Тормоза: принципы работы и типы.

Введение

Механическое устройство, замедляющее движение, компонент транспортного средства.

Тормоз – это механическое устройство, которое препятствует движению, поглощая энергию движущейся системы. Он используется для замедления или остановки движущегося транспортного средства, колеса или оси, либо для предотвращения его движения, как правило, посредством трения.

Предыстория

Большинство тормозов обычно используют трение между двумя соприкасающимися поверхностями для преобразования кинетической энергии движущегося объекта в тепло, хотя могут применяться и другие методы преобразования энергии. Например, рекуперативное торможение преобразует значительную часть энергии в электрическую, которую можно сохранить для последующего использования. Другие методы преобразуют кинетическую энергию в потенциальную, накапливая её в виде сжатого воздуха или масла. Электромагнитные тормоза используют магнитные поля для преобразования кинетической энергии в электрический ток в тормозном диске, ребрах охлаждения или рельсе, который затем рассеивается в виде тепла. Существуют также методы торможения, преобразующие кинетическую энергию в иные формы, например, передавая её вращающемуся маховику. Обычно тормоза воздействуют на вращающиеся оси или колёса, но могут иметь и другие конструкции, например, замедлять поверхность движущейся жидкости (выпуск закрылков в воду или воздух). Некоторые транспортные средства используют комбинацию тормозных систем, например, драгстеры с колёсными тормозами и парашютом, или самолёты с колёсными тормозами и выпущенными в воздух тормозными щитками при посадке. Поскольку кинетическая энергия возрастает пропорционально квадрату скорости, объект, движущийся со скоростью 10 м/с, обладает в 100 раз большей энергией, чем объект той же массы, движущийся со скоростью 1 м/с, и, следовательно, теоретическое тормозное расстояние при торможении на пределе сцепления может быть в 100 раз больше. На практике, высокоскоростные транспортные средства испытывают значительное сопротивление воздуха, и потери энергии на преодоление этого сопротивления быстро растут с увеличением скорости. Почти все колёсные транспортные средства оснащены тормозами. Даже багажные и продуктовые тележки могут иметь их для использования на движущихся дорожках. Большинство самолётов с неподвижным крылом оснащены колёсными тормозами на шасси. Некоторые самолёты также имеют воздушные тормоза, предназначенные для снижения скорости в полёте. Яркими примерами служат планеры и некоторые самолёты времён Второй мировой войны, в основном истребители и многие пикирующие бомбардировщики того периода. Они позволяют самолёту поддерживать безопасную скорость при крутом снижении. Пикирующий бомбардировщик Saab B 17 и истребитель Vought F4U Corsair использовали выпущенное шасси в качестве воздушного тормоза. Фрикционные тормоза в автомобилях накапливают тепло при торможении в барабанном или дисковом тормозе, а затем постепенно рассеивают его в воздух. При движении под уклон некоторые транспортные средства могут использовать двигатель для торможения. При нажатии на педаль тормоза в современном автомобиле с гидравлическими тормозами поршень в конечном итоге прижимает тормозную колодку к тормозному диску, замедляя вращение колеса. На барабанном тормозе принцип тот же: цилиндр прижимает тормозные колодки к барабану, также замедляя колесо.

Most brakes commonly use friction between two surfaces pressed together to convert the kinetic energy of the moving object into heat, though other methods of energy conversion may be employed. For example, regenerative braking converts much of the energy to electrical energy, which may be stored for later use. Other methods convert kinetic energy into potential energy in such stored forms as pressurized air or pressurized oil. Eddy current brakes use magnetic fields to convert kinetic energy into electric current in the brake disc, fin, or rail, which is converted into heat. Still other braking methods even transform kinetic energy into different forms, for example by transferring the energy to a rotating flywheel. Brakes are generally applied to rotating axles or wheels, but may also take other forms such as the surface of a moving fluid (flaps deployed into water or air). Some vehicles use a combination of braking mechanisms, such as drag racing cars with both wheel brakes and a parachute, or airplanes with both wheel brakes and drag flaps raised into the air during landing. Since kinetic energy increases quadratically with velocity , an object moving at 10 m/s has 100 times as much energy as one of the same mass moving at 1 m/s, and consequently the theoretical braking distance, when braking at the traction limit, is up to 100 times as long. In practice, fast vehicles usually have significant air drag, and energy lost to air drag rises quickly with speed. Almost all wheeled vehicles have a brake of some sort. Even baggage carts and shopping carts may have them for use on a moving ramp. Most fixed wing aircraft are fitted with wheel brakes on the undercarriage. Some aircraft also feature air brakes designed to reduce their speed in flight. Notable examples include gliders and some World War II era aircraft, primarily some fighter aircraft and many dive bombers of the era. These allow the aircraft to maintain a safe speed in a steep descent. The Saab B 17 dive bomber and Vought F4U Corsair fighter used the deployed undercarriage as an air brake. Friction brakes on automobiles store braking heat in the drum brake or disc brake while braking then conduct it to the air gradually. When traveling downhill some vehicles can use their engines to brake. When the brake pedal of a modern vehicle with hydraulic brakes is pushed against the master cylinder, ultimately a piston pushes the brake pad against the brake disc which slows the wheel down. On the brake drum it is similar as the cylinder pushes the brake shoes against the drum which also slows the wheel down.

Типы

Тормоза в широком смысле можно описать как использующие трение, гидравлику или электромагнетизм. Один тормоз может применять несколько принципов: например, насос может прокачивать жидкость через отверстие для создания сопротивления.

Фрикционный

Фрикционные тормоза наиболее распространены и могут быть разделены на тормоза с "колодками" или "накладками", использующие явную поверхность износа, и гидродинамические тормоза, такие как парашюты, которые используют трение в рабочей жидкости и не имеют явного износа. Обычно термин "фрикционный тормоз" относится к тормозам с колодками/накладками и исключает гидродинамические тормоза, хотя последние также используют трение. Фрикционные (колодочные/накладочные) тормоза часто представляют собой вращающиеся устройства с неподвижной колодкой и вращающейся поверхностью износа. Распространенные конструкции включают колодки, которые сжимаются, чтобы прижиматься к внешней стороне вращающегося барабана, например, ленточный тормоз; вращающийся барабан с колодками, которые расширяются, чтобы прижиматься к внутренней стороне барабана, обычно называемый "барабанным тормозом", хотя возможны и другие конфигурации барабанов; и колодки, которые зажимают вращающийся диск, обычно называемый "дисковым тормозом". Существуют и другие конструкции тормозов, но они используются реже. Например, тормоза троллейбусов PCC включают плоскую колодку, которая прижимается к рельсу с помощью электромагнита; тормоз Мерфи зажимает вращающийся барабан, а дисковый тормоз Ausco Lambert использует полый диск (два параллельных диска, соединенных структурной перемычкой) с колодками, расположенными между поверхностями диска и расширяющимися в стороны. Барабанный тормоз – это автомобильный тормоз, в котором трение создается набором тормозных колодок, прижимающихся к внутренней поверхности вращающегося барабана. Барабан соединен с вращающейся ступицей колеса. Барабанные тормоза обычно встречаются на старых моделях автомобилей и грузовиков. Однако, благодаря низкой себестоимости производства, барабанные тормоза также устанавливаются на заднюю ось некоторых недорогих современных автомобилей. По сравнению с современными дисковыми тормозами, барабанные тормоза быстрее изнашиваются из-за их склонности к перегреву. Дисковый тормоз – это устройство для замедления или остановки вращения колеса. Тормозной диск (или ротор) обычно изготавливается из чугуна или керамики и соединен с колесом или осью. Для остановки колеса фрикционный материал в виде тормозных колодок (установленных в устройстве, называемом тормозным суппортом) механически, гидравлически, пневматически или электромагнитно прижимается к обеим сторонам диска. Трение замедляет или останавливает диск и прикрепленное к нему колесо.

Frictional brakes are most common and can be divided broadly into "shoe" or "pad" brakes, using an explicit wear surface, and hydrodynamic brakes, such as parachutes, which use friction in a working fluid and do not explicitly wear. Typically the term "friction brake" is used to mean pad/shoe brakes and excludes hydrodynamic brakes, even though hydrodynamic brakes use friction. Friction (pad/shoe) brakes are often rotating devices with a stationary pad and a rotating wear surface. Common configurations include shoes that contract to rub on the outside of a rotating drum, such as a band brake; a rotating drum with shoes that expand to rub the inside of a drum, commonly called a "drum brake", although other drum configurations are possible; and pads that pinch a rotating disc, commonly called a "disc brake". Other brake configurations are used, but less often. For example, PCC trolley brakes include a flat shoe which is clamped to the rail with an electromagnet; the Murphy brake pinches a rotating drum, and the Ausco Lambert disc brake uses a hollow disc (two parallel discs with a structural bridge) with shoes that sit between the disc surfaces and expand laterally. A drum brake is a vehicle brake in which the friction is caused by a set of brake shoes that press against the inner surface of a rotating drum. The drum is connected to the rotating roadwheel hub. Drum brakes generally can be found on older car and truck models. However, because of their low production cost, drum brake setups are also installed on the rear of some low cost newer vehicles. Compared to modern disc brakes, drum brakes wear out faster due to their tendency to overheat. The disc brake is a device for slowing or stopping the rotation of a road wheel. A brake disc (or rotor in U. S. English), usually made of cast iron or ceramic, is connected to the wheel or the axle. To stop the wheel, friction material in the form of brake pads (mounted in a device called a brake caliper) is forced mechanically, hydraulically, pneumatically or electromagnetically against both sides of the disc. Friction causes the disc and attached wheel to slow or stop.

Насосы

Насосные тормоза часто применяются там, где насос уже входит в состав механизма. Например, в двигателе внутреннего сгорания с поршнем можно прекратить подачу топлива, а затем внутренние насосные потери двигателя создают некоторое торможение. Некоторые двигатели используют перепускной клапан, называемый тормозом-замедлителем (Jake brake), для значительного увеличения насосных потерь. Насосные тормоза могут рассеивать энергию в виде тепла или быть рекуперативными тормозами, которые заряжают накопитель давления, известный как гидравлический аккумулятор.

Электромагнитные

Электромагнитные тормоза также часто используются там, где электродвигатель уже является частью механизма. Например, многие гибридные бензиново-электрические транспортные средства используют электродвигатель в качестве генератора для зарядки электрических аккумуляторов, а также в качестве рекуперативного тормоза. Некоторые дизель-электрические железнодорожные локомотивы используют электродвигатели для выработки электроэнергии, которая затем направляется в резисторный блок и рассеивается в виде тепла. Некоторые транспортные средства, такие как некоторые городские автобусы, не оснащены электродвигателем, но используют дополнительный тормоз-замедлитель ("ретардер"), который по сути является генератором с внутренним коротким замыканием. К связанным типам таких тормозов относятся тормоза вихревых токов и электромеханические тормоза (которые фактически являются фрикционными тормозами с магнитным приводом, но в настоящее время часто также называются "электромагнитными тормозами"). Электромагнитные тормоза замедляют объект посредством электромагнитной индукции, создающей сопротивление, которое, в свою очередь, преобразуется в тепло или электроэнергию. Фрикционные тормоза создают давление на два отдельных объекта для контролируемого замедления транспортного средства.

Компоненты фундамента

Основные компоненты – это компоненты тормозного механизма на колесах транспортного средства, получившие свое название из-за того, что они составляют основу всей тормозной системы. Эти механические детали, расположенные вблизи колес, управляются пневматической тормозной системой. Существуют три типа основных тормозных систем: кулачковые тормоза типа "S", дисковые тормоза и клиновые тормоза.

Ускорение торможения

Большинство современных легковых автомобилей и легких фургонов используют вакуумный усилитель тормозов, который значительно увеличивает усилие, прикладываемое водителем к тормозной системе автомобиля. Это дополнительное усилие обеспечивается за счет разрежения во впускном коллекторе, создаваемого сопротивлением воздушному потоку дроссельной заслонке работающего двигателя. Это усилие значительно снижается при полностью открытой дроссельной заслонке, поскольку уменьшается разница между атмосферным давлением и давлением во впускном коллекторе (абсолютным), а значит, и доступное разрежение. Однако тормоза редко используются при полностью нажатой педали газа; водитель убирает правую ногу с педали газа и переносит ее на педаль тормоза, если не применяется торможение левой ногой. Из-за низкого разрежения на высоких оборотах двигателя сообщения о непроизвольном ускорении часто сопровождаются жалобами на отказ или ослабление тормозов, поскольку двигатель с открытой дроссельной заслонкой не может обеспечить достаточного разрежения для работы вакуумного усилителя. Эта проблема усугубляется в автомобилях с автоматической коробкой передач, так как при нажатии на педаль тормоза происходит автоматическое понижение передачи, что увеличивает крутящий момент, передаваемый на ведущие колеса, контактирующие с дорожным покрытием. Более тяжелые автомобильные транспортные средства, а также поезда, обычно используют сжатый воздух для усиления тормозной мощности, подаваемый одним или несколькими компрессорами.

Шум

Хотя в идеале тормоз должен преобразовывать всю кинетическую энергию в тепло, на практике значительная часть может преобразовываться в звуковую энергию, что приводит к шумовому загрязнению. Для дорожных транспортных средств уровень шума существенно меняется в зависимости от конструкции шин, типа дорожного покрытия и интенсивности торможения. Шум может возникать по разным причинам. Это может быть признаком износа тормозов со временем.

Пожарные

Неисправности железнодорожных тормозов могут вызывать искры и приводить к лесным пожарам. В особо экстремальных случаях дисковые тормоза могут раскалиться докрасна и воспламениться. Так произошло на Гран-при Тосканы, когда передние карбоновые дисковые тормоза болида Mercedes W11 почти загорелись из-за недостаточной вентиляции и интенсивного использования. Подобные возгорания могут возникать и на некоторых фургонах Mercedes Sprinter, когда датчик регулировки нагрузки заклинивает, и задним тормозам приходится компенсировать работу передних.

Неэффективность

При торможении всегда теряется значительное количество энергии, даже при регенеративном торможении, которое не является полностью эффективным. Поэтому хорошим показателем эффективного расхода энергии во время вождения является то, насколько часто приходится тормозить. Если большая часть замедления происходит за счет неизбежного сопротивления качению, а не торможения, это означает, что от транспортного средства извлекается максимальная отдача. Минимизация использования тормозов – одно из действий, позволяющих максимизировать экономию топлива. Хотя энергия всегда теряется при торможении, вторичным фактором, влияющим на эффективность, является "сопротивление тормозной системы в отпущенном состоянии", или сопротивление, возникающее, когда тормоз не активирован намеренно. После торможения гидравлическое давление в системе падает, позволяя поршням тормозного суппорта вернуться в исходное положение. Однако это возвращение должно учитывать всю упругость системы (под давлением), а также термические деформации компонентов, таких как тормозной диск. В противном случае тормозная система будет продолжать оказывать сопротивление, пока контакт с диском, например, не отодвинет колодки и поршни от рабочей поверхности. В течение этого времени может возникать значительное сопротивление тормозной системы. Это сопротивление может приводить к существенным паразитным потерям мощности, что негативно сказывается на экономии топлива и общей производительности автомобиля.