση που μπορεί να ασκηθεί στο όχημα. Δηλαδή

ΣFπ =  Τολ  → m.a = μ.Β (7)

→ m.a = μ.m.g  → a = μ.g   

και η μεγαλύτερη επιβράδυνση amax  προκύπτει όταν έχουμε το μεγαλύτερο συντελεστή τριβής ολίσθησης μmax , που είναι η μονάδα.( μmax = 1)

amax = μmax . g   ή  amax = 1 . g   ή  amax =  g   (8)

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Από τα παραπάνω προκύπτει ότι θεωρητικά το καλύτερο και πιο αποτελεσματικό φρενάρισμα γίνεται ό­ταν η δύναμη τριβής ολίσθησης (Τολ) εί­ναι ίση με το βάρος (Β) του οχήματος, ή ακόμη όταν ο συντελεστής τριβής ολίσθησης (μ) εί­ναι ίσος με το 1 (μmax =1), γιατί τότε η επιβράδυνση του οχήματος (a) είναι ίση με την επιτά­χυνση της βαρύτητας (g), δηλαδή a = g.

Στην πράξη συνήθως, μια μέση τιμή του συντελεστή ολίσθησης σε καλό, στεγνό οδόστρωμα και με καλά ελαστικά, λαμβάνεται με μια μέση τιμή μmax  = 0,70, ενώ για βρεγμένο οδόστρωμα και σε καλή κατάσταση ελαστικά, λαμβάνεται με μια μέση τιμή με 0,40.

Με βάση τις παραπάνω παραδοχές η μέγιστη επιβράδυνση amax  θα ισούται σε στεγνό δρόμο και καλά ελαστικά με μmax = 0,70. g → μmax = 0,70. 9,81 m/sec2 →μmax = 6.867m/sec2, δηλαδή το όχημα θα επιβραδύνει περίπου με 7 m/sec2 , που θεωρείται μια πολύ καλή πρακτικά επιβράδυνση. 

Η μέτρηση του συντελεστή τριβής ολίσθησης είναι λοιπόν ένας μέσος όρος που προκύπτει έπειτα από πολλές μετρήσεις και γενικά είναι ένας παράγοντας που λαμβάνεται κατ εκτίμηση μέσα σε ένα σχετικά μεγάλο εύρος τιμών. (π.χ για στεγνό οδόστρωμα και καλά ελαστικά από 0,60 έως 0,80)

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΣΥΝΟΛΙΚΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΠΕΔΗΣΗΣ (ΦΡΕΝΑΡΙΣΜΑΤΟΣ)

Από τη στιγμή που ακινητοποιούνται οι τροχοί, οι δυνάμεις πέδησης ισούνται με τις  δυνάμεις αδρανείας δηλαδή με τις δυνάμεις τριβής, οπότε αρχίζει η ολίσθηση του οχήματος και ο συντελεστής τριβής κύλισης γίνεται συντελεστής ολίσθησης, θεωρώντας τον για στεγνό οδόστρωμα και καλά ελαστικά ίσος με 0,70.

Η απόσταση πέδησης (ακινητοποίησης) δίνεται από τη σχέση (5)

 Sπ= 0,5 . m •υ/Fπ  και σε συνδυασμό με τη σχέση (7) ΣFπ =  Τολ  → m.a = μ.Β, έχουμε : 

Sπ= 0,5 . m •υ/μ.Β = 0,5. B/g / g.B →

Sπ = 0,5 •υ/ μmax . g , (9)

 όπου Sπ η απόσταση πέδησης σε μέτρα , υ η ταχύτητα του οχήματος σε m/sec, μmax  ο μεγαλύτερος συντελεστής ολίσθησης και λαμβάνεται ίσος με 0,70 και g η επιτάχυνση της βαρύτητας που ισούται με 9,81 m/sec2 . (ΣΥΝΟΔΕΥΤΙΚΟ ΦΥΛΛΟ ΜΕΛΕΤΗΣ 2)

Η απόσταση ακινητοποίησης πέδησης που προκύπτει από την παραπάνω σχέση (9) είναι η καθαρή απόσταση που το όχημα φρενάρει μέχρι να σταματήσει. Υπάρχει όμως και μια απόσταση που διανύει το όχημα, από τη στιγμή που οδηγός αντιληφθεί κάτι που πρέπει να φρενάρει, έως τη στιγμή που θα πατήσει το πεντάλ του φρένου δυνατά και το όχημα να αρχίσει να φρενάρει.

Η αντίδραση του οδηγού ή ο χρόνος αντίδρασης που μεσολαβεί από τη στιγμή που αρχίζει ο οδηγός να αντιλαμβάνεται κάτι που συμβαίνει μπροστά από το όχημα, μέχρι να ανταποκριθεί σε αυτό, έχει επιπτώσεις στην ασφάλεια μας και στην ασφάλεια των γύρω μας.

Από όσα παρακάτω αναλυθούν οι μαθητές θα κατανοήσουν  πόσο σημαντικό είναι να προσαρμόζουμε την ταχύτητα του οχήματος στα κυκλοφοριακά και περιβαλλοντικά δεδομένα, αλλά και ότι ο οδηγός πρέπει να έχει πάντα τεταμένη την προσοχή του στο δρόμο και πουθενά αλλού.

Τι σημαίνει όμως χρόνος αντίδρασης και πόσο εκτιμάται ότι έχει ένας μέσος οδηγός;

Ο χρόνος αντίδρασης είναι το χρονικό διάστημα που μεσολαβεί από τη στιγμή που αρχίζει ο οδηγός να αντιλαμβάνεται κάτι που συμβαίνει, μέχρι να ανταποκριθεί σε αυτό.

Ας δούμε το παρακάτω παράδειγμα:

Ένας οδηγός οδηγεί το όχημά του σε ένα δρόμο και μπροστά του εμφανίζεται κάποιο εμπόδιο που τον υποχρεώνει να φρενάρει. Η πέδηση (φρενάρισμα) αρχίζει συνήθως μετά από 1 δευτερόλεπτο περίπου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το στάδιο της αντίδρασης του κάθε ανθρώπου ακολουθεί τις παρακάτω λειτουργίες του ανθρώπινου εγκεφάλου και σώματος:

ΒΛΕΠΩ / ΑΝΤΙΛΑΜΒΑΝΟΜΑΙ

  1. Αντίληψη εμποδίου (π.χ Μια μπάλα στο δρόμο)
  2. Μετάδοση οπτικού ερεθίσματος στον εγκέφαλο.

ΣΚΕΦΤΟΜΑΙ /ΑΠΟΦΑΣΙΖΩ

  1. Ανάλυση γεγονότος και λήψη απόφασης
  2. Μετάδοση εντολής (Χρόνος αντίδρασης οδηγού)

ΕΝΕΡΓΩ / ΦΡΕΝΑΡΩ

  1. Ενέργεια (Αφήνει το πεντάλ επιτάχυνσης (γκάζι))
  2. Πέδηση (Πατά το πεντάλ φρένου)
  3. Έναρξη επιβράδυνσης (Φρενάρισμα)

Στην πραγματικότητα, ο χρόνος αντίδρασης ενός μέσου οδηγού είναι υπολογισμένος στο 1 (ένα) δευτερόλεπτο. Αν αναλογιστούμε όμως τι σημαίνει το ένα δευτερόλεπτο, θα διαπιστώσουμε ότι ο χρόνος αντίδρασης του οδηγού είναι πολύ σημαντικός για την έγκαιρη πέδηση του οχήματος και επηρεάζει σημαντικά τη συνολική απόσταση ακινητοποίησης.  ΣΥΝΟΔΕΥΤΙΚΟ ΦΥΛΛΟ ΜΕΛΕΤΗΣ 3

ΕΝΑΣ ΑΛΛΟΣ ΤΡΟΠΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΤΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΑΚΙΝΗΤΟΠΟΙΗΣΗΣ 

Μια διαφορετική πρακτική προσέγγιση του προβλήματος είναι αν μπορούμε να μετρήσουμε άμεσα την επιβράδυνση ενός συγκεκριμένου οχήματος σε καθορισμένο οδόστρωμα με ειδικό όργανο (επιβραδυνσιόμετρο) και  αφού θεωρούμε την κίνηση κατά την πέδηση μια ομαλά επιβραδυνόμενη κίνηση, εφαρμόζουμε το 2ο νόμο του Νεύτωνα και έχουμε: F = m.γ , όπου γ η μετρούμενη από το επιβραδυνσιόμετρο συγκεκριμένη επιβράδυνση συγκεκριμένου οχήματος σε συγκεκριμένο μέρος (οδόστρωμα) Δηλαδή:

F = m.γ = B/g . γ  ή    F = Β. γ/g = Β.α ,

όπου α =γ/g , είναι ένας συντελεστής που δείχνει την αποτελεσματικότητα ή το ποσοστό πέδησης ή καλύτερα την κατάσταση του συστήματος πέδησης του συγκεκριμένου οχήματος στο συγκεκριμένο οδόστρωμα. 

Εφόσον θεωρούμε ότι η κίνηση κατά την πέδηση είναι ομαλά επιβραδυνόμενη, τότε η απόσταση πέδησης δίνεται από τη σχέση Sπ = υ. t. Αν γνωρίζουμε την απόσταση πέδησης (Sπ) μπορεί να υπολογιστεί ο χρόνος πέδησης, επιλύοντας ως προς το χρόνο (t), δηλαδή  :

t = Sπ /υ (10) 

και στη συνέχεια μπορεί να υπολογιστεί η ισχύς πέδησης από τη σχέση:            

Ρπ = W / t , όπου W είναι το έργο πέδησης σε J (Τζάουλ, 1J = 1N.m) και t ο χρόνος πέδησης σε s (δευτερόλεπτα)

 

ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΠΡΟΛΗΨΗΣ (Απόκτηση σωστής συμπεριφοράς / στάσης)

  • Οι μαθητές/τριες να αποκτούν τη σωστή συμπεριφορά, κατά την οδήγηση και να λαμβάνουν τα σωστά μέτρα πρόληψης.  

 Ένας εμπειρικός κανόνας για τη σωστή απόσταση ασφαλείας είναι αν διαιρούμε τη ταχύτητα του οχήματος τη συγκεκριμένη στιγμή δια του 2. Δηλαδή

Απόσταση ασφαλείας  = Ταχύτητα οχήματος / 2

Δηλαδή αν η ταχύτητα του οχήματος είναι 50 Km/h, η απόσταση ασφαλείας πρέπει να είναι τουλάχιστον 25 m ή αν η ταχύτητα του οχήματος είναι 100 Km/h η ελάχιστη απόσταση από το προπορευόμενο όχημα πρέπει να είναι 50 m.

Για κάποιους οδηγούς όμως, είναι δύσκολο να εκτιμήσουν «με το μάτι» την απόσταση από το προπορευόμενο όχημα, αν είναι 25 m ή 50 m. Για αυτές τις περιπτώσεις, υπάρχει «ο κανόνας των 2 δευτερολέπτων», που για το μέσο οδηγό με αυξημένη προσοχή, του προσφέρει μια «σωστή» απόσταση ασφαλείας.  

Η εφαρμογή του «κανόνα των 2 δευτερολέπτων», επιτυγχάνεται ως εξής:

Τη στιγμή που το προπορευόμενο όχημα, περνά δίπλα από ένα σταθερό σημείο π.χ στύλος, δέντρο, ο οδηγός του πίσω οχήματος, προφέρει ή «λέει μέσα του», σε φυσικό ρυθμό τις λέξεις «χίλια ένα», «χίλια δύο»  και τελειώνοντας αυτές τις  λέξεις,  το όχημά του, πρέπει να διέρχεται ακριβώς μπροστά από το σταθερό σημείο (στύλος ή δένδρο) που είχε θέσει σαν «σημείο αναφοράς - σύγκρισης» με το προπορευόμενο όχημα.

 Αν το όχημα του, είναι πιο πίσω από το «σημείο αναφοράς», έχει μια επαρκή απόσταση ασφαλείας. Αν όμως έχει προσπεράσει το σημείο αναφοράς, τότε πρέπει να μειώσει ανάλογα τη ταχύτητα του οχήματος, αυξάνοντας έτσι την απόσταση από το προπορευόμενο όχημα, κρατώντας όμως «σταθερή» τη προσοχή του.     

Μια τεχνολογία που βοηθά τον οδηγό να αντιληφθεί όσο το δυνατό γρηγορότερα ότι το προπορευόμενο όχημα φρενάρει, έχει νομοθετηθεί και όλα τα αυτοκίνητα φέρουν πλέον και ένα τρίτο φως στη μέση του οχήματος στο ύψος ματιών του οδηγού, με λυχνίες LED. Δεδομένου ότι μια λυχνία LED ανάβει – λόγω κατασκευής – περίπου 0,3 s πιο γρήγορα από τις κλασικές λυχνίες (νήματος) πυρακτώσεως, μπορείτε να υπολογίσετε και το «κέρδος» σε απόσταση ακινητοποίησης.

ΣΗΜΑΝΤΙΚΕΣ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ:

α. Από έρευνα που διεξήχθη στην Ε.Ε πρόεκυψε μια αύξηση των θανάτων και σοβαροτάτων τραυματισμών σε ηλικίες  18-24, λόγω μειωμένης προσοχής του οδηγού λόγω χρήσης κινητού κατά τη οδήγηση. Δείτε τη σχετική έρευνα στον παρακάτω σύνδεσμο.

http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EL/TXT/?uri=URISERV:l24257

β. Ανατρέξτε στο ΣΥΝΟΔΕΥΤΙΚΟ ΦΥΛΛΟ ΜΕΛΕΤΗΣ 3 και συγκρίνετε πόσα «μέτρα ακινητοποίησης χάνονται», όταν ο χρόνος αντίδρασης του οδηγού αυξηθεί στα 2 s.

γ. Επισκεφθείτε τον παρακάτω σύνδεσμο για να δείτε ένα πείραμα που έκανε σε κινηματογράφο, γνωστή αυτοκινητοβιομηχανία σχετικά με τη χρήση του κινητού και την οδική ασφάλεια.

 

 

Δημιουργός Σεναρίου: ΒΛΑΣΙΟΣ ΚΟΥΤΣΟΥΚΟΣ (Εκπαιδευτικός)
Έλεγχος Σεναρίου με τα Προγράμματα Σπουδών: ΠΑΓΚΑΛΟΣ ΣΤΑΥΡΟΣ (Σχολικός Σύμβουλος)
Έλεγχος Επιστημονικής Επάρκειας Σεναρίου: ΓΟΜΑΤΟΣ ΛΕΩΝΙΔΑΣ (Συντονιστής)