Введение
Снижение тормозной способности
Затухание тормозов (или снижение эффективности тормозной системы транспортного средства) – это уменьшение тормозной силы, которое может возникнуть после многократного или продолжительного применения тормозов, особенно в условиях высоких нагрузок или скоростей. Затухание тормозов может быть фактором для любого транспортного средства, использующего фрикционную тормозную систему, включая автомобили, грузовики, мотоциклы, самолеты и велосипеды. Оно вызвано накоплением тепла на тормозных поверхностях и последующими изменениями и реакциями в компонентах тормозной системы и может наблюдаться как в барабанных, так и в дисковых тормозах. Потеря тормозной силы, или затухание, может быть вызвана фрикционным затуханием, механическим затуханием или затуханием тормозной жидкости. Затухание тормозов можно значительно уменьшить за счет правильного выбора оборудования и материалов, а также эффективного охлаждения. Затухание тормозов чаще всего возникает при агрессивном вождении или при спуске с длинного крутого склона. Оно более распространено в барабанных тормозах из-за их конструкции. Дисковые тормоза гораздо более устойчивы к затуханию тормозов, поскольку тепло может легче отводиться от ротора и колодок, и стали стандартной комплектацией передних тормозов большинства транспортных средств.
Причины отслабления тормоза
Снижение трения, известное как тормозное угасание, возникает, когда температура достигает "точки перегиба" на температурной кривой трения, и между диском и колодкой накапливается газ. Все тормозные колодки подвергаются отверждению под механическим давлением по определенному графику нагрева и охлаждения, при котором материал трения нагревается для "отверждения" (образования поперечных связей) термореактивных полимеров фенольной смолы. Плавления связующих смол не происходит, поскольку фенольные смолы – термореактивные, а не термопластичные. При таком виде угасания педаль тормоза ощущается твердой, но эффективность торможения снижается. Угасание также может быть вызвано закипанием тормозной жидкости с выделением сжимаемых газов. В этом случае педаль тормоза становится "мягкой". Это состояние ухудшается при наличии в жидкости загрязнителей, таких как вода, которую большинство типов тормозных жидкостей склонны поглощать в различной степени. Поэтому замена тормозной жидкости является стандартной процедурой технического обслуживания.
Затухание при автоматическом торможении
Различные конструкции тормозов, такие как ленточные тормоза и многие барабанные тормоза, являются самоподдерживающимися: когда тормоз применяется, часть тормозной силы возвращается в тормозной механизм для дальнейшего усиления торможения. Это называется "положительной обратной связью" или "самосервоприводом". Самоподдержка уменьшает входное усилие, необходимое для применения тормоза, но усиливает эффект выцветания, поскольку уменьшение высоты или толщины фрикционного материала колодок также уменьшает силу прижатия колодок. В отличие от этого, для тормоза без самоподдержки, например, обычного дискового тормоза, потеря фрикционного материала колодок не изменяет силу прижатия, поэтому не происходит потери тормозного момента при заданном входном усилии. Механизм самоподдержки влияет на работу гидроусилителя и степень выцветания. Например, тормоза Ausco Lambert и Murphy имеют самоподдержку, примерно пропорциональную трению колодок, поэтому общая эффективность торможения снижается примерно пропорционально квадрату потери трения. Многие другие конструкции с самоподдержкой, такие как ленточные тормоза и многие распространенные барабанные тормоза, имеют экспоненциальную самоподдержку, описываемую формулой , где – основание натурального логарифма, – коэффициент трения между колодками и барабаном, а – угол контакта между колодками и барабаном. Небольшое изменение трения вызывает экспоненциальное изменение самоподдержки. Во многих распространенных тормозах даже небольшое увеличение трения может привести к блокировке колес даже при легком нажатии на педаль. Например, в сырые утренние часы барабанные тормоза могут заблокироваться при первом же нажатии, вызывая занос даже после отпускания педали тормоза. И наоборот, незначительное снижение трения может привести к серьезному выцветанию тормозов.
Факторы, способствующие исчезновению
Каскадные отказы из-за потери эффективности тормозов возможны. Например, типичная 5-осная седельная тяга с полуприцепом оснащена 10 тормозами. Если один тормоз теряет эффективность, нагрузка перераспределяется на остальные 9, заставляя их работать интенсивнее, нагреваться и, следовательно, также терять эффективность. Неравномерная потеря эффективности может привести к заносу транспортного средства. Поэтому на тяжелых транспортных средствах часто устанавливают непропорционально слабые тормоза на управляемых колесах, что увеличивает тормозной путь и заставляет тормоза на неуправляемых колесах работать интенсивнее, усугубляя потерю эффективности. Преимущество тормозов с низкой склонностью к потере эффективности, таких как дисковые, заключается в том, что управляемые колеса могут обеспечивать большее торможение без возникновения эффекта торможения рулем. Потеря эффективности тормозов обычно происходит при интенсивном или продолжительном торможении. Многие высокоскоростные транспортные средства используют дисковые тормоза, и многие европейские грузовые автомобили также оснащены дисковыми тормозами. Неправильная регулировка, связанная с износом, все еще является проблемой для грузовиков с барабанными пневматическими тормозами. Канадское исследование случайно остановленных большегрузных автомобилей показало, что у более чем 10% грузовиков с саморегулирующимися тормозами хотя бы один тормоз был не отрегулирован из-за неисправности механизма саморегулировки или износа, превышающего возможности саморегулировки. Новые тормозные поршни ("барабаны") увеличивают ход с примерно 65 мм до 75 мм; поскольку около 30 мм хода расходуется только на прижатие колодок к барабану, добавленные 10 мм хода представляют собой более чем 25% увеличение полезного хода. Увеличенный ход снижает потерю эффективности, особенно связанную с износом, но барабанные тормоза по-прежнему подвержены потере эффективности при нагреве. После охлаждения тормоза, потерявшие эффективность, обычно работают так же хорошо, как и раньше, без видимых изменений тормозных колодок и/или накладок. Однако, если тормоза были чрезмерно горячими в течение длительного времени, на обеих поверхностях трения колодок и накладок может образоваться глазурь. В этом случае контактные поверхности накладок будут гладкими и блестящими и не будут так эффективно замедлять транспортное средство при торможении. Эту глазурь можно легко удалить, аккуратно обработав их наждачной бумагой, или осторожно управляя транспортным средством с легким использованием тормозов в течение нескольких километров. Распространенное, но неверное объяснение потери эффективности тормозов заключается в том, что нагретые тормозные колодки испаряются, образуя газ, который отделяет их от барабана. Такие эффекты легко представить, но они физически невозможны из-за огромного объема газа, необходимого для этого. Газовому слою требовалось бы постоянное пополнение газа со скоростью движения диска или барабана, поскольку на его поверхности нет газа при приближении к колодке или накладке. Кроме того, дисковые тормоза используют аналогичные материалы и хорошо работают с минимальной потерей эффективности, даже когда диски раскалены. Если бы тормозные материалы выделяли газ при температуре барабана, они бы выделяли газ и при температуре диска, что привело бы к значительной потере эффективности. Поскольку диски демонстрируют небольшую потерю эффективности, это также свидетельствует о том, что выделение газа не является причиной потери эффективности. Некоторые дисковые тормоза имеют перфорацию или прорези, но гладкие диски не демонстрируют большей потери эффективности. Длинные следы от сдвоенных шин на шоссе, оставленные грузовиками с барабанными тормозами, являются наглядным примером нелинейности между реакцией тормозов и давлением на педаль. Большие грузовики по-прежнему используют барабанные тормоза, потому что они экономичны и легко устанавливаются там, где эквивалентный дисковый тормоз не подходит. В последнее время дисковые тормоза для грузовиков активно продвигаются, подчеркивая такие преимущества, как отсутствие потери эффективности, возможно, благодаря отсутствию эффекта самоусиления (самосервопривода).
Железнодорожные пути
Железнодорожные компании используют дисковые тормоза на пассажирских вагонах уже более 60 лет, но в сочетании с системой предотвращения блокировки колёс Rolokron, чтобы избежать образования плоских пятен (или “квадратных колёс”) при блокировке колёс и проскальзывании по поверхности рельса (что слышно как равномерный стук при прохождении поезда – не следует путать с ударами, производимыми колёсами при переезде стыков рельсов). Обычно тормозные диски устанавливаются в центре оси, но в некоторых конструкциях (например, в пригородных вагонах Bombardier Bi Level) используется только один диск, установленный на конце оси за пределами рамы тележки. Высокоскоростные поезда (такие как TGV) могут использовать четыре диска на ось. Грузовые вагоны (и некоторые пассажирские вагоны, например, моторвагонные составы, где тяговые двигатели не оставляют места на осях для установки дисковых тормозов) оснащаются тормозами с нажимными колодками, которые непосредственно прижимаются к беговой поверхности колёс (подобно старинным тормозам конных экипажей). Такие тормоза представляют собой внешние барабанные тормоза; однако, в отличие от тормозов с лентой и многих внутренних барабанных тормозов, они не имеют эффекта самоподсиления, и поэтому гораздо менее склонны к блокировке, чем тормоза с самоподсилением. Благодаря высокой жёсткости и относительно низкой мощности, эти тормоза с нажимными колодками ещё менее склонны к блокировке, чем многие дисковые тормоза, поэтому грузовые вагоны, использующие их, не оснащаются системами предотвращения блокировки колёс. Первая разработка современных керамических тормозов была проведена британскими инженерами, работавшими в железнодорожной отрасли для применения в поездах TGV в 1988 году. Целью было снижение веса, уменьшение количества тормозов на ось, а также обеспечение стабильного трения на очень высоких скоростях и при любых температурах. Результатом стал процесс производства керамики, армированной углеродным волокном, который в настоящее время используется в различных модификациях для тормозных систем автомобилей, поездов и самолётов.
Контроль за отблеском в технике вождения
Потеря эффективности тормозов и деформация тормозных дисков могут быть уменьшены за счет правильной техники торможения; при движении по длинному спуску, требующему торможения, просто переключитесь на пониженную передачу (это необходимо для многих грузовиков на крутых склонах в США). Кроме того, периодическое, а не постоянное применение тормозов позволит им остывать между нажатиями. Постоянное легкое нажатие на тормоза может быть особенно губительным как с точки зрения износа, так и с точки зрения нагрева тормозной системы.
Модификация тормоза для уменьшения бледа
Высокопроизводительные тормозные компоненты обеспечивают повышенную тормозную мощность за счет улучшения трения и снижения эффекта заклинивания тормозов (brake fade). Улучшенное трение достигается за счет использования фрикционных материалов с более высоким коэффициентом трения, чем у стандартных тормозных колодок, а эффект заклинивания тормозов снижается благодаря применению более дорогих связующих смол с более высокой температурой плавления, а также дисков/роторов с прорезями, отверстиями или насечками, которые уменьшают газовый пограничный слой и улучшают теплоотвод. Перегрев тормозов можно дополнительно снизить путем модификации кузова для направления холодного воздуха к тормозам. "Газовый пограничный слой" – это объяснение, используемое механиками, занимающимися тюнингом автомобилей (hot rod mechanics), для описания потери самоподсиливающего эффекта барабанных тормозов, когда педаль тормоза ощущалась как "камень". Для борьбы с этим эффектом тормозные колодки просверливались и делались с прорезями для отвода газа. Однако, несмотря на это, от барабанных тормозов отказались из-за их самоподсиливающего эффекта. Дисковые тормоза лишены этого, поскольку приложенное усилие действует под прямым углом к результирующей тормозной силе, исключая взаимодействие. Сторонники теории газовых выбросов распространили эту идею на мотоциклы, велосипеды и "спортивные" автомобили, в то время как у большинства других пользователей дисковых тормозов от тех же производителей отверстий в дисках нет, хотя и используются внутренние радиальные воздушные каналы. Вентиляционных отверстий для отвода газа не обнаружено в тормозных системах поездов, самолетов и легковых автомобилей, поскольку там нет газа для отвода. В то же время, тяжелые грузовики по-прежнему используют барабанные тормоза, поскольку они занимают такое же пространство. Железнодорожный транспорт никогда не использовал внутренние расширяющиеся барабанные тормоза, поскольку они вызывают пробуксовку и образование дорогостоящих плоских пятен на стальных колесах. Эффективность как дисковых, так и барабанных тормозов можно повысить любыми методами, отводящими тепло от тормозных поверхностей. Эффект заклинивания барабанных тормозов можно уменьшить, а общую производительность немного повысить с помощью старой техники "горячих родеров" – сверления барабанов. В барабан просверливается тщательно подобранный рисунок отверстий; вращение барабана центробежно перекачивает небольшое количество воздуха через зазор между колодкой и барабаном, отводя тепло; эффект заклинивания, вызванный намоканием тормозов, снижается, поскольку вода отводится центробежной силой; и часть пыли тормозного материала выходит через отверстия. Сверление тормозных барабанов требует глубоких знаний физики тормозных барабанов и является сложной процедурой, которую лучше доверить профессионалам. Существуют специализированные мастерские, которые могут безопасно выполнить необходимые модификации. Эффект заклинивания тормозов, вызванный перегревом тормозной жидкости (часто называемый "проваливанием педали"), также можно уменьшить с помощью тепловых барьеров, устанавливаемых между тормозной колодкой и поршнем тормозного суппорта, что снижает передачу тепла от колодки к суппорту и, следовательно, к гидравлической тормозной жидкости. Некоторые высокопроизводительные гоночные суппорты уже включают такие тепловые щиты, изготовленные из титана или керамики. Однако можно приобрести и титановые тепловые щиты для тормозов, которые подходят к существующей тормозной системе для защиты от тепла. Эти вставки прецизионно вырезаны, чтобы максимально покрыть колодку. Благодаря своей относительно низкой стоимости и простоте установки они популярны среди гонщиков и любителей трек-дней. Другой метод предотвращения эффекта заклинивания тормозов – использование охладителей тормозов (fade stop brake coolers). Как и титановые тепловые щиты, охладители тормозов предназначены для установки между основанием тормозной колодки и поршнем суппорта. Они изготовлены из металла с высокой теплопроводностью и пределом прочности, который отводит тепло от интерфейса к радиатору, расположенному снаружи суппорта и обдуваемому потоком воздуха. Показано, что они снижают температуру поршня суппорта более чем на двадцать процентов и значительно сокращают время охлаждения. В отличие от титановых тепловых щитов, охладители тормозов фактически отводят тепло в окружающую среду, тем самым поддерживая колодки более холодными.