Барабанный тормоз — это тормоз , использующий трение , создаваемое набором колодок или накладок , которые давят наружу на вращающуюся чашеобразную деталь, называемую тормозным барабаном.
Термин барабанный тормоз обычно означает тормоз, в котором колодки давят на внутреннюю поверхность барабана. Когда колодки давят на внешнюю часть барабана, его обычно называют колодочным тормозом . Когда барабан зажимается между двумя колодками, подобно обычному дисковому тормозу , его иногда называют зажимным барабанным тормозом , хотя такие тормоза встречаются относительно редко. Родственный тип, называемый ленточным тормозом, использует гибкий ремень или «ленту», оборачивающуюся вокруг внешней части барабана.
Современный автомобильный барабанный тормоз впервые был использован в автомобиле, произведенном Maybach в 1900 году, хотя принцип был запатентован только в 1902 году Луи Рено . Он использовал плетеную асбестовую накладку для накладки барабанного тормоза, поскольку никакой другой материал не рассеивал тепло более эффективно, хотя Maybach использовал менее сложный барабанный тормоз. В первых барабанных тормозах рычаги и стержни или тросы приводили колодки в действие механически. С середины 1930-х годов давление масла в небольшом колесном цилиндре и поршнях (как на рисунке) приводило в действие тормоза, хотя некоторые автомобили продолжали использовать чисто механические системы в течение десятилетий. Некоторые конструкции имеют два колесных цилиндра.
По мере износа колодок в барабанных тормозах тормоза требовали регулярной ручной регулировки до появления саморегулирующихся барабанных тормозов в 1950-х годах. Барабанные тормоза также склонны к снижению эффективности торможения при многократном использовании. [1]
Jaguar Cars выставили три автомобиля, оснащенных дисковыми тормозами, на гонку в Ле-Мане в 1953 году, где они победили, во многом благодаря их превосходному торможению по сравнению с соперниками, оснащенными барабанными тормозами. [2] Это ознаменовало начало конца барабанных тормозов в легковых автомобилях. С 1960-х по 1980-е годы дисковые тормоза постепенно заменили барабанные тормоза на передних колесах автомобилей (которые получают большую часть тормозного усилия). Теперь практически все автомобили используют дисковые тормоза на передних колесах, а многие используют дисковые тормоза на всех четырех колесах.
В Соединенных Штатах Jeep CJ-5 (производства AM General ) был последним автомобилем (выпускаемым для Почтовой службы Соединенных Штатов), который использовал передние барабанные тормоза, когда он был снят с производства в 1986 году. Однако барабанные тормоза по-прежнему часто используются на задних колесах и в качестве стояночных тормозов . Некоторые автомобили используют стояночный тормоз «барабан в шляпе», где тормозные колодки расположены внутри центральной части (шляпы) ротора дискового тормоза, который действует как барабан. [3]
Ранние тормозные колодки содержали асбест . При работе с тормозными системами старых автомобилей необходимо соблюдать осторожность, чтобы не вдыхать пыль, присутствующую в тормозном узле. После того, как федеральное правительство США начало регулировать производство асбеста, производителям тормозов пришлось перейти на безасбестовые накладки. Владельцы изначально жаловались на плохое торможение при замене, но в конечном итоге тормозная технология продвинулась, чтобы компенсировать это. Большинство старых автомобилей, используемых ежедневно, были оснащены безасбестовыми накладками. Во многих других странах также запрещено использование асбеста в тормозах.
Компоненты барабанного тормоза включают в себя опорную пластину, тормозной барабан, колодку, колесный цилиндр, а также различные пружины и штифты.
Опорная пластина обеспечивает основание для других компонентов. Задняя пластина также увеличивает жесткость всей установки, поддерживает корпус и защищает его от посторонних материалов, таких как пыль и другой дорожный мусор . Она поглощает крутящий момент от торможения, и именно поэтому заднюю пластину также называют «крутящей пластиной». Поскольку все операции торможения оказывают давление на опорную пластину, она должна быть прочной и износостойкой. В последние годы также были добавлены рычаги для аварийного или стояночного тормоза и автоматический регулятор тормозных колодок.
Тормозной барабан обычно изготавливается из особого типа чугуна , который является теплопроводным и износостойким. Он вращается вместе с колесом и осью. Когда водитель нажимает на тормоза, накладка радиально давит на внутреннюю поверхность барабана, и возникающее трение замедляет или останавливает вращение колеса и оси, а следовательно, и транспортного средства. Это трение генерирует значительное количество тепла.
Один колесный цилиндр управляет тормозом на каждом колесе. Два поршня управляют колодками, по одному на каждом конце колесного цилиндра. Ведущий башмак (ближайший к передней части транспортного средства) известен как первичный башмак. Задняя колодка известна как вторичный башмак. Гидравлическое давление от главного цилиндра действует на поршневую чашку, толкая поршни к колодкам, заставляя их прижиматься к барабану. Когда водитель отпускает тормоза, пружины тормозных колодок возвращают колодки в исходное (отсоединенное) положение. Детали колесного цилиндра показаны справа.
Тормозные колодки обычно изготавливаются из двух сваренных вместе кусков стали. Фрикционный материал либо приклепывается к столу накладки, либо прикрепляется клеем. Серповидная деталь называется перемычкой и содержит отверстия и прорези разной формы для возвратных пружин, прижимных приспособлений, рычажного механизма стояночного тормоза и саморегулирующихся компонентов. Вся сила приложения колесного цилиндра передается через перемычку к столу накладки и тормозной накладке. Край стола накладки обычно имеет три V-образных выреза или выступа с каждой стороны, называемых выступами. Выступы упираются в опорные площадки опорной плиты, на которую устанавливаются колодки. Каждый тормозной узел имеет две колодки, первичную и вторичную. Первичная колодка расположена в передней части транспортного средства и имеет накладку, расположенную иначе, чем вторичная колодка. Довольно часто две колодки являются взаимозаменяемыми, поэтому важно внимательно осмотреть их на предмет любых изменений.
Накладки должны быть устойчивы к теплу и износу и иметь высокий коэффициент трения , не подверженный колебаниям температуры и влажности. Материалы, из которых состоит накладка тормозной колодки, включают модификаторы трения (которые могут включать графит и скорлупу орехов кешью ), порошкообразные металлы , такие как свинец, цинк, латунь, алюминий и другие металлы, которые устойчивы к выцветанию при нагревании, связующие вещества, отвердители и наполнители, такие как резиновая крошка для снижения шума тормозов.
В Великобритании раньше были доступны два распространенных сорта материала тормозных колодок. DON 202 был материалом с высоким коэффициентом трения, который не требовал сервопривода тормозного привода. Недостатком было то, что накладка была склонна к выцветанию на крутых склонах. Выпускалась более жесткая накладка, знаменитая VG95, но для нее требовался сервопривод тормозов. Другая загвоздка заключалась в том, что стояночный тормоз часто не проходил ежегодный тест MOT, если только накладки с высоким коэффициентом трения не устанавливались только для теста.
При нажатии на тормоза тормозная жидкость под давлением подается из главного цилиндра в колесный цилиндр, который, в свою очередь, толкает тормозные колодки в соприкосновение с обработанной поверхностью на внутренней стороне барабана. Это трение уменьшает вращение тормозного барабана, который соединен с колесом. Следовательно, скорость транспортного средства снижается. Когда давление сбрасывается, возвратные пружины возвращают колодки в исходное положение.
По мере износа тормозных накладок колодки должны пройти большее расстояние, чтобы достичь барабана. В системах, оснащенных автоматическими регуляторами, когда расстояние достигает определенной точки, саморегулирующийся механизм автоматически реагирует, регулируя положение покоя колодок так, чтобы они были ближе к барабану. Здесь регулировочный рычаг качается достаточно, чтобы продвинуть шестерню регулятора на один зуб. Регулятор имеет резьбу на нем, как болт, так что он немного откручивается при повороте, удлиняясь, чтобы заполнить зазор. Когда тормозные колодки изнашиваются немного больше, регулятор может снова продвинуться, поэтому он всегда удерживает колодки близко к барабану. Обычно регуляторы работают только тогда, когда транспортное средство движется задним ходом и тормоза включены.
На транспортных средствах без автоматических регуляторов необходимо периодически вручную регулировать тормоза, чтобы устранить избыточный зазор между колодками и барабаном.
Стояночная (или аварийная) тормозная система управляет тормозами через ряд стальных тросов, которые соединены либо с ручным рычагом, либо с ножной педалью. Идея заключается в том, что система полностью механическая и полностью обходит гидравлическую систему, так что транспортное средство может быть остановлено даже при полном отказе тормозов. Здесь трос тянет рычаг, установленный в тормозе, и напрямую соединен с тормозными колодками. Это дает эффект обхода колесного цилиндра и управления тормозами напрямую. [4]
Барабанные тормоза обладают естественной характеристикой «самоприменения», более известной как «самоподключение». [5] Вращение барабана может втягивать одну или обе колодки в поверхность трения, заставляя тормоза сильнее сжимать, что увеличивает силу, удерживающую их вместе. Это увеличивает тормозную способность без дополнительных усилий со стороны водителя, но это затрудняет водителю модулировать чувствительность тормоза. Это также делает тормоз более чувствительным к снижению эффективности тормозов , поскольку уменьшение трения тормозов также снижает количество помощи при торможении.
Дисковые тормоза не обладают эффектом самоприменения, поскольку гидравлическое давление, действующее на колодки, перпендикулярно направлению вращения диска. [5] Системы дисковых тормозов обычно имеют сервопривод («Brake Booster»), чтобы уменьшить усилие водителя на педали, но некоторые автомобили с дисковыми тормозами (особенно гоночные автомобили) и меньшие тормоза для мотоциклов и т. д. не нуждаются в использовании сервоприводов. [5]
Барабанные тормоза обычно описываются как ведущие/ведомые (также называемые «одинарными ведущими») или двойные ведущие. [5]
Задние барабанные тормоза обычно имеют конструкцию «ведущий/ведомый» (для систем без сервопривода) или «первичный/вторичный» (для систем с двойным сервоприводом), при этом колодки приводятся в движение одним гидравлическим цилиндром двойного действия и шарнирно закреплены в одной точке. [5] В этой конструкции одна из тормозных колодок всегда испытывает эффект самоприменения, независимо от того, движется ли транспортное средство вперед или назад. [5] Это особенно полезно для задних тормозов, где стояночный тормоз (ручной или ножной) должен прилагать достаточно силы, чтобы остановить транспортное средство от движения назад и удерживать его на склоне. При условии, что площадь контакта тормозных колодок достаточно велика, что не всегда так, эффект самоприменения может надежно удерживать транспортное средство, когда вес переносится на задние тормоза из-за уклона склона или обратного направления движения. Еще одним преимуществом использования одного гидравлического цилиндра сзади является то, что противоположный шарнир может быть выполнен в виде двухлепесткового кулачка , который вращается под действием стояночной тормозной системы.
Передние барабанные тормоза на практике могут иметь любую конструкцию, но конструкция с двумя ведущими колесами более эффективна. [5] В этой конструкции используются два исполнительных цилиндра, расположенных таким образом, что обе колодки используют самоприменяемую характеристику, когда транспортное средство движется вперед. [5] Тормозные колодки поворачиваются в противоположных точках друг относительно друга. [5] Это обеспечивает максимально возможное торможение при движении вперед, но не так эффективно при движении транспортного средства задним ходом. [5]
Оптимальное расположение двойных ведущих передних тормозов с ведущими/задними тормозами сзади позволяет увеличить тормозное усилие спереди автомобиля при движении вперед и уменьшить сзади. Это помогает предотвратить блокировку задних колес, но при этом обеспечивает адекватное торможение сзади. [5]
Поскольку алюминий изнашивается быстрее, чем железо, алюминиевые барабаны часто имеют железную или стальную облицовку на внутренней поверхности барабана, приклеенную или приклепанную к алюминиевой внешней оболочке.
Барабанные тормоза используются в большинстве большегрузных автомобилей, автобусах, некоторых средних и легких грузовиках, а также в некоторых автомобилях, мотоциклах для бездорожья, квадроциклах и нескольких небольших транспортных средствах для отдыха, таких как электроскутеры. Барабанные тормоза часто применяются на задних колесах, поскольку большая часть тормозного усилия создается передними тормозами транспортного средства, и, следовательно, тепло, выделяемое в задней части, значительно меньше. Барабанные тормоза позволяют легко интегрировать стояночный тормоз.
Барабанные тормоза также иногда устанавливаются в качестве стояночного (и аварийного) тормоза, даже когда задние колеса используют дисковые тормоза в качестве основных тормозов. Многие задние дисковые тормозные системы используют стояночный тормоз, в котором поршень в суппорте приводится в действие кулачком или винтом. Это прижимает колодки к ротору. Однако этот тип системы становится намного сложнее, когда задние дисковые тормоза используют фиксированные многопоршневые суппорты. В этой ситуации небольшой барабан обычно устанавливается внутри или как часть тормозного диска. Этот тип тормоза также известен как тормоз Banksia.
В гибридных и электрических транспортных средствах износ тормозных систем значительно снижается за счет рекуперации энергии мотор-генераторами (см. рекуперативное торможение ), поэтому некоторые гибридные автомобили, такие как Toyota Prius (до третьего поколения) и Volkswagen ID.3 и ID.4, используют барабанные тормоза на задних колесах.
Дисковые тормоза полагаются на податливость уплотнений суппорта и небольшое биение для освобождения колодок, что приводит к заеданию, потере пробега топлива и задирам на диске. Возвратные пружины барабанного тормоза дают более позитивное действие и, если их правильно отрегулировать, часто имеют меньшее сопротивление при освобождении. Однако можно разработать специальные уплотнения, которые втягивают поршень на дисковом тормозе.
Барабанные тормоза выбрасывают меньше твердых частиц (ТЧ) , чем дисковые тормоза, поскольку частицы износа в основном запечатаны. Однако в этом отношении они не лучше тормозов без трения . [6] [7]
Некоторые более мощные барабанные тормозные системы компенсируют нагрузку при определении давления в колесном цилиндре; эта функция встречается редко при использовании дисков ( гидропневматические системы подвески, используемые в автомобилях Citroën , регулируют давление в тормозах в зависимости от нагрузки независимо от того, используются ли барабаны или диски). Одним из таких автомобилей является Jeep Comanche . Comanche может автоматически посылать большее давление на задние барабаны в зависимости от размера нагрузки. Большинство других марок десятилетиями использовали клапаны измерения нагрузки в гидравлике задней оси.
В связи с тем, что площадь контакта трения барабанного тормоза находится на окружности тормоза, барабанный тормоз может обеспечить большее тормозное усилие, чем дисковый тормоз такого же диаметра. Увеличенная площадь контакта трения колодок барабанного тормоза с барабаном позволяет колодок барабанного тормоза служить дольше, чем колодки дискового тормоза, используемые в тормозной системе аналогичных размеров и тормозного усилия. Барабанные тормоза сохраняют тепло и более сложны, чем дисковые тормоза, но часто являются более экономичным и мощным типом тормоза для использования в задних тормозных системах из-за низкого тепловыделения задних тормозов, самоприменяемой природы барабанного тормоза, большей площади контакта поверхности трения и длительных характеристик износа (% использованного срока службы / кВт тормозной мощности).
Перечислим преимущества барабанных тормозов:
Барабанные тормоза также устанавливались на приводной вал трансмиссии в качестве стояночных тормозов (например, Chrysler до 1962 года). Это обеспечивает преимущество полной независимости от рабочих тормозов, но имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что при использовании с домкратом (распространенным в ту эпоху) сзади и без соответствующих колёсных блоков действие дифференциала может привести к скатыванию автомобиля с домкрата.
Land Rover уже более пятидесяти лет использует барабанный тормоз на выходном валу коробки передач. Преимущество в том, что все четыре колеса могут тормозиться стояночным тормозом.
Барабанные тормоза, как и большинство других тормозов, преобразуют кинетическую энергию в тепло посредством трения . [5] Это тепло должно рассеиваться в окружающем воздухе, но может также легко передаваться другим компонентам тормозной системы. Тормозные барабаны должны быть большими, чтобы справляться с огромными задействованными силами, и должны быть способны поглощать и рассеивать большое количество тепла. Передача тепла в воздух может быть усилена путем встраивания охлаждающих ребер в барабан или даже сверления отверстий по окружности барабана. Однако чрезмерный нагрев может происходить из-за сильного или многократного торможения, что может привести к деформации барабана, что приведет к вибрации при торможении.
Другим последствием перегрева является снижение эффективности тормозов . [5] Это происходит из-за одного из нескольких процессов или, что чаще, из-за совокупности всех этих процессов.
Снижение эффективности тормозов не всегда происходит из-за перегрева. Вода между фрикционными поверхностями и барабаном может действовать как смазка и снижать эффективность торможения. [5] Вода имеет тенденцию оставаться до тех пор, пока не нагреется достаточно, чтобы испариться, после чего эффективность торможения возвращается. Все фрикционные тормозные системы имеют максимальную теоретическую скорость преобразования энергии. Как только эта скорость достигнута, приложение большего давления на педаль не изменит ее — на самом деле, упомянутые эффекты могут существенно ее снизить. В конечном счете, это и есть снижение эффективности тормозов, независимо от механизмов его причин. Дисковые тормоза не застрахованы ни от одного из этих процессов, но они справляются с теплом и водой более эффективно, чем барабаны.
Барабанные тормоза могут заедать, если поверхность барабана слегка ржавеет или если тормоз холодный и влажный, что увеличивает трение материала колодок. Заедание может быть настолько сильным, что шины скользят и продолжают скользить даже при отпускании педали. Заедание противоположно затуханию: когда трение колодок увеличивается, самоусиливающаяся природа барабанных тормозов приводит к увеличению силы приложения. Если трение колодок и самоусиление достаточно высоки, тормоз остается включенным из-за самоприложения, даже когда внешняя сила приложения отпускается.
В то время как роторы дисковых тормозов можно обрабатывать для очистки поверхности трения (т. е. «точить»), то же самое, как правило, нельзя делать с тормозными барабанами. Обработка поверхности трения тормозного барабана увеличивает диаметр, что может потребовать использования колодок большего размера для поддержания надлежащего контакта с барабаном. Однако, поскольку колодок большего размера обычно не хватает для большинства применений, изношенные или поврежденные барабаны, как правило, необходимо заменять.
Достаточно просто обрабатывать тормозные барабаны, если у вас есть медленно работающий токарный станок (одно из правил гласит, что чугун не следует обрабатывать быстрее, чем пятьдесят футов в минуту). Обычно необходимо только удалить гребень, который образует затруднительное снятие тормозного барабана, особенно если тормоза саморегулирующиеся. В тяжелых случаях гребень может сделать тормозной барабан невыпадающим, однако большинство конструкций барабанных тормозов предусматривают способ внешнего освобождения саморегулирующегося механизма для облегчения снятия и обслуживания барабана.
Другим недостатком барабанных тормозов является их относительная сложность. Человек должен иметь общее представление о том, как работают барабанные тормоза, и предпринять несколько простых шагов, чтобы убедиться, что тормоза собраны правильно при выполнении работ с барабанными тормозами. И в результате этой повышенной сложности (по сравнению с дисковыми тормозами) обслуживание барабанных тормозов, как правило, занимает больше времени. Кроме того, большее количество деталей приводит к большему количеству видов отказов по сравнению с дисковыми тормозами. Пружины могут сломаться от усталости, если их не заменить вместе с изношенными тормозными колодками. А барабан и колодки могут быть повреждены из-за задиров, если различные компоненты (например, сломанные пружины или саморегулирующиеся устройства) сломаются и ослабнут внутри барабана.
Катастрофический отказ оборудования, такого как пружины и регуляторы, также может привести к непреднамеренному торможению или даже блокировке колеса. Если пружины сломаются, колодки будут свободно падать на вращающийся барабан, по сути, вызывая срабатывание тормозов. Из-за свойств самовозбуждения барабанных тормозов, неудерживаемые колодки могут даже потенциально привести к схватыванию тормозов до точки блокировки колеса. Кроме того, сломанные части пружин и другого оборудования (например, регуляторов) могут застрять между колодками и барабаном, что приведет к непреднамеренному торможению (и, как указано выше, повреждению компонентов тормоза). По этим причинам тормозное оборудование (такое как пружины и зажимы) всегда следует заменять тормозными колодками.
Кроме того, барабанные тормоза не срабатывают немедленно, когда нагнетаются давления в колесные цилиндры, поскольку усилие возвратных пружин должно быть преодолено до того, как колодки начнут двигаться к барабану. Это означает, что очень распространенные гибридные дисковые/барабанные системы тормозят только дисками (почти всегда передними) при легком нажатии на педаль, если не добавлено дополнительное оборудование. На практике дозирующий клапан предотвращает достижение гидравлическим давлением передних суппортов до тех пор, пока давление не поднимется достаточно, чтобы преодолеть возвратные пружины в барабанных тормозах. Если бы дозирующий клапан был убран, транспортное средство остановилось бы только с передними дисками, если бы водитель не использовал достаточное давление на педаль тормоза, чтобы преодолеть давление возвратной пружины на задние колодки.
Когда асбест был распространен в барабанных тормозах, существовала опасность, что рабочие, ремонтирующие или заменяющие их, будут вдыхать асбестовые волокна, что может вызвать мезотелиому . [8] Асбестовые волокна со временем отламывались или разделялись из-за высоких температур, вызванных торможением. Для уменьшения пыли обычно использовались мокрые щетки и аэрозольные распылители. Иногда инспекторы по безопасности рекомендовали использовать вакуумные шланги для отсасывания пыли или кожухи с внутренним освещением и пространством для использования инструментов внутри них, но они были редкими и громоздкими. Также рекомендовалась специальная обувь, предназначенная для защиты от асбеста. [9] Есть доказательства того, что у автомехаников были непропорционально высокие уровни мезотелиомы. [8]
Те, кто занимается техническим обслуживанием тормозов, также могут подвергаться воздействию растворителей 1,1,1-трихлорэтана и 2-бутоксиэтанола (основной ингредиент в Greasoff No. 19). Воздействие этих растворителей может вызвать раздражение, в том числе глаз и слизистых оболочек. Воздействие паров 1-1-1-трихлорэтана может вызвать повреждение центральной нервной системы, головокружение, потерю координации, сонливость и увеличение времени реакции. [9]
До 1984 года было принято повторно дугировать тормозные колодки, чтобы они соответствовали дуге в тормозных барабанах. Однако эта практика была спорной, так как она удаляла фрикционный материал из тормозов, сокращала срок службы колодок и создавала опасную асбестовую пыль. После 1984 года текущая теория проектирования была изменена, чтобы использовать колодки для барабана надлежащего диаметра и просто заменять тормозной барабан при необходимости, а не повторно дугировать колодки.
Тормозной барабан нашел популярное применение в качестве ударного инструмента. Вероятно, впервые он был реализован в композиции 1939 года First Construction (in Metal) американского авангардного музыканта Джона Кейджа . В более позднее время тормозной барабан стал ассоциироваться с передним ансамблем , как это используется в маршевом искусстве . [10]
стояночный тормоз; Определение стояночного тормоза: аварийный тормоз