Энциклопедия автомобилей

Изобретения

Дисковый тормоз

Из истории развития тормозных систем автомобиля

До автомобиля

Первые тормозные системы применялись ещё на гужевом транспорте. Лошадь разгоняла повозку до относительно больших скоростей и сама не справлялась с её остановкой. Первые механизмы тормозили само колесо посредством ручного рычага или системы рычагов. Деревянная колодка, иногда — с обитой кожей поверхностью прижималась непосредственно к ободу колеса, затормаживая его. В сырую погоду это было малоэффективно, к тому же, с распространением резиновых пневматических шин тормозить колесо таким образом стало просто невозможно, так как эффективность торможения была бы ничтожна, а резина от контакта с колодкой очень быстро бы стиралась.

С тех пор тормозной механизм претерпел серьёзную эволюцию. Наибольшее развитие в разработке тормозных систем произошло с появлением автомобиля.

До 1920-х : Эра пионеров

Первые автомобили, имевшие колёса каретного типа со сплошными резиновыми шинами, использовали по сути тот же самый колодочный тормоз, что и конные экипажи (строго говоря, все распространённые тормозные механизмы, кроме ленточных, являются колодочными, так как используют в своей работе так или иначе устроенные колодки, однако более сложно устроенные тормозные механизмы принято называть по их наиболее характерному конструктивному элементу — тормозному барабану, диску, и т. п.). Например, на первых автомобилях Бенца колёса тормозились именно колодками, обитыми кожей. Это было малоэффективно, к тому же кожа быстро истиралась, и на протяжении поездки порой приходилось несколько раз менять кожаные накладки. Усовершенствованный вариант этого механизма используется до сих пор на сравнительно простых и малоскоростных велосипедах, правда колодки теперь делают из металла, накладки — из фрикционного материала, и располагают их по бокам от обода колеса (на более дорогих и скоростных моделях используют уже дисковые тормоза).

Уже в начале XX века серийные легковые автомобили стали развивать скорость более 100 км/ч, что сделало жизненно необходимым наличие эффективной тормозной системы.

Как ни странно, первыми появились дисковые тормоза: запатентованы они были англичанином Уильямом Ланчестером в 1902, но на практике были использованы ещё в конце XIX века в форме, близкой к современным велосипедным. Главной их проблемой был ужасный скрип, издаваемый при контакте медных тормозных колодок с тормозным диском. По этой, а также иным причинам, на заре автомобилестроения наибольшее распространение получили не дисковые, а барабанные тормозные механизмы.

1960-е — 1980-е

В 1953 году на Jaguar C-Type впервые в мире начали устанавливать тормозные механизмы принципиально иного типа — дисковые, разработанные фирмой British Girling (в настоящее время Lucas Girling). В них колодки прижимались не к внутренней поверхности барабана, а к плоским наружным плоскостям чугунного диска. В самом конце пятидесятых — начале шестидесятых они начали получать распространение на быстроходных серийных автомобилях. В США первым автомобилем с дисковыми тормозами современного типа стал Studebaker Avanti 1963 года (фирма Chrysler ещё в 1949—1954 годах предлагала в виде опционального оборудования на своих самых дорогих моделях дисковые тормоза системы Ausco-Lambert, однако их конструкция не имела ничего общего с современным дисковым тормозом кроме самого по себе наличия тормозного диска — точнее, двух тормозных дисков с фрикционными накладками, которые под действием гидроцилиндра расходились и прижимались ко внутренней поверхности полого тормозного барабана).

Дисковый тормозной механизм конструктивно проще барабанного с автоматической регулировкой зазора, компактнее, легче и дешевле. Он эффективнее, несмотря на меньшую площадь колодок, благодаря тому, что поверхность диска плоская и колодки прижимаются к нему равномерно (полукруглая поверхность колодки барабанного тормоза же неравномерно прижимается к внутренней поверхности барабана), и имеет меньшее время срабатывания. Он проще в обслуживании (в частности — как правило проще замена колодок), практически не ограничивает тормозное усилие на колодках (в барабанном механизме оно ограничено прочностью барабана).

Дисковый тормоз
Дисковый тормозной механизм.
(Автор: Это произведение было передано в общественное достояние его автором, Julo. Действует по всему миру. В некоторых странах это не может быть возможно юридически, в таком случае: Julo предоставил любому право использовать данное произведение в любых целях, без каких-либо условий, если только такие условия не требуются по закону. - собственная работа, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=665996)

Дисковые тормоза лучше охлаждаются, потому что воздух может свободно циркулировать между диском и поверхностью колодки. Существуют также вентилируемые диски, у них фрикционных поверхностей две. Они разделены перемычками, которые обеспечивают постоянную циркуляцию воздуха внутри тормозного диска за счёт центробежной силы и за счёт этого улучшают теплоотвод. Большинство передних дисковых тормозов на современных машинах — именно вентилируемые, потому что как раз на них приходится большая часть работы при остановке автомобиля. При этом большинство задних тормозов — не вентилируемые. Они имеют сплошной диск, потому что задние тормоза просто-напросто не вырабатывают большого количества тепла (хотя на тяжёлых быстроходных автомобилях может быть оправдано применение вентилируемых тормозных дисков и на задней оси).

Другим плюсом дисковых тормозов является то, что они самоочищаются от воды, грязи и продуктов износа — загрязнения и газы «сбрасываются» с диска при его вращении, в отличие от барабана, который легко собирает на себя, например, пыль — продукт износа колодок. Вода, масло, газообразные продукты трения — всё это быстро отводится от рабочих поверхностей, не ухудшая торможение.

Главными же преимуществами дисковых тормозов перед барабанными считают постоянство (стабильность) характеристик и широкие возможности для регулировки их работы, что приводит к улучшению торможения, а в конечном итоге — повышению безопасности движения.

В барабанном тормозном механизме с двумя рабочими цилиндрами эффективность работы повышается за счёт вращения барабана при движении автомобиля, которое при торможении стремится ещё сильнее прижать к нему колодки («увлекая» их за собой и дополнительно проворачивая их вокруг своих осей), в итоге также уменьшая необходимое усилие на педали тормоза (водителю достаточно легкого нажатия на педаль чтобы колодки коснулись барабана, после чего этот эффект начинает работать как своеобразный «усилитель») — на дисковых тормозных механизмах такой эффект совершенно отсутствует, так как диск вращается в направлении, перпендикулярном к направлению действия тормозного усилия. Поэтому автомобили с дисковыми тормозами, особенно на всех колёсах, в абсолютном большинстве случаев снабжаются сервоприводом (усилителем) тормозов — без него усилие на педали было бы чрезмерно велико.

Кроме того, с дисковым тормозным механизмом сложнее организуется привод стояночного (ручного) тормоза, ввиду чего долгое время на задней оси многих автомобилей продолжали использовать барабанные тормоза (иногда даже использовались механизмы с рабочими дисковыми и отдельным барабанным парковочным тормозом меньшего размера).

Основной же причиной столь позднего массового внедрения дисковых тормозов было то, что при значительно более высокой эффективности дисковые тормоза также выделяют значительно больше тепла, чем барабанные. Это не создавало особых проблем, скажем, на железнодорожном транспорте, где для торможения используется пневмопривод, однако для автомобильной тормозной системы с её гидравлическим приводом представляло большую опасность: при использовании ранних образцов тормозных жидкостей на основе спиртов и растительного масла (касторового) — дешевых и удобных в эксплуатации, но имевших низкую температуру кипения — при длительном торможении это приводило к закипанию тормозной жидкости в гидроприводе, образованию паровых пробок и «проваливанию» педали тормоза с потерей эффективности торможения, что было крайне опасно. Именно поэтому, хотя сама по себе конструкция дискового тормоза была известна очень давно, её применение на автомобилях долгое время ограничивалось системой стояночного тормоза, имевшей не боявшийся повышенного тепловыделения механический привод (например, дисковые центральные стояночные тормозы автомобилей ГАЗ-ААА, ГАЗ-51, ГАЗ-63 и др.).

Только с появлением более высококипящих тормозных жидкостей на гликолевой основе стало возможным массовое применение дисковых тормозных механизмов. Применение старых марок тормозных жидкостей на масляной основе в таких тормозных системах было существенно ограничено или полностью исключено.

Ещё одним большим минусом дисковых тормозов можно назвать то, что они из-за своей открытости подвержены загрязнениям, несмотря на эффект «самоочищения». Грязь и пыль, всё же попадающие между диском и колодкой, могут быстро привести диск в негодность. Если он слишком тонок, он не способен рассеивать тепло и в экстремальных ситуациях может просто треснуть. Поэтому за износом дисков нужно следить и в случае необходимости заменять их.

Барабанные тормоза считаются более пригодными для тяжёлых условий эксплуатации по бездорожью или запылённым просёлочным дорогам. Например, на ВАЗ-2101 конструкторы поставили задние барабанные тормоза, хотя на итальянском прототипе Fiat 124 они были дисковыми: лучшая тормозная динамика версии с дисковыми тормозами просто не была бы востребована в СССР, где поток транспорта был намного менее плотным, чем в Западной Европе, и остальные автомобили, даже новейшей разработки, в те годы имели ещё худшую тормозную динамику и, как правило, барабанные тормоза без усилителя. При этом барабанные тормоза были более приспособлены к тяжёлым дорожным условиям страны, да и замена колодок на них требовалась существенно реже, что также было большим плюсом в тогдашних условиях. По тем же причинам долго ставили на автомобили барабанные тормоза и, например, в Австралии, также не отличавшейся идеальными дорогами, и на внедорожниках.

Передние тормозные диски находятся в относительно благоприятных условиях, а вот задние принимают на себя всю грязь, которую отбрасывают назад передние колеса. Вот почему задние тормозные колодки и диски часто изнашиваются быстрее передних (на том же Fiat 124 в отечественных дорожных условиях задние тормозные колодки снашивались до металла за 500—600 км пробега), хотя на них приходится намного меньшая доля работы во время торможения.

В случае использования задних дисковых тормозных механизмов использование стояночного тормоза при отрицательной температуре воздуха необходимо исключить, так как часты случаи примерзания колодок к диску. Барабанный механизм лучше герметизирован и как правило меньше подвержен этому.

Существовали различные конструкции дисковых тормозных механизмов — двух-, четырёх- и шестипоршневые, с неподвижной и плавающей скобой, вентилируемые, и так далее.

Впоследствии и до настоящего времени конструкция дисковых тормозов принципиально не менялась.

Тормозные диски с перфорацией (просверленными в дисках отверстиями) — отчасти просто украшение, однако не совсем бесцельное: отверстия позволяют воде и газам, находящимся между поверхностью колодок и поверхностью диска, «забиваться» в них, и тормоза таким образом срабатывают быстрее, не ожидая лишнего поворота диска, очищающего его. Это может быть важным в ситуациях, встречающихся в автоспорте, однако при повседневной городской езде, как правило, некритично. К тому же отверстия уменьшают площадь трущейся поверхности диска, а ещё в них могут забиться мелкие камешки, что потребует лишней работы по их удалению.

Изначально дисковые тормоза устанавливали, как правило, и на переднюю, и на заднюю ось: в частности, именно так поступала фирма Fiat — один из пионеров внедрения «дисков». Однако по мере того, как дисковые тормозные механизмы входили в широкий обиход и становились доступны хотя бы как дополнительное оборудование на сравнительно недорогих автомобилях, многие фирмы в целях экономии и упрощения конструкции ручного тормоза стали ставить более эффективные дисковые тормоза только спереди, где их наличие сказывалось на потребительских качествах автомобиля особенно заметно, а на задней оси — оставлять «барабаны», несмотря на очевидную несбалансированность такой системы. Стандартным оборудованием большинства легковых автомобилей дисковые тормоза на всех колёсах стали на Западе лишь к концу восьмидесятых — середине девяностых годов.

На тяжёлых автомобилях — в первую очередь грузовиках и автобусах, а также на очень больших легковых производства США — долгое время использовались барабанные тормозные механизмы, особенно в задних тормозах, так как у них проще увеличить мощность тормозного механизма за счёт наращивания площади колодок — для этого наряду с диаметром просто увеличивают ширину барабана. С тормозными дисками же увеличить мощность тормозного механизма возможно лишь за счёт роста их диаметра, который ограничен размерами ободов колёс. Поэтому получается, что барабанный тормозной механизм можно сделать намного мощнее в абсолютном выражении за счёт большой площади колодок, несмотря на его меньшую относительную (удельную) эффективность по сравнению с дисковым.

Современный этап

Начиная с середины девяностых годов в связи с необходимостью дальнейшего повышения эффективности тормозов наметилась тенденция к существенному увеличению диаметра колёсных ободов с целью размещения тормозных дисков большего размера, при одновременном сильном снижении высоты профиля шины. На современных легковых автомобилях не является редкостью применение ободов посадочным диаметром 16-17 дюймов, в некоторых случаях — до 22", и сверхнизкопрофильных шин с высотой профиля всего в несколько сантиметров. Это позволяет разместить тормозные диски вполне достаточной эффективности. Решёнными в настоящее время можно считать и проблемы с организацией привода стояночного тормоза при дисковых механизмах тормозов.

Всё это открыло возможности для широчайшего использования дисковых тормозных механизмов всех колёс, которые в настоящее время являются в развитых странах стандартным оборудованием для всех или как минимум абсолютного большинства новых легковых автомобилей. Появляются и дисковые тормозные системы для быстроходных грузовиков.

Источник: Википедия