Моторный тормоз

Как двигатель тормозит груженый самосвал на спуске без топлива? Меняй уклон, скорость и передачу, включай компрессионный тормоз и заслонку и смотри, сколько энергии остается рабочим тормозам.

01 Что это такое

Моторный тормоз заставляет двигатель на спуске не крутить колеса, а забирать у них энергию. Топливо при этом не подается.

Когда водитель отпускает педаль, колеса крутят двигатель, и он немного тормозит трением. Этого мало для груженого самосвала. Компрессионный тормоз (его называют Jake brake по имени фирмы Jacobs) делает хитрость: поршень сжимает воздух, тратя работу, а около верхней мертвой точки приоткрывается выпускной клапан. Сжатый воздух уходит в выпуск и не возвращает работу на ходе вниз. Двигатель становится воздушным компрессором, который крутят колеса. Проще устроен горный тормоз: заслонка закрывает выпускную трубу, и поршням трудно выталкивать газ.

Работа на сжатие потрачена, а на расширении давления уже нет: энергия спуска ушла в выпуск в виде сжатого воздуха и тепла.

P_т: Мощность моторного тормоза, кВт. Сколько энергии в секунду двигатель забирает у колес. У карьерного дизеля до 60–80 % его мощности, но только на высоких оборотах.
i_п: Передаточное число трансмиссии. Во сколько раз двигатель крутится быстрее колес. На низкой передаче оно больше, поэтому при той же скорости обороты выше.
i: Уклон дороги. Подъем в метрах на 100 м пути, в процентах. Съезды карьера обычно 8–10 %.

02 Опыт

Выбирай передачу и тормоз. Сколько достанется рабочим тормозам? САМОСВАЛ 90 Т, МЕХАНИЧЕСКАЯ КПП

ДВИГАТЕЛЬ

Удержит ли двигатель груженую машину на спуске?

Рис. 3.14

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Нужно · двигатель берет

Рабочим тормозам

Тормоза внизу спуска

03 Формулы по буквам

Сколько тормозить и какие обороты держать

Сколько мощности нужно поглотить на спуске, какие обороты дает выбранная передача и почему моторный тормоз так любит высокие обороты. Числа под формулами берутся из опыта.

Сколько мощности нужно поглотить?

P = m · g · (i − f) · v

Самосвал на спуске каждую секунду теряет высоту, и эта энергия должна куда-то уйти, иначе он разгонится. Часть съедает сопротивление качению, остальное забирают тормоза. Подробно про нагрев тормозов в теме «Тормозная система и ретардер».

P: мощность торможения, Вт (делим на 1000, получаем кВт)
m: масса самосвала с грузом, кг
g: ускорение свободного падения, 9,81 м/с²
i: уклон в долях: 8 % это 0,08
f: сопротивление качению, 0,025 на укатанной дороге
v: скорость, м/с (км/ч делим на 3,6)

Какие обороты на этой передаче?

n = v · i_п / (0,377 · r)

Колесо проходит за оборот свою длину окружности. Сколько оборотов в минуту делает колесо при скорости v, во столько раз больше i_п крутится двигатель. Число 0,377 пересчитывает км/ч и метры в обороты в минуту.

n: обороты двигателя, об/мин
v: скорость, км/ч
i_п: общее передаточное число: коробка, главная передача, бортовые редукторы
r: радиус колеса, 1,37 м у шины 27.00R49

Почему держат высокие обороты?

P_т ≈ P_т0 · (n / n₀)^1,6

За минуту двигатель делает тем больше тактов сжатия, чем выше обороты, и каждый такт на высоких оборотах еще и сильнее, потому что воздух не успевает утечь. Поэтому на спуске выбирают низкую передачу: обороты у верхней границы, но без перекрута.

P_т: мощность моторного тормоза, кВт
P_т0: мощность тормоза на номинальных оборотах, 560 кВт у компрессионного
n₀: номинальные обороты, 2100 об/мин
1,6: показатель, подобранный по типичной кривой тормоза

Откуда берется тормозная работа

Посмотри на диаграмму давления в цилиндре (как ее читать, смотри в теме «Индикаторная диаграмма дизеля»). Без тормоза поршень сжимает воздух, а потом этот воздух, как пружина, толкает его обратно. Линии сжатия и расширения почти совпадают, работы теряется мало.

С компрессионным тормозом в верхней точке клапан выпускает воздух. Давление падает почти до атмосферного, и на ходе вниз поршень ничего не получает. Площадь между линиями и есть работа, которую двигатель забрал у колес за один такт.

Для сравнения: моторный тормоз карьерного самосвала 90 т дает около 0,5–0,7 МВт. Гидравлический ретардер в коробке передач, где масло крутится между лопатками и греется, дает в 2–3 раза больше. Электрический ретардер дизель-электрического самосвала на 220 т превращает мотор-колеса в генераторы и сбрасывает 3–4 МВт в резисторы.

Петля обходится против часовой стрелки: работа отдается газу, а не берется у него. Это и есть торможение.

04 Где и зачем это применяют

Спуск в карьер на двигателе

Правило спуска
Передачу выбирают до начала спуска, а не на нем: переключиться вниз на разогнавшейся машине уже не получится. Водитель смотрит на табличку в кабине: уклон, масса, передача.
Перекрут двигателя
Если передача слишком низкая или машина разогналась, колеса раскручивают двигатель выше допустимых оборотов. Клапаны могут встретиться с поршнем. ЭБУ записывает такие события, и их разбирают на ТО.
Регулировка клапанов
Механизм компрессионного тормоза сидит на выпускных клапанах и требует своего зазора. После регулировки клапанов проверяют и его, иначе тормоз слабеет или стучит.
Скользкая дорога
На льду или мокрой глине сильный моторный тормоз на задних колесах может сорвать их в занос. Поэтому у тормоза есть ступени мощности, а в гололед его ставят на низкую ступень или выключают.
Шум
Компрессионный тормоз громко трещит выпуском. Рядом с поселками его запрещают, а на руднике это привычный звук спуска груженых машин.
Экономия тормозов
Каждый киловатт, взятый двигателем, не идет в тормозные диски. Колодки и масло в тормозах служат дольше, а запас рабочих тормозов остается на случай остановки.

Допущения модели+

Самосвал класса 90 т с механической трансмиссией: 7 передач, общие передаточные числа от 98,6 до 16,7, радиус колеса 1,37 м, КПД трансмиссии 0,88. Двигатель V12 около 900 кВт, номинал 2100 об/мин, перекрут выше 2300 об/мин. Мощность компрессионного тормоза 560 кВт на 2100 об/мин, заслонки 200 кВт, трения и насосных потерь 80 кВт; все растут со степенью оборотов. Скорость считается постоянной, остаток мощности берут рабочие тормоза с маслом: теплоемкость 1200 кДж/°C, отвод 2 кВт/°C, перед спуском 60 °C. Настоящие пределы скорости по передачам дает таблица производителя в кабине.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →