Тормозная система

Первые тормозные системы применялись на гужевом транспорте. Лошадь разгоняла повозку до больших скоростей и сама не справлялась с ее остановкой. Первые механизмы тормозили само колесо посредством ручного рычага или системы рычагов. Деревянная колодка прижимала колесо, затормаживая его. В сырую погоду это было неэффективно. Тормозной механизм прошел серьезную эволюцию. Наибольшее развитие в разработке тормозных систем произошло с появлением автомобиля.

Первые автомобильные тормоза были барабанные, за много лет они не сильно изменились и широко используются до сих пор. Современные автомобили комплектуются более эффективными дисковыми тормозами. Дисковые тормоза — не новое изобретение. В 1902 г. в Англии доктор Ланчестер запатентовал проект дискового тормоза. Эти тормоза устанавливались на одноименный автомобиль Lanchester с 1906 по 1914 г. Однако по причине низкой эффективности этих первых дисковых тормозов о них на время забыли. Первые автомобили имели один тормоз на заднюю ось. Отдельные тормоза на каждое колесо появились в 20-х годах 20 века. Дисковые тормоза вернулись во время второй мировой войны и использовались в авиации, в конструкции посадочного шасси. В 1952 г. дисковые тормоза стали применять на спортивных автомобилях, а четыре года спустя – на серийных машинах. В 1958 г. первые диски появились на Citroen DS19. В США долгое время устанавливали дисковые тормоза на престижные и дорогие автомобили, и только в конце 60-х такие тормоза стали появляться на автомобилях более низкого класса.

Барабанные тормоза и сейчас встречаются на автомобилях. Как и дисковые, они имеют ряд достоинств и недостатков, которые определяют область их применения. Барабаны дешевле и проще в производстве. Их часто устанавливают на заднюю ось (вспомните ВАЗы), 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 повышает тормозящее действие при усилении давления на педаль. Простота, дешевизна и низкие требования к тормозным системам в наше время сводятся на нет одним очень важным обстоятельством. Поскольку при торможении кинетическая энергия посредством трения тормозных колодок о барабан (или диск) преобразуется в тепловую энергию, необходимо эффективно рассеивать это тепло. Здесь барабанные тормоза проигрывают дисковым, поскольку рассеивают тепло не слишком хорошо потому, что фрикционные накладки находятся внутри барабана. Такой серьезный недостаток приводит к целой цепи проблем. Чрезмерный нагрев вызывает деформацию барабана. Это приводит к тому, что тормозные накладки прилегают к нему неравномерно. Все это снижает тормозящее действие (особенно при частых торможениях). Поэтому на скоростных машинах барабанные тормоза даже сзади уже не встретить. Применение алюминиевых или недеформируемых усиленных стандартных барабанов, использование более широких и длинных накладок позволяют несколько решить эти проблемы, но тогда уходят все достоинства барабанных тормозов: низкая цена, простота изготовления, а результат не сильно заметен. К 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. 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 исключает снижение тормозящего действия. Но диски не имеют эффекта самоусиления, как барабанные тормоза, что налагает повышенные требования к усилителю тормозов. В качестве «минусов» можно упомянуть 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 тормоза переместили из задних колес к дифференциалу, и тем самым их вес вошел в состав подрессоренных масс, снизив неподрессоренные.

Вес тормозного диска не менее важен для его качественной работы, чем диаметр и конструкция. Связано это с такими характеристиками, как теплоемкость и теплоотдача. Есть еще один 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, что более легкое переднее колесо 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 вымотать водителя.

Борьба за снижение неподрессоренных масс и улучшение отвода тепла привела к созданию так называемых вентилируемых дисков. Они представляют собой своеобразный сэндвич из двух дисков, между которыми сделаны специальные отверстия, формирующие лопасти, наподобие турбины. Благодаря этим лопастям и каналам тепло отводится более эффективно, а вес диска снижается. Но порой этого недостаточно. При нагрузках тормозные диски могут нагреваться до очень высоких температур, и если это тепло передастся ступице – вероятен выход из строя этого узла. Производители тормозных систем идут на различные ухищрения. Например, некоторые фирмы предлагают разборные тормозные диски. Они представляют собой непосредственно рабочий диск, скрепленный болтовым соединением со средней частью, которая крепится на ступицу. 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 в предельных режимах. Перфорация предупреждает коробление тормозного диска. Канавки совместно с отверстиями способствуют удалению воды, грязи, пыли и пр., что снижает риск поцарапать тормозной диск. И канавки, и перфорация увеличивают дополнительную тормозную силу и уменьшают износ диска. Указав все эти достоинства канавок, нельзя не сказать и о том, зачем они изначально были разработаны. 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 и шлицы 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. 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 турбулентности воздуха внутри диска, увеличивая его скорость. Это приводит к тому, что горячий воздух буквально выталкивается из внутридискового пространства, способствуя более интенсивному 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. Еще более интересное решение предложила американская компания Delphi. Ее инженеры модернизировали весь дисковый тормозной механизм. Предложена оригинальная идея двухдискового тормоза для передних колес автомобиля, получившего 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. Кроме того, вентиляция таких дисков значительно лучше. Компания Delphi планирует начать серийное производство Twin Disk в 2006 году.

От конструкции к материалам. Здесь можно встретить множество различных подходов. Наиболее часто можно встретить тормозные барабаны и диски из чугуна. Мотоциклетные тормозные диски изготавливают из нержавеющей стали для защиты от коррозии. Но чугун обладает лучшими фрикционными качествами. Рост скоростей и увеличение требований к тормозам приводят к появлению новых материалов для создания тормозных дисков. В автоспорте используются диски на основе углеволокна (carbon fiber composite). Такие тормоза значительно легче чугунных и работают очень эффективно. 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 не будут работать – не успеют разогреться. По этой причине применение углепластиковых композитов в тормозах ограничивается болидами Формулы-1 и автомобилями, участвующими в других подобных гонках. Цена подобных изделий очень высока…

Российская авиакосмическая промышленность предложила иную технологию. На ее основе созданы тормозные диски из силициума, то есть кремния. 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. Их вес в 4 раза меньше обычного стального. Вот где присутствует реальное снижение неподрессоренных масс и уменьшение гироскопического эффекта.

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 надолго. Наоборот, некачественные колодки могут испортить тормозной диск, проделав в нем глубокие канавы, и т. д. Тормозные колодки бывают разными. Дело не в конструкции и дизайне, а в материале фрикционных накладок, которые осуществляют торможение. Фрикционных смесей существует великое 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. От него зависит прочность, термостойкость и стабильность тормозных свойств изделия. Сложились устойчивые виды фрикционных изделий, получивших свое название по армирующему компоненту. Выделяются асбестовые, безасбестовые и органические (на основе органических волокон) компоненты.

Первые в качестве армирующего элемента используют асбест. Вредность этого материала для человека известна всем. 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 болиды Формулы-1, где нагрузки на тормоза запредельные. Стоимость таких колодок доступна лишь элитным видам автоспорта. Однако ряд фирм ведет исследования в этом направлении, чтобы снизить себестоимость подобных материалов. Создаются многокомпонентные фрикционные смеси, приближающиеся по своим характеристикам к органическим, но при этом не столь дорогие.

Еще раз вспомним о тепле. Колодки должны охлаждаться, но, в отличие от дисков, они как не должны пропускать тепло через себя. Нагреваясь сами, они начнут греть рабочие тормозные цилиндры и тормозную жидкость. Если жидкость закипит, тормоза перестанут работать. Поэтому очень важно обеспечить тепловой барьер между фрикционными накладками и металлической основой тормозной колодки.

Говоря о тормозах, нельзя не сказать о системах, с ними связанных. ABS – первое, что вспомнит автомобилист, если его спросить о тормозной системе современных автомобилей. Гениальное по своей сути решение, спасающее очень много жизней и автомобилей. ABS работает по принципу пульсирующего торможения. Например, при проезде по заснеженному участку дороги неожиданное препятствие вынуждает водителя затормозить. Дорога скользкая, и обычно при резком торможении 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 следят за тем, вращается колесо или нет. Если при тормо