Введение

Гидравлический тормоз – это устройство тормозной системы, использующее тормозную жидкость, как правило, содержащую гликолевые эфиры или диэтиленгликоль, для передачи давления от управляющего механизма к тормозному механизму.

История

В 1904 году Фредерик Джордж Хит из Реддитча, Англия, разработал и установил гидравлическую (водяную/глицериновую) тормозную систему на велосипед, используя рычаг руля и поршень. Он получил патент GB190403651A на «Усовершенствования в гидравлически приводимых тормозах для велосипедов и моторов», а также впоследствии – на улучшенные гибкие резиновые гидравлические трубы. В 1908 году Эрнест Уолтер Вейт из Бристоля, Англия, разработал и установил на автомобиль четырехколесную гидравлическую (масляную) тормозную систему. Он запатентовал ее в Великобритании (GB190800241A) в декабре 1908 года, позже в Европе и США, а затем продемонстрировал ее на Лондонском автосалоне 1909 года. Его брат Уильям Герберт Вейт усовершенствовал патент (GB190921122A), и оба были переданы компании Weight Patent Automobile Brake Ltd., основанной в 1909/10 по адресу 23 Bridge Street, Бристоль. Компания, располагавшая заводом на Luckwell Lane в Бристоле, установила четырехколесную гидравлическую тормозную систему на шасси Metallurgique, оснащенное кузовом Hill and Boll, которое было выставлено на Лондонском автосалоне в ноябре 1910 года. Несмотря на то, что тормозная система была установлена на большем количестве автомобилей, и компания активно ее рекламировала, она прекратила свое существование, не достигнув заслуженного успеха. Малькольм Логхед (позже изменивший написание своей фамилии на Локхид) изобрел гидравлические тормоза, которые он запатентовал в 1917 году. «Локхид» – распространенное название тормозной жидкости во Франции. Фред Дюсенберг использовал гидравлические тормоза Lockheed Corporation на своих гоночных автомобилях 1914 года, а его автомобильная компания, Duesenberg, первой применила эту технологию на Duesenberg Model A в 1921 году. Компания Knox Motors из Спрингфилда, штат Массачусетс, начала оснащать свои тракторы гидравлическими тормозами в 1915 году. Эта технология получила дальнейшее развитие в автомобилестроении и в конечном итоге привела к созданию самоподсиливающейся гидравлической барабанной тормозной системы (Эдвард Бишоп Боутон, Лондон, Англия, 28 июня 1927 года), которая до сих пор используется.

Работа системы

В гидравлической тормозной системе при нажатии на педаль тормоза, шток передает усилие на поршень (или поршни) в главном тормозном цилиндре, заставляя тормозную жидкость из резервуара поступать в камеру давления через компенсационный порт. Это приводит к увеличению давления во всей гидравлической системе, заставляя жидкость двигаться по гидравлическим магистралям к одному или нескольким суппортам, где она воздействует на один или несколько поршней суппорта, уплотненных одним или несколькими уплотнительными кольцами (предотвращающими утечку жидкости). Поршни тормозных суппортов затем прижимают тормозные колодки к вращающемуся ротору, и трение между колодками и ротором создает тормозной момент, замедляя транспортное средство. Тепло, выделяющееся при трении, рассеивается через вентиляционные отверстия и каналы в роторе или отводится через колодки, изготовленные из специальных жаропрочных материалов, таких как кевлар или спеченное стекло. В качестве альтернативы, в барабанной тормозной системе жидкость поступает в рабочий цилиндр колеса и прижимает одну или две тормозные колодки к внутренней поверхности вращающегося барабана. Тормозные колодки барабанного типа используют аналогичный жаропрочный фрикционный материал, как и колодки дисковых тормозов. После отпускания педали/рычага тормоза пружина (или пружины) в главном тормозном цилиндре возвращает поршень (или поршни) в исходное положение. Это действие сначала снимает гидравлическое давление с суппорта, а затем создает разрежение на поршень суппорта, возвращая его в корпус и освобождая тормозные колодки от ротора. Гидравлическая тормозная система является замкнутой: если в системе нет утечек, тормозная жидкость не поступает в нее и не выходит из нее, и не расходуется в процессе эксплуатации. Однако утечки могут возникать из-за трещин в уплотнительных кольцах или повреждений тормозных трубок. Трещины могут образовываться при смешивании двух типов тормозной жидкости или при загрязнении тормозной жидкости водой, спиртом, антифризом или другими жидкостями.

Пример гидравлической тормозной системы

Гидравлические тормоза передают энергию для остановки объекта, обычно вращающейся оси. В очень простой тормозной системе, состоящей из двух цилиндров и дискового тормоза, цилиндры могут быть соединены трубками, внутри которых находится поршень. Цилиндры и трубки заполнены несжимаемой жидкостью. Два цилиндра имеют одинаковый объем, но разные диаметры и, следовательно, разные площади поперечного сечения. Цилиндр, используемый оператором, называется главным цилиндром. Вращающийся дисковый тормоз прилегает к поршню с большей площадью поперечного сечения. Предположим, что диаметр главного цилиндра вдвое меньше диаметра рабочего цилиндра, следовательно, площадь поперечного сечения главного цилиндра в четыре раза меньше. Если поршень в главном цилиндре опустится на 40 мм, рабочий поршень переместится на 10 мм. Если к главному поршню приложить силу в 10 ньютонов (Н), рабочий поршень будет давить с силой в 40 Н.

Эту силу можно дополнительно увеличить, установив рычаг, соединенный между главным поршнем, педалью и точкой опоры. Если расстояние от педали до точки опоры в три раза больше расстояния от точки опоры до соединенного поршня, то при нажатии на педаль сила на педаль умножается в 3 раза, так что 10 Н становятся 30 Н на главный поршень и 120 Н на тормозную колодку. Соответственно, педаль должна перемещаться в три раза больше, чем главный поршень. Если педаль опустить на 120 мм, главный поршень переместится на 40 мм, а рабочий поршень переместит тормозную колодку на 10 мм.

Механические тормоза

Вакуумный усилитель или вакуумный сервопривод используется в большинстве современных гидравлических тормозных систем с четырьмя колесами. Усилитель устанавливается между главным тормозным цилиндром и педалью тормоза и увеличивает тормозное усилие, прикладываемое водителем. Эти устройства состоят из полого корпуса с подвижной резиновой диафрагмой посередине, образующей две камеры. При подключении к зоне низкого давления корпуса дроссельной заслонки или впускного коллектора двигателя давление в обеих камерах снижается. Равновесие, создаваемое низким давлением в обеих камерах, удерживает диафрагму от перемещения до нажатия на педаль тормоза. Возвратная пружина удерживает диафрагму в исходном положении до момента нажатия на педаль. При нажатии на педаль тормоза движение открывает воздушный клапан, который впускает атмосферный воздух в одну из камер усилителя. Поскольку давление в одной камере становится выше, диафрагма перемещается к камере с низким давлением под действием силы, создаваемой площадью диафрагмы и разницей давлений. Эта сила, в дополнение к усилию ноги водителя, давит на поршень главного цилиндра. Требуется усилитель относительно небольшого диаметра; при очень консервативных 50% вакуума во впускном коллекторе вспомогательная сила около 1500 Н создается диафрагмой диаметром 20 см и площадью 0,03 квадратных метра. Диафрагма перестанет двигаться, когда силы по обе стороны камеры уравновесятся. Это может произойти либо из-за закрытия воздушного клапана (при прекращении нажатия на педаль), либо при достижении предела хода. Предел хода достигается, когда давление в одной камере достигает атмосферного, и дальнейшее увеличение силы за счет разницы давлений невозможно. После достижения предела хода только усилие ноги водителя может быть использовано для дальнейшего нажатия на поршень главного цилиндра. Давление жидкости из главного цилиндра проходит через пару стальных тормозных трубок к дифференциальному клапану давления, иногда называемому "клапаном отказа тормозов", который выполняет две функции: он уравнивает давление в обеих системах и предупреждает о потере давления в одной из них. Дифференциальный клапан давления имеет две камеры (к которым подсоединяются гидравлические линии) с поршнем между ними. Когда давление в обеих линиях сбалансировано, поршень не перемещается. Если давление в одной из линий падает, давление из другой линии перемещает поршень. Когда поршень соприкасается с простым электрическим датчиком в центре устройства, замыкается цепь, и водитель получает предупреждение об отказе в тормозной системе. От дифференциального клапана давления тормозные трубки передают давление к тормозным механизмам на колесах. Поскольку колеса не имеют фиксированного положения относительно кузова автомобиля, необходимо использовать гидравлические тормозные шланги от конца стальной трубки на раме автомобиля до суппорта на колесе. Допущение изгиба стальных тормозных трубок приводит к усталости металла и, в конечном итоге, к отказу тормозов. Распространенным улучшением является замена стандартных резиновых шлангов на шланги, усиленные внешней оплеткой из нержавеющей стали. Оплетка из проволоки имеет незначительное расширение под давлением и может обеспечить более четкое ощущение педали тормоза с меньшим ходом при заданном тормозном усилии. Термин "гидравлические тормоза с усилителем" также может относиться к системам, работающим по совершенно иным принципам, где насос, приводимый в действие двигателем, поддерживает постоянное гидравлическое давление в центральном аккумуляторе. Педаль тормоза водителя просто управляет клапаном для сброса давления в тормозные механизмы на колесах, а не создает давление в главном цилиндре путем нажатия на поршень. Этот тип тормозов аналогичен пневматической тормозной системе, но использует гидравлическую жидкость в качестве рабочей среды вместо воздуха. Однако в пневматической тормозной системе воздух выпускается из системы при отпускании тормозов, и запас сжатого воздуха необходимо восполнять. В гидравлической тормозной системе с усилителем жидкость под низким давлением возвращается из тормозных механизмов на колесах к насосу, приводимому в действие двигателем, при отпускании тормозов, поэтому центральный аккумулятор давления почти мгновенно перезаряжается. Это делает гидравлическую систему с усилителем особенно подходящей для транспортных средств, которые часто останавливаются и стартуют (например, автобусов в городах). Постоянно циркулирующая жидкость также устраняет проблемы с замерзанием деталей и скоплением водяного пара, которые могут возникать в пневматических системах в холодном климате. Автобус AEC Routemaster является хорошо известным примером применения гидравлических тормозов с усилителем, а последовательные поколения автомобилей Citroen с гидропневматической подвеской также использовали полностью гидравлические тормоза, а не традиционные автомобильные тормозные системы. Большинство крупных самолетов также используют гидравлические колесные тормоза с усилителем из-за огромной тормозной силы, которую они могут обеспечить; колесные тормоза связаны с одной или несколькими основными гидравлическими системами самолета, а также оснащены аккумулятором, позволяющим затормозить самолет даже в случае отказа гидравлической системы.

Особые соображения

Системы воздушных тормозов громоздки и требуют воздушных компрессоров и резервуаров. Гидравлические системы меньше и дешевле. Гидравлическая жидкость должна быть несжимаемой. В отличие от воздушных тормозов, где открывается клапан и воздух поступает в магистрали и тормозные камеры до тех пор, пока давление не повысится до необходимого уровня, гидравлические системы полагаются на один ход поршня для принудительного перемещения жидкости по системе. Если в систему попадет пар, он будет сжиматься, и давление может оказаться недостаточным для приведения тормозов в действие. Гидравлические тормозные системы иногда подвергаются воздействию высоких температур во время работы, например, при спуске с крутых склонов. Поэтому гидравлическая жидкость должна быть устойчива к испарению при высоких температурах. Вода легко испаряется при нагревании и может вызывать коррозию металлических деталей системы. Даже небольшое количество воды, попадающее в тормозные магистрали, вступает в реакцию с большинством распространенных тормозных жидкостей (то есть гигроскопических), вызывая образование отложений, которые могут засорить тормозные магистрали и резервуар. Полностью изолировать любую тормозную систему от воздействия воды практически невозможно, поэтому регулярная замена тормозной жидкости необходима для предотвращения переполнения системы отложениями, образующимися в результате реакции с водой. Легкие масла иногда используются в качестве гидравлических жидкостей, поскольку они не реагируют с водой: масло вытесняет воду, защищает пластиковые детали от коррозии и может выдерживать гораздо более высокие температуры перед испарением, но имеет и другие недостатки по сравнению с традиционными гидравлическими жидкостями. Силиконовые жидкости – более дорогой вариант. "Утрата эффективности торможения" (или "закипание тормозов") – это состояние, вызванное перегревом, при котором эффективность торможения снижается и может быть полностью потеряна. Это может произойти по множеству причин. Тормозные колодки, контактирующие с вращающейся частью, могут перегреться и "застеклиться", становясь настолько гладкими и твердыми, что не обеспечивают достаточного сцепления для замедления транспортного средства. Кроме того, испарение гидравлической жидкости при экстремальных температурах или термическая деформация могут привести к изменению формы тормозных накладок и уменьшению площади контакта с вращающейся частью. Термическая деформация также может вызвать необратимые изменения формы металлических компонентов, что приведет к снижению тормозной способности и потребует замены поврежденных деталей.

Патенты

Кинчин 1956 05 22
Дюбоис 1952 04 08
Мартин 1951 03 13
Брайант 1949 10 08
Джонсон Уэйд С., Тришман Гарри А., Страттон Эдгар Х. 1949 04 12
Фитч 1947 02 12
Ламберт Гомер Т. 1946 08 06
Ламберт Гомер Т. 1945 05 15
Форбс Джозеф А. 1944 12 26
Ла Бри 1938 12 20
Поаж Роберт А. и Поаж Марлин З. 1937 06 15
Эйвери Уильям Лестер 1936 02 21
Буус Нильс Питер Вальдемар 1934 05 15
Нортон Раймонд Дж. 1934 04 10
Боттон Эдвард Бишоп 1929 07 16
Боргвар Карл Фридрих Вильгельм 1940 09 06
Холл Фредерик Гарольд 1932 07 28
Рубюри Джон Мередит 1932 01 06