В начале первой половины 20 века стало ясно, что скорости серийных автомобилей возросли, и существующие конструкции тормозных механизмов перестали соответствовать даже тем примитивным требованиям безопасности. Барабанные и прочие устаревшие конструкции пора было менять, в результате появился принципиально новый тормоз – дисковый.
Схема и порядок действия дискового тормоза
Принципиальное отличие заключается в работе тормозных колодок с фрикционными накладками не по внутренней поверхности тормозного барабана, а по наружным торцам массивного стального или чугунного диска. Отсюда образовался и типовой состав колёсного тормоза:
- диск, соединённый со ступицей колеса;
- тормозные колодки, охватывающие диск с двух сторон;
- механизм удержания колодок, включающий суппорты и скобы;
- исполнительные (рабочие) гидравлические цилиндры привода тормозов;
- вспомогательные и крепёжные элементы в зависимости от конкретной конструкции.
Суппорт крепится к элементам подвески, в случае управляемых колёс это поворотный кулак, а для задних передача реактивного крутящего момента и продольного усилия может происходить через аналогичный узел или кожух чулка заднего моста.
Назначение суппорта состоит в удержании тормозных колодок в рабочей зоне, предоставлении им свободы в направлении прижатия к диску и обратно, для отвода при растормаживании. Усилия здесь значительны, поэтому суппорты представляют собой геометрически сложные конструкции, прочные и массивные, выполненные при помощи литья.
Внутри суппорта располагаются рабочие гидроцилиндры, один или несколько, в зависимости от мощности и надёжности системы. Они могут быть выполнены как в виде отдельных деталей, зафиксированных на суппортах различными способами, так и путём размещения поршней в проточках материала суппорта. К цилиндрам подходят гибкие шланги привода, а для прокачки от воздуха имеются отдельные штуцеры в верхней части рабочих объёмов.
Если гидроцилиндры воздействуют только на одну колодку, то противоположная приводится от скобы плавающего типа, охватывающей диск с внешней стороны его окружности. Жёсткость скобы, которая также представляет собой массивную литую деталь, обеспечивает передачу второй колодке точно такого же усилия, что и от поршня первой, но с противоположной от диска стороны.
Возможно расположение рабочих цилиндров в многопоршневых системах симметрично относительно плоскости диска, напротив друг друга. Равенство усилий в этом случае определяется одинаковыми диаметрами поршней и подачей на них одного и того же давления с гидравлики привода.
Как правило, диски выполняются из чугуна, имеющего подходящие фрикционные характеристики. Возможно и применение иных материалов. К ним прижимаются колодки, располагающие для этого приклёпанными или приклеенными накладками из тщательно подобранного материала, удовлетворяющего целому спектру требований.
Две основные схемы организации суппортов
Отличие заключается в организации скобы. Её можно жёстко зафиксировать относительно поворотного кулака, тогда поршни придётся разместить симметрично относительно диска. Каждый из них будет действовать на свою колодку, и обе эти силы равны по законам геометрии и гидравлики. Это равенство обеспечит отсутствие паразитной разницы в усилиях, которая способна действовать перпендикулярно плоскости диска в целом и нагружать ступичные подшипники. Диск будет лишь сжиматься встречными силами прижатия колодок.
Примерно так же сработает более простая система с плавающей скобой. По направляющим прорезям в суппорте скоба способна перемещаться, выравнивая усилие на колодках, хотя поршень действует лишь на одну из них. Возникает ситуация, когда через систему виртуальных рычагов, образованных суппортом, направляющими и скобой, поршень давит на одну колодку, а цилиндр – на другую. Разумеется, эти силы равны, хотя на практике не всё так просто.
Принципиальным недостатком плавающего механизма является наличие силы трения в направляющих скобы. По причинам естественного износа, загрязнения или неточностей в исполнении эти силы могут достигать значительной величины, что ведёт к неравномерному износу внутренней и внешней колодок. Таков существенный недостаток, которым приходится расплачиваться за относительную простоту конструкции.
Систему с фиксированной скобой, несмотря на затраты, активно используют в дорогих, быстроходных, тяжёлых и спортивных автомобилях. Причём когда речь идёт о поршнях, то дело редко ограничивается одним в плавающей схеме или двумя в фиксированной. По разным причинам количество цилиндров увеличивается, достигая шести или даже восьми в самых совершенных и мощных тормозах. Такие конструкции сложны, дорого стоят, но при этом чрезвычайно надёжны, работают с высокой эффективностью, останавливая машины с огромной кинетической энергией за считанные секунды.
Работа тормозов
Принцип действия дисковой системы прост и интуитивно понятен. После нажатия педали водителем поршень главного тормозного цилиндра перемещается, выбирая все зазоры и оказывая давление на несжимаемую тормозную жидкость. Оно равно в любой точке магистрали, а значит и во всех исполнительных цилиндрах. Равенство площадей поршней в рабочих цилиндрах обеспечивает полную идентичность сил, действующих на тормозные колодки одной оси автомобиля.
Распределение усилий по осям – это тема, разрабатываемая в рамках устройства привода и обеспечивающая тормозной баланс автомобиля. Но на одной оси силы должны быть строго равны, иначе на ровной и однородной поверхности возникнет занос автомобиля. Исключение составляет сознательное управление силами в активных системах тормозов.
Поршни рабочих цилиндров давят на колодки со стороны металлической подложки, а фрикционные накладки со значительной силой прижимаются к дискам. Благодаря нормированному коэффициенту трения, на дисках, а значит и на колёсах, возникает тормозной момент, придающий автомобилю нужное замедление.
Особенности конструкции дисков
Обычно диски изготовлены из чугуна, обладающего хорошей износостойкостью, твёрдостью и приемлемым коэффициентом трения. Для гражданских автомобилей этого вполне достаточно, но там, где требуется повышенная мощность и температурная стойкость, используются особые приёмы:
- в качестве материала для дисков может быть использована легированная сталь, которая лучше ведёт себя при высоких температурах, меньше деформируется после термоциклирования и обладает лучшей механической прочностью;
- в особых случаях диск может быть изготовлен из специальных материалов, например, углепластиков, они прочнее стали, меньше весят и обладают повышенным коэффициентом трения;
- для улучшений теплоотвода диски снабжаются внутренней вентиляцией, при вращении воздух прогоняется через полости с отлитыми там аэродинамическими элементами;
- улучшение условий работы в тонком слое между накладками колодок и поверхностью диска достигается выполнением в последнем перфорации, отводящей разогретые продукты износа, образующиеся газы, и дополнительно охлаждающей самую горячую зону контакта.
Диск подвержен износу, поэтому с достижением минимально допустимой толщины он подлежит обязательной замене. Слишком тонкий диск теряет прочность и заставляет поршни выходить из цилиндров на нерасчётное расстояние, что чревато потерей герметичности.
Самые распространённые причины преждевременного выхода дисков из строя – это биение в результате остаточной температурной деформации и образование трещин. Обеспечение безопасности требует регулярного осмотра дисков при каждом ТО с замером толщины. Измерять надо рабочую зону, поскольку диски изнашиваются неравномерно, по краю почти всегда образуется буртик. Иногда его механически удаляют при замене колодок.
Материалы, применяемые в колодках
В первых колодках дисковых тормозов активно использовался асбест, поскольку он обладал хорошим коэффициентом трения, волокна армировали наполнитель накладок, а высокие температуры никак на него не влияли. Но асбестовая пыль обладает канцерогенной активность, поэтому сейчас применяются иные материалы:
- металлические армирующие волокна;
- металлокерамика;
- органические вещества.
Чем совершенней материал, тем колодки дороже обходятся, поэтому для одной и той же модели автомобиля цена комплекта может отличаться на порядок. Хорошие колодки физически и химически защищены от появления характерного скрипа, мягко включаются в работу, стойки к нагреву. А фрикционные свойства и прочность материала подобраны таким образом, чтобы на одну замену диска приходилось примерно три замены колодок. Излишне твёрдые и абразивные вещества быстро убивают диск, а в противоположном случае колодки приходится менять слишком часто, что никак не способствует надёжной работе. Часто колодки снабжены электронным или акустическим индикаторами износа.
Достоинства и недостатки дисковой системы
К очевидным плюсам относятся:
- высокая эффективность торможения;
- стойкость к перегревам;
- стабильность работы даже после попадания воды;
- точность срабатывания по колёсам;
- простота компоновки;
- малая затратность обслуживания;
- низкий вес неподрессоренных масс.
Минусами стали только плохая защищённость от загрязнений и механических повреждений. Изначально высокая себестоимость при массовом производстве исключается из перечня недостатков. Дисковые тормоза сейчас применяются практически на всех классах автомобилей, в том числе и ряде грузовых. Исключение составляют лишь вездеходы, где на первый план выходит защита на плохих дорогах.
