Исчезновение тормозной системы транспортного средства или затухание тормозов — это снижение тормозной способности, которое может произойти после многократного или продолжительного нажатия на тормоза, особенно в условиях высокой нагрузки или высокой скорости. Исчезновение тормозов может быть фактором в любом транспортном средстве , в котором используется фрикционная тормозная система, включая автомобили , грузовики , мотоциклы , самолеты и велосипеды .
Исчезновение тормозов вызвано накоплением тепла на тормозных поверхностях и последующими изменениями и реакциями в компонентах тормозной системы и может наблюдаться как при использовании барабанных, так и дисковых тормозов . Потеря тормозной способности или затухание может быть вызвано затуханием вследствие трения, механического затухания или затухания жидкости. Затухание тормозов можно значительно уменьшить за счет соответствующего проектирования и выбора оборудования и материалов, а также хорошего охлаждения.
Затухание тормозов чаще всего происходит во время интенсивного вождения или при спуске по длинному крутому склону. Он более распространен в барабанных тормозах из-за их конфигурации. Дисковые тормоза гораздо более устойчивы к износу тормозов, поскольку тепло легче отводится от ротора и колодок, и они стали стандартной функцией передних тормозов для большинства автомобилей.
Уменьшение трения, называемое затуханием тормозов, происходит, когда температура достигает «точки перегиба» на кривой температуры-трения и между диском и колодкой скапливается газ. [ нужна ссылка ] Все тормозные накладки отверждаются под механическим давлением после обратного хода кривой нагрева и охлаждения, нагревая фрикционный материал до 232 ° C (450 ° F) для « отверждения » (сшивания) термореактивных полимеров фенольной смолы : Там Плавление связующих смол отсутствует, поскольку фенольные смолы являются термореактивными, а не термопластичными . При такой форме затухания педаль тормоза кажется твердой, но тормозная способность снижается. Затухание также может быть вызвано кипением тормозной жидкости с сопутствующим выделением сжимаемых газов. При этом типе затухания педаль тормоза кажется «мягкой». Это состояние ухудшается, когда в жидкости присутствуют загрязняющие вещества, такие как вода, которые большинство типов тормозных жидкостей в той или иной степени склонны к поглощению. По этой причине замена тормозной жидкости является стандартным обслуживанием.
Различные конструкции тормозов, такие как ленточные тормоза и многие барабанные тормоза , являются самовспомогательными: при включении тормоза некоторая часть тормозного усилия возвращается в тормозной механизм для дальнейшего самостоятельного применения тормоза. Это называется «положительная обратная связь» или «самосервопривод » . Самопомощь уменьшает входную силу, необходимую для применения тормоза, но увеличивает затухание, поскольку уменьшение высоты или толщины фрикционного материала колодок также снижает силу колодок. Напротив, для тормоза без самоусиления, такого как обычный дисковый тормоз, потеря фрикционного материала колодок не меняет силу колодок, поэтому нет необходимой потери реакции тормозного момента для заданной величины входного усилия.
Механизм самопомощи влияет на водяной насос и степень выцветания. Например, тормоза Ausco Lambert и Murphy имеют самопомощь, примерно пропорциональную трению колодок, поэтому общее торможение уменьшается примерно как квадрат потерь на трение. Многие другие конструкции с самоусиливанием, такие как ленточные тормоза и многие распространенные барабанные тормоза , имеют экспоненциальную самопомощь, описываемую формулой , где – основание натурального логарифма, – коэффициент трения между колодками и барабаном, а – угол взаимодействия между туфли и барабан. Небольшое изменение трения вызывает экспоненциальное изменение самопомощи. Во многих обычных тормозах небольшое увеличение трения может привести к блокировке колес даже при незначительном нажатии. Например, сырым утром барабанные тормоза могут блокироваться при первом же нажатии и останавливаться даже после отпускания педали тормоза. И наоборот, небольшое снижение трения может привести к серьезному ухудшению тормозов.
Сбои в затухании тормозов могут иметь каскадный характер . Например, типичный пятиосный автопоезд с прицепом имеет 10 тормозов. Если один тормоз выходит из строя, тормозная нагрузка передается на оставшиеся 9 тормозов, заставляя их работать интенсивнее, нагреваться и, следовательно, сильнее ослабевать. Если затухание неравномерно, затухание может привести к повороту автомобиля. Из-за этого в тяжелых транспортных средствах часто используются непропорционально слабые тормоза на управляемых колесах, что ухудшает тормозной путь и заставляет тормоза на неуправляемых колесах работать сильнее, ухудшая износ. Преимущество тормозов с низким затуханием, таких как дисковые тормоза, заключается в том, что управляемые колеса могут сильнее тормозить, не вызывая подруливания тормозов. [1]
Затухание тормозов обычно происходит во время резкого или продолжительного торможения. Многие высокоскоростные автомобили используют дисковые тормоза, а многие европейские тяжелые автомобили используют дисковые тормоза. [1] Многие тяжелые автомобили в США и странах третьего мира используют барабанные тормоза из-за их более низкой закупочной цены. На тяжелых транспортных средствах сопротивление воздуха часто невелико по сравнению с их весом, поэтому тормоза рассеивают пропорционально больше энергии, чем на обычном автомобиле или мотоцикле. Таким образом, тяжелым транспортным средствам часто приходится использовать компрессионное торможение двигателем и замедляться, чтобы энергия торможения рассеивалась в течение более длительного интервала времени. Недавние исследования были проведены в США для проверки тормозного пути как барабанных, так и дисковых тормозов с использованием североамериканского стандарта FMVSS-121. Результаты показали, что когда новая смесь фрикционных материалов, обычно используемых в дисковых тормозах, применяется к барабанным тормозам, практически нет разницы в тормозном пути или затухании тормозов. [ нужна цитата ] Поскольку Соединенные Штаты изменили свои правила FMVSS-121 для грузовиков восьмого класса, построенных в 2012 году, чтобы сократить тормозной путь примерно на 1/3, в действующем законе не было рекомендации использовать барабанные или дисковые тормоза.
Новые барабанные технологии и устройства охлаждения турбин внутри этих барабанов также устранили любые краевые дисковые тормоза, которые могли возникнуть в тяжелых условиях эксплуатации. Установка тормозных турбин внутри специально сконфигурированного барабана позволяет снизить температуру во много раз вдвое и практически исключить затухание тормозов.
Отказ тормозов также вызван тепловым расширением тормозного барабана , при котором из-за износа зазор тормозных колодок становится чрезмерным. Это было в значительной степени исправлено в 1950-х годах с помощью саморегулирующихся тормозов . [2] Неправильная регулировка износа по-прежнему является фактором для грузовиков с барабанными пневматическими тормозами. [3] Канадское исследование случайно остановившихся тяжелых грузовиков показало, что более чем у 10% грузовиков, использующих саморегулирующиеся тормоза, по крайней мере один тормоз не отрегулирован либо из-за отказа механизма саморегулировки, либо из-за износа, превышающего возможности саморегулирующегося тормоза. . У новых тормозных поршней («банки») ход увеличивается с 65 мм до 75 мм; поскольку для простого контакта колодок с барабаном используется ход около 30 мм, дополнительные 10 мм хода увеличивают полезный ход более чем на 25%. Более длинный ход снижает износ, особенно связанный с износом, но барабанные тормоза по-прежнему склонны к износу при нагревании.
После охлаждения выцветшие тормоза обычно работают так же хорошо, как и раньше, без видимых изменений в тормозных колодках и/или колодках. Однако, если тормоза были чрезмерно горячими в течение длительного периода времени, на фрикционных накладках колодок и колодках может образоваться нагар. Когда это произойдет, контактные поверхности накладок будут иметь гладкий, блестящий вид и не смогут эффективно замедлять автомобиль при торможении. Это остекление можно легко снять, либо осторожно протерев его наждачной бумагой , либо осторожно проехав несколько миль на автомобиле, слегка нажимая на тормоза.
Неправильное объяснение выцветания тормозов, которое иногда дают, заключается в том, что нагретые тормозные колодки испаряются с образованием газа, который отделяет их от барабана. Такие эффекты легко представить, но физически невозможны из-за большого объема газа, который потребуется для такого эффекта. Газовый подшипник потребует пополнения газа так же быстро, как движется диск или барабан, поскольку на его поверхности нет газа, когда он приближается к колодке или колодке. Кроме того, в дисковых тормозах используются практически те же материалы, и они работают хорошо, практически не выцветая, даже когда диски раскалены. Если тормозные материалы выделяют газы при температуре барабана, они также будут выделять газы при температуре диска и существенно выцветут. Поскольку диски практически не выцветают, они также демонстрируют, что выделение газов не является источником выцветания. Некоторые дисковые тормоза имеют отверстия или прорези, но гладкие диски больше не выцветают.
Длинные следы заноса сдвоенных шин на шоссе, оставленные грузовиками с барабанными тормозами, являются наглядным примером нелинейности между реакцией тормоза и давлением на педаль. В больших грузовиках по-прежнему используются барабанные тормоза, поскольку они экономичны и легко устанавливаются там, где не подходят эквивалентные дисковые тормоза. Совсем недавно дисковые тормоза для грузовиков стали рекламироваться с указанием таких характеристик, как отсутствие затухания, что возможно, поскольку у них нет самопомощи (самосервопривода). [4]
Железные дороги используют дисковые тормоза на пассажирских вагонах уже более 60 лет, но в сочетании с антиблокировочной системой Rolokron , чтобы избежать образования плоских пятен (или « квадратных колес »), когда колеса блокируются и скользят по поверхности рельса (слышно как устойчивый шум «бум-бум-бум» , когда проезжает поезд — не путать со звуком «бум-бах… бах-бах… бах-бах», издаваемым колесами, катящимися по стыку рельсов). Обычно тормозные диски устанавливаются в центре оси, но в некоторых случаях (например, в пригородных автомобилях Bombardier Bi Level ) используется только один диск, установленный на конце оси за пределами рамы грузовика. Высокоскоростные поезда (такие как TGV ) могут использовать четыре диска на ось.
Грузовые вагоны (и некоторые легковые автомобили, например, моторвагонные вагоны, тяговые двигатели которых не оставляют места на осях для установки дисковых тормозов) оснащены дисковыми тормозами , которые непосредственно захватывают поверхность качения колес (очень похоже на старую повозку для лошадей). тормоза прошлых лет). Такие тормоза представляют собой барабанный тормоз с внешней колодкой; но в отличие от ленточных тормозов и многих барабанных тормозов с внутренней колодкой, здесь нет эффекта самопомощи/самосервопривода, и поэтому они гораздо менее подвержены блокировке, чем тормоза с самоусиливанием. Из-за высокой жесткости и относительно малой мощности эти дисковые тормоза даже менее склонны к блокировке, чем многие дисковые тормоза, поэтому грузовые вагоны, использующие их, не оборудованы антиблокировочными системами.
Первая разработка современных керамических тормозов была сделана британскими инженерами, работавшими в железнодорожной отрасли для TGV , в 1988 году. Целью было уменьшить вес, количество тормозов на ось, а также обеспечить стабильное трение на очень высоких скоростях и при любых температурах. . Результатом стал керамический процесс, армированный углеродным волокном , который сейчас используется в различных формах для автомобильных, железнодорожных и авиационных тормозов.
Затухание тормозов и деформацию ротора можно уменьшить за счет правильной техники торможения; при движении по длинному спуску, требующему торможения, просто выберите более низкую передачу (это требуется для многих грузовиков на крутых спусках в США). Кроме того, периодическое, а не постоянное нажатие тормозов позволит им остыть между нажатиями. Непрерывное легкое нажатие на тормоза может быть особенно разрушительным как из-за износа, так и перегрева тормозной системы. [5]
Высокопроизводительные тормозные компоненты обеспечивают повышенную тормозную способность за счет улучшения трения и уменьшения износа тормозов. Улучшенное трение обеспечивается за счет материалов накладок, которые имеют более высокий коэффициент трения , чем стандартные тормозные колодки, а выцветание тормозов снижается за счет использования более дорогих связующих смол с более высокой температурой плавления, а также дисков/роторов с прорезями, отверстиями или углублениями, которые уменьшить газовый пограничный слой, а также обеспечить улучшенный отвод тепла. Перегрев тормозов можно дополнительно решить путем модификации кузова, направляющей холодный воздух в тормоза.
«Газовый пограничный слой» - это объяснение в механике хот-родов отказа самосервоэффекта барабанных тормозов, поскольку в момент возникновения он ощущался как кирпич под педалью тормоза. Чтобы противостоять этому эффекту, в тормозных колодках были просверлены отверстия и прорези для выпуска газа. Несмотря на это, от барабанных тормозов отказались из-за их эффекта самообслуживания. У дисков этого нет, поскольку прилагаемая сила прикладывается под прямым углом к результирующей тормозной силе. Взаимодействия нет.
Приверженцы газовых выбросов перенесли это убеждение на мотоциклы, велосипеды и «спортивные» автомобили, в то время как все остальные пользователи дисковых тормозов тех же автомобильных компаний не имеют отверстий на лицевой стороне своих дисков, хотя используются внутренние радиальные воздушные каналы. Вентиляционные отверстия для выпуска газа не обнаружены в тормозах железных дорог, самолетов и легковых автомобилей, поскольку газ для выпуска отсутствует. Между тем, в тяжелых грузовиках по-прежнему используются барабанные тормоза, поскольку они занимают то же место. На железных дорогах никогда не использовались барабанные тормоза с внутренним расширением, поскольку они вызывают занос, вызывая образование дорогостоящих проколов на стальных колесах.
Как дисковые, так и барабанные тормоза можно улучшить с помощью любого метода, отводящего тепло от тормозных поверхностей.
Затухание барабанных тормозов можно уменьшить, а общую производительность несколько улучшить, используя старую технику сверления барабана «хот-роддер». В рабочей части барабана просверливается тщательно выбранная схема отверстий; вращение барабана центробежно перекачивает небольшое количество воздуха через башмак в зазор барабана, отводя тепло; уменьшение выцветания, вызванного водомокрыми тормозами, поскольку вода вытесняется центробежно; и некоторое количество пыли тормозного материала выходит из отверстий. Сверление тормозного барабана требует тщательного детального знания физики тормозного барабана и представляет собой сложную технику, которую, вероятно, лучше доверить профессионалам. Существуют мастерские по ремонту тормозов, которые безопасно внесут необходимые модификации.
Исчезновение тормозов, вызванное перегревом тормозной жидкости (часто называемое «затухание педали»), также можно уменьшить за счет использования тепловых барьеров , которые размещаются между тормозной колодкой и поршнем тормозного суппорта. Они уменьшают передачу тепла от колодки к суппорту и в слейте гидравлическую тормозную жидкость. Некоторые высокопроизводительные гоночные суппорты уже оснащены такими тормозными тепловыми экранами из титана или керамики. Однако также можно приобрести на вторичном рынке титановые тормозные теплозащитные экраны [6] , которые подойдут к существующей тормозной системе и обеспечат защиту от нагрева тормозов. Эти вставки вырезаны с высокой точностью, чтобы покрыть как можно большую часть подушечки. Поскольку они относительно дешевы и просты в установке, они популярны среди гонщиков и любителей трек-дней.
Еще один метод, используемый для предотвращения выцветания тормозов, - это использование тормозных охладителей с функцией остановки выцветания. Подобно титановым теплозащитным экранам, охладители тормозов предназначены для перемещения между опорной пластиной тормозной колодки и поршнем суппорта. Они изготовлены из металлического композита с высокой теплопроводностью и высоким пределом текучести, который передает тепло от интерфейса к радиатору, который находится снаружи суппорта и в воздушном потоке. Было доказано, что они снижают температуру поршня суппорта более чем на двадцать процентов, а также значительно сокращают время, необходимое для охлаждения. [7] Однако, в отличие от титановых теплозащитных экранов, тормозные радиаторы фактически передают тепло в окружающую среду и, таким образом, сохраняют колодки прохладными.
