Как работают автомобильные тормоза: полное руководство по тормозным системам

Автомобильные тормоза преобразуйте кинетическую энергию вашего автомобиля в тепловую энергию посредством трения, приводя ваш автомобиль к контролируемой остановке. Когда вы нажимаете педаль тормоза, гидравлическое давление увеличивает силу вашей ноги в 3-6 раз. , прижимая тормозные колодки к вращающимся дискам или барабанам, создавая трение, необходимое для замедления. В современных автомобилях используются дисковые тормоза, барабанные тормоза или их комбинация, а также сложные системы, такие как ABS и электронное распределение тормозных усилий, для обеспечения безопасного и надежного торможения.

Фонд гидравлической тормозной системы

Гидравлическая система составляет основу современного автомобильного торможения. Когда вы нажимаете педаль тормоза, активируется главный цилиндр, содержащий тормозную жидкость. Эта герметичная система работает по принципу Паскаля, согласно которому давление, приложенное к закрытой жидкости, одинаково передается по всей системе.

Работа главного цилиндра

В главном цилиндре расположены два поршня, которые создают давление в отдельных гидравлических контурах. Двухконтурные системы стали обязательными в 1967 году. после того, как правила безопасности требуют резервирования - если одна цепь выходит из строя, другая сохраняет возможность частичного торможения. Типичный главный цилиндр генерирует Гидравлическое давление 800–1200 фунтов на квадратный дюйм при нормальном торможении и до 2000 фунтов на квадратный дюйм при аварийной остановке.

Свойства тормозной жидкости

Тормозная жидкость должна оставаться несжимаемой в экстремальных условиях, выдерживая температуру от -40°F до более 400°F. Жидкости ДОТ 3, ДОТ 4 и ДОТ 5.1 изготовлены на основе гликоля с разными температурами кипения:

Гигроскопичность жидкостей на основе гликоля означает, что они со временем впитывают влагу, что снижает температуру кипения и снижает эффективность торможения. Производители рекомендуют замену тормозной жидкости каждые 2-3 года. независимо от пробега.

Компоненты и функции дискового тормоза

Дисковые тормоза доминируют в современных автомобилях благодаря превосходному отводу тепла и стабильной работе. Система состоит из ротора, прикрепленного к ступице колеса, гидравлических поршней в корпусе суппорта и тормозных колодок, которые создают трение о ротор.

Конструкция тормозного ротора

Роторы выпускаются в нескольких конфигурациях, каждая из которых оптимизирована для различных применений:

• Сплошные роторы цельные отливки, используемые на задних мостах малолитражных автомобилей, где тепловыделение ниже
• Вентилируемые роторы имеют внутренние охлаждающие лопатки, которые прокачивают воздух через ротор, снижая температуру на 100–200°F во время резкого торможения.
• Просверленные роторы имеют отверстия, которые выпускают скопившийся газ и уменьшают вес, но могут треснуть при экстремальных термических нагрузках
• Щелевые роторы используйте канавки для отвода тормозной пыли и поддержания прилегания колодок, что характерно для автомобилей с высокими эксплуатационными характеристиками.

Большинство роторов легковых автомобилей имеют диаметр 10–14 дюймов и вес 15–25 фунтов. В высокопроизводительных приложениях используются роторы диаметром до 16 дюймов и толщиной от 28 до 32 мм, позволяющие выполнять повторяющиеся резкие остановки с 60 миль в час на расстоянии менее 110 футов .

Типы и работа суппортов

Суппорты бывают двух основных конструкций. В плавающих суппортах используется один поршень, который прижимает одну колодку к ротору и одновременно тянет корпус суппорта, чтобы установить противоположную колодку. Эта конструкция стоит дешевле и появляется на большинстве автомобилей эконом- и среднего класса. Неподвижные суппорты установлены жестко и используют противоположные поршни (обычно 4, 6 или 8) для равномерного приложения давления с обеих сторон. Фиксированные суппорты обеспечивают на 15–20 % большую силу зажима. с улучшенным отводом тепла, что делает их стандартными для спортивных автомобилей и роскошных седанов.

Состав тормозных колодок

Современные тормозные колодки состоят из нескольких материалов, чтобы сбалансировать характеристики трения, шума, пыли и износа. Полуметаллические колодки содержат 30-65% металлов, включая сталь, железо и медь, что обеспечивает отличную теплопередачу и долговечность. Срок службы 40 000-70 000 миль. . В керамических колодках используются керамические волокна и цветные металлы, которые производят меньше пыли и шума, но стоят на 40–60 % дороже. Органические подушечки работают тихо, но изнашиваются быстрее и плохо работают во влажном состоянии.

Механика барабанных тормозов

Барабанные тормоза заключают фрикционные компоненты внутри вращающегося барабана с помощью изогнутых тормозных колодок, которые прижимаются наружу к внутренней поверхности барабана. Несмотря на то, что на передних осях барабаны в основном заменены дисками, барабаны по-прежнему распространены на задних осях грузовиков и малолитражных автомобилей из-за более низких производственных затрат и эффективной интеграции стояночного тормоза.

Дизайн ведущей и задней обуви

В большинстве барабанных систем используется конфигурация башмаков с ведущей и задней частью. Ведущий башмак движется в направлении вращения барабана, создавая эффект автоподпитки, многократно увеличивающий тормозное усилие. Прицепной башмак движется против вращения, обеспечивая устойчивость и предотвращая блокировку. Эта договоренность обеспечивает стабильное тормозное усилие при уменьшении усилия на педали на 25–30 %. чем эквивалентные дисковые системы.

Функция колесного цилиндра

Гидравлическое давление из главного цилиндра поступает в колесный цилиндр, содержащий два противоположных поршня. Эти поршни выталкивают тормозные колодки наружу, преодолевая напряжение возвратной пружины. Типичное отверстие колесного цилиндра имеет диаметр 0,75–1,0 дюйма, создавая достаточную силу для создания Давление между башмаком и барабаном 400-600 фунтов .

Ограничения по тепловыделению

Закрытая конструкция удерживает тепло внутри узла барабана, ограничивая возможность многократного резкого торможения. Барабаны могут нагреваться до 400-600°F при нормальном использовании, но постоянные температуры выше 500°F приводят к угасанию тормозов, поскольку фрикционные материалы теряют эффективность. Это сохранение тепла объясняет, почему современные автомобили используют дисковые тормоза на передних осях, которые справляются с 60-70% от общего тормозного усилия во время замедления.

Системы усиления тормозов

Усилители тормозов усиливают усилие на педали, снижая усилия водителя и сохраняя при этом точный контроль. Без посторонней помощи остановка автомобиля массой 3500 фунтов на скоростях шоссе потребовала бы нажатия на педаль более 150 фунтов — неприемлемая потребность для большинства водителей.

Вакуумный усилитель тормозов

Вакуумный усилитель использует вакуум во впускном коллекторе двигателя для создания перепада давления на диафрагме. Когда вы нажимаете педаль тормоза, открывается клапан, пропускающий атмосферное давление с одной стороны диафрагмы и поддерживающий вакуум с другой. Это Разница давлений 14,7 фунтов на квадратный дюйм толкает шток, который помогает главному цилиндру, умножая входное усилие в 3-4 раза. Типичный усилитель имеет диаметр 8–11 дюймов и устанавливается между педальным узлом и главным цилиндром.

Гидравлический усилитель торможения

Дизельным двигателям и автомобилям с турбонаддувом часто не хватает вакуума, поэтому требуются гидравлические вспомогательные системы. В них используется насос с приводом от двигателя, который создает давление гидравлической жидкости в 2000–3000 фунтов на квадратный дюйм , хранится в аккумуляторе. Система обеспечивает постоянный наддув независимо от нагрузки на двигатель и обеспечивает расширенные функции, такие как автоматическое экстренное торможение.

Электромеханические усилители

В гибридных и электромобилях используются электромеханические усилители тормозов, поскольку в них отсутствует непрерывная работа двигателя. Шарико-винтовая передача с приводом от двигателя или коробка передач усиливают воздействие педали, обеспечивая немедленную реакцию и плавно интегрируясь с системами рекуперативного торможения, которые могут восстанавливаться. до 70% кинетической энергии во время замедления.

Антиблокировочная тормозная система

ABS предотвращает блокировку колес при резком торможении, модулируя гидравлическое давление до 15 раз в секунду. Система поддерживает сцепление шин с дорогой, позволяя управлять рулевым управлением и максимизируя тормозное усилие. ABS сокращает тормозной путь на 10-20% на мокром асфальте. и тем более на льду или гравии.

Компонент Работа

Каждое колесо имеет датчик скорости, который контролирует скорость вращения. Когда модуль управления ABS обнаруживает, что колесо замедляется быстрее, чем другие, что указывает на надвигающуюся блокировку, он дает команду гидравлическому модулятору снизить давление в тормозе этого колеса. Система проходит три фазы:

1. Удержание давления сохраняет текущее тормозное усилие, когда начинается пробуксовка колес
2. Снижение давления сбрасывает тормозное давление для восстановления вращения колес
3. Повышение давления повторно применяет тормозное усилие, когда колесо восстанавливает сцепление с дорогой

Характеристики производительности

Современные системы ABS обрабатывают данные датчиков каждые 5-10 миллисекунд, регулируя тормозное давление с точностью до миллисекунды. Типичная система поддерживает оптимальный коэффициент скольжения в пределах 10–20 %, когда трение в шинах достигает максимума. Это объясняет ощущение пульсации педали во время активации ABS — гидравлический модулятор быстро переключает клапаны, чтобы контролировать давление.

Электронное распределение тормозных усилий

EBD оптимизирует баланс тормозов между передней и задней осями в зависимости от загрузки автомобиля и скорости замедления. Во время торможения вес переносится вперед, что снижает сцепление задних колес. EBD пропорционально снижает давление в задних тормозах, чтобы предотвратить преждевременную блокировку задних колес и максимально повысить эффективность передних тормозов.

Система контролирует скорость отдельных колес и постоянно рассчитывает оптимальное распределение давления. В загруженном пикапе EBD может отправить 75% тормозного усилия на переднюю ось , в то время как пустой спортивный автомобиль получает более сбалансированное разделение 65-35. Эта динамическая регулировка повышает устойчивость и сокращает тормозной путь в различных условиях.

Требования к техническому обслуживанию тормозной системы

Правильное техническое обслуживание обеспечивает стабильную эффективность торможения и предотвращает преждевременный выход компонентов из строя. Понимание характера износа и интервалов технического обслуживания помогает выявлять проблемы до того, как они поставят под угрозу безопасность.

Срок службы колодки и ротора

Тормозные колодки обычно требуют замены каждые 30 000–70 000 миль в зависимости от стиля вождения и состава материала. Большинство колодок оснащены индикаторами износа — металлическими выступами, которые соприкасаются с ротором, когда толщина колодки достигает 3 мм, минимальная безопасная спецификация . Роторы служат 50 000–100 000 миль, но требуют измерения при замене колодок. Толщина ниже минимальной спецификации или биение поверхности, превышающее 0,002 дюйма, требует замены ротора.

Проверка и замена жидкости

Тестирование тормозной жидкости измеряет содержание влаги и температуру кипения. Загрязненная жидкость выглядит темно-коричневой вместо прозрачно-янтарной и может содержать видимые частицы. Профессиональные испытания показывают, что Содержание влаги 3% снижает температуру кипения на 25%. , что значительно увеличивает риск затухания во время спусков с гор или повторяющихся резких остановок.

Предупреждающие признаки проблем с тормозами

• Визг или скрежет указывают на изношенные колодки, требующие немедленной замены.
• Пульсация педали указывает на деформацию роторов, разница в толщине которых превышает спецификации.
• Мягкое или рыхлое ощущение педали указывает на наличие воздуха в гидравлических линиях или внутренний износ главного цилиндра.
• Увод автомобиля в сторону во время торможения указывает на заклинивание поршней суппорта или загрязнение колодок.
• Увеличенный тормозной путь указывает на общую деградацию системы, требующую комплексной проверки.

Своевременное устранение этих симптомов предотвращает повреждение других компонентов и сохраняет запас безопасности, необходимый для аварийной остановки.