Temperatura tarczy hamulcowej może zmieniać się w ciągu kilku sekund o setki stopni. Podczas intensywnego hamowania mamy do czynienia jednocześnie z wysoką temperaturą, gwałtownymi zmianami cieplnymi, drganiami, ruchem obrotowym oraz bardzo ograniczonym czasem na wykonanie pomiaru. W takich warunkach standardowy przemysłowy czujnik temperatury często nie jest wystarczającym rozwiązaniem.

 

Do tego typu aplikacji CZAH-POMIAR produkuje specjalistyczny czujnik termoelektryczny przeznaczony do szybkiego pomiaru temperatury powierzchni płaskich i obrotowych, przede wszystkim tarcz hamulcowych.

 

Rozwiązanie zostało zaprojektowane z myślą o pomiarach temperatury sięgającej do 850°C.

Dlaczego pomiar temperatury tarczy hamulcowej jest tak wymagający? Podczas hamowania energia kinetyczna pojazdu lub maszyny jest zamieniana w ciepło. Na powierzchni tarczy powstają bardzo wysokie temperatury, które mogą zmieniać się niezwykle dynamicznie.

 

Z punktu widzenia pomiaru temperatury oznacza to konieczność rozwiązania kilku problemów jednocześnie:

• powierzchnia tarczy pozostaje w ruchu,
• temperatura może wzrastać bardzo szybko,
• czujnik musi utrzymywać odpowiedni kontakt z mierzoną powierzchnią,
• układ jest narażony na drgania i wstrząsy,
• występują wielokrotne cykle nagrzewania i chłodzenia,
• czujnik musi mieć możliwie małą bezwładność cieplną,
• jego konstrukcja musi wytrzymywać długotrwałe oddziaływanie ciepła powstającego w wyniku tarcia.

 

Dlatego w takiej aplikacji istotny jest nie tylko zakres temperatury czujnika, ale również jego konstrukcja mechaniczna oraz szybkość odpowiedzi.

 

Miniaturowa termopara typu K i bardzo krótki czas reakcji

Elementem pomiarowym jest bardzo cienka, wysoko reaktywna termopara typu K (0.5mm). Zastosowanie miniaturowej termopary pozwala ograniczyć jej bezwładność cieplną. Dzięki temu czujnik może rejestrować szybkie zmiany temperatury zachodzące podczas kolejnych cykli hamowania.

 

Ma to szczególne znaczenie podczas:

• badań nowych konstrukcji układów hamulcowych,
• testów stanowiskowych,
• prób drogowych,
• badań prototypów,
• analiz porównawczych materiałów ciernych,
• badań wykonywanych przez działy R&D,
• zastosowań motorsportowych.

 

W takich przypadkach często nie interesuje nas wyłącznie maksymalna osiągnięta temperatura.

Znacznie ważniejsze może być uzyskanie informacji: jak szybko temperatura wzrasta, kiedy osiąga maksimum oraz jak szybko tarcza oddaje ciepło po zakończeniu hamowania.

 

Ruchoma stopa pomiarowa – kluczowy element konstrukcji

Jednym z najważniejszych elementów czujnika jest całkowicie ruchoma stopa pomiarowa, na której zamontowana została miniaturowa termopara z izolacją mineralną tzw. płaszczowa. Ruchoma konstrukcja umożliwia dopasowanie położenia części pomiarowej do powierzchni tarczy. Jest to szczególnie istotne przy pomiarze elementu obracającego się, ponieważ niewłaściwe ustawienie czujnika mogłoby pogorszyć kontakt termiczny, wpłynąć na stabilność pomiaru lub doprowadzić do nadmiernego obciążenia mechanicznego części pomiarowej. Czujnik musi więc nie tylko mierzyć temperaturę. Musi również pracować mechanicznie razem z badaną powierzchnią.

 

Regulowany docisk sprężyny

Drugim charakterystycznym elementem konstrukcji jest układ sprężynowy. Docisk czujnika do powierzchni można regulować za pomocą odpowiedniego zestawu śrub i nakrętek zabezpieczających. Pozwala to dostosować siłę docisku do konkretnej aplikacji. To ważna cecha, ponieważ zbyt mały docisk może pogorszyć kontakt pomiarowy, natomiast zbyt duży może prowadzić do niepotrzebnego zużycia elementu pomiarowego oraz zwiększenia oddziaływań mechanicznych. Regulowana konstrukcja umożliwia więc znalezienie odpowiedniego kompromisu pomiędzy: kontaktem z powierzchnią – szybkością pomiaru – trwałością czujnika.

 

Prosty montaż na stanowisku badawczym

Pomimo specjalistycznej konstrukcji czujnik został zaprojektowany tak, aby jego instalacja była możliwie prosta. Po ustawieniu odpowiedniej pozycji i docisku może zostać zamocowany poprzez otwór montażowy Ø5 mm znajdujący się w korpusie czujnika. Takie rozwiązanie pozwala stosunkowo łatwo dopasować pozycję czujnika do geometrii badanego układu. Ma to duże znaczenie szczególnie w laboratoriach badawczych oraz na stanowiskach testowych, gdzie konfiguracja pomiarowa może być często zmieniana.

 

Nie tylko motoryzacja

Pierwszym skojarzeniem z pomiarem temperatury tarczy hamulcowej jest oczywiście przemysł samochodowy.

I rzeczywiście — jest to jedno z podstawowych zastosowań tego rozwiązania.

Czujnik może być wykorzystywany przez:

• producentów samochodów,
• producentów układów hamulcowych,
• producentów tarcz i klocków hamulcowych,
• dostawców komponentów OEM,
• laboratoria badawczo-rozwojowe,
• centra testowe,
• zespoły motorsportowe.

Jednak zasada działania czujnika powoduje, że zakres możliwych zastosowań jest znacznie szerszy.

 

Kolejnictwo

Układy hamulcowe pojazdów szynowych również podlegają dużym obciążeniom cieplnym.

Pomiar temperatury może być elementem badań konstrukcyjnych, homologacyjnych, trwałościowych oraz porównawczych prowadzonych dla tarcz, materiałów ciernych i całych systemów hamowania.

 

Turbiny wiatrowe

Specjalne wykonanie czujnika ze znacznie dłuższą sprężyną może być stosowane do monitorowania temperatury elementów układów hamulcowych turbin wiatrowych. Jest to dobry przykład pokazujący, że ta sama zasada pomiaru może zostać dostosowana do zupełnie innej konstrukcji mechanicznej.

 

Windy i dźwigi

Czujnik może być również wykorzystywany podczas badań bębnów i innych elementów układów hamulcowych wind, dźwigów oraz urządzeń transportu bliskiego.

Wszędzie tam problem pozostaje podobny: jak szybko i wiarygodnie zmierzyć temperaturę elementu ciernego znajdującego się w ruchu?

 

Czujnik do badań OEM, R&D i stanowisk testowych

Szczególnie interesującym obszarem zastosowania są projekty realizowane przez producentów OEM oraz działy badawczo-rozwojowe.

 

Podczas projektowania układu hamulcowego temperatura dostarcza wielu informacji o rzeczywistych warunkach jego pracy.

 

Jej analiza może wspierać m.in.:

• ocenę zachowania tarczy podczas kolejnych hamowań,
• badania rozkładu obciążeń cieplnych,
• porównywanie różnych konstrukcji tarcz,
• testowanie materiałów ciernych,
• ocenę wpływu chłodzenia,
• analizę powtarzalności kolejnych cykli hamowania,
• badania trwałości,
• walidację nowych rozwiązań konstrukcyjnych.

 

Szybka odpowiedź termopary umożliwia obserwowanie zmian temperatury praktycznie w czasie rzeczywistym, co jest szczególnie ważne podczas dynamicznych testów hamowania.

 

Konstrukcja przygotowana na trudne warunki pracy

W typowej aplikacji przemysłowej czujnik temperatury może przez wiele miesięcy pracować w stosunkowo stabilnych warunkach. W przypadku tarczy hamulcowej sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Każdy cykl hamowania oznacza kolejne:

nagrzewanie → wzrost temperatury → maksimum → chłodzenie → ponowne nagrzewanie.

Do tego dochodzą drgania, obciążenia mechaniczne oraz ciągłe oddziaływanie ciepła generowanego przez tarcie.

Dlatego konstrukcja czujnika została zaprojektowana z myślą o pracy w warunkach obejmujących:

• wysoką temperaturę,
• ekstremalne szoki termiczne,
• wibracje,
• wielokrotne cykle cieplne,
• długotrwałe oddziaływanie ciepła tarcia.

 

 

Termopara typu K – standard przemysłowy

W czujniku zastosowano termoparę typu K, należącą do najczęściej wykorzystywanych termopar przemysłowych. Sygnał termoelektryczny może być następnie doprowadzony do odpowiedniego układu akwizycji danych, rejestratora, miernika lub systemu stanowiska badawczego. Oznaczenia przewodów mogą zostać wykonane zgodnie z wymaganym przez odbiorcę systemem identyfikacji, m.in. zgodnie z europejskim systemem IEC lub stosowanym na rynku amerykańskim systemem ANSI/ASTM. Ma to szczególne znaczenie w projektach OEM oraz w przypadku urządzeń przeznaczonych na różne rynki.

 

Jeden czujnik a wiele możliwych zastosowań

Choć produkt powstał przede wszystkim z myślą o tarczach hamulcowych, w rzeczywistości reprezentuje znacznie szerszą kategorię: czujników do szybkiego, kontaktowego pomiaru temperatury ruchomych powierzchni.

 

Dlatego potencjalne zastosowanie nie musi ograniczać się wyłącznie do samochodu, pociągu czy turbiny wiatrowej.

Jeżeli w maszynie występuje:

• powierzchnia obracająca się,
• proces tarcia,
• szybkie zmiany temperatury,
• potrzeba krótkiego czasu reakcji,

podobna konstrukcja może stanowić punkt wyjścia do opracowania odpowiedniego rozwiązania pomiarowego.

 

Nie zawsze czujnik musi być produktem katalogowym

 

To również przykład jednej z charakterystycznych cech produkcji CZAH-POMIAR.

Nie każdą aplikację można rozwiązać przy pomocy standardowego czujnika Pt100 lub typowej termopary zanurzeniowej.

Czasami potrzebna jest:

• nietypowa geometria,
• miniaturowy element pomiarowy,
• specjalny sposób mocowania,
• odpowiednia długość sprężyny,
• konkretny przewód,
• inny sposób zakończenia elektrycznego,
• konstrukcja przygotowana do pracy w specyficznych warunkach mechanicznych.

W takich przypadkach czujnik temperatury przestaje być tylko elementem katalogowym.

Staje się częścią projektowanego układu pomiarowego. I właśnie takie zastosowania są szczególnie interesujące z punktu widzenia producenta czujników temperatury.

 

CZAH-POMIAR Sp. z o.o. projektuje i produkuje przemysłowe czujniki temperatury, w tym wykonania specjalne przeznaczone do nietypowych i wymagających aplikacji.

Jeżeli mają Państwo aplikację, w której standardowy czujnik temperatury nie jest wystarczający, warto skonsultować ją z naszymi inżynierami.

Czasami rozwiązaniem nie jest znalezienie odpowiedniego czujnika w katalogu.

 

Czasami trzeba go po prostu zaprojektować.