Барабанные тормоза: устройство, история и применение.

Введение

Тип тормоза транспортного средства

Барабанный тормоз – это тормоз, использующий трение, создаваемое парой колодок или накладок, прижимающихся к вращающейся чашеобразной детали, называемой барабаном. Термин "барабанный тормоз" обычно относится к тормозу, в котором колодки прижимаются к внутренней поверхности барабана. Когда колодки прижимаются к внешней стороне барабана, это обычно называют обжимным тормозом. Если барабан зажат между двумя колодками, подобно обычному дисковому тормозу, его иногда называют щипцовым барабанным тормозом, хотя такие тормоза встречаются относительно редко. Другой связанный тип, называемый ленточным тормозом, использует гибкий ремень или "ленту", охватывающий внешнюю сторону барабана.

История

Современный автомобильный барабанный тормоз впервые был применен в автомобиле Maybach в 1900 году, хотя принцип его работы был запатентован лишь в 1902 году Луи Рено. Он использовал тканевую асбестовую накладку для тормозных колодок, поскольку ни один другой материал не рассеивал тепло столь эффективно, хотя Maybach и использовал менее совершенную конструкцию барабанного тормоза. В первых барабанных тормозах колодки приводились в действие механически с помощью рычагов, тяг или тросов. Начиная с середины 1930-х годов, тормоза стали приводиться в действие давлением масла в небольшом колесном цилиндре и поршнях (как показано на рисунке), хотя некоторые транспортные средства еще долгое время продолжали использовать полностью механические системы. Некоторые конструкции предусматривают два колесных цилиндра. Поскольку тормозные колодки барабанных тормозов изнашиваются, требовалась регулярная ручная регулировка тормозов до появления саморегулирующихся барабанных тормозов в 1950-х годах. Барабанные тормоза также склонны к потере эффективности при многократном использовании. В 1953 году Jaguar Cars выставил на гонку в Ле-Мане три автомобиля, оснащенных дисковыми тормозами, и одержал победу, во многом благодаря превосходному торможению по сравнению с соперниками, оснащенными барабанными тормозами. Это ознаменовало начало конца барабанных тормозов в легковых автомобилях. С 1960-х по 1980-е годы дисковые тормоза постепенно вытесняли барабанные тормоза на передних колесах автомобилей (которые принимают на себя основную часть тормозной нагрузки). В настоящее время практически все автомобили оснащены дисковыми тормозами на передних колесах, а многие – на всех четырех. В Соединенных Штатах Jeep CJ 5 (производства AM General) стал последним автомобилем (выпускавшимся для Почтовой службы США), использовавшим передние барабанные тормоза, когда его производство было прекращено в 1986 году. Однако барабанные тормоза по-прежнему часто используются на задних колесах и в качестве стояночного тормоза. Некоторые транспортные средства используют стояночный тормоз типа "барабан в ступице", когда тормозные колодки расположены внутри центральной части (ступицы) ротора дискового тормоза, которая выполняет роль барабана. В ранних тормозных колодках содержался асбест. При работе с тормозными системами старых автомобилей необходимо соблюдать осторожность, чтобы не вдыхать пыль, присутствующую в тормозном механизме. После того, как правительство США начало регулировать производство асбеста, производители тормозов были вынуждены перейти на безасбестовые накладки. Владельцы автомобилей поначалу жаловались на ухудшение торможения, но тормозные технологии в конечном итоге были усовершенствованы для компенсации этого. Большинство старых автомобилей, используемых ежедневно, оснащены безасбестовыми накладками. Многие другие страны также запретили использование асбеста в тормозах.

The modern automobile drum brake was first used in a car made by Maybach in 1900, although the principle was only later patented in 1902 by Louis Renault. He used woven asbestos lining for the drum brake lining, as no alternative material dissipated heat more effectively, though Maybach had used a less sophisticated drum brake. In the first drum brakes, levers and rods or cables operated the shoes mechanically. From the mid 1930s, oil pressure in a small wheel cylinder and pistons (as in the picture) operated the brakes, though some vehicles continued with purely mechanical systems for decades. Some designs have two wheel cylinders. As the shoes in drum brakes wear, brakes required regular manual adjustment until the introduction of self adjusting drum brakes in the 1950s. Drum brakes are also prone to brake fade with repeated use. Jaguar Cars fielded three cars equipped with disc brakes at Le Mans in 1953, where they won, in large part due to their superior braking over drum equipped rivals. This spelled the beginning of the end for drum brakes in passenger cars. From the 1960s to the 1980s, disc brakes gradually replaced drum brakes on the front wheels of cars (which receive the majority of braking force). Now practically all cars use disc brakes on the front wheels, and many use disc brakes on all four wheels. In the United States, the Jeep CJ 5 (manufactured by AM General) was the final automobile (produced for the United States Postal Service) to use front drum brakes when it was phased out in 1986. However, drum brakes are still often used on the rear wheels, and for parking brakes. Some vehicles utilize a "drum in hat" parking brake, where the brake shoes are arranged inside the center portion (hat) of a disc brake rotor, which acts as the drum. Early brake shoes contained asbestos. When working on brake systems of older cars, care must be taken not to inhale any dust present in the brake assembly. After the United States Federal Government began to regulate asbestos production, brake manufacturers had to switch to non asbestos linings. Owners initially complained of poor braking with the replacements, but brake technology eventually advanced to compensate. A majority of daily driven older vehicles have been fitted with asbestos free linings. Many other countries have also prohibited the use of asbestos in brakes.

Компоненты

Компоненты барабанного тормоза включают в себя опорную пластину, тормозной барабан, тормозные колодки, рабочий цилиндр колеса, а также различные пружины и штифты.

Подпорная пластина

Подпорная пластина служит основанием для остальных компонентов. Задняя пластина также повышает жесткость всей конструкции, поддерживает корпус и защищает его от попадания посторонних предметов, таких как пыль и дорожный мусор. Она поглощает крутящий момент, возникающий при торможении, поэтому заднюю пластину также называют "тормозной пластиной" или "пластиной крутящего момента". Поскольку все тормозные операции создают давление на подпорную пластину, она должна быть прочной и износостойкой. В последние годы к ней также были добавлены рычаги для аварийного или стояночного тормоза и автоматический регулятор тормозных колодок.

Тормозный барабан

Тормозный барабан обычно изготавливается из специального типа чугуна, обладающего теплопроводностью и износостойкостью. Он вращается вместе с колесом и осью. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, тормозные колодки прижимаются радиально к внутренней поверхности барабана, и возникающее трение замедляет или останавливает вращение колеса и оси, а значит, и транспортного средства. Это трение выделяет значительное количество тепла.

Цилиндр колеса

Один рабочий цилиндр управляет тормозом каждого колеса. Два поршня воздействуют на тормозные колодки, по одному на каждом конце рабочего цилиндра. Ведущая колодка (ближайшая к передней части автомобиля) называется первичной колодкой. Задняя колодка называется вторичной колодкой. Гидравлическое давление от главного тормозного цилиндра действует на манжету поршня, толкая поршни к колодкам и прижимая их к барабану. Когда водитель отпускает тормоз, пружины тормозных колодок возвращают колодки в исходное (разъединенное) положение. Устройство рабочего цилиндра показано справа.

Тормозная обувь

Тормозные колодки обычно изготавливаются из двух стальных частей, сваренных вместе. Фрикционный материал прикрепляется к основанию либо с помощью заклепок, либо клеем. Полумесяцевидная часть называется "паутиной" (web) и содержит отверстия и прорези различной формы для возвратных пружин, крепежа, тяги стояночного тормоза и компонентов автоматической регулировки. Вся сила, прикладываемая колесным цилиндром, передается через "паутину" на основание и тормозную накладку. Края основания обычно имеют три V-образных выреза или выступы с каждой стороны, называемые "выступами" (nibs). Эти "выступы" опираются на опорные площадки задней плиты, к которой крепятся колодки. В каждом тормозном механизме имеется две колодки: первичная и вторичная. Первичная колодка располагается ближе к передней части автомобиля и имеет накладку, расположенную иначе, чем вторичная. Зачастую эти две колодки взаимозаменяемы, поэтому важно внимательно проверять их на наличие каких-либо различий. Тормозные накладки должны быть устойчивы к нагреву и износу и иметь высокий коэффициент трения, не зависящий от колебаний температуры и влажности. Материалы, составляющие тормозную накладку, включают модификаторы трения (такие как графит и скорлупа кешью), порошковые металлы, такие как свинец, цинк, латунь, алюминий и другие металлы, устойчивые к перегреву, связующие вещества, отвердители и наполнители, такие как резиновая крошка для снижения тормозного шума. В Великобритании ранее были доступны два распространенных сорта материалов для тормозных колодок. DON 202 был материалом с высоким коэффициентом трения, который не требовал вакуумного усилителя тормозов. Недостатком было то, что на крутых подъемах накладка могла перегреваться. Была выпущена более твердая накладка, знаменитая VG95, но для ее использования требовался вакуумный усилитель тормозов. Еще одной проблемой было то, что стояночный тормоз часто не проходил ежегодный технический осмотр (MOT), если высокофрикционные накладки не устанавливались специально для прохождения теста.

Нормальная торможение

При нажатии на педаль тормоза тормозная жидкость под давлением от главного тормозного цилиндра поступает в рабочий цилиндр колеса, который, в свою очередь, прижимает тормозные колодки к внутренней обработанной поверхности тормозного барабана. Это трение замедляет вращение тормозного барабана, который связан с колесом, и, следовательно, снижает скорость автомобиля. При отпускании педали тормоза возвратные пружины отводят колодки в исходное положение.

Автоматическая самонастройка

По мере износа тормозных колодок, тормозные колодки должны перемещаться на большее расстояние, чтобы достичь барабана. В системах, оснащенных автоматическими регулировщиками, когда это расстояние достигает определенной величины, механизм саморегулировки автоматически реагирует, изменяя положение колодок в состоянии покоя, чтобы они были ближе к барабану. При этом регулировочный рычаг качается настолько, чтобы сдвинуть регулировочную шестерню на один зуб. Регулировщик имеет резьбу, как болт, поэтому при вращении он немного откручивается, удлиняясь и заполняя зазор. Когда тормозные колодки изнашиваются еще немного, регулировщик может снова сработать, поддерживая колодки в непосредственной близости от барабана. Обычно регулировщики активируются только при движении транспортного средства задним ходом при нажатой педали тормоза. На транспортных средствах без автоматических регулировщиков требуется периодически вручную регулировать тормоза, чтобы компенсировать увеличивающийся зазор между колодками и барабаном.

Парковочный/аварийный тормоз

Система стояночного (или аварийного) тормоза управляет тормозами посредством ряда стальных тросов, соединенных либо с ручным рычагом, либо с педалью. Конструкция предусматривает, что система полностью механическая и полностью исключает гидравлическую систему, чтобы автомобиль можно было остановить даже при полном отказе основной тормозной системы. В данном случае трос натягивает рычаг, установленный в тормозном механизме, и напрямую воздействует на тормозные колодки. Это позволяет обойти рабочий цилиндр и управлять тормозами непосредственно.

В качестве приводной валы парковочного/аварийного тормоза

На приводной вал трансмиссии также устанавливали барабанные тормоза в качестве стояночных тормозов (например, на автомобилях Chrysler до 1962 года). Это даёт преимущество в виде полной независимости от рабочих тормозов, но имеет серьёзный недостаток: при использовании с домкратом-упором (распространённым в ту эпоху) на задней оси и отсутствии надёжных упоров под колёса, действие дифференциала может привести к скатыванию автомобиля с домкрата. Компания Land Rover использует барабанный тормоз на выходном валу коробки передач уже более пятидесяти лет. Преимущество заключается в том, что стояночным тормозом можно заблокировать все четыре колеса.

Недостатки

Барабанные тормоза, как и большинство других тормозных систем, преобразуют кинетическую энергию в тепло за счет трения. Со временем асбестовые волокна выкрашивались или отделялись, особенно под воздействием высоких температур, возникающих при торможении. Для снижения запыленности обычно применяли влажные кисти и аэрозольные распылители. Органы по технике безопасности иногда рекомендовали использовать вакуумные шланги для удаления пыли или кожухи с внутренним освещением и пространством для работы с инструментами, однако это было редкостью и было неудобно в использовании. Также рекомендовалось использовать специальную обувь, предназначенную для защиты от асбеста. Имеются данные о том, что у автомехаников отмечался непропорционально высокий уровень заболеваемости мезотелиомой.