Активная безопасность автомобилей, влияющая на безопасность дорожного движения, в значительной мере определяется конструкцией тормозного управления. Эффективность тормозного управления оценивается двумя показателями: тормозным путем и развиваемым при торможении замедлением. Тормозной путь является интегральным показателем, а замедление характеризует работу тормозных механизмов автомобиля.
Исторические данные
Впервые о тормозах вообще упоминается в 1816 г. Ф. Дойцом. В начальный период становления автомобиля (1886 - 1900 гг.) о конструкции тормозов в литературе практически не упоминалось. На автомобилях применялись различные типы тормозных устройств, как-то: рифленые башмаки, подводимые под колеса, якорные механизмы, погружающиеся в поверхность дороги, и другие. В условиях малой интенсивности дорожного движения и невысоких динамических свойств автомобилей основными проблемами, стоящими перед создателями тормозных механизмов в этот период, было обеспечение легкости управления и достаточной энергопоглощающей способности. Этому почти идеально отвечал ленточный тормоз, имеющий тогда повсеместное применение. Появление в 1899 г. первого барабанного тормозного механизма на автомобиле было по достоинству оценено. В 1903 г. они уже устанавливались на автомобилях Mercedes и Renault, а к началу 20-х годов барабанные тормоза полностью вытеснили ленточные. Единственным преимуществом барабанного тормоза было снижение температуры при циклических торможениях, то есть более высокая энергорассеивающая способность, которая объясняется как увеличением поверхности охлаждения, так и лучшими условиями теплоотвода.
Следует отметить, что появившаяся в 1902 году конструкция дискового тормозного механизма открытого типа изобретателя Ф. Манчестера не получила распространения из-за отсутствия фрикционных материалов, способных работать при высоких удельных давлениях и температурах, сложности и нетехнологичности привода. В период с 1950 по 1970 годы почти все ведущие автопроизводители перешли к следующей схеме применения барабанных тормозных механизмов: на передней оси - две активные колодки, а на задней - одна активная и одна пассивная.
Сравнение барабанных и дисковых тормозов
Колесные тормозные механизмы обеспечивают служебное и экстренное торможение, а также удержание на месте неподвижного автомобиля. Применяемые колесные тормозные механизмы различных категорий автотранспортных средств бывают двух типов конструкции: барабанные и дисковые. В настоящее время на преобладающем большинстве легковых автомобилей используются дисковые тормозные механизмы на передних колесах и барабанные колодочные - на задних. На грузовых автомобилях и автобусах, как правило, устанавливают барабанные колодочные тормоза, обладающие эффектом самоусиления и конструктивно совместимые с пневматическим приводом.
Все большее распространение на автомобилях (в том числе грузовых) получают дисковые тормозные механизмы. Это обусловлено, в первую очередь, их высокой эксплуатационной стабильностью. В этих тормозных механизмах обеспечивается незначительное падение эффективности торможения при нагреве тормоза или попадании воды на поверхности трения. Кроме того, у них меньше время срабатывания, меньше масса и лучше охлаждение (открытая конструкция, вентилируемые диски) по сравнению с барабанными тормозными механизмами. Однако из-за меньшей площади фрикционных накладок дискового тормоза давление на них больше в 3-4 раза, механизм открыт для попадания пыли и грязи. Поэтому интенсивность износа накладок дискового тормозного механизма больше, чем у барабанного. При этом частицы износа выбрасываются беспрепятственно при движении в атмосферу.
Дисковые тормоза
- тормозной диск;
- направляющая колодок;
- суппорт;
- тормозные колодки;
- цилиндр;
- поршень;
- сигнализатор износа колодок;
- уплотнительное кольцо;
- защитный чехол направляющего пальца;
- направляющий палец;
- защитный кожух.
В барабанном тормозе основная часть частиц износа остается внутри барабана, закрытого тормозным щитом. Через вентиляционные отверстия барабана в воздух попадает на 10% общей массы продуктов трения. Оборудование автомобиля антиблокировочной системой приводит к тому, что в случае экстренных торможений колеса не блокируются и относительное перемещение тормозных колодок и диска (барабана) сохраняется в течение всего процесса торможения. Это обуславливает увеличение пути трения фрикционных элементов тормоза, а значит, и интенсивности их изнашивания. По результатам исследований автоматизация процесса экстренного торможения способствует снижению ресурса элементов тормозной системы, в том числе тормозных колодок, барабанов и дисков по критерию изнашивания на 10-30%.
Барабанные тормоза
- гайка крепления ступицы;
- ступица колеса;
- нижняя стяжная пружина колодок;
- тормозная колодка;
- направляющая пружина;
- колесный цилиндр;
- верхняя стяжная пружина;
- разжимная планка;
- палец рычага привода стояночного тормоза;
- рычаг привода стояночного тормоза;
- щит тормозного механизма.
К настоящему времени открытые дисковые тормозные механизмы полностью вытеснили барабанные на передних колесах легковых автомобилей и продолжают успешно вытеснять их на задних. С ростом динамических свойств автомобилей тормоза со сплошным диском постепенно заменяются тормозами с вентилируемым диском. Полной замене барабанных тормозов пока препятствуют в основном экономические факторы. Попытки создания концепций альтернативных дисковому тормозу пока не дали положительных результатов. Достаточно очевидно, что основной причиной смены концепций тормозов является дальнейшее повышение цикличности их работы. Рост цикличности торможений в свою очередь требует повышения энергорассеивающей способности тормоза, которая обеспечивается путем резкого увеличения, фактически удвоения, площади поверхности трения, являющейся одновременно и площадью охлаждения ротора.
Химический состав тормозов
Фрикционные материалы - материалы, работающие в условиях трения скольжения, в устройствах торможения, обладая при этом высоким показателем коэффициента трения. Каждый вид транспортных средств комплектуется тормозными накладками разной толщины и формы. Вместе с тем заводы изготавливают тормозные накладки разных типов практически по одной и той же технологии и из одного и того же сырья с разным соотношением компонентов (в состав формовочной смеси входят фенольные смолы, каучуки и металлические включения в виде порошков и стружки). Обычно в качестве материала для контртела (под контртелом понимается тормозной диск или тормозной барабан) используют чугуны, в основном марки СЧ24 ГОСТ 1412-85, твердостью 187-241 НВ. Очевидно, в таком случае значения коэффициента трения в паре «тормозная накладка - контртело» будут приблизительно равными в тормозных механизмах различных транспортных средств. Если принять, что на тормозные накладки для разных транспортных средств во время эксплуатации действуют одинаковые удельные давления, то интенсивность изнашивания тормозных накладок на 1 м тормозного пути будет одна и та же вне зависимости от типа транспортного средства.
Основной тенденцией развития концепции тормозных механизмов легковых автомобилей является повышение их энергорассеивающей способности. С учетом ужесточающихся ограничений на габариты и массу тормоза эта тенденция влечет за собой повышение температуры поверхности трения, что в свою очередь требует применения все более теплостойких фрикционных материалов. Смена концепций тормозных механизмов фактически является качественным скачком в этом эволюционном процессе.
Тормозная система, построенная на базе металлического барабана, получила название барабанные тормоза.
Принцип работы барабанных тормозов.
Принцип действия такой системы следующий. Металлический полый барабан в виде плоской чашки крепится на ступице. При торможении к внутренней части барабана прижимаются серповидные тормозные колодки, что приводит непосредственно к торможению.
Конструкция, приводящая к прижиму тормозных колодок, построена на гидравлическом тормозном цилиндре либо нескольких цилиндрах. В исходное положение тормозные колодки возвращаются благодаря пружинам. Кроме прочего, в конструкцию барабанных тормозов входит рычаг, распирающий колодки при постановке автомобиля на стояночный тормоз.
На заре автомобилестроения барабанные тормоза имели доминирующее распространение. Причина такого противовеса в сторону барабанных тормозов была обусловлена в первую очередь простотой производства и меньшими требованиями к точности изготовления деталей. Кроме того, строение стояночного тормоза на основе барабанных тормозов более простое, чем на основе дисковых, которые сегодня нередко занимают место первых.
Немного истории.
Первые барабанные тормоза были изобретены на втором году двадцатого века. Данные тормоза имели изначально очень много недостатков, а вместо гидравлики применялись тросовые приводы или металлические тяги. Система с годами совершенствовалась. Одними из наиболее успешных нововведений стали такие вещи, как автоматическая корректировка при стачивании фрикционного материала, а также гидравлическая система разжима тормозных колодок.
Мощность тормозного усилия в барабанных тормозах увеличивается посредством увеличением диаметра тормозного диска либо высотой барабана. Увеличение гидравлического усилия в данной системе тормозов неприемлемо по причине того, что чрезмерное усилие приведет к разрыву барабана.
Плюсы и минусы барабанных тормозов.
Если продолжать разговор, говоря о недостатках и достоинствах барабанных тормозов, то к первым можно причислить:
- возможное скольжение, по причине присутствия в барабане остатков абразивной пыли от материала колодок;
- невозможность полностью прижать к барабану большие по размеру колодки — это приводит к неполному контакту и меньшей силе торможения.
Достоинствами же барабанных тормозов можно назвать:
- грязестойкость, ввиду закрытой от внешней среды системы;
- большой размер самих тормозных колодок и меньшее усилие, позволяющее их реже менять;
- простота организации стояночного тормоза.
При всех своих недостатках два последних плюса позволяют барабанным тормозам до настоящего времени устанавливаться на задней оси недорогих автомобилей.
Если коснутся ремонтопригодности, то барабанные тормоза не уступают дисковым. Основные расходники – это тормозные колодки и непосредственно сам барабан. Сами эти детали чаще всего по стоимости превосходят колодки и диски их дисковых собратьев. Однако в силу требовательности к их замене и обслуживанию, в расчете на километр пробега барабанные тормоза обходятся дешевле дисковых.
В заключение данного материала, можно отметить, что банный вид тормозов занял большое место в истории автомобиле строении. Тот момент, что ниша недорогих бюджетных автомобилей вряд ли когда-то уйдет влету, барабанные тормоза можно будет встретить еще довольно долго.
Видео.
Вы когда-нибудь задавались вопросом, что на самом деле происходит внутри барабанного тормоза во время его работы и почему дисковые тормоза обычно считаются превосходящими свой аналог более ранней конструкции? Позвольте нам объяснить.
Большинство, вероятно, знают, как работают дисковые тормоза. Вкратце напомним алгоритм действия системы: после нажатия на педаль тормоза главный тормозной цилиндр через тормозную жидкость в гидролиниях начинает повышать давление в суппортах, где один или несколько поршней посредством прилагаемого к ним давления начинают прижимать одну или две колодки к диску (тормозному диску).
При помощи сил трения автомобиль начинает сбрасывать скорость, гарантируя, что вы в конечном итоге не въедете в задний бампер впередиидущего автомобиля или в стену/столб/дерево. Просто и эффективно. Подробнее по теме:
Но как насчет тормозных барабанов? Эти более скромные элементы тормозной технологии, и уж точно гораздо более старые по сравнению с дисковыми тормозами, практически полностью ушли из повседневной жизни автомобильного сообщества. Даже грузовые машины и автобусы все реже прибегают к услугам этих «слуг». Теперь подобные схемы тормозных механизмов можно обнаружить только на очень недорогих автомобилях или специфической технике. Почему так произошло? В чем кроется ахиллесова пята «барабанов»?
По какому принципу работают барабанные тормоза?
Рабочий процесс начинается точно так же, как на дисковых механизмах, - с жидкости, передающей давление от главного тормозного цилиндра к исполнительному механизму тормозов. С этого момента и появляются все главные отличия.
Вместо тормозного , как у дискового тормоза, в барабанных тормозах жидкость попадает в так называемый рабочий тормозной цилиндр, установленный внутри чугунного тормозного барабана.
Жидкость выталкивает два поршня из корпуса рабочего тормозного цилиндра наружу, в результате чего тормозные колодки расходятся, прилегая к внутренней обшивке тормозного барабана. Так как барабан крепится к ступице, вызываемое трение начинает замедлять вращение колеса.
Также в функциональной части тормозного механизма важную роль играют так называемые стяжные пружины. Две пружины установлены по обоим концам двух колодок. Как ясно из названия, эти пружины возвращают тормозные колодки в исходное положение после отпуска тормозной педали.
По мере износа колодок специальная система подвода будет выбирать лишнее расстояние между барабаном и колодками, что позволит не снижать КПД и скорость работы тормозной системы с течением времени и естественным износом компонентов. Тем не менее - об этом говорят знатоки - передние колодки в барабанных тормозах прижимаются к поверхности с большей силой, что увеличивает их износ.
Есть ли преимущества у барабанного механизма перед дисковым?
Казалось бы, это просто невозможно. Как может быть архаичная система лучше более современной? Но есть несколько неоспоримых плюсов барабанных тормозов, которых у нее не отнять:
1. Поскольку пятно контакта проходит по всей окружности барабана, тормозное усилие, передающееся барабанным тормозам, больше, чем у тормозного диска одинакового размера.
2. Не посчитайте за шутку, но мы вычитали на специализированных сайтах, что использование барабанных тормозов экономит вес, средства на производство элемента для автокомпании и в конечном итоге деньги в кошельках автовладельцев.
Если относительно последних двух пунктов мы знали уже давно - действительно, проще и дешевле конструкции сложно найти, то вот о весе даже не догадывались. Как-то чугунный большой барабан не внушал чрезмерной уверенности в этом. Тем не менее, если учесть, что в дисковом тормозе помимо тормозной гидравлики есть еще и огромный (тоже чугунный), то на то и выходит. При одинаковом весе барабанный тормоз будет мощнее за счет большего пятна контакта колодок в нем. Но при одинаковой мощности он будет легче своего современного аналога.
3. Наконец, еще одно неоспоримое преимущество - тормозные колодки, как правило, не стираются гораздо дольше, чем на обычных дисковых тормозах.
Минусы барабанных тормозов
1. Несмотря на простоту конструкции и более дешевое производство, в обслуживании барабанные тормоза не могут конкурировать с дисковыми. Уж больно сложная настройка им требуется. Возня с барабанами в некотором роде была похожа на искусство. Только мастер мог настроить поизносившиеся тормоза идеально. Времени эта настройка тоже отнимала изрядно.
Барабанные тормоза под натиском дисковых постепенно уходят с арены. Тем не менее до сих пор «барабаны» встречаются на задних колесах многих современных автомобилей. Объясняется это не только дешевизной, но и тем, что помимо ряда недостатков они имеют и определенные достоинства. Разберем первые и вторые.
Какие только средства не использовали первые автопроизводители для остановки машин. Большинство из них сейчас покажутся весьма причудливыми. Например, на легендарной модели Ford T, выпускавшейся с 1908 по 1927 год и разошедшейся тиражом более 15 миллионов, применялся трансмиссионный тормоз — специальный стальной бандаж сжимал вал коробки передач. Передаваемый крутящий момент падал, и ведущие колеса соответственно замедлялись. Тем не менее на задних колесах дополнительно устанавливались барабанные тормоза. Несложно догадаться, что они были далеки от идеала: приводились тормоза в действие рычажной системой, быстро изнашивались и перегревались.
Основными элементами барабанного тормоза являются опорный щит (1), собственно сам барабан (2) и колодки (3). Детальней конструкция современного варианта изображена на рисунке:
Принцип работы барабанного тормоза прост. При нажатии на педаль тормоза давление в контуре (тормозной магистрали) повышается, поршни рабочего тормозного цилиндра раздвигаются и разводят в стороны тормозные колодки, которые после этого соприкасаются с внутренней частью барабана, соединенного с колесом. Соответственно создаваемая колодками сила трения тормозит не только барабан, но и колесо. Как только педаль тормоза будет отпущена, возвратные пружины вернут колодки на место и вращению барабана, а значит, и колеса, ничего мешать уже не будет.
Наглядный пример работы барабанного тормоза:
Конструкция барабанных тормозов может отличаться. Например, опоры колодок могут быть разнесены по разным сторонам, иметь ручную или автоматическую регулировку положения колодок.
Кроме этого, зачастую устройство задних барабанных тормозов несколько сложней, поскольку предполагает еще и установку ручного (парковочного) тормоза. К «ручнику» и специальному рычажному механизму на колодках крепятся два троса, которые при натяжении разводят колодки в стороны. Последние прижимаются к барабану и обеспечивают неподвижность колес.
«Ручник» представляет собой механическую тормозную систему, устаревшую по форме, но отнюдь не по содержанию. Например, если «гидравлика» тормозов внезапно откажет, то единственным механизмом, способным остановить автомобиль, останется как раз ручной тормоз. Вот как он работает (нажмите красную указательную стрелку):
Регулировка положения колодок нужна для того, чтобы тормоза как можно дольше сохраняли свою работоспособность. Колодки хоть и не должны постоянно прижиматься к барабану, но все-таки должны находиться к нему максимально близко. Тем не менее фрикционные накладки на колодках со временем изнашиваются и расстояние постепенно увеличивается, что приводит к замедлению скорости срабатывания, а то и вовсе к недостаточному контакту колодок с барабанном.
В ручном регуляторе используется только регулирующий винт, а в наиболее распространенном варианте автоматического регулятора к нему добавляются регулирующие рычаг и шестеренка. Когда колодки при срабатывании начинают расходиться на большее чем обычно расстояние, то рычаг автоматически цепляет шестеренку и тем самым подкручивает регулирующий винт, которые увеличивает расстояние между колодками, вновь максимально приближая их к барабану. Автоматическая регулировка очень удобна, поскольку не требует разборки конструкции барабанного тормоза.
Наглядный пример работы автоматического регулятора положения колодок:
Существенный недостаток барабанных тормозов — склонность к перегреву. Объясняется это самой конструкцией, ведь доступ воздуха с одной стороны закрыт опорным щитом, а с другой — барабаном. В этом плане открытые всем ветрам дисковые тормоза оказываются на порядок эффективней.
Так почему же «барабаны» все еще в строю? Все просто — потому что до сих пор справляются с поставленной задачей. Сейчас они в основном применяются на бюджетных автомобилях и в большинстве случаев только на задней оси, поскольку на передних колесах, играющих основную роль в торможении, устанавливаются дисковые тормоза. «Барабаны», которым уже больше ста лет, надежны и по сравнению с дисковыми тормозами обходятся дешевле как в производстве, так и в обслуживании. Более того основной минус, закрытость конструкции, можно в некоторых ситуациях отнести и к достоинствам. Например, на пыльной дороге дисковые тормоза очень быстро станут грязными, барабанные же напротив останутся чистыми и максимально работоспособными.
Тем не менее лишний раз отказываться от достижений современного автомобилестроения не стоит, ведь если дисковым тормозам и их совершенствованию внимание уделяется до сих пор, то «барабаны» по сути топчутся на одном месте. Другими словами, эффективность первых пытаются повысить, а эффективность вторых — лишь сохранить.
- Перегрев. Так как поверхности трения не обдуваются воздухом (в отличие от конструкции дисковых тормозов), то они намного хуже охлаждаются. Тут надо сказать, что температура барабанов во время экстренного торможения может достигать 500-600 градусов. В этих условиях барабан расширяется, расстояние до колодок увеличивается и педаль нужно продавливать сильнее. С перегревом барабанов пробовали бороться установкой дополнительных рёбер снаружи - они обдувались воздухом и «сливали» часть тепла. Впрочем, эта конструкция всё равно не выдерживает никакой конкуренции с дисковыми тормозами.
Есть ли у них плюсы?
При всех своих недостатках у барабанных тормозов есть и неоспоримые достоинства:
- Защищённость от грязи. Колодки тут работают в замкнутом пространстве, и грязь снаружи туда не проникает.
- Высокое тормозное усилие. Выше мы говорили о том, что эффективность барабанных тормозов и предельное давление колодок у них ниже, чем у дисковых. Однако закрытая конструкция позволяет сделать площадь трения очень большой за счёт увеличение диаметра и ширины барабана. В силу этого тормозные барабаны очень долго были безальтернативными для больших грузовиков и автобусов.
- Износостойкость колодок. Худшее сцепление колодок с барабаном делает своё дело: колодки изнашиваются медленнее, хоть и качество торможения от этого страдает.
Почему их всё ещё ставят?
Первые два плюса барабанных тормозов уже давно почти неактуальны. Инженеры научились делать более стойкие к износу диски и колодки, а громоздкие барабаны постепенно вышли из употребления у производителей грузовиков и автобусов. Европейские модели лишились их в конце 90-х – начале 2000-х. Впрочем, российский «Газон», например, всё ещё имеет барабанные тормоза спереди и сзади, но совсем скоро он уйдёт в историю.
Что касается внедорожников, для которых грязестойкость барабанов актуальна, то дорогие модели (Toyota Land Cruiser, Mitsubishi Pajero) лишились их ещё в 80-х, а на более дешёвых, а также на пикапах, барабаны всё ещё встречаются, но только на задней оси. Почему сзади? Всё просто: потому что на задние колёса летит много грязи с передних.
