Гидравлический тормоз — это устройство тормозного механизма, в котором для передачи давления от управляющего механизма к тормозному механизму используется тормозная жидкость , обычно содержащая гликолевые эфиры или диэтиленгликоль .
В 1904 году Фредерик Джордж Хит из Реддича, Англия, разработал и установил гидравлическую (вода/глицериновую) тормозную систему на велосипеде с использованием рычага на руле и поршня. Он получил патент GB190403651A на «Усовершенствования гидравлических тормозов для велосипедов и двигателей», а затем на усовершенствованные гибкие резиновые гидравлические трубки.
В 1908 году Эрнест Уолтер Уэйт из Бристоля, Англия, разработал и установил на автомобиль гидравлическую (масляную) тормозную систему на четыре колеса. Он запатентовал ее в Великобритании (GB190800241A) в декабре 1908 года, позже в Европе и США, а затем представил ее на Лондонском автосалоне 1909 года. Его брат Уильям Герберт Уэйт улучшил патент (GB190921122A), и оба были переданы компании Weight Patent Automobile Brake Ltd. по адресу 23 Bridge Street, Бристоль, когда она была основана в 1909/10 году. Компания, имевшая завод в Лаквелл-лейн, Бристоль, установила гидравлическую тормозную систему на четыре колеса на шасси Metallurgique, оснащенное кузовом Hill and Boll, которое было выставлено на Лондонском автосалоне в ноябре 1910 года. Хотя тормозная система была установлена на большем количестве автомобилей, и компания активно рекламировала ее, она исчезла, не достигнув заслуженного успеха.
Малкольм Лоххед (позже изменивший написание своей фамилии на Локхид ) изобрел гидравлические тормоза, которые он запатентовал в 1917 году. [2] [3] «Локхид» — общепринятое название тормозной жидкости во Франции.
Фред Дьюзенберг использовал гидравлические тормоза Lockheed Corporation на своих гоночных автомобилях 1914 года [4] , а его автомобильная компания Duesenberg была первой, кто применил эту технологию на Duesenberg Model A в 1921 году.
Компания Knox Motors Company из Спрингфилда, штат Массачусетс, оснащала свои тракторы гидравлическими тормозами, начиная с 1915 года. [5]
Эта технология была перенесена в автомобильную промышленность и в конечном итоге привела к появлению самоподдерживающейся гидравлической барабанной тормозной системы (Эдвард Бишоп Боутон, Лондон, Англия, 28 июня 1927 г.), которая используется и по сей день.
Наиболее распространенная схема гидравлических тормозов для легковых автомобилей, мотоциклов, скутеров и мопедов состоит из следующих элементов:
Система обычно заполнена тормозной жидкостью на основе гликоль-эфира (могут использоваться и другие жидкости).
В свое время легковые автомобили обычно использовали барабанные тормоза на всех четырех колесах. Позже дисковые тормоза стали использоваться для передних колес, а барабанные — для задних. Однако дисковые тормоза показали лучшее рассеивание тепла и большую устойчивость к «выцветанию» и поэтому, как правило, безопаснее барабанных тормозов. Поэтому дисковые тормоза на четырех колесах стали все более популярными, заменив барабанные на всех транспортных средствах, кроме самых простых. Однако многие конструкции двухколесных транспортных средств продолжают использовать барабанный тормоз для заднего колеса.
В следующем описании используется терминология для / и конфигурация простого дискового тормоза.
В гидравлической тормозной системе при нажатии на педаль тормоза толкатель оказывает усилие на поршень(и) в главном цилиндре, заставляя жидкость из резервуара тормозной жидкости течь в камеру давления через компенсационный порт. Это приводит к увеличению давления во всей гидравлической системе, заставляя жидкость проходить через гидравлические линии к одному или нескольким суппортам, где она воздействует на один или несколько поршней суппорта, герметизированных одним или несколькими установленными уплотнительными кольцами (которые предотвращают утечку жидкости).
Затем поршни суппорта тормоза прилагают силу к тормозным колодкам, прижимая их к вращающемуся ротору, а трение между колодками и ротором приводит к возникновению тормозного момента , замедляющего транспортное средство. Тепло, выделяемое этим трением, либо рассеивается через отверстия и каналы в роторе, либо проводится через колодки, которые изготовлены из специальных термостойких материалов, таких как кевлар или спеченное стекло .
В качестве альтернативы, в барабанном тормозе , жидкость поступает в колесный цилиндр и прижимает одну или две тормозные колодки к внутренней части вращающегося барабана. Тормозные колодки используют аналогичный термостойкий фрикционный материал, как и колодки, используемые в дисковых тормозах.
Последующее отпускание педали/рычага тормоза позволяет пружине(ам) в узле главного цилиндра вернуть главный поршень(и) обратно в положение. Это действие сначала снимает гидравлическое давление на суппорт, затем применяет всасывание к тормозному поршню в узле суппорта, перемещая его обратно в корпус и позволяя тормозным колодкам освободить ротор.
Гидравлическая тормозная система спроектирована как закрытая система: если в системе нет утечки, никакая часть тормозной жидкости не попадает в нее и не выходит из нее, и жидкость не расходуется в процессе использования. Однако утечка может произойти из-за трещин в уплотнительных кольцах или из-за прокола в тормозной магистрали. Трещины могут образоваться, если смешиваются два типа тормозной жидкости или если тормозная жидкость загрязняется водой, спиртом, антифризом или любым количеством других жидкостей. [6]
Гидравлические тормоза передают энергию для остановки объекта, обычно вращающейся оси. В очень простой тормозной системе, всего с двумя цилиндрами и дисковым тормозом , цилиндры могут быть соединены трубками с поршнем внутри цилиндров. Цилиндры и трубки заполнены несжимаемой жидкостью. Два цилиндра имеют одинаковый объем, но разные диаметры и, следовательно, разные площади поперечного сечения. Цилиндр, который использует оператор, называется главным цилиндром . Вращающийся дисковый тормоз будет примыкать к поршню с большим поперечным сечением. Предположим, что диаметр главного цилиндра составляет половину диаметра ведомого цилиндра, поэтому главный цилиндр имеет поперечное сечение в четыре раза меньше. Теперь, если поршень в главном цилиндре надавить на 40 мм, ведомый поршень переместится на 10 мм. Если к главному поршню приложить силу 10 ньютонов (Н), ведомый поршень будет давить с силой 40 Н.
Эту силу можно еще больше увеличить, вставив рычаг, соединенный между главным поршнем, педалью и точкой поворота. Если расстояние от педали до оси в три раза больше расстояния от оси до соединенного поршня, то при нажатии на педаль он умножает силу педали в 3 раза, так что 10 Н становятся 30 Н на главном поршне и 120 Н на тормозной колодке. И наоборот, педаль должна переместиться в три раза дальше главного поршня. Если педаль нажата на 120 мм, главный поршень переместится на 40 мм, а подчиненный поршень переместит тормозную колодку на 10 мм.
(Для типичных тормозных систем легковых автомобилей)
В четырехколесном автомобиле стандарт FMVSS 105, 1976; [7] требует, чтобы главный цилиндр был разделен внутри на две секции, каждая из которых нагнетает давление в отдельный гидравлический контур. Каждая секция подает давление в один контур. Такая комбинация известна как тандемный главный цилиндр . Легковые автомобили обычно имеют либо переднюю/заднюю раздельную тормозную систему, либо диагональную раздельную тормозную систему (главный цилиндр в мотоцикле или скутере может нагнетать давление только в один блок, который будет передним тормозом).
Система переднего/заднего разделения использует одну секцию главного цилиндра для давления на поршни переднего суппорта, а другую секцию для давления на поршни заднего суппорта. В настоящее время в большинстве стран по закону требуется система торможения с раздельным контуром из соображений безопасности; если один контур выходит из строя, другой контур все равно может остановить транспортное средство.
Диагональные раздельные системы изначально использовались на автомобилях American Motors в 1967 году производства. Правая передняя и левая задняя оси обслуживаются одним исполнительным поршнем, в то время как левая передняя и правая задняя оси обслуживаются, исключительно, вторым исполнительным поршнем (оба поршня нагнетают давление в своих соответствующих связанных линиях от одной педали). Если один из контуров выходит из строя, другой, с по крайней мере одним тормозом переднего колеса (передние тормоза обеспечивают большую часть тормозного усилия из-за переноса веса ), остается нетронутым, чтобы остановить механически поврежденный автомобиль. К 1970-м годам диагонально разделенные системы стали обычным явлением среди автомобилей, продаваемых в Соединенных Штатах. Эта система была разработана с конструкцией подвески переднеприводных автомобилей для поддержания лучшего контроля и устойчивости во время отказа системы.
Треугольная сплит-система была введена в Volvo 140 series с MY 1967, где передние дисковые тормоза имели четырехцилиндровую компоновку, и оба контура воздействовали на каждое переднее колесо и на одно из задних колес. Компоновка сохранялась в последующих модельных рядах 200 и 700.
Диаметр и длина главного цилиндра оказывают существенное влияние на работу тормозной системы. Главный цилиндр большего диаметра подает больше гидравлической жидкости к поршням суппорта, но требует большего усилия на педали тормоза и меньшего хода педали тормоза для достижения заданного замедления. Главный цилиндр меньшего диаметра имеет противоположный эффект.
Главный цилиндр может также использовать различные диаметры между двумя секциями, чтобы обеспечить увеличенный объем жидкости для одного или другого набора поршней суппорта, и называется «быстрозахватным» M/C. Они используются с передними суппортами «с низким сопротивлением» для повышения экономии топлива.
Пропорциональный клапан может использоваться для снижения давления на задние тормоза при резком торможении. Это ограничивает заднее торможение, чтобы снизить вероятность блокировки задних тормозов и значительно уменьшает вероятность пробуксовки.
Вакуумный усилитель или вакуумный сервопривод используется в большинстве современных гидравлических тормозных систем, которые содержат четыре колеса, вакуумный усилитель крепится между главным цилиндром и педалью тормоза и умножает тормозное усилие, прилагаемое водителем. Эти блоки состоят из полого корпуса с подвижной резиновой диафрагмой по центру, создавая две камеры. При креплении к части низкого давления корпуса дроссельной заслонки или впускного коллектора двигателя давление в обеих камерах блока понижается. Равновесие, создаваемое низким давлением в обеих камерах, удерживает диафрагму от перемещения до тех пор, пока не будет нажата педаль тормоза. Возвратная пружина удерживает диафрагму в исходном положении до тех пор, пока не будет нажата педаль тормоза. При нажатии педали тормоза движение открывает воздушный клапан, который впускает воздух под атмосферным давлением в одну камеру усилителя. Поскольку давление становится выше в одной камере, диафрагма перемещается к камере с более низким давлением с силой, создаваемой площадью диафрагмы и перепадом давления. Эта сила, в дополнение к силе ноги водителя, толкает поршень главного цилиндра. Требуется относительно небольшой диаметр усилителя; для очень консервативного 50% вакуума в коллекторе вспомогательная сила около 1500 Н создается диафрагмой размером 20 см2 и площадью 0,03 квадратных метра. Диафрагма перестанет двигаться, когда силы по обе стороны камеры достигнут равновесия. Это может быть вызвано либо закрытием воздушного клапана (из-за остановки нажатия педали), либо достижением «выбега». Выбег происходит, когда давление в одной камере достигает атмосферного давления, и никакая дополнительная сила не может быть создана теперь застойным перепадом давления. После достижения точки выбега для дальнейшего нажатия поршня главного цилиндра может использоваться только сила ноги водителя.
Давление жидкости от главного цилиндра проходит через пару стальных тормозных трубок к клапану перепада давления, иногда называемому «клапаном отказа тормозов», который выполняет две функции: выравнивает давление между двумя системами и выдает предупреждение, если одна из систем теряет давление. Клапан перепада давления имеет две камеры (к которым крепятся гидравлические линии) с поршнем между ними. Когда давление в любой из линий уравновешено, поршень не движется. Если давление с одной стороны теряется, давление с другой стороны перемещает поршень. Когда поршень соприкасается с простым электрическим зондом в центре устройства, цепь замыкается, и оператор предупреждается о неисправности в тормозной системе.
От клапана перепада давления тормозная трубка переносит давление к тормозным узлам на колесах. Поскольку колеса не поддерживают фиксированную связь с автомобилем, необходимо использовать гидравлический тормозной шланг от конца стальной линии на раме транспортного средства до суппорта на колесе. Гибкость стальной тормозной трубки приводит к усталости металла и, в конечном итоге, к отказу тормозов. Распространенной модернизацией является замена стандартных резиновых шлангов на набор, которые снаружи армированы плетеными проволоками из нержавеющей стали. Плетеные провода имеют незначительное расширение под давлением и могут обеспечить более жесткое ощущение педали тормоза с меньшим ходом педали для заданного тормозного усилия.
Термин «силовые гидравлические тормоза» может также относиться к системам, работающим на совершенно иных принципах, где насос с приводом от двигателя поддерживает постоянное гидравлическое давление в центральном аккумуляторе. Педаль тормоза водителя просто управляет клапаном, чтобы спустить давление в тормозные блоки на колесах, вместо того, чтобы фактически создавать давление в главном цилиндре путем нажатия на поршень. Эта форма тормоза аналогична пневматической тормозной системе, но с гидравлической жидкостью в качестве рабочей среды, а не воздухом. Однако в пневматическом тормозе воздух выпускается из системы, когда тормоза отпускаются, и запас сжатого воздуха должен быть пополнен. В силовой гидравлической тормозной системе жидкость под низким давлением возвращается из тормозных блоков на колесах в насос с приводом от двигателя, когда тормоза отпускаются, поэтому центральный аккумулятор давления почти мгновенно снова нагнетается. Это делает силовую гидравлическую систему очень подходящей для транспортных средств, которые должны часто останавливаться и запускаться (например, автобусы в городах). Постоянно циркулирующая жидкость также устраняет проблемы с замерзанием деталей и скопившимся водяным паром, которые могут поражать воздушные системы в холодном климате. Автобус AEC Routemaster — это хорошо известное применение гидравлических тормозов с усилителем, а последующие поколения автомобилей Citroen с гидропневматической подвеской также использовали гидравлические тормоза с полным приводом вместо обычных автомобильных тормозных систем. Большинство крупных самолетов также используют гидравлические тормоза колес с усилителем из-за огромного тормозного усилия, которое они могут обеспечить; колесные тормоза связаны с одной или несколькими основными гидравлическими системами самолета с добавлением аккумулятора, чтобы самолет мог тормозить даже в случае отказа гидравлики.
Воздушные тормозные системы громоздки и требуют воздушных компрессоров и резервуаров. Гидравлические системы меньше и дешевле.
Гидравлическая жидкость должна быть несжимаемой. В отличие от воздушных тормозов , где клапан открывается, и воздух поступает в магистрали и тормозные камеры до тех пор, пока давление не поднимется достаточно, гидравлические системы полагаются на один ход поршня, чтобы заставить жидкость пройти через систему. Если в систему попадет какой-либо пар, он сожмется, и давление может не подняться достаточно, чтобы привести в действие тормоза.
Гидравлические тормозные системы иногда подвергаются воздействию высоких температур во время работы, например, при спуске по крутым склонам. По этой причине гидравлическая жидкость должна противостоять испарению при высоких температурах.
Вода легко испаряется под воздействием тепла и может вызвать коррозию металлических частей системы. Вода, которая попадает в тормозные магистрали, даже в небольших количествах, будет реагировать с большинством распространенных тормозных жидкостей (т. е. с теми, которые гигроскопичны [8] [9] ), вызывая образование отложений, которые могут засорить тормозные магистрали и резервуар. Практически невозможно полностью герметизировать любую тормозную систему от воздействия воды, что означает, что необходима регулярная замена тормозной жидкости, чтобы гарантировать, что система не переполняется отложениями, вызванными реакциями с водой. Легкие масла иногда используются в качестве гидравлических жидкостей именно потому, что они не реагируют с водой: масло вытесняет воду, защищает пластиковые детали от коррозии и может выдерживать гораздо более высокие температуры перед испарением, но имеет другие недостатки по сравнению с традиционными гидравлическими жидкостями. Силиконовые жидкости являются более дорогим вариантом.
« Выцветание тормозов » — это состояние, вызванное перегревом, при котором эффективность торможения снижается и может быть утрачена. Это может произойти по многим причинам. Колодки, которые взаимодействуют с вращающейся частью, могут перегреться и «застеклиться», становясь настолько гладкими и твердыми, что они не могут достаточно хорошо сцепляться, чтобы замедлить транспортное средство. Кроме того, испарение гидравлической жидкости при экстремальных температурах или тепловая деформация могут привести к изменению формы накладок и зацеплению меньшей площади поверхности вращающейся части. Тепловая деформация также может вызвать постоянные изменения формы металлических компонентов, что приведет к снижению тормозной способности, что потребует замены затронутых деталей.
