Тормозная система автомобиля

Тормозная система. Что это?

Когда Вы нажимаете ногой на педаль тормоза, та сила, с которой Вы давите на педаль, передается на устройство, которое называется главный тормозной цилиндр. Главный тормозной цилиндр имеет поршень, который, двигаясь, увеличивает давление в системе гидравлических тормозных трубок, ведущих к каждому колесу автомобиля. На каждом колесе тормозная жидкость под давлением оказывает воздействие на поршень колесного тормозного механизма, который выдвигает тормозные колодки, а те, в свою очередь, прижимаются к тормозному барабану или тормозному диску. Трение замедляет вращение колес, и движение автомобиля. Когда тормозные колодки почти стираются, то при соприкосновении с барабаном или диском издается визжащий шум, подсказывающий водителю, что тормозная колодка нуждается в замене. Обратите внимание на это предупреждение. Стертая тормозная колодка обладает меньшим сопротивлением, нежели новая и это снижает эффективность работы тормозов. К тому же, в случае, если Вы в течение довольно длительного времени будет игнорировать данное предупреждение, Вы можете нанести серьезные повреждения дискам, барабанам, и другим частям. И даже если вы регулярно меняете тормозные колодки, обычно требуется небольшое дополнительное сервисное обслуживание после поездок на длинные расстояния. Поверхность барабанов и дисков стирается неравномерно при нормальной эксплуатации. Поэтому периодически требуется их повторная машинная обработка (проточка), чтобы они продолжали нормально работать. Все современные тормоза во много раз мощнее, чем двигатель автомобиля. Поэтому при полностью открытом дросселе Вы можете легко остановить даже очень мощный автомобиль, нажав на тормоза. Все тормоза также имеют стояночный тормоз (иногда его называют ручной тормоз). Он работает независимо от основной тормозной системы. Стояночный тормоз обычно воздействует на задние колеса. Он приводится в действие вручную на тот случай, если откажет гидравлическая тормозная система. Многие инженерные находки в течение всей истории автомобиля смогли существенно улучшить работу и надежность тормозной системы. Механические тормоза являются стандартными почти на всех современных пассажирских автомобилях. Они используют энергию двигателя для усиления работы тормозов. Поэтому Вам не приходится правой ногой выполнять всю работу. Для того чтобы избежать возможность неожиданного и полного отказа тормозов, современные автомобили снабжены двумя параллельными тормозными системами. Каждая система контролирует два колеса автомобиля. Таким образом, если одна система полностью откажет, то другая тормозная система все равно сможет остановить автомобиль (хотя и сделает это менее эффективно). Сами тормоза с годами претерпели также существенные улучшения. Несколько десятилетий тому назад широко использовались тормоза барабанного типа, и они до сих пор используются на задних колесах у многих автомобилей. Данные тормоза используют в работе узел в виде барабана, который вращается вместе с колесом. Внутри барабана «башмаки» вместе с заменяемым фрикционным материалом прижимаются с силой к барабану, когда Вы нажимаете на педаль тормоза. Тормоза барабанного типа работают неплохо. Однако при этом образуется сильное тепло, которого достаточно, чтобы снизить эффективность торможения, если Вы делаете это слишком резко. Снижение эффективности тормозов происходит тогда, когда имеется резкое перегревание тормозов. Мощность торможения сильно падает, и тормозные детали и колодки могут выйти из строя. Существенное улучшение происходит при использовании дисковых тормозов. В настоящее время они повсеместно используются на передних колесах почти у всех автомобилей. Дисковая тормозная система снабжена металлическим диском или ротором (или же сделанным из другого экзотического материала у некоторых гоночных автомобилей).
Преимущества дисковых тормозов:
- при повышении температуры характеристики дисковых тормозов довольно стабильны, тогда как у барабанных снижается эффективность
- температурная стойкость дисков выше, в частности, из-за того, что они лучше охлаждаются
- более высокая эффективность торможения позволяет уменьшить тормозной путь
- меньшие вес и размеры
- повышается чувствительность тормозов
- время срабатывания уменьшается
- изношенные колодки просто заменить, на барабанных приходится предпринимать усилия на подгонку колодок чтобы одеть барабаны
- около 70% кинетической энергии автомобиля гасится передними тормозами, задние дисковые тормоза позволяют снизить нагрузку на передние диски
- температурные расширения не влияют на качество прилегания тормозных поверхностей.
Барабаны и диски.
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. 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. Существует 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. 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».
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.
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. 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. 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.