Тормоза автомобиля: разновидности и их особенности
Как бы удивительно это ни звучало поначалу, но тормозной путь машины не сильно зависит от конструкции тормозных устройств – даже допотопные «барабаны» способны выработать усилие, которого будет достаточно, чтобы заблокировать колеса. В чем тогда смысл внедрения более совершенных тормозов?
Преимущественно – в большей энергоемкости, другими словами, возможности вбирать и рассеивать тепловую энергию, переходящую от автомобиля в процессе трения. Если энергоемкости у тормозов будет недостаточно, то температура диска тормоза либо барабана начнет возрастать, а коэффициент трения, напротив, падать (тормоза большинства машин сделаны из чугуна либо стали, а для этих материалов характерно именно такое поведение). Если тормоза будут нагреваться, то на педаль тормоза нужно будет давить все сильнее, до тех пор, пока усилий уже не станет хватать, и, вследствие этого, тормозной путь опасно увеличится.
Знакомая ситуация? Вероятнее всего, нет – перегрев в условиях обыкновенной езды говорит об ошибках в конструкции тормозной системы, а поэтому бывает не часто. Но в условиях езды по гоночной трассе, часто начинают сдавать даже с виду мощные тормоза.
Явное решение – установка более мощных тормозов, теплоотдача и теплоемкость у которых больше, но это влечет за собой рост не подрессоренных масс. В спорткарах вес тормозных устройств может доходить до 60% от массы колеса. При таких показателях ухудшается динамика и плавность хода. Поэтому инженеры стараются всеми способами избежать выбора меж массой и энергоемкостью.
Тормоза автомобилей бывают 2-ух разновидностей: барабанные и дисковые. Сначала вошли в обиход барабанные тормоза, в которых колодки в форме полукруга изнутри распирают закрытый железный цилиндр. В таком виде, только с незначительными изменениями, они используются уже более века.
Достоинством барабанных тормозов является то, что колодки в них имеют имеют большую площадь прилегания к барабану и наибольшее расстояние от оси вращения колеса. Этим и объясняется увеличенный срок эксплуатации самих колодок, кроме того, нет необходимости в высоком давления в системе торможения – момент силы трения и так довольно велик.
Плюс еще и эффект «самоподжатия» – это когда, в результате трения, колодки немного поворачиваются вокруг оси и еще плотнее прижимаются к барабану во время вращения, – то это даже давало возможность какое-то время не использовать усилитель тормозов.
Очевидно, на данный момент эти хитрости уже не принципиальны – усилитель уже давно стал привычной деталью, но вот повышенный срок эксплуатации, как и раньше, необходим в классе дешевых автомобилей. Не случайно барабаны и до настоящего времени встречаются чаще всего на задней оси, где в полной мере проявляется очередное их достоинство – наилучшая защищенность от пыли, которая летит из-под фронтальных колес.
Но на передней оси, где колеса, в момент замедления, позволяют воплотить больший тормозной момент, барабанных тормозов уже не ставят. Причина – недостаточно быстрое остывание, хорошо остывает только наружная часть, а внутренняя, которая закрыта, остывает медленно.
При всем этом восполнить снижение коэффициента трения увеличением усилия прижатия колодок невозможно в достаточной степени, ведь прочность на разрыв у барабанной поверхности имеет свой ограниченный предел.
Совсем другое дело – дисковые тормоза. Колодки давят на диск, и это давление не ограничено, а сам диск открыт и прекрасно охлаждается со всех боков. Кроме того, диски бывают не сплошные, а вентилируемые – практически сдвоенные со особыми воздушными каналами в центре, и служат в качестве центробежного вентилятора.
Правда, в этом случае есть и свои минусы. Сравнительно маленькие по площади колодки очень нагреваются, а от них нагревается тормозная жидкость – в случае кипения жидкости, образовавшийся пар отчасти вытолкнет жидкость из магистрали и, при следующем торможении, педаль тормоза, с большой вероятностью, «провалится». С возникновением гликолевых жидкостей, начинающих закипать только при 250°С, данный сценарий стал маловероятен, но незадача заключается в том, что они гигроскопичны и, со временем, постепенно накапливают воду из атмосферы, и точка кипения становится ниже. Вот поэтому их нужно, время от времени, менять.
Нуждаются дисковые тормоза и в более массивном усилителе. Колодки в них размещены еще ближе к оси вращения колеса, и, при иных равных условиях, момент силы трения получается меньше, чем в барабанных тормозах. По этой причине появляется необходимость сильнее сдавливать колодки. Возможность достижения более интенсивной силы сжатия дают многопоршневые суппорты – усилия, которые они развивают, достаточно, чтобы остановить даже диск, который раскален докрасна. А если и этого не достаточно? Тогда приходится находить другие материалы.
До сего времени мы исходили из того, что тормозные диски сделаны из чугуна либо стали. Но почему только из них? Дело в том, что материал, из которого изготовлен диск, должен удовлетворять многим требованиям. Не считая тривиальной прочности и высочайшего коэффициента трения, это к тому же стабильность характеристик при нагревании, высочайшая теплопроводность, большая теплоемкость, стойкость к термическому удару, вследствие внезапного и сильного нагревания, также низкая способность к адгезии.
Лучше всего из металлов этим требованиям отвечают некоторые виды стали и чугуна. И все-таки снижение коэффициента трения и склонность коробиться во время нагревания ограничивают температуру функционирования таких тормозов в районе 500°С.
Есть и гораздо более стойкие материалы. К примеру, глиняные диски выдерживают нагревание чуть ли не до 1000°С, и при этом коэффициент трения практически не снижается. А если добавить, что они в два раза легче железных, не коробятся при резком перепаде температур и обладают ресурсом износостойкости, исчисляющимся сотками тыс. км, то в перспективе этой технологии практически не сомневаешься. Вот только их цена превышает цену обычных тормозов на несколько тыс. евро! А поэтому глиняные диски остаются уделом только избранных супер автомобилей, тем паче, что почувствовать их достоинства можно только в гоночных условиях.
Существуют еще карбоновые диски, которые широко используются в автоспорте, в особенности в Formula 1. Их главные достоинства перед глиняными – приблизительно в 5 раз наименьший вес, рост (а не снижение!) коэффициента трения в процессе нагрева и немного большая максимальная температура – около 1200°С. Но спектр рабочих температур у них варьируется в пределах 300 — 650 градусов. Если нагрев небольшой, то коэффициент трения тоже низкий и торможение неэффективно, если же нагрев достаточно сильный, то карбон стремительно окисляется и изнашивается.
По этой причине, пилоты Formula 1 всегда прогревают тормоза перед началом гонки, а сами тормоза обустроены особыми воздухопоглотителями, захватывающими воздух для остывания со скоростью до 400 л/сек! Да и этого, время от времени, оказывается недостаточно, тогда и при длительном торможении из-под колес болидов вылетает темная карбоновая пыль от дисков, которые разрушаются от перегрева. В общем, это разработка, неприменимая в критериях обычной езды.
Гонка мощностей и повальное увлечение спортивными автомобилями привели к видимому развитию тормозных устройств за последние 15 лет. Вот, что интересно: сегодня даже далекие от автоспорта машины способны выдержать долгую езду по гоночному треку – настолько стойкие у них тормоза. Но что все-таки дальше?
Разумеется, мы сможем наблюдать тенденцию к уменьшению тормозов, их размеры будут более компактные. Их энергоемкость будет снижаться, но это будет компенсировано повышением эффективности электронных тормозов, преобразующих кинетическую энергию автомобиля не просто в тепло, а в электронный заряд аккумуляторов. Нечто схожее уже реализовано на гибридных авто – называется рекуперативное торможение. Справедливости ради скажем, что пока электрические моторы не очень сильны, а батареи не способны принимать долгий заряд током большой силы, чтоб такое торможение стало действенным – замедление еще невелико. Но преодоление этой трудности – дело времени.
Статья по теме: Умные системы тормозов