Снижение эффективности тормозов (или снижение эффективности тормозной системы транспортного средства ) — это снижение тормозной способности, которое может возникнуть после многократного или постоянного использования тормозов транспортного средства, особенно в условиях высокой нагрузки или высокой скорости. Снижение эффективности тормозов может быть фактором в любом транспортном средстве, которое использует фрикционную тормозную систему, включая автомобили , грузовики , мотоциклы , самолеты и велосипеды .
Снижение эффективности тормозов вызвано накоплением тепла в тормозных поверхностях и последующими изменениями и реакциями в компонентах тормозной системы и может наблюдаться как в барабанных, так и в дисковых тормозах . Потеря тормозной способности или снижение эффективности может быть вызвано снижением эффективности трения, механическим снижением эффективности или снижением эффективности жидкости. Снижение эффективности тормозов можно значительно снизить с помощью соответствующего оборудования и подбора материалов, а также хорошего охлаждения.
Чаще всего снижение эффективности тормозов происходит при интенсивном вождении или при спуске с крутого склона. Это более распространено в барабанных тормозах из-за их конфигурации. Дисковые тормоза гораздо более устойчивы к снижению эффективности тормозов, поскольку тепло легче отводится от ротора и колодок, и стали стандартной функцией передних тормозов большинства транспортных средств.
Уменьшение трения, называемое выцветанием тормозов, происходит, когда температура достигает «точки перегиба» на кривой зависимости температуры от трения и между диском и колодкой скапливается газ. [ требуется ссылка ] Все тормозные накладки отверждаются под механическим давлением после обратного хода кривой нагрева и охлаждения, нагревая фрикционный материал до 232 °C (450 °F) для « высушивания » (сшивания) термореактивных полимеров фенольной смолы : расплавления связующих смол не происходит, поскольку фенольные смолы являются термореактивными, а не термопластичными . При этой форме выцветания педаль тормоза кажется твердой, но снижается тормозная способность. Выцветание также может быть вызвано кипением тормозной жидкости с сопутствующим высвобождением сжимаемых газов. При этом типе выцветания педаль тормоза кажется «губчатой». Это состояние ухудшается, когда в жидкости есть загрязняющие вещества, такие как вода, которую большинство типов тормозных жидкостей склонны поглощать в разной степени. По этой причине замена тормозной жидкости является стандартным техническим обслуживанием.
Различные конструкции тормозов, такие как ленточные тормоза и многие барабанные тормоза, являются самоусиливающимися: при нажатии на тормоз часть тормозного усилия возвращается в тормозной механизм для дальнейшего самоусиления тормоза. Это называется «положительная обратная связь» или «самоуправление » . Самоусиление уменьшает входное усилие, необходимое для срабатывания тормоза, но усиливает затухание, поскольку уменьшение высоты или толщины фрикционного материала накладки также уменьшает усилие накладки. Напротив, для тормоза без самоусиления, такого как обычный дисковый тормоз, потеря фрикционного материала накладки не изменяет усилие накладки, поэтому нет необходимой потери в реакции тормозного момента для заданного количества входного усилия.
Механизм самоусиления влияет на водяной насос и величину затухания. Например, тормоза Ausco Lambert и Murphy имеют самоусиление, примерно пропорциональное трению колодок, поэтому общее торможение уменьшается примерно как квадрат потери трения. Многие другие конструкции самоусиления, такие как ленточные тормоза и многие обычные барабанные тормоза , имеют экспоненциальное самоусиление, описываемое формулой , где — основание натурального логарифма, — коэффициент трения между колодками и барабаном, — угол зацепления между колодками и барабаном. Небольшое изменение трения вызывает экспоненциальное изменение самоусиления. Во многих обычных тормозах небольшое увеличение трения может привести к блокировке колеса даже при легком нажатии. Например, в сырое утро барабанные тормоза могут заблокироваться при первом нажатии, пробуксовывая до остановки даже после того, как педаль тормоза была отпущена. И наоборот, небольшое уменьшение трения может привести к серьезному затуханию тормозов.
Отказы тормозов могут быть каскадными . Например, типичная комбинация 5-осного грузовика/прицепа имеет 10 тормозов. Если один тормоз выходит из строя, тормозная нагрузка передается на оставшиеся 9 тормозов, заставляя их работать сильнее, нагреваться и, таким образом, сильнее выходить из строя. Если выходить из строя неравномерно, выходить из строя может привести к отклонению транспортного средства. Из-за этого тяжелые транспортные средства часто используют непропорционально слабые тормоза на управляемых колесах, что ухудшает тормозной путь и заставляет тормоза на неуправляемых колесах работать сильнее, ухудшая выходить из строя. Преимущество тормозов с низким выпадением тормозов, таких как дисковые тормоза , заключается в том, что управляемые колеса могут лучше тормозить, не вызывая подруливания тормозов. [1]
Снижение эффективности тормозов обычно происходит при резком или продолжительном торможении. Многие высокоскоростные транспортные средства используют дисковые тормоза, а многие европейские тяжелые транспортные средства используют дисковые тормоза. [1] Многие тяжелые транспортные средства США и стран третьего мира используют барабанные тормоза из-за их более низкой цены покупки. На тяжелых транспортных средствах сопротивление воздуха часто мало по сравнению с весом, поэтому тормоза рассеивают пропорционально больше энергии, чем на типичном 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. Недавние исследования были проведены в Соединенных Штатах для проверки тормозного пути как барабанных, так и дисковых тормозов с использованием североамериканского стандарта FMVSS-121. Результаты показали, что когда более новая смесь фрикционных материалов, обычно используемых в дисковых тормозах, применяется к барабанным тормозам, то нет практически никакой разницы в тормозном пути или снижении эффективности тормозов. [ необходима цитата ] Поскольку в 2012 году Соединенные Штаты изменили свои правила FMVSS-121 для грузовиков восьмого класса, чтобы сократить тормозной путь примерно на 1/3, в действующем законодательстве не было рекомендаций по использованию барабанных или дисковых тормозов.
Новые технологии барабанов и охлаждающие устройства турбин внутри этих барабанов также устранили любые кромки, которые могли быть у дисковых тормозов в тяжелых условиях эксплуатации. Благодаря установке тормозных турбин внутри специально сконфигурированного барабана температура многократно снижается вдвое, а снижение эффективности тормозов практически устраняется.
Отказ тормозов также вызван тепловым расширением тормозного барабана , при котором зазор тормозной колодки становится чрезмерным из-за износа. Это было в значительной степени устранено в 1950-х годах с помощью саморегулирующихся тормозов . [2] Неправильная регулировка с износом по-прежнему является фактором в грузовиках с барабанными пневматическими тормозами. [3] Канадское обследование случайно остановленных тяжелых грузовиков показало, что более 10% грузовиков, использующих саморегулирующиеся тормоза, имели по крайней мере один неотрегулированный тормоз из-за отказа механизма саморегулирования или износа, превышающего возможности саморегулирующегося устройства. Более новые тормозные поршни («банки») увеличивают ход примерно с 65 мм до 75 мм; поскольку около 30 мм хода используется только для соприкосновения колодок с барабаном, дополнительные 10 мм хода составляют более 25% увеличения полезного хода. Более длинный ход уменьшает, особенно износ, но барабанные тормоза по-прежнему принципиально склонны к снижению эффективности при нагревании.
После охлаждения выцветшие тормоза обычно работают так же хорошо, как и раньше, без видимых изменений в тормозных колодках и/или накладках. Однако, если тормоза были чрезмерно горячими в течение длительного периода времени, на фрикционных накладках колодок и накладок может образоваться остекление. Когда это происходит, контактные поверхности накладок будут иметь гладкий, блестящий вид и не будут работать так же эффективно, чтобы замедлить автомобиль при торможении. Это остекление можно легко удалить, осторожно используя наждачную бумагу на них или осторожно управляя автомобилем, используя легкое использование тормозов в течение нескольких миль.
Иногда неправильное объяснение выцветанию тормозов заключается в том, что нагретые тормозные колодки испаряются, образуя газ, который отделяет их от барабана. Такие эффекты легко представить, но физически невозможны из-за большого объема газа, который потребовался бы для такого эффекта. Газовый подшипник нуждался бы в пополнении газа так же быстро, как движется диск или барабан, поскольку на его поверхности нет газа, когда он приближается к колодке или колодке. Кроме того, дисковые тормоза используют почти те же материалы и работают хорошо с небольшим выцветанием, даже когда диски раскалены докрасна. Если тормозные материалы выделяли газ при температуре барабана, они также выделяли бы газ при температуре диска и значительно выцветали бы. Поскольку диски имеют мало выцветания, они также демонстрируют, что выделение газа не является источником выцветания. Некоторые дисковые тормоза просверлены или имеют прорези, но гладкие диски не показывают большего выцветания.
Длинные следы скольжения сдвоенных шин на шоссе, оставленные грузовиками с барабанными тормозами, являются наглядными примерами нелинейности между реакцией тормоза и давлением на педаль. Большие грузовики по-прежнему используют барабанные тормоза, потому что они экономичны и легко подходят там, где эквивалентный дисковый тормоз не подходит. Совсем недавно дисковые тормоза для грузовиков были прорекламированы с такими характеристиками, как отсутствие выцветания, что возможно, потому что у них нет самоусиления (самоусилителя). [4]
На железных дорогах дисковые тормоза используются 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 (слышимый как равномерный шум «бах-бах-бах» , когда поезд проходит мимо — не путать со звуком «бах-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 вагонах Bombardier Bi Level ) используется только один диск, установленный на конце оси снаружи рамы тележки. Высокоскоростные поезда (например, TGV ) могут использовать четыре диска на ось.
Грузовые вагоны (и некоторые пассажирские вагоны, такие как вагоны с подвижным составом, тяговые двигатели которых не оставляют места на осях для установки дисковых тормозов) оснащены дисковыми тормозами , которые напрямую захватывают поверхность качения колес (очень похоже на старые тормоза конных повозок прошлых лет). Такие тормоза представляют собой внешние колодочные барабанные тормоза; но в отличие от ленточных тормозов и многих внутренних колодочных барабанных тормозов, в них отсутствует эффект самопомощи/самоусилителя, и поэтому они гораздо менее подвержены блокировке, чем самопомощные тормоза. Из-за высокой жесткости и относительно низкой мощности эти дисковые тормоза еще менее подвержены блокировке, чем многие дисковые тормоза, и поэтому грузовые вагоны, использующие их, не оснащены антиблокировочными системами.
Первая разработка современных керамических тормозов была сделана британскими инженерами, работающими в железнодорожной отрасли для TGV в 1988 году. Целью было снижение веса, количества тормозов на ось, а также обеспечение стабильного трения на очень высоких скоростях и при любых температурах. Результатом стал процесс армирования керамики углеродным волокном , который теперь используется в различных формах для автомобильных, железнодорожных и авиационных тормозов.
Снижение эффективности тормозов и деформацию ротора можно уменьшить с помощью правильной техники торможения; при движении по длинному спуску, требующему торможения, просто выберите более низкую передачу (это требуется для многих грузовиков на крутых склонах в США). Кроме того, периодическое, а не непрерывное применение тормозов позволит им остыть между применениями. Постоянное легкое применение тормозов может быть особенно разрушительным как с точки зрения износа, так и с точки зрения нагрева тормозной системы. [5]
Высокопроизводительные тормозные компоненты обеспечивают повышенную тормозную способность за счет улучшения трения и снижения износа тормозов. Улучшенное трение обеспечивается за счет материалов накладок, которые имеют более высокий коэффициент трения, чем стандартные тормозные колодки, в то время как износ тормозов снижается за счет использования более дорогих связующих смол с более высокой температурой плавления, а также дисков/роторов с прорезями, отверстиями или углублениями, которые уменьшают газообразный пограничный слой, а также обеспечивают улучшенный отвод тепла. Накопление тепла в тормозах можно дополнительно устранить путем модификации кузова, которая направляет холодный воздух на тормоза.
«Газообразный пограничный слой» — это объяснение механики хот-рода для отказа самосервоэффекта барабанных тормозов, поскольку при возникновении он ощущался как кирпич под педалью тормоза. Чтобы противостоять этому эффекту, тормозные колодки были просверлены и прорезаны для выпуска газа. Несмотря на это, барабанные тормоза были заброшены из-за их самосервоэффекта. У дисков этого нет, потому что прикладываемая сила прикладывается под прямым углом к результирующей тормозной силе. Взаимодействия нет.
Сторонники выделения газа перенесли это убеждение на мотоциклы, велосипеды и «спортивные» автомобили, в то время как все остальные пользователи дисковых тормозов от тех же автомобильных компаний не имеют отверстий на поверхности своих дисков, хотя используются внутренние радиальные воздушные каналы. Отверстия для выпуска газа не были обнаружены на железнодорожных, авиационных и легковых тормозах, потому что там нет газа для выпуска. Между тем, тяжелые грузовики по-прежнему используют барабанные тормоза, потому что они занимают то же самое пространство. Железные дороги никогда не использовали внутренние расширяющиеся барабанные тормоза, потому что они вызывают занос, вызывая дорогостоящие плоские пятна на стальных колесах.
Как дисковые, так и барабанные тормоза можно усовершенствовать с помощью любой технологии, которая отводит тепло от тормозных поверхностей.
Выцветание тормозов барабанного типа можно уменьшить, а общую производительность несколько улучшить с помощью старой техники сверления барабанов "hot rodder". Тщательно подобранный рисунок отверстий просверливается через рабочую секцию барабана; вращение барабана центробежно прокачивает небольшое количество воздуха через зазор между колодкой и барабаном, удаляя тепло; выцветание, вызванное тормозами, смоченными водой, уменьшается, поскольку вода вытесняется центробежно; и часть пыли тормозного материала выходит из отверстий. Сверление тормозных барабанов требует тщательного детального знания физики тормозных барабанов и является передовой техникой, которую, вероятно, лучше оставить профессионалам. Существуют мастерские по ремонту тормозов, которые безопасно внесут необходимые изменения.
Снижение эффективности тормозов, вызванное перегревом тормозной жидкости (часто называемое «снижение эффективности педали»), также можно уменьшить с помощью тепловых барьеров , которые размещаются между тормозной колодкой и поршнем суппорта тормоза, они уменьшают передачу тепла от колодки к суппорту и, в свою очередь, гидравлической тормозной жидкости. Некоторые высокопроизводительные гоночные суппорты уже включают такие тепловые экраны тормозов, изготовленные из титана или керамических материалов. Однако также можно приобрести титановые тепловые экраны тормозов на вторичном рынке [6] , которые подойдут к существующей тормозной системе для защиты от нагрева тормозов. Эти вставки вырезаны с высокой точностью, чтобы покрыть как можно большую часть колодки. Поскольку они относительно дешевы и просты в установке, они популярны среди гонщиков и любителей трек-дней.
Другой метод, используемый для предотвращения выцветания тормозов, — это внедрение тормозных охладителей Fade Stop. Как и титановые тепловые экраны, тормозные охладители разработаны для скольжения между опорной пластиной тормозной колодки и поршнем суппорта. Они изготовлены из высокотеплопроводного, высокопрочного металлического композита, который проводит тепло от интерфейса к радиатору, который находится снаружи суппорта и в воздушном потоке. Было показано, 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 тепловых экранов, тормозные охладители фактически передают тепло в окружающую среду и, таким образом, сохраняют колодки более холодными.
