Гидравлический тормоз — это устройство тормозного механизма, в котором используется тормозная жидкость , обычно содержащая эфиры гликоля или диэтиленгликоль , для передачи давления от механизма управления к тормозному механизму.
В 1904 году Фредерик Джордж Хит, Реддич, Англия, разработал и установил на велосипед гидравлическую (вода/глицерин) тормозную систему с использованием рычага руля и поршня. Он получил патент GB190403651A на «Усовершенствования тормозов с гидравлическим приводом 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 четырехколесную гидравлическую (масляную) тормозную систему. Он запатентовал его в Великобритании (GB190800241A) в декабре 1908 года, позже в Европе и США, а затем представил его на Лондонском автосалоне 1909 года. Его брат Уильям Герберт Уэйт усовершенствовал патент (GB190921122A), и оба были переданы компании Weight Patent Automobile Brake Ltd., расположенной по адресу 23 Bridge Street, Бристоль, когда она была основана в 1909/10 году. Компания, имевшая завод на Лакуэлл Лейн в Бристоле, установила четырехколесную гидравлическую тормозную систему на шасси Metallurgique, оснащенное кузовом Hill and Boll, которое было представлено на Лондонском автосалоне в ноябре 1910 года. Хотя на большем количестве автомобилей была установлена тормозная система, и компания активно рекламировала ее, она исчезла, не добившись заслуженного успеха.
Малкольм Лугхед (который позже изменил написание своего имени на Lockheed ) изобрел гидравлические тормоза, которые он запатентовал в 1917 году. [2] [3] «Lockheed» — общий термин для обозначения тормозной жидкости во Франции.
Фред Дюзенберг использовал гидравлические тормоза Lockheed Corporation на своих гоночных автомобилях 1914 года [4], а его автомобильная компания Duesenberg была первой, кто применил эту технологию на модели Duesenberg Model A в 1921 году.
Компания Knox Motors из Спрингфилда, Массачусетс, начиная с 1915 года оснащала свои тракторы гидравлическими тормозами. [5]
Эта технология была внедрена в автомобильную промышленность и в конечном итоге привела к внедрению автоматической гидравлической барабанной тормозной системы (Эдвард Бишоп Боутон, Лондон, Англия, 28 июня 1927 года), которая используется до сих пор.
Наиболее распространенная конструкция гидравлических тормозов легковых автомобилей, мотоциклов, скутеров и мопедов состоит из следующих частей:
Обычно в систему заливается тормозная жидкость на основе гликолевого эфира (могут использоваться и другие жидкости).
Когда-то в легковых автомобилях на всех четырех колесах обычно использовались барабанные тормоза. Позже дисковые тормоза стали использоваться спереди и барабанные сзади. Однако дисковые тормоза показали лучшее рассеивание тепла и большую устойчивость к «выцветанию» и поэтому в целом безопаснее, чем барабанные тормоза. Таким образом, дисковые тормоза на четырех колесах становятся все более популярными, заменяя барабаны на всех автомобилях, кроме самых простых. Однако во многих конструкциях двухколесных транспортных средств по-прежнему используются барабанные тормоза для заднего колеса.
В следующем описании используется терминология/и конфигурация простого дискового тормоза.
В гидравлической тормозной системе при нажатии педали тормоза толкатель воздействует на поршень(и) в главном цилиндре, заставляя жидкость из бачка тормозной жидкости перетекать в камеру давления через компенсационное отверстие. Это приводит к увеличению давления во всей гидравлической системе, вытесняя жидкость через гидравлические линии к одному или нескольким суппортам, где она воздействует на один или несколько поршней суппорта, уплотненных одним или несколькими уплотнительными кольцами (которые предотвращают утечку жидкости). ).
Затем поршни тормозного суппорта прикладывают силу к тормозным колодкам, прижимая их к вращающемуся ротору, а трение между колодками и ротором вызывает создание тормозного момента , замедляющего транспортное средство. Тепло, выделяемое в результате этого трения, либо рассеивается через вентиляционные отверстия и каналы в роторе, либо проводится через колодки, которые изготовлены из специальных термостойких материалов, таких как кевлар или спеченное стекло .
Альтернативно, в барабанном тормозе жидкость поступает в колесный цилиндр и прижимает одну или две тормозные колодки к внутренней части вращающегося барабана. В тормозных колодках используется тот же термостойкий фрикционный материал, что и в колодках дисковых тормозов.
Последующее отпускание педали/рычага тормоза позволяет пружине(ам) в главном цилиндре вернуть главный поршень(и) обратно в исходное положение. Это действие сначала снимает гидравлическое давление на суппорт, затем всасывает тормозной поршень 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 утечек, тормозная жидкость не попадает в нее и не выходит из нее, а также жидкость не расходуется в процессе использования. Однако утечка может произойти из-за трещин в уплотнительных кольцах или прокола тормозной магистрали. Трещины могут образоваться, если смешаны два типа тормозной жидкости или если тормозная жидкость загрязнена водой, спиртом, антифризом или любым другим количеством жидкостей. [6]
Гидравлические тормоза передают энергию для остановки объекта, обычно вращающейся оси. В очень простой тормозной системе, состоящей всего из двух цилиндров и дискового тормоза , цилиндры могли 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 соседствовать с поршнем большего сечения. Предположим, что диаметр главного цилиндра составляет половину диаметра рабочего цилиндра, поэтому главный цилиндр имеет поперечное сечение в четыре раза меньше. Теперь, если поршень главного цилиндра опустить на 40 мм, рабочий поршень переместится на 10 мм. Если к главному поршню приложить силу 10 ньютонов (Н), то 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 шарнира в три раза больше расстояния от шарнира до подключенного поршня, то усилие на педали при нажатии на педаль умножается в 3 раза, так что 10 Н становится 30 Н на главный поршень и 120 Н на тормозную колодку. И наоборот, педаль должна переместиться в три раза дальше главного поршня. Если педаль нажать на 120 мм, главный поршень переместится на 40 мм, а ведомый поршень переместит тормозную колодку на 10 мм.
(Для типичных автомобильных тормозных систем малой грузоподъемности)
В четырехколесном автомобиле стандарт FMVSS 105, 1976 г.; [7] требует, чтобы главный цилиндр был разделен внутри на две секции, каждая из которых создает давление в отдельном гидравлическом контуре. Каждая секция подает давление в один контур. Эта комбинация известна как тандемный главный цилиндр . Легковые автомобили обычно имеют либо переднюю/заднюю разделенную тормозную систему, либо диагональную разделенную тормозную систему (главный цилиндр мотоцикла или скутера может создавать давление только в одном блоке, который будет передним тормозом).
В раздельной системе передней/задней части используется одна секция главного цилиндра для подачи давления на поршни переднего суппорта, а другая секция — для подачи давления на поршни заднего суппорта. Тормозная система с разделенным контуром теперь требуется по закону в большинстве стран по соображениям безопасности; если одна цепь выйдет из строя, другая цепь все равно сможет остановить автомобиль.
Диагональные сплит-системы первоначально использовались на автомобилях American Motors 1967 года выпуска. Правый передний и левый задний обслуживаются одним исполнительным поршнем, тогда как левый передний и правый задний обслуживаются исключительно вторым исполнительным поршнем (оба поршня создают давление в соответствующих соединенных трубопроводах с помощью одной ножной педали). Если одна из цепей выходит из строя, другая, с торможением хотя бы одного переднего колеса (передние тормоза обеспечивают большую часть тормозного усилия за счет переноса веса ), остается неповрежденной, чтобы остановить механически поврежденный автомобиль. К 1970-м годам системы с диагональным разделением стали распространены среди автомобилей, продаваемых в Соединенных Штатах. Эта система была разработана на основе конструкции подвески переднеприводных автомобилей, чтобы обеспечить лучший контроль и устойчивость во время сбоя системы.
Треугольная сплит-система была представлена на серии Volvo 140 с 1967 модельного года, где передние дисковые тормоза имеют четырехцилиндровое расположение, и оба контура действуют на каждое переднее колесо и на одно из задних колес. Эта договоренность сохранялась в последующих модельных сериях 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, однако для достижения заданного замедления требуется большее усилие на педали тормоза и меньший ход педали тормоза. Главный цилиндр меньшего диаметра имеет противоположный эффект.
В главном цилиндре также могут использоваться разные диаметры между двумя секциями, чтобы обеспечить увеличенный объем жидкости для одного или другого набора поршней суппорта, и это называется M/C с «быстрым приемом». Они используются с передними суппортами с низким сопротивлением для увеличения экономии топлива.
Дозирующий клапан можно использовать для снижения давления в задних тормозах при резком торможении. Это ограничивает заднее торможение, уменьшая вероятность блокировки задних тормозов, и значительно снижает вероятность пробуксовки.
Вакуумный усилитель или вакуумный сервопривод используется в большинстве современных гидравлических тормозных систем, содержащих четыре колеса. Вакуумный усилитель крепится между главным цилиндром и педалью тормоза и умножает тормозное усилие, прилагаемое водителем. Эти устройства состоят из полого корпуса с подвижной резиновой диафрагмой по центру, образующей две камеры. При креплении к части низкого давления корпуса дроссельной заслонки или впускному коллектору двигателя давление в обеих камерах агрегата снижается. Равновесие, создаваемое низким давлением в обеих камерах, удерживает диафрагму от движения до тех пор, пока не будет нажата педаль тормоза. Возвратная пружина удерживает диафрагму в исходном положении до нажатия педали тормоза. При нажатии педали тормоза открывается воздушный клапан, который впускает воздух атмосферного давления в одну камеру усилителя. Поскольку давление в одной камере становится выше, диафрагма перемещается в сторону камеры более низкого давления под действием силы, создаваемой площадью диафрагмы и перепадом давления. Эта сила, в дополнение к силе ноги водителя, давит на поршень главного цилиндра. Требуется установка повышения давления сравнительно небольшого диаметра; для очень консервативного 50% вакуума в коллекторе вспомогательная сила около 1500 Н создается диафрагмой диаметром 20 см и площадью 0,03 квадратных метра. Диафрагма перестанет двигаться, когда силы с обеих сторон камеры достигнут равновесия. Это может быть вызвано либо закрытием воздушного клапана (из-за остановки педали), либо достижением «выбега». Истечение происходит, когда давление в одной камере достигает атмосферного давления, и теперь уже стагнирующий перепад давления не может создать дополнительную силу. После достижения точки биения для дальнейшего воздействия на поршень главного цилиндра можно использовать только силу ноги водителя.
Давление жидкости из главного цилиндра проходит через пару стальных тормозных трубок к клапану перепада давления, иногда называемому «клапаном отказа тормозов», который выполняет две функции: уравнивает давление между двумя системами и обеспечивает предупреждение. если одна система теряет давление. Клапан перепада давления имеет две камеры (к которым присоединяются гидравлические линии) с поршнем между ними. Когда давление в любой из линий сбалансировано, поршень не движется. Если давление с одной стороны теряется, давление с другой стороны перемещает поршень. Когда поршень контактирует с простым электрическим датчиком в центре устройства, цепь замыкается, и оператор предупреждается о неисправности тормозной системы.
От клапана перепада давления тормозная трубка передает давление к тормозным блокам на колесах. Поскольку колеса не поддерживают фиксированную связь с автомобилем, необходимо использовать гидравлический тормозной шланг от конца стальной магистрали на раме автомобиля до суппорта на колесе. Гибкость стальной тормозной трубки приводит к усталости металла и, в конечном итоге, к отказу тормозов. Обычной модернизацией является замена стандартных резиновых шлангов комплектом, армированным снаружи плетеной проволокой из нержавеющей стали. Плетеные провода имеют незначительное расширение под давлением и могут обеспечить более жесткое ощущение педали тормоза с меньшим ходом педали при заданном тормозном усилии.
Термин «силовые гидравлические тормоза» также может относиться к системам, работающим на совершенно разных принципах, где насос с приводом от двигателя поддерживает постоянное гидравлическое давление в центральном аккумуляторе. Педаль тормоза водителя просто управляет клапаном, сбрасывающим давление в тормозные блоки на колесах, а не фактически создает давление в главном цилиндре путем нажатия на поршень. Эта форма тормоза аналогична пневматической тормозной системе, но в качестве рабочей среды используется гидравлическая жидкость, а не воздух. Однако при отпускании тормозов воздух из системы удаляется, и запас сжатого воздуха необходимо пополнять. В силовой гидравлической тормозной системе жидкость под низким давлением возвращается из тормозных блоков на колесах в насос с приводом от двигателя при отпускании тормозов, поэтому давление в центральном аккумуляторе давления почти мгновенно восстанавливается. Это делает силовую гидравлическую систему очень подходящей для транспортных средств, которым приходится часто останавливаться и трогаться с места (например, городских автобусов ). Постоянно циркулирующая жидкость также устраняет проблемы с замерзанием деталей и накоплением водяного пара, которые могут поражать воздушные системы в холодном климате. В автобусе AEC Routemaster хорошо известны силовые гидравлические тормоза, и в последующих поколениях автомобилей Citroen с гидропневматической подвеской также использовались гидравлические тормоза с полным приводом, а не обычные автомобильные тормозные системы. В большинстве крупных самолетов также используются силовые гидравлические колесные тормоза из-за огромной тормозной силы, которую они могут обеспечить; Колесные тормоза связаны с одной или несколькими основными гидравлическими системами самолета с добавлением аккумулятора, позволяющего тормозить самолет даже в случае отказа гидравлики.
Пневматические тормозные системы громоздки и требуют воздушных компрессоров и резервуаров-резервуаров. Гидравлические системы меньше по размеру и дешевле.
Гидравлическая жидкость должна быть несжимаемой. В отличие от пневматических тормозов , в которых клапан открывается и воздух поступает в магистрали и тормозные камеры до тех пор, пока давление не поднимется в достаточной степени, гидравлические системы полагаются на один ход поршня, чтобы протолкнуть жидкость через систему. Если в систему попадет какой-либо пар, он сожмется, и давление может не подняться настолько, чтобы привести в действие тормоза.
Гидравлические тормозные системы иногда во время работы подвергаются воздействию высоких температур, например, при спуске с крутых уклонов. По этой причине гидравлическая жидкость должна противостоять испарению при высоких температурах.
Вода легко испаряется при нагревании и может вызвать коррозию металлических частей системы. Вода, попадающая в тормозные магистрали, даже в небольших количествах, вступает в реакцию с большинством обычных тормозных жидкостей (т.е. гигроскопичными [ 8] [9] ), вызывая образование отложений, которые могут засорить тормозные магистрали и бачок. Практически невозможно полностью защитить тормозную систему от воздействия воды, а это 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 вступают в реакцию 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.
« Затухание 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 «побледнеть», становясь настолько гладкими и твердыми, что не смогут обеспечить достаточное сцепление, чтобы замедлить автомобиль. Кроме того, испарение гидравлической жидкости при экстремальных температурах или термическая деформация может привести к изменению формы накладок и уменьшению площади поверхности вращающейся части. Термическая деформация также может привести к необратимым изменениям формы металлических компонентов, что приведет к снижению тормозной способности, что потребует замены соответствующих деталей.
