Устройство тормозов автомобиля

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 барабаныБарабанные 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.SandwichБорьба 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.МатериаловедениеОт 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.КолодкиТормозные 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.БудущееО 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.