Тормозная система (рис. 50) предназначена для уменьшения скорости движения и остановки автомобиля (рабочая тормозная система). Она также позволяет удерживать автомобиль от самопроизвольного движения во время стоянки (стояночная тормозная система).
|
Рис. 50 Общая схема тормозной системы
1 - передний тормоз; 2 - педаль тормоза; 3 - вакуумный усилитель; 4 - главный цилиндр гидропривода тормозов; 5 - трубопровод контура привода передних тормозов; 6 - защитный кожух переднего тормоза; 7 - суппорт переднего тормоза; 8 - вакуумный трубопровод; 9 - бачок главного цилиндра; 10 - кнопка рычага привода стояночного тормоза; 11 - рычаг привода стояночного тормоза; 12 - тяга защелки рычага; 13 - защелка рычага; 14 - кронштейн рычага привода стояночного тормоза; 15 - возвратный рычаг; 16 - трубопровод контура привода задних тормозов; 17 - фланец наконечника оболочки троса; 18 - задний тормоз; 19 - регулятор давления задних тормозов; 20 - рычаг привода регулятора давления; 21 - колодки заднего тормоза; 22 - рычаг ручного привода колодок; 23 - тяга рычага привода регулятора давления; 24 - кронштейн крепления наконечника оболочки троса; 25 - задний трос; 26 - контргайка; 27 - регулировочная гайка; 28 - втулка; 29 - направляющая заднего троса; 30 - направляющий ролик; 31 - передний трос; 32 - упор выключателя контрольной лампы стояночного тормоза; 33 - выключатель стоп-сигнала
|
Рабочая тормозная система приводится в действие нажатием на педаль тормоза, которая располагается в салоне автомобиля. Усилие ноги водителя передается на тормозные механизмы всех четырех колес.
Стояночная тормозная система нужна не только на стоянке, она также необходима для предотвращения скатывания автомобиля назад при старте на подъем. С помощью рычага стояночного тормоза, который располагается между передних сидений автомобиля, водитель рукой может управлять тормозными механизмами задних колес.
Рабочая тормозная система состоит из:
- тормозного привода,
- тормозных механизмов колес.
Привод тормозов служит для передачи усилия ноги водителя от педали тормоза к исполнительным тормозным механизмам колес автомобиля. На современных легковых автомобилях применяется гидравлический привод тормозов, в котором используется специальная тормозная жидкость.
|
Рис. 51 Схема гидропривода тормозов
1 - тормозные цилиндры передних колес; 2 - трубопровод передних тормозов; 3 - трубопровод задних тормозов; 4 - тормозные цилиндры задних колес; 5 - бачок главного тормозного цилиндра; 6 - главный тормозной цилиндр; 7 - поршень главного тормозного цилиндра; 8 - шток; 9 - педаль тормоза
|
Привод тормозов гидравлический (рис. 51) состоит из:
- педали тормоза,
- главного тормозного цилиндра,
- рабочих тормозных цилиндров,
- тормозных трубок,
- вакуумного усилителя.
Когда нога водителя нажимает на педаль тормоза, то ее усилие, через шток передается на поршень главного тормозного цилиндра. Давление жидкости, на которую давит поршень, от главного цилиндра по трубкам передается ко всем колесным тормозным цилиндрам, заставляя выдвигаться их поршни. Ну, а они, в свою очередь, передают усилие на тормозные колодки, которые и выполняют основную работу тормозной системы.
Современный гидропривод тормозов состоит из двух независимых контуров, связывающих между собой пару колес. При отказе одного из контуров, срабатывает второй, что обеспечивает, хотя и не очень эффективное, но все-таки торможение автомобиля.
К примеру, на автомобиле «Жигули» ВАЗ 2105, один контур объединяет тормозные механизмы передних колес, а другой – задних. На автомобиле «Жигули» ВАЗ 2109, между собой связаны: переднее левое колесо с задним правым, и переднее правое с задним левым.
Для уменьшения усилия при нажатии на педаль тормоза и более эффективной работы системы, применяется вакуумный усилитель. Усилитель явно облегчает работу водителя, так как использование педали тормоза при движении в городской цикле носит постоянный характер и довольно быстро утомляет.
|
Рис. 52 Схема вакуумного усилителя
1 - главный тормозной цилиндр; 2 - корпус вакуумного усилителя; 3 - диафрагма; 4 - пружина; 5 - педаль тормоза
|
Вакуумный усилитель (рис. 52) конструктивно связан с главным тормозным цилиндром. Основным элементом усилителя является камера, разделенная резиновой перегородкой (диафрагмой) на два объема. Один объем связан с впускным трубопроводом двигателя, где создается разряжение около 0,8 кг/см2, а другой с атмосферой (1 кг/см2). Из-за перепада давлений в 0,2 кг/см2, благодаря большой площади диафрагмы, «помогающее» усилие при работе с педалью тормоза может достигать 30 - 40 кг и больше. Это значительно облегчает работу водителя при торможениях и позволяет сохранить его работоспособность длительное время.
Тормозной механизм предназначен для уменьшения скорости вращения колеса, за счет сил трения возникающих между накладками тормозных колодок и тормозным барабаном или диском.
Тормозные механизмы делятся на барабанные и дисковые. На отечественных автомобилях барабанные тормозные механизмы применяются на задних колесах, а дисковые на передних. Хотя в зависимости от модели автомобиля могут применяться только барабанные или только дисковые тормоза на всех четырех колесах.
|
Рис. 53 Схема работы барабанного тормозного механизма
1 - тормозной барабан; 2 - тормозной щит; 3 - рабочий тормозной цилиндр; 4 - поршни рабочего тормозного цилиндра; 5 - стяжная пружина; 6 - фрикционные накладки; 7 - тормозные колодки
|
Барабанный тормозной механизм (рис. 53) состоит из:
- тормозного щита,
- тормозного цилиндра,
- двух тормозных колодок,
- стяжных пружин,
- тормозного барабана.
Тормозной щит жестко крепится на балке заднего моста автомобиля, а на щите, в свою очередь, закреплен рабочий тормозной цилиндр. При нажатии на педаль тормоза поршни в цилиндре расходятся и начинают давить на верхние концы тормозных колодок. Колодки в форме полуколец прижимаются своими накладками к внутренней поверхности круглого тормозного барабана, который при движении автомобиля вращается вместе с закрепленным на нем колесом.
Торможение колеса происходит за счет сил трения, возникающих между накладками колодок и барабаном. Когда же воздействие на педаль тормоза прекращается, стяжные пружины оттягивают колодки на исходные позиции.
|
Рис. 54 Схема работы дискового тормозного механизма
1 - наружный рабочий цилиндр (левого) тормоза; 2 - поршень; 3 - соединительная трубка; 4 - тормозной диск переднего (левого) колеса; 5 - тормозные колодки с фрикционными накладками; 6 - поршень; 7 - внутренний рабочий цилиндр переднего (левого) тормоза
|
Дисковый тормозной механизм (рис.54) состоит из:
- суппорта,
- одного или двух тормозных цилиндров,
- двух тормозных колодок,
- тормозного диска.
Суппорт закреплен на поворотном кулаке переднего колеса автомобиля (см. рис. 43). В нем находятся два тормозных цилиндра и две тормозные колодки. Колодки с обеих сторон «обнимают» тормозной диск, который вращается вместе с закрепленным на нем колесом.
При нажатии на педаль тормоза поршни начинают выходить из цилиндров и прижимают тормозные колодки к диску. После того, как водитель отпустит педаль, колодки и поршни возвращаются в исходное положение за счет легкого «биения» диска. Дисковые тормоза очень эффективны и просты в обслуживании. Даже дилетанту замена тормозных колодок в этих механизмах доставляет мало хлопот.
Стояночный тормоз (рис. 50) приводится в действие поднятием рычага стояночного тормоза (в обиходе – «ручника») в верхнее положение. При этом натягиваются два металлических троса, последний из которых заставляет тормозные колодки задних колес прижаться к барабанам. И как следствие этого, автомобиль удерживается на месте в неподвижном состоянии. В поднятом состоянии, рычаг стояночного тормоза автоматически фиксируется защелкой. Это необходимо для того, чтобы не произошло самопроизвольное выключение тормоза и бесконтрольное движение автомобиля в отсутствии водителя.
Основные неисправности тормозных систем
Увеличенный ход педали или «мягкая» педаль тормоза случается из-за сильного износа накладок тормозных колодок, наличия воздуха в системе гидропривода, утечки тормозной жидкости.
Для устранения неисправности необходимо заменить тормозные колодки, устранить утечку тормозной жидкости путем замены поврежденных деталей, прокачать систему гидропривода для удаления воздуха.
Увод автомобиля в сторону (при торможении) возможен по причине выхода из строя одного из колесных тормозных цилиндров, чрезмерного износа или замасливания накладок тормозных колодок одного из колесных тормозных механизмов.
Для устранения неисправности необходимо заменить неисправный цилиндр и тормозные колодки, а загрязненные колодки следует промыть.
Шум при нажатии на педаль тормоза или вибрации возникают по причине загрязнения тормозных механизмов, чрезмерного износа накладок тормозных колодок, ослабления или поломки стяжных пружин задних тормозных колодок, неравномерного износа тормозных барабанов или дисков.
Для устранения неисправности следует промыть загрязненные колодки, а изношенные и поврежденные колодки, барабаны, диски и пружины необходимо заменить на новые.
Эксплуатация тормозной системы
Любая неисправность в тормозной системе может привести к весьма неприятным последствиям. Поэтому при эксплуатации автомобиля следует внимательно относиться к работе тормозов своего автомобиля.
Конечно, водителю легче заметить изменения в эффективности торможения своего автомобиля во время движения, сидя в салоне. Но бывает смешно и грустно, когда «водитель-наездник» «теряет» тормоза только из-за того, что вовремя не обратил внимание на постоянно уменьшающийся уровень жидкости в тормозном бачке. А ему было лень открывать капот автомобиля и рассматривать какие-то там бачки. В результате чего, уровень тормозной жидкости снизился до нуля и, при очередном нажатии на педаль тормоза, водитель уже «жал» не тормоза, а воздух. Надеюсь уговорил, и вы будете контролировать уровень тормозной жидкости. И вам будет спокойнее и нам, остальным, безопаснее.
«А куда делся уровень?» – законный вопрос с вашей стороны. К сожалению «ничто не вечно под луной» и детали тормозной системы в том числе. Со временем изнашиваются уплотнительные манжеты поршней цилиндров, от вибраций и ржавчины теряют свою герметичность трубки и шланги гидравлического привода тормозов, да и вообще любая жидкость может понемногу испаряться.
Если вы заметили подтеки на колесах или мокрые следы на сухом асфальте, совпадающие с местом расположения элементов тормозной системы, то следует отказаться от поездки и устранить неисправность. Машина без тормозов – убийца (как бы жестко это не звучало).
При работе тормозов все детали рабочих механизмов и пространство вокруг них очень сильно нагреваются. Это естественный процесс, так как торможение автомобиля есть ни что иное, как переход кинетической энергии движущейся машины в тепловую, за счет сил трения в механизмах торможения.
А что происходит с тормозной жидкостью, которая находится рядом в цилиндрах и трубках? Она заметно нагревается и может наступить момент, когда жидкость закипит. Ну, а дальше — школьная физика. Пузырьки воздуха в отличие от жидкости сжимаются, вместо того чтобы передавать давление ноги водителя от педали тормоза к исполнительным тормозным механизмам. И пока вы не сожмете весь воздух в трубках, шлангах и цилиндрах, многократно и быстро нажимая на педаль тормоза, до тех пор - тормозов у Вас не будет (известное выражение – «тормоза работают с третьего качка»)! Ну, а когда вы все-таки остановите свой автомобиль, стоит разобраться с тем, как же все это произошло и как теперь избавиться от пузырьков воздуха в системе.
Для того чтобы не случилась вышеописанная «неприятность», следует чаще использовать торможение двигателем, а на крутых и затяжных спусках - это вообще единственно разумный вариант торможения! В противном случае, приходится часто нажимать на педаль тормоза, увеличивая нагрев деталей, а к чему это может привести, вы уже знаете.
После закипания тормозной жидкости или в результате негерметичности гидравлического привода в системе появляются пузырьки воздуха. Как это определить?
Очевидные признаки наличия воздуха в гидравлическом приводе тормозов следующие:
- педаль тормоза становится «мягкой» и эффективность торможения снижается,
- при «накачивании педали» многократными и быстрыми нажатиями, она становится жестче.
А как от этого воздуха избавиться? И это не очень сложно, но вам понадобится помощник. Он «накачивает педаль», а вы спускаете порции тормозной жидкости с пузырьками воздуха поочередно из каждого рабочего колесного цилиндра. Операция проводится до полного удаления воздуха из системы, только не забывайте в процессе «прокачки» периодически доливать жидкость в тормозной бачок.
В процессе эксплуатации автомобиля могут возникнуть и другие проблемы с тормозной системой.
Внезапно педаль тормоза становится тугой и требуется значительное усилие для ее нажатия. Причин может быть несколько. Вот две из них:
- при неработающем двигателе так и должно быть, поскольку усилитель тормозов сейчас не работает – будьте осторожны при буксировке,
- при работающем двигателе так быть не должно – усилитель неисправен и требуется его ремонт.
Если стояночный тормоз не удерживает машину на подъеме, то необходима его регулировка или замена тросов, а может быть пришло время менять задние тормозные колодки. Отрегулированный ручной тормоз, при трех-четырех щелчках фиксатора рычага, должен обеспечивать удержание автомобиля на уклоне до 23%.
Многие необходимые работы по обслуживанию тормозной системе вы можете выполнять сами, но при серьезных неисправностях, лучше обратиться к специалистам. Ведь это все-таки тормоза!
Термин "тормоз" происходит от греческого "тормос", что означает отверстие для гвоздя, замедляющего вращение колеса.
Cегодня безопасность автомобиля немыслима без эффективного тормозного управления, которое в соответствии с требованиями стран - членов ЕЭС должно состоять из следующих тормозных систем (ТС):
- основная (рабочая), которая обеспечивает замедление легкового автомобиля не менее 5,8 м/с2;, движущегося со - скоростью не более 80 км/ч при усилии на педаль менее 50 кг;
- вспомогательная (аварийная), обеспечивающая замедление не менее 2,75 м/с2;
- стояночная, которая может быть совмещена с аварийной.
ОСНОВНАЯ СИСТЕМА
На современных легковых автомобилях устанавливают основные ТС, состоящие из тормозного гидропривода ("гидрожидкость") и тормозных механизмов.
При нажатии на тормозную педаль в гидроприводе основной ТС возникает избыточное давление тормозной жидкости, которое обеспечивает срабатывание "колесных" тормозных механизмов.
ТОРМОЗНОЙ ПРИВОД
В гидропривод основной ТС входят:
- главный тормозной цилиндр с вакуумным усилителем или без него;
- регулятор давления в задних тормозных механизмах;
- рабочий контур (трубопровод диаметром 4-8 мм).
Рабочий контур соединяет между собой устройства гидропривода и тормозные механизмы.
Главный тормозной цилиндр (ГТЦ) предназначен для преобразования усилия, прилагаемого к педали тормоза, в избыточное давление тормозной жидкости и распределения его по рабочим контурам.
Бачок с запасом тормозной жидкости может крепиться на ГТЦ или вне его.
Вместе с ГТЦ на большинстве автомобилей устанавливают вакуумные усилители, которые увеличивают силу, создающую давление в тормозной системе. Для этого используется разрежение, возникающее во впускном коллекторе двигателя.
Регулятор уменьшает давление в приводе тормозных механизмов задних колес. При торможении сила инерции движущегося автомобиля и противодействующая ей сила трения (точка приложения которой ниже центра тяжести автомобиля) создают продольный опрокидывающий момент. Мягкая передняя подвеска, реагируя на него, "проседает", а задние колеса "разгружаются". Поэтому даже при неэкстренном интенсивном торможении задние колеса могут блокироваться, что часто приводит к заносу автомобиля. В зависимости от изменения расстояния между элементами задней подвески и кузовом автомобиля (его продольного наклона) давление в приводе задних тормозов (по сравнению с передними) ограничивается.
В результате блокировки задних колес (в зависимости от замедления и загруженности автомобиля) не происходит или она возникает значительно позже.
Рабочий контур, согласно требованиям ЕЭС, должен делиться на основной и вспомогательный. Если вся система исправна, то работают оба, но при разгерметизации одного - другой продолжает работать, становясь вспомогательным (аварийным). Наиболее распространены три компоновки разделения рабочих контуров (рис.1):
- 2 + 2 тормозных механизма, подключенных параллельно (передние + задние);
- 2 + 2 тормозных механизма, подключенных диагонально (правый передний + левый задний и т. д.);
- 4 + 2 тормозных механизма (в один контур подключены тормозные механизмы всех колес, а в другой только два передних).
Рис. 1. Схема компоновки гидропривода:
1 - главный тормозной цилиндр с вакуумным усилителем; 2 - регулятор давления жидкости в задних тормозных механизмах; 3-4 - рабочие контуры.
Необходимо отметить, что на многих импортных машинах в тормозной привод встраивают антиблокировочные системы "колесных" тормозных механизмов, которые в обозримом будущем станут обязательным атрибутом автомобиля. В Европе уже введена в законодательном порядке установка АБС на междугородных автобусах и тяжелых грузовиках.
Конструктивно АБС представляет собой совокупность датчиков, модуляторов и блока управления.
При торможении блок управления анализирует поступающую от датчиков информацию о реальной скорости автомобиля и угловой скорости вращения колес, отслеживает работу модуляторов (исполнительных механизмов), которые регулируют давление жидкости в том или ином колесном тормозном механизме, не давая ему заблокироваться в случае экстренного торможения.
Таким образом, для любого состояния дорожного покрытия определяется режим "относительного скольжения", обеспечивающего минимальный тормозной путь, и полная блокировка колес становится невозможной при любом усилии на тормозную педаль.
ТОРМОЗНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Все автомобильные тормозные механизмы правильно называть колодочными. В свою очередь, их разделяют по названиям "пар трения": колодочно-дисковые (дисковые) и колодочно-барабанные (барабанные).
Дисковые бывают с подвижным или неподвижным суппортом. Наибольшее распространение получили механизмы с подвижным суппортом, которые конструктивно исключают неравномерный износ колодок. Еще одной особенностью тормозного механизма с подвижным суппортом является меняющееся расстояние от его внешнего габарита до колесного диска в зависимости от износа колодок (рис. 2). При установке нестандартного колеса возможно задевание его о суппорт после смены тормозных колодок. Эффект самоподвода колодок обеспечивается манжетой поршня (есть и более сложные системы подвода колодок в дисковых тормозах). По конструктивным особенностям дисковые тормоза эффективнее барабанных в расчете на единицу площади трения и работают в более высоком температурном режиме. Для лучшего отвода тепла из рабочей зоны часто используют вентилируемые диски. Увеличенная толщина вентилируемого диска позволяет разместить между поверхностями трения ребра жесткости, которые обеспечивают принудительную циркуляцию воздуха. При вращении создается центробежная сила, она заставляет поступающий воздух устремляться от центра к краям диска и нагретый воздух выбрасывается в окружающую среду, а вентилируемый диск охлаждается. Для того чтобы тормозная жидкость в цилиндре не закипела, используют пустотелые поршни, а накладки тормозных колодок делают термоизолирующими.
Рис. 2. Положение супорта: а - с изношенными колодками; б - после установки новых колодок.
Барабанные тормозные механизмы устанавливают обычно на задние колеса. В процессе работы зазор между колодкой и барабаном увеличивается. Для его устранения предназначены разного рода механические регуляторы. Износ колодок компенсируется их самоподводкой, происходящей, как правило, при резком торможении. Теплоотвод в барабанных тормозных механизмах осуществляется через термопроводные колодочные накладки, массивную металлическую основу колодки и ребра охлаждения тормозного барабана.
На легковых автомобилях возможны следующие сочетания дисковых и барабанных тормозных механизмов:
- четыре дисковых;
- два передних дисковых, два задних барабанных;
- четыре барабанных.
ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
Вспомогательная ТС начинает действовать при разгерметизации одного из рабочих контуров (вытекает тормозная жидкость). В этом случае в бачке с тормозной жидкостью, разделенном на два независимых объема, уровень понижается до критической отметки. Далее он продолжает понижаться только в объеме неисправного контура, а объем исправного сохраняет критический уровень тормозной жидкости.
СТОЯНОЧНАЯ СИСТЕМА
Стояночная тормозная система имеет механический привод, как правило, на задние колеса. Рычаг стояночного тормоза соединяется тонким тросом с задними тормозными механизмами, в которых находится устройство, приводящее в действие штатные или дополнительные (стояночные) колодки. Регулировка стояночного тормоза обычно производится эксцентриком на тормозном механизме, регулировочной гайкой на штоке приспособления, соединяющего рычаг и приводной трос, или путем изменения местоположения рычага в салоне автомобиля.
ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ТОРМОЗНЫХ СИСТЕМ
Применяйте тормозные жидкости, предусмотренные заводом-изготовителем автомобиля.
Своевременно заменяйте тормозные жидкости в ТС, так как они теряют свои свойства с течением времени, что может привести к выходу из строя тормозных механизмов.
При уменьшении уровня жидкости в бачке ГТЦ выясните причину (разгерметизация системы или износ тормозных накладок).
Закачать жидкость в ГТЦ можно, если, заполнив ею бачок, подать в заливную горловину воздух под давлением около 1,5 атм (предварительно снабдите запасную предохранительную крышку горловины штуцером под шланг обычного насоса).
Двигатель может "глохнуть" при резком торможении или неравномерно работать на холостых оборотах из-за неисправного вакуумного усилителя.
Проверить, работает ли усилитель тормозов (УТ), можно следующим образом:
- на неработающем двигателе нажмите педаль тормоза до отказа;
- заведите двигатель - педаль тормоза "продавилась" к полу ( УТ работает), педаль тормоза осталась "жесткой" (УТ не работает).
Проверку исправности АБС без специального оборудования, как правило, производят так:
- включают зажигание, не запуская двигатель (контрольная лампа горит - система исправна);
- запускают двигатель (контрольная лампа не горит - система исправна);
- проверяют автомобиль в движении, применяя аварийное торможение (контрольная лампа не горит - система исправна).
Неравномерный износ колодок в тормозном механизме с неподвижным суппортом говорит о его неисправности (заедании поршня в цилиндре).
Тщательно выбирайте тормозные колодки при покупке.
Нельзя надолго оставлять автомобиль на стояночном тормозе, особенно в сильный мороз, колодки могут примерзнуть.
Своевременно регулируйте стояночный тормоз - он выручит вас в критической ситуации.
Тормоза придумали не трусы, а очень смелые люди. Дело в том, что раньше, когда в телеги запрягали волов и других низкоскоростных «тягачей», в тормозах не было необходимости. Сами животные тянули и, когда это было необходимо, останавливали повозки. Но, когда человек начал использовать лошадь, ситуация несколько изменилась. Являясь более быстрым животным, лошадь позволяла разогнать повозку до больших скоростей и порой уже не справлялась эффективно с ее остановкой. Так появилась необходимость в тормозах. Поначалу первое, что приходило в голову, – сделать тормозной механизм на само колесо. То есть посредством ручного рычага или системы рычагов деревянная колодка прижимала колесо, подтормаживая его. Понятное дело, в сырую погоду такой способ был малоэффективен. Собственно тормозной механизм прошел серьезную эволюцию, и нет смысла описывать все ее стадии. Самый большой толчок в разработке тормозных систем наступил с появлением автомобиля. Первыми настоящими автомобильными тормозами стали барабанные, и надо сказать, что за много лет они сильно не изменились. И по сей день «барабаны» верой и правдой служат на наших машинах. Но сейчас все больше современных автомобилей комплектуются более эффективными – дисковыми тормозами.
Однако, как ни странно, дисковые тормоза отнюдь не новое изобретение. Первое упоминание о дисковом тормозе датируется началом прошлого века. В 1902 г. в Англии доктор Ф. В. Ланчестер запатентовал проект дискового тормоза. Эти тормоза устанавливались в одноименном автомобиле Lan-chester с 1906 по 1914 г. Однако по причине низкой, в сравнении с барабанными, эффективности этих первых дисковых тормозов о них на время забыли. Надо сказать, что первые автомобили имели один тормоз на заднюю ось. В качестве примера можно упомянуть легендарный Ford T. Отдельные тормоза на каждое колесо появились только в 20-х годах прошлого столетия. Дисковые же тормоза вернулись лишь во время Второй мировой войны и использовались в авиации, в конструкции посадочного шасси. В 1952 г. дисковые тормоза стали применять на спортивных автомобилях и лишь 4 года спустя – в серийных машинах. Так, в 1958 г. первые «диски» появились на серийном Citroёn DS19. В США долгое время производители устанавливали дисковые тормоза на престижные и дорогие автомобили, и только в конце 60-х такие тормоза стали появляться на автомобилях более низкого класса.
«Диски» и «барабаны»
Барабанные тормоза и сейчас часто встречаются на автомобилях. Как и дисковые, они имеют ряд достоинств и недостатков, которые зачастую определяют область их применения. «Барабаны» по-прежнему дешевле и проще в производстве. Их часто устанавливают на заднюю ось (вспомните ВАЗы), а на Западе задние дисковые тормоза до сих пор на ряде машин остаются лишь опцией. «Барабаны» имели преимущество перед ранними дисковыми тормозами еще и потому, что конструктивно обладают эффектом механического самоусиления. Благодаря тому, что нижние части колодок связаны друг с другом, трение о барабан передней колодки усиливает прижатие к нему задней колодки. Этот эффект способствует многократному увеличению тормозного усилия, передаваемого водителем, и быстро повышает тормозящее действие при усилении давления на педаль. Простота, дешевизна и низкие требования к системам управления тормозами в наш стремительный век сводятся на нет одним очень важным обстоятельством.
Поскольку, как многим должно быть известно, при торможении кинетическая энергия посредством трения тормозных колодок о барабан (или диск) преобразуется в тепловую энергию (т. е. тормоза нагреваются), необходимо эффективно это тепло рассеивать. И вот тут барабанные тормоза проигрывают дисковым, поскольку рассеивают тепло не слишком хорошо. Это происходит потому, что фрикционные накладки находятся внутри барабана. Такой серьезный недостаток приводит к целой цепи проблем. Чрезмерный нагрев может вызвать деформацию барабана. Это, в свою очередь, приводит к тому, что тормозные накладки прилегают к нему неравномерно. Все это снижает тормозящее действие (особенно при частом оттормаживании). Вот почему на скоростных машинах барабанные тормоза даже сзади уже не встретить. Применение оребренных алюминиевых или недеформируемых усиленных стандартных барабанов, использование более широких и длинных накладок позволяют несколько снизить эти проблемы, но тогда уходят все достоинства барабанных тормозов: низкая цена, простота изготовления и т. п., а результат не так уж сильно заметен.
К повальному внедрению дисковых тормозов привело увеличение скоростных возможностей автомобилей. Сначала такие тормоза заняли свое место в передних колесах, что обусловлено большими нагрузками на передней оси, возникающими при торможении. А теперь и сзади их можно встретить все чаще. Дисковые тормоза рассеивают тепло намного лучше, чем барабанные. И сам диск, и крепежная скоба для крепления тормозных механизмов, и тормозные колодки открыты для доступа воздуха. Свободный обдув тормозов практически исключает снижение тормозящего действия. Но вот «диски», как правило, не имеют эффекта самоусиления, как барабанные тормоза, что налагает повышенные требования к усилителю тормозов. В качестве «минусов» можно также упомянуть несколько более высокую стоимость производства и более быстрый износ фрикционных накладок из-за большего давления при торможении. В качестве одного из основных достоинств дисковых тормозов можно упомянуть их меньший вес в сравнении с барабанными, а это одна из главных составляющих неподрессоренных масс, борьба за снижение которых ведется производителями по всем фронтам.
Были даже не совсем обычные решения. Так, на автомобиле Jaguar E-type конструкторы переместили тормоза из задних колес к дифференциалу, и тем самым их вес вошел в состав подрессоренных масс, снизив неподрессоренные. Однако стоит сразу оговориться, что вес тормозного диска не менее важен для его качественной работы, чем диаметр и конструкция. И связано это с такими серьезными характеристиками, как теплоемкость, теплоотдача и т. п.
Но есть еще один интересный аспект влияния веса тормозов на управляемость транспортного средства. И хотя он имеет отношение больше к мототехнике, чем к автомобилям, о нем стоит упомянуть. Существует так называемый гироскопический эффект. Он заключается в том, что чем больше масса вращающегося тела, тем сложнее ее вывести из равновесия. Для мотоцикла, например, это означает следующее: более легкое переднее колесо значительно легче слушается руля, чем тяжелое, и не требует больших усилий для совершения маневра. Особенно это касается маневрирования на высоких скоростях. При больших нагрузках любое дополнительное препятствие может быстро вымотать водителя.
Sandwich
Борьба за снижение неподрессоренных масс и улучшение отвода тепла привела конструкторов к созданию так называемых вентилируемых дисков. Они представляют собой своеобразный сэндвич из двух дисков, между которыми проделаны специальные отверстия, формирующие своеобразные лопасти, наподобие турбины. Благодаря этим лопастям и каналам тепло отводится более эффективно, а вес диска снижается. Но порой этого недостаточно.
Я забыл упомянуть еще один важный аспект влияния тепла на работу тормозов. При высоких нагрузках тормозные диски могут нагреваться до очень высоких температур, и если это тепло передастся ступице – жди беды. Скорый выход из строя этого узла очень вероятен. Тут производители тормозных систем идут на различные технические ухищрения. Так, например, многие фирмы предлагают разборные тормозные диски. Они представляют собой непосредственно рабочий диск в виде бублика, скрепленный болтовым соединением со средней частью, которая уже и крепится на ступицу.
Также часто можно встретить тормозные диски с перфорацией и канавками (шлицами). Проделанные по всей рабочей плоскости диска сквозные отверстия снижают вес диска, способствуют более эффективному снижению его температуры при работе, удаляют газы, образующиеся при трении колодок о диск. Кстати, эти рабочие газы могут создавать подобие воздушной подушки и снижать эффективность тормозов. Так что их отвод крайне важен, особенно в тормозах, работающих под большой нагрузкой. Перфорация предупреждает и коробление тормозного диска. Канавки совместно с отверстиями способствуют удалению воды, грязи, пыли и пр., что снижает риск поцарапать тормозной диск. Отвод газов также в их юрисдикции. И канавки, и перфорация увеличивают дополнительную тормозную силу и уменьшают износ.
Указав все эти достоинства канавок, нельзя не сказать и о том, зачем они изначально были разработаны. Опять же, автоспорт с его повышенными нагрузками на тормоза потребовал эффективной очистки тормозных колодок. Дело в том, что при работе на больших нагрузках тормозные колодки очень быстро покрываются тонким слоем нагара – выгоревшего и отработанного фрикционного материала. Если его не снять принудительно, колодка превращается в скользкую лыжу. Канавки, шлицы практически срезают этот отработанный слой, обновляя колодку. Это позволяет поддерживать работоспособность колодок на протяжении всей гонки. Учитывая все вышесказанное, можно считать, что для обычных городских автомобилей тормозные диски со шлицами, конечно, являются предметом гордости владельца, но одновременно причиной более частой смены тормозных колодок. Водителям, которые все равно решили обзавестись такими тормозными дисками, необходимо знать еще вот что. Шлицы могут быть как направленными, так и ненаправленными. Первые требуют правильной установки (левые и правые диски) и продаются обычно парами. Ненаправленные могут быть установлены на любую сторону.
Если вернуться к «сэндвичам», то стоит упомянуть об интересной разработке австралийских инженеров. Компания DBA запатентовала передовую технологию системы вентиляции тормозного диска (австралийский патент № 742353). Назвали такие диски Kangaroo Paw, или Лапа Кенгуру. Название обусловлено не столько тем, что компания австралийская, сколько тем, что в разрезе перемычки между двумя половинками диска напоминают след кенгуру. Благодаря тому, что 144 столбика имеют особую форму и расположены в определенном порядке между двумя сторонами тормозного диска, создается эффект ротора. Вращение диска приводит к образованию аэродинамической турбулентности воздуха внутри диска, увеличивая его скорость. Это приводит к тому, что горячий воздух буквально выталкивается из внутридискового пространства, способствуя более интенсивному его охлаждению. Такая архитектура тормозного диска делает его более прочным и стабильным при общем снижении массы. Эту разработку можно по праву считать серьезным прорывом в дизайне тормозных дисков. Цена таких дисков начинается от $200 за 1 штуку. То есть комплект на передок будет стоить уже $400. Сможет ли кто-то из владельцев «Жигулей» позволить себе такую роскошь, думаю – да. Но, как удалось выяснить в московском представительстве австралийской компании, планов поставки на наш рынок таких тормозных дисков для отечественных автомобилей пока нет, только иномарки.
Еще более удивительное решение предложила американская компания Delphi. Ее инженеры модернизировали весь дисковый тормозной механизм. Предложена оригинальная идея двухдискового тормоза для передних колес автомобиля, получившего незатейливое название Twin Disk. Здесь для торможения используются не две, а три тормозные колодки. К обычной паре прибавляется средняя колодка, расположенная между двух «плавающих» дисков, не связанных друг с другом перегородками. Благодаря такой компоновке гидравлический поршень переносит свое усилие не на две плоскости тормозного диска, как обычно, а сразу на четыре. Тем самым эффективность тормозов, динамика торможения увеличивается в 1,7 раза по сравнению с обычными дисковыми тормозами. Усилие на педаль снижается практически вдвое. А кроме того, вентиляция таких дисков значительно лучше, они меньше нагреваются, а стало быть, дольше «живут». Все бы хорошо, но компания Delphi планирует начать серийное производство Twin Disk лишь в 2006 году.
Материаловедение
От конструкции к материалам. Здесь также можно встретить множество различных подходов. Наиболее часто можно встретить тормозные барабаны и диски из чугуна. Мотоциклетные тормозные диски изготавливают из нержавеющей стали, дабы защитить их от коррозии. Но чугун все же обладает лучшими фрикционными качествами. Рост скоростей и, как следствие, увеличение требований к тормозам приводят к появлению новых материалов для создания тормозных дисков.
Так, в мире автоспорта используются диски на основе углеволокна (carbon fiber composite). Такие тормоза значительно легче своих чугунных собратьев и работают очень эффективно (иначе их не стали бы использовать в спорте). Однако карбоновые тормоза работают лишь при очень высоких температурах. То, что для обычных стальных или чугунных дисков может считаться экстремально высокой температурой, для карбоновых дисков – нормальное рабочее состояние. То есть на обычных автомобилях в обычных условиях эксплуатации такие тормоза просто не будут работать – не успеют разогреться. По этой причине применение углепластиковых композитов в тормозах ограничивается болидами Формула-1 и автомобилями, участвующими в других подобных гонках. Да и цена подобных изделий не маленькая.
Российская авиакосмическая промышленность предложила миру несколько иную технологию. На ее основе созданы тормозные диски из силициума, то есть кремния (Si – silesium, кремний). Такие диски использует, в частности, Ducati на своих мотоциклах. Кремниевые тормозные диски сочетают коэффициент трения чугуна и легкость углепластика. По подобной схеме производит диски для мотоциклов компания SICOM. Их диски из композита кремний-карбид-углерод по твердости сравнимы с алмазом и способны работать при температурах до +1400 °С (температура плавления чугуна – около 1200 °С, а чистого железа – более 1500 °С). Понятно, почему такие тормозные диски практически незаменимы для авто- и мотоспорта. А если учесть, что их вес почти в 4 раза меньше обычного стального? Вот где снижение неподрессоренных масс и уменьшение гироскопического эффекта.
Колодки
Тормозные колодки – наиболее важный элемент тормозной системы. Именно от них зависит эффективность работы тормозов. Хорошие, правильные колодки будут не только долго и надежно выполнять свои функции, но и сохранят тормозной диск или барабан целым и невредимым долгие годы. Наоборот, плохие, некачественные колодки могут испортить тормозной диск, проделав в нем глубокие канавы, и т. д. При этом стоимость колодок ниже, чем у диска. Очень яркий пример поговорки «Скупой платит дважды». Тормозные колодки бывают разными. Причем речь идет не о конструкции и дизайне, а в первую очередь о материале фрикционных накладок, которые собственно и осуществляют торможение. Фрикционных смесей на сегодня существует превеликое множество. У каждой фирмы своя рецептура и свои ингредиенты. В состав смеси могут входить 15 и более различных компонентов. Их пропорции четко выдержаны. Любое изменение доли того или иного компонента может существенно изменить свойства будущих тормозных накладок, вплоть до их полной неработоспособности. Основа фрикционной смеси – армирующий компонент. Именно от него зависит прочность, термостойкость и стабильность тормозных свойств изделия. В последние годы сложились устойчивые виды фрикционных изделий, получивших свое название, именно основываясь на их армирующем компоненте. Выделяются асбестовые, безасбестовые и органические (на основе органических волокон) компоненты.
Первые, как видно из названия, в качестве армирующего элемента используют асбест. Вредность этого материала для человека уже стала притчей во языцех. Во многих руководствах по ремонту и обслуживанию автомобилей говорится, что менять асбестосодержащие тормозные колодки и даже снимать колеса (если у вас такие тормоза) необходимо предельно осторожно, заблаговременно позаботившись о защите органов дыхания и зрения. Безасбестовые представляют собой фрикционный материал, в котором роль армирующего компонента выполняют иные составляющие. Это может быть стальная вата, медная, латунная стружка, различные полимерные композиции и т. д.
Самые современные на данный момент фрикционные материалы выполняют на основе органических волокон. У таких колодок наилучшие тормозные свойства. Недаром именно они устанавливаются на современные болиды Формула-1, где нагрузки на тормоза (по меркам городских автомобилей) просто запредельные. Ведь им приходится за считанные секунды или даже доли секунды снижать скорость машины с 300 до 60 км/ч. К сожалению, как и любых высокотехнологичных и наукоемких изделий, стоимость таких колодок доступна лишь таким «денежным» видам автоспорта. Однако ряд фирм (в том числе и бывшего СССР) ведут постоянные исследования в данном направлении, дабы снизить себестоимость подобных материалов. Создаются многокомпонентные фрикционные смеси, приближающиеся по своим характеристикам к органическим, но при этом не столь дорогие. И еще раз вспомним о тепле. Колодки также должны охлаждаться, но, в отличие от дисков, они как раз должны не пропускать тепло через себя. Нагреваясь сами, они обязательно начнут греть рабочие тормозные цилиндры, а они, в свою очередь, тормозную жидкость, и если она закипит, тормоза перестанут работать, со всеми вытекающими последствиями. Вот почему столь важно обеспечить тепловой барьер между фрикционными накладками и металлической основой тормозной колодки.
ABS, BA и пр.
Говоря о тормозах, нельзя не сказать о системах, с ними связанных. ABS – первое, что вспомнит любой автомобилист, если его спросить о тормозной системе современных автомобилей. Гениальное по своей сути решение, спасающее очень много жизней и немало автомобилей. Система ABS работает по принципу пульсирующего торможения. В чем это заключается? К примеру, при проезде по заснеженному участку дороги неожиданное препятствие вынуждает водителя затормозить. Дорога скользкая, и обычно при резком оттормаживании на таком покрытии колеса, не имея надежного сцепления, блокируются тормозными колодками и превращаются в лыжи. ABS не позволяет этому случиться. Специальные датчики, расположенные в каждом колесе, постоянно следят за тем, вращается колесо или нет. Если при торможении одно или несколько колес вдруг полностью перестают вращаться, система автоматически приотпускает тормозные колодки, колесо проворачивается и вновь подтормаживается. Такая пульсирующая подача тормозного усилия исключает блокировку колес. Следовательно, автомобиль не испытывает заносов и становится более управляемым.
Другая система – BA – Brake Assist, или Помощник Тормозов. Эта система позволяет в нужное время, при экстренном торможении как бы повысить усилие, прикладываемое водителем на педаль тормоза, увеличив давление тормозной жидкости, подаваемое на рабочие тормозные цилиндры суппортов. Тем самым увеличивается прижимная сила колодок к диску, и торможение становится более эффективным.
Будущее
О будущем тормозов нет смысла много распространяться. О каких тормозах может идти речь? Ведь если верить голливудским режиссерам, автомобили в будущем будут летать по воздуху. А вот в ближайшие несколько лет может появиться несколько интересных идей и инноваций. Так, например, производители могут вновь рассмотреть вариант установки тормозных дисков непосредственно на обод колеса. Такой проект уже имел место в 1963 г. на автомобиле компании Porsche. На мой взгляд, наибольший эффект от этого могут получить конструкторы мототехники.
А вот автомобильный мир, вероятно, ждет переход на рекуперативное торможение. Всеобщее увлечение автопроизводителей топливными ячейками все больше приближает тот день, когда на наших дорогах станут появляться автомобили на электрической тяге. Уже существующие прототипы обладают возможностью рекуперировать (т. е. воспроизводить) электроэнергию при торможении автомобиля. Вряд ли это полностью исключит тормоза как таковые, но при таком подходе срок их жизни будет значительно больше, чем у существующих машин. Ну а совсем близкое будущее обязательно принесет новые, порой экзотические материалы. Будет снижаться вес тормозов, повышаться их выносливость, увеличиваться работоспособность. Главное ясно: современный автомобильный мир – быстр, стремителен и опасен, а без тормозов – смертелен.
