Барабанный тормоз — это тормоз , в котором используется трение , вызванное набором колодок или колодок , которые прижимаются наружу к вращающейся чашеобразной части, называемой тормозным барабаном.
Термин «барабанный тормоз» обычно означает тормоз, в котором колодки давят на внутреннюю поверхность барабана. Когда колодки давят на барабан снаружи, это обычно называют дисковым тормозом . Если барабан зажат между двумя колодками, как в обычном дисковом тормозе , его иногда называют зажимным барабанным тормозом , хотя такие тормоза встречаются относительно редко. В родственном типе, называемом ленточным тормозом , используется гибкий ремень или «лента», обертывающая барабан снаружи.
Современный автомобильный барабанный тормоз впервые был использован в автомобиле Maybach в 1900 году, хотя принцип был запатентован лишь позже, в 1902 году, Луи Рено . Он использовал тканую асбестовую накладку для накладки барабанного тормоза, поскольку ни один альтернативный материал не рассеивал тепло более эффективно, хотя Maybach использовал менее сложные барабанные тормоза. В первых барабанных тормозах колодки приводились в действие рычагами и тягами или тросами механически. С середины 1930-х годов тормоза приводились в действие давлением масла в небольшом колесном цилиндре и поршнях (как на картинке), хотя некоторые автомобили десятилетиями продолжали использовать чисто механические системы. Некоторые конструкции имеют два колесных цилиндра.
По мере износа колодок барабанных тормозов тормоза требовали регулярной ручной регулировки вплоть до появления саморегулирующихся барабанных тормозов в 1950-х годах. Барабанные тормоза также склонны к износу при многократном использовании. [1]
Компания Jaguar Cars представила три автомобиля, оснащенных дисковыми тормозами, в Ле-Мане в 1953 году, где они одержали победу, во многом благодаря превосходному торможению по сравнению с соперниками, оснащенными барабанными тормозами. [2] Это означало начало конца барабанных тормозов в легковых автомобилях. С 1960-х по 1980-е годы дисковые тормоза постепенно заменили барабанные тормоза на передних колесах автомобилей (на которые приходится большая часть тормозного усилия). Сейчас практически все автомобили используют дисковые тормоза на передних колесах, а многие используют дисковые тормоза на всех четырех колесах.
В Соединенных Штатах Jeep CJ-5 (производство AM General ) был последним автомобилем (производившимся для Почтовой службы США), в котором использовались передние барабанные тормоза, когда их производство было прекращено в 1986 году. Однако барабанные тормоза все еще часто используются. на задних колесах и для стояночного тормоза . В некоторых транспортных средствах используется стояночный тормоз «барабан в шляпе», где тормозные колодки расположены внутри центральной части (шляпки) ротора дискового тормоза, который действует как барабан. [3]
Первые 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 первоначально жаловались на плохое торможение при замене, но со временем тормозная технология усовершенствовалась, чтобы это компенсировать. Большинство старых автомобилей, эксплуатируемых ежедневно, оснащены накладками, не содержащими асбеста. Многие другие страны также запретили использование асбеста в тормозах.
Компоненты барабанного тормоза включают опорную пластину, тормозной барабан, колодку, колесный цилиндр, а также различные пружины и штифты.
Опорная пластина служит основой для других компонентов. Задняя пластина также повышает жесткость всей установки, поддерживает корпус и защищает его от посторонних материалов, таких как пыль и другой дорожный мусор . Он поглощает крутящий момент от торможения, поэтому заднюю пластину также называют «крутящей пластиной». Поскольку все операции торможения оказывают давление на опорный диск, он должен быть прочным и износостойким. В последние годы также были добавлены рычаги аварийного или стояночного тормоза и автоматический регулятор тормозных колодок.
Тормозной барабан обычно изготавливается из особого чугуна, теплопроводного и износостойкого. Он вращается вместе с колесом и осью. Когда водитель нажимает на тормоз, накладка радиально прижимается к внутренней поверхности барабана, и возникающее трение замедляет или останавливает вращение колеса и оси, а значит, и автомобиля. Это трение генерирует значительное количество тепла.
Один колесный цилиндр управляет тормозом каждого колеса. Колодки приводятся в действие двумя поршнями, по одному на каждом конце колесного цилиндра. Ведущий башмак (ближайший к передней части автомобиля) называется основным башмаком. Ведомый башмак известен как вторичный башмак. Гидравлическое давление главного цилиндра воздействует на чашку поршня, подталкивая поршни к колодкам, прижимая их к барабану. Когда водитель отпускает тормоза, пружины тормозных колодок возвращают колодки в исходное (расцепленное) положение. Детали колесного цилиндра показаны справа.
Тормозные колодки обычно изготавливаются из двух кусков стали, сваренных вместе. Фрикционный материал либо приклепан к облицовочному столу, либо прикреплен клеем. Деталь в форме полумесяца называется «Паутиной» и содержит отверстия и прорези различной формы для возвратных пружин, прижимного оборудования, тяг стояночного тормоза и саморегулирующихся компонентов. Вся сила приложения колесного цилиндра передается через перемычку на накладной стол и тормозные накладки. Край подкладочного стола обычно имеет три V-образных выреза или выступа с каждой стороны, называемые перьями. Перья упираются в опорные площадки опорной пластины, на которую установлены башмаки. Каждый тормозной узел имеет две колодки: первичную и вторичную. Основная колодка расположена ближе к передней части автомобиля, а ее накладки расположены иначе, чем вторичная колодка. Довольно часто эти две туфли взаимозаменяемы, поэтому важно тщательно проверять их на наличие различий.
Футеровки должны быть устойчивы к нагреву и износу и иметь высокий коэффициент трения , не подверженный колебаниям температуры и влажности. Материалы, из которых состоят накладки тормозных колодок, включают модификаторы трения (которые могут включать графит и скорлупу орехов кешью ), порошкообразные металлы, такие как свинец, цинк, латунь, алюминий и другие металлы, устойчивые к тепловому выцветанию, связующие вещества, отвердители и наполнители, такие как резиновая стружка для снижения шума тормозов.
Раньше в Великобритании были доступны два распространенных сорта материала тормозных колодок. ДОН 202 представлял собой материал с высоким коэффициентом трения, для которого не требовался сервопривод тормозного усилия. Недостатком было то, что облицовка была склонна к выцветанию на крутых склонах. Была произведена знаменитая VG95 с более твердой накладкой, но для нее требовался усилитель тормозов. Другая проблема заключалась в том, что стояночный тормоз часто не проходил ежегодные испытания ТО, если только для испытаний не устанавливались накладки с высоким коэффициентом трения.
При торможении тормозная жидкость под давлением подается из главного цилиндра в колесный цилиндр, что, в свою очередь, приводит тормозные колодки в контакт с обработанной поверхностью на внутренней стороне барабана. Это трение уменьшает вращение тормозного барабана, соединенного с колесом. Следовательно, скорость автомобиля снижается. Когда давление сбрасывается, возвратные пружины возвращают колодки в исходное положение.
По мере износа тормозных накладок колодкам приходится проходить большее расстояние, чтобы добраться до барабана. В системах, оснащенных автоматическими регуляторами, когда расстояние достигает определенной точки, механизм саморегулировки автоматически реагирует, регулируя положение покоя башмаков так, чтобы они были ближе к барабану. Здесь регулировочный рычаг качается достаточно, чтобы продвинуть регулировочную шестерню на один зуб. На регуляторе есть резьба, как у болта, поэтому при повороте он немного откручивается, удлиняясь, чтобы заполнить зазор. Когда тормозные колодки изнашиваются немного больше, регулятор может снова продвинуться вперед, поэтому он всегда удерживает колодки близко к барабану. Обычно регуляторы работают только тогда, когда автомобиль движется задним ходом и задействованы тормоза.
На автомобилях без автоматических регуляторов необходимо периодически вручную регулировать тормоза, чтобы устранить лишний зазор между колодками и барабаном.
Система стояночного (или аварийного) тормоза управляет тормозами с помощью ряда стальных тросов, которые соединены либо с ручным рычагом, либо с ножной педалью. Идея состоит в том, что система является полностью механической и полностью обходит гидравлическую систему, поэтому автомобиль можно остановить даже в случае полного отказа тормозов. Здесь трос натягивается на рычаг, установленный в тормозе, и напрямую соединяется с тормозными колодками. Это позволяет обойти колесный цилиндр и напрямую управлять тормозами. [4]
Барабанные тормоза имеют естественную характеристику «самовведения», более известную как «самовведение». [5] Вращение барабана может затянуть одну или обе колодки на фрикционную поверхность, в результате чего тормоза сработают сильнее, что увеличит силу, удерживающую их вместе. Это увеличивает тормозную способность без каких-либо дополнительных усилий со стороны водителя, но водителю становится сложнее модулировать чувствительность тормоза. Это также делает тормоз более чувствительным к затуханию торможения , поскольку уменьшение трения в тормозах также снижает эффективность усилителя торможения.
Дисковые тормоза не обладают эффектом самоприменения, поскольку гидравлическое давление, действующее на колодки, перпендикулярно направлению вращения диска. [5] Системы дисковых тормозов обычно имеют сервоусилитель («усилитель тормозов») для уменьшения усилия водителя на педали, но некоторые автомобили с дисковыми тормозами (особенно гоночные автомобили) и небольшие 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 ведущую/ведомую конструкцию (для систем без сервопривода) или первичную/вторичную (для систем с двумя сервоприводами), при этом колодки перемещаются с помощью одного гидравлического цилиндра двойного действия и шарнирно крепятся в одной и той же точке. [5] В этой конструкции одна из тормозных колодок всегда испытывает эффект самоприложения, независимо от того, движется ли транспортное средство вперед или назад. [5] Это особенно полезно при задних тормозах, где стояночный тормоз (ручной или ножной тормоз) должен прилагать достаточное усилие, чтобы остановить движение автомобиля назад и удержать 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 наклона склона или обратного направления. движения. Еще одним преимуществом использования одного гидравлического цилиндра сзади является то, что противоположный шарнир может быть выполнен в виде двухкулачкового кулачка , который вращается под действием системы стояночного тормоза .
На практике передние барабанные тормоза могут быть любой конструкции, но конструкция с двумя ведущими тормозами более эффективна. [5] В этой конструкции используются два исполнительных цилиндра, расположенные таким образом, что обе колодки используют характеристику самоприложения при движении автомобиля вперед. [5] Тормозные колодки поворачиваются в противоположных точках друг к другу. [5] Это обеспечивает максимально возможное торможение при движении вперед, но не столь эффективно при движении задним ходом. [5]
Оптимальное расположение сдвоенных ведущих передних тормозов с ведущими/ведомыми тормозами сзади позволяет увеличить тормозное усилие спереди автомобиля при движении вперед и уменьшить его сзади. Это помогает предотвратить блокировку задних колес, но при этом обеспечивает адекватное торможение сзади. [5]
Поскольку алюминий изнашивается легче, чем железо, алюминиевые барабаны часто имеют железный или стальной вкладыш на внутренней поверхности барабана, прикрепленный или приклепанный к алюминиевой внешней оболочке.
Барабанные тормоза используются в большинстве тяжелых грузовиков, автобусах, некоторых средних и легких грузовиках, а также в некоторых автомобилях, мотоциклах для бездорожья и квадроциклах. Барабанные тормоза часто применяются на задних колесах, поскольку большая часть тормозного усилия создается передними тормозами автомобиля, и поэтому тепло, выделяемое сзади, значительно меньше. Барабанные тормоза позволяют просто включить стояночный тормоз.
Барабанные тормоза также иногда устанавливаются в качестве стояночного (и аварийного) тормоза, даже если на задних колесах в качестве основных тормозов используются дисковые тормоза. Во многих задних дисковых тормозных системах используется 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 в задних дисковых тормозах используются фиксированные многопоршневые суппорты. В этой ситуации небольшой барабан обычно устанавливается внутри тормозного диска или как его часть. Этот тип тормоза также известен как тормоз банксии.
В гибридных автомобилях и электромобилях износ тормозных систем значительно снижается за счет двигателей-генераторов с рекуперацией энергии (см. Рекуперативное торможение ), поэтому некоторые гибридные автомобили, такие как GMC Yukon Hybrid , Toyota Prius (кроме третьего поколения) и Volkswagen ID. 3 и ID.4 используют барабанные тормоза на задних колесах.
Дисковые тормоза полагаются на гибкость уплотнений суппорта и небольшое биение для освобождения колодок, что приводит к торможению, потере расхода топлива и задирам диска. Возвратные пружины барабанного тормоза обеспечивают более положительное действие и при правильной настройке часто оказывают меньшее сопротивление при отпускании. Однако можно сконструировать специальные уплотнения, которые втягивают поршень дискового тормоза.
Барабанные тормоза выделяют меньше твердых частиц (ТЧ) , чем дисковые тормоза, поскольку частицы износа в основном запечатаны внутри. Однако в этом отношении они не лучше, чем тормоза без трения . [6] [7]
Некоторые барабанные тормозные системы для более тяжелых условий эксплуатации компенсируют нагрузку при определении давления в колесных цилиндрах; особенность, редкая при использовании дисков ( системы гидропневматической подвески , используемые на автомобилях Citroën, регулируют тормозное давление в зависимости от нагрузки независимо от того, используются ли барабанные или дисковые тормоза). Одним из таких автомобилей является Jeep Comanche . Comanche может автоматически подавать большее давление на задние барабаны в зависимости от размера груза. Большинство других брендов десятилетиями использовали клапаны измерения нагрузки в гидравлике задней оси.
Благодаря тому, что зона фрикционного контакта барабанного тормоза находится на окружности тормоза, барабанный тормоз может обеспечить большую тормозную силу, чем дисковый тормоз равного диаметра. Увеличенная площадь фрикционного контакта колодок барабанного тормоза с барабаном позволяет колодкам барабанного тормоза служить дольше, чем колодкам дискового тормоза, используемым в тормозной системе аналогичных размеров и тормозной силы. Барабанные тормоза сохраняют тепло и более сложны, чем дисковые тормоза, но часто являются более экономичным и мощным типом тормозов для использования в задних тормозах из-за низкого тепловыделения задних тормозов, самодействующего характера барабанных тормозов, большей площади контакта с поверхностью трения. и характеристики износа при длительном сроке службы (% использованного срока службы/кВт тормозной мощности).
Перечислим преимущества барабанных тормозов:
Барабанные тормоза также устанавливались на карданный вал трансмиссии в качестве стояночных тормозов (например, Chrysler до 1962 года). Это дает то преимущество, что он полностью независим от рабочих тормозов, но имеет серьезный недостаток: при использовании с бамперным домкратом (распространенным в то время) сзади и без надлежащих колесных блоков действие дифференциала может позволить автомобиль скатиться с домкрата.
Land Rover использует барабанные тормоза на выходном валу коробки передач уже более пятидесяти лет. Преимущество состоит в том, что все четыре колеса можно затормозить 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 так же легко передаваться другим компонентам тормозной системы. Тормозные барабаны должны быть большими, чтобы выдерживать огромные силы, а также поглощать и рассеивать большое количество тепла. Передачу тепла воздуху можно улучшить, установив на барабан охлаждающие ребра или даже просверлив отверстия по окружности барабана. Однако чрезмерный нагрев может произойти из-за резкого или многократного торможения, что может привести к деформации барабана, что приведет к вибрации при торможении.
Другим последствием перегрева является затухание тормозов . [5] Это происходит из-за одного из нескольких процессов или, чаще всего, из-за их всех.
Угасание тормозов не всегда связано с перегревом. Вода между трущимися поверхностями и барабаном может действовать как смазка и снижать эффективность торможения. [5] Вода имеет тенденцию оставаться до тех пор, пока не нагреется достаточно для испарения, после чего эффективность торможения возвращается. Все фрикционные тормозные системы имеют максимальную теоретическую скорость преобразования энергии. Как только эта скорость будет достигнута, применение большего давления на педаль не изменит ее - фактически, упомянутые эффекты могут существенно ее уменьшить. В конечном счете, это и есть затухание тормозов, независимо от механизмов его причин. Дисковые тормоза не застрахованы ни от одного из этих процессов, но они более эффективно справляются с теплом и водой, чем барабанные.
Барабанные тормоза могут заклинить, если поверхность барабана покрыта легкой ржавчиной или если тормоз холодный и влажный, что приводит к большему трению материала колодок. Захват может быть настолько сильным, что шины скользят и продолжают скользить, даже когда педаль отпущена. Захват – это противоположность затуханию: когда трение колодок увеличивается, самоусиливающийся характер барабанных тормозов приводит к увеличению силы приложения. Если трение колодок и самоусиление достаточно высоки, тормоз остается включенным благодаря самоприложению, даже когда внешняя сила приложения снимается.
Хотя роторы дисковых тормозов можно подвергнуть механической обработке для очистки поверхности трения (т. е. «поворотом»), то же самое обычно невозможно сделать с тормозными барабанами. Обработка фрикционной поверхности тормозного барабана увеличивает диаметр, поэтому для обеспечения надлежащего контакта с барабаном могут потребоваться колодки большего размера. Однако, поскольку для большинства применений обычно не подходят башмаки большего размера, изношенные или поврежденные барабаны обычно необходимо заменять.
Обработать тормозные барабаны довольно просто, если у вас есть медленно работающий токарный станок (одно практическое правило состоит в том, что чугун не следует обрабатывать со скоростью более пятидесяти футов в минуту). Обычно необходимо только отшлифовать образующийся выступ, затрудняющий снятие тормозного барабана, особенно если тормоза саморегулирующиеся. В тяжелых случаях выступ может заблокировать тормозной барабан, однако в большинстве конструкций барабанных тормозов предусмотрена возможность внешнего освобождения саморегулирующегося механизма, чтобы облегчить снятие и обслуживание барабана.
Еще одним недостатком барабанных тормозов является их относительная сложность. Человек должен иметь общее представление о том, как работают барабанные тормоза, и выполнить несколько простых шагов, чтобы обеспечить правильную сборку тормозов при работе с барабанными тормозами. И в результате этой повышенной сложности (по сравнению с дисковыми тормозами) обслуживание барабанных тормозов, как правило, требует 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 выход из строя оборудования, такого как пружины и регуляторы, также может привести к непреднамеренному торможению или даже блокировке колес. Если пружины сломаются, колодки смогут свободно упасть на вращающийся барабан, что по сути приведет к срабатыванию тормозов. Из-за способности барабанных тормозов к самоподпитке незакрепленные колодки потенциально могут даже привести к схватыванию тормозов до такой степени, что колесо заблокируется. Кроме того, между колодками и барабаном могут застрять сломанные части пружин и другого оборудования (например, регуляторов), что приведет к непреднамеренному срабатыванию тормозов (и, как указано выше, к повреждению компонентов тормоза). По этим причинам тормозное оборудование (например, пружины и зажимы) всегда следует заменять тормозными колодками.
Кроме того, барабанные тормоза не срабатывают сразу же, когда в колесных цилиндрах создается давление, поскольку силу возвратных пружин необходимо преодолеть до того, как колодки начнут двигаться в сторону барабана. Это означает, что очень распространенные гибридные дисково-барабанные системы тормозят только дисками (почти всегда передними) при легком нажатии на педаль, если не добавлено дополнительное оборудование. На практике дозирующий клапан предотвращает попадание гидравлического давления в передние суппорты до тех пор, пока давление не поднимется настолько, чтобы преодолеть возвратные пружины в барабанных тормозах. Если бы дозирующий клапан был опущен, автомобиль остановился бы только с помощью передних дисков, если бы водитель не использовал достаточное давление на педаль тормоза, чтобы преодолеть давление возвратной пружины на задние колодки.
Когда асбест широко использовался в барабанных тормозах, существовала опасность, что рабочие, ремонтирующие или заменяющие их, будут дышать асбестовыми волокнами, что может вызвать мезотелиому . [8] Волокна асбеста могут рваться или разделяться с течением времени, а также под воздействием высоких температур, вызванных торможением. Для уменьшения количества пыли обычно использовались влажные щетки и аэрозольные распылители. Регуляторы безопасности иногда рекомендовали использовать вакуумные шланги для всасывания пыли или кожухи с внутренним освещением и пространством для использования инструментов внутри них, но это было редко и громоздко. Также была рекомендована специальная обувь, предназначенная для защиты от асбеста. [9] Есть свидетельства того, что у автомехаников был непропорционально высокий уровень мезотелиомы. [8]
Те, кто выполняет работы по техническому обслуживанию тормозов, также могут подвергаться воздействию растворителей 1,1,1-трихлорэтана и 2-бутоксиэтанола (основной ингредиент Greasoff № 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, нарушение координации, сонливость и увеличение времени реакции. [9]
До 1984 года было обычным явлением менять дугу тормозных колодок, чтобы она соответствовала дуге внутри тормозных барабанов. Однако эта практика вызвала споры, поскольку она удаляла фрикционный материал из тормозов, сокращала срок службы колодок и создавала опасную асбестовую пыль. После 1984 года текущая теория конструкции была изменена: теперь необходимо использовать колодки для барабана соответствующего диаметра и просто заменять тормозной барабан при необходимости, а не повторно изгибать колодки.
Тормозной барабан нашел популярное применение в качестве ударного инструмента. Вероятно, впервые это было реализовано в композиции 1939 года « First Construction (in Metal) » американского музыканта-авангардиста Джона Кейджа . [10] В последнее время тормозной барабан стал ассоциироваться с перкуссией «ямы» , используемой в марширующих оркестрах и зимних ударных ансамблях.
стояночный тормоз; Определение стояночного тормоза: аварийный тормоз.