Дисковый тормоз — это тип тормоза , который использует суппорты для сжатия пар колодок против диска или ротора [1] для создания трения . [2] Существует два основных типа механизмов трения тормозных колодок: абразивное трение и адгезионное трение. [3] Это действие замедляет вращение вала, например, оси транспортного средства , либо для уменьшения его скорости вращения, либо для удержания его в неподвижном состоянии. Энергия движения преобразуется в тепло , которое должно рассеиваться в окружающую среду.
Гидравлически приводимые дисковые тормоза являются наиболее часто используемым механическим устройством для замедления транспортных средств. Принципы дискового тормоза применимы практически к любому вращающемуся валу. Компоненты включают диск, главный цилиндр и суппорт, которые содержат по крайней мере один цилиндр и две тормозные колодки с обеих сторон вращающегося диска.
Разработка дисковых тормозов началась в Англии в 1890-х годах. В 1902 году компания Lanchester Motor Company разработала тормоза, которые выглядели и работали аналогично современной дисковой тормозной системе, хотя диск был тонким, а трос приводил в действие тормозную колодку. [4] Другие конструкции не были практичными или широко доступными в автомобилях в течение следующих 60 лет. Успешное применение началось в самолетах до Второй мировой войны. Немецкий танк Tiger был оснащен дисками в 1942 году. После войны технический прогресс начался в 1949 году с дисковыми тормозами суппортного типа на четырех колесах на линии Crosley и несуппортного типа на Chrysler. В 1950-х годах была демонстрация превосходства на гонке 24 часа Ле-Мана 1953 года , которая требовала торможения с высоких скоростей несколько раз за круг. [5] Гоночная команда Jaguar одержала победу, используя автомобили, оборудованные дисковыми тормозами, причем большая часть заслуги была отдана превосходным характеристикам тормозов по сравнению с конкурентами, оборудованными барабанными тормозами . [5] Массовое производство началось с 1949–1950 годов, когда все производство Crosley было включено в производство, а постоянное массовое производство началось в 1955 году с Citroën DS . [4]
Дисковые тормоза обеспечивают лучшую эффективность торможения, чем барабанные, поскольку диск легче охлаждается. Следовательно, диски менее подвержены снижению эффективности тормозов, вызванному перегревом тормозных компонентов. Дисковые тормоза также быстрее восстанавливаются после погружения (мокрые тормоза менее эффективны, чем сухие). [5]
Большинство конструкций барабанных тормозов имеют по крайней мере одну ведущую колодку, которая обеспечивает сервоэффект . Напротив, дисковый тормоз не имеет самосервоэффекта, и его тормозное усилие всегда пропорционально давлению, оказываемому на тормозную колодку тормозной системой через любой сервопривод тормоза, педаль тормоза или рычаг. Это, как правило, дает водителю лучшее «чувство» и помогает избежать надвигающейся блокировки. Барабаны также склонны к «раструбу» и застреванию изношенного материала накладки внутри узла, что приводит к различным проблемам с торможением. [ необходима цитата ]
Диск обычно изготавливается из чугуна . В некоторых случаях он может быть изготовлен из композитов, таких как армированные углерод-углеродные или керамические матричные композиты . Он соединен с колесом и осью . Для замедления колеса фрикционный материал в виде тормозных колодок , установленных на суппорте тормоза , механически, гидравлически , пневматически или электромагнитно прижимается к обеим сторонам диска. Трение заставляет диск и прикрепленное колесо замедляться или останавливаться.
Тормозной диск — это вращающаяся часть узла дискового тормоза колеса, к которой прижимаются тормозные колодки. Материалом обычно служит серый чугун [6] , разновидность чугуна [ 7] . Конструкция дисков различается. Некоторые из них сплошные, а другие имеют полости с ребрами или лопатками, соединяющими две контактные поверхности диска (обычно включаются в процесс литья). Вес и мощность автомобиля определяют необходимость в вентилируемых дисках [8] . «Вентилируемая» конструкция диска помогает рассеивать выделяемое тепло и обычно используется на более нагруженных передних дисках.
Диски для мотоциклов, велосипедов и многих автомобилей часто имеют отверстия или прорези, прорезанные через диск. Это делается для лучшего рассеивания тепла , для содействия рассеиванию поверхностной воды, для снижения шума, для уменьшения массы или для маркетинга косметики. [ необходима цитата ]
Диски с прорезями имеют неглубокие каналы, проделанные в диске, чтобы помочь удалить пыль и газ. Прорезь предпочтительна в большинстве гоночных сред для удаления газа и воды и удаления глазури с тормозных колодок. Некоторые диски имеют как просверленные, так и прорезные отверстия. Диски с прорезями обычно не используются на стандартных транспортных средствах, поскольку они быстро изнашивают тормозные колодки; однако удаление материала полезно для гоночных автомобилей, поскольку оно сохраняет колодки мягкими и предотвращает остекловывание их поверхностей. На дороге диски с прорезями или прорезями по-прежнему имеют положительный эффект во влажных условиях, поскольку отверстия или прорези предотвращают образование пленки воды между диском и колодками.
Двухкомпонентные диски — это когда центральная монтажная часть диска изготавливается отдельно от внешнего фрикционного кольца. Центральную секцию, используемую для установки, часто называют колоколом или шляпой из-за ее формы. Обычно ее изготавливают из сплава, например, сплава 7075 , и подвергают жесткому анодированию для долговечности. Внешнее кольцо диска обычно изготавливают из серого чугуна . Они также могут быть из стали или углеродистой керамики для определенных применений. [ требуется ссылка ] Эти материалы возникли из автоспорта и доступны в высокопроизводительных автомобилях и для модернизации на вторичном рынке. Двухкомпонентные диски могут поставляться как фиксированная сборка с обычными гайками, болтами и шайбами или более сложной плавающей системой, где приводные бобины позволяют двум частям тормозного диска расширяться и сжиматься с разной скоростью, тем самым снижая вероятность деформации диска от перегрева. Основными преимуществами двухкомпонентного диска являются экономия критического неподрессоренного веса и рассеивание тепла с поверхности диска через сплав колокола (шляпы). Как фиксированные, так и плавающие варианты имеют свои недостатки и преимущества. Плавающие диски подвержены дребезжанию и скоплению мусора и лучше всего подходят для автоспорта, тогда как фиксированные лучше всего подходят для использования на дорогах. [8]
Разработка дисковых тормозов началась в Англии в 1890-х годах. Первый автомобильный дисковый тормоз суппортного типа был запатентован Фредериком Уильямом Ланчестером на его фабрике в Бирмингеме в 1902 году и успешно использовался на автомобилях Lanchester . Однако ограниченный выбор металлов в этот период означал, что он использовал медь в качестве тормозной среды, действующей на диск. Плохое состояние дорог в то время, не более чем пыльные, неровные трассы, означало, что медь быстро изнашивалась, делая систему непрактичной. [4] [9]
В 1921 году компания Douglas Motorcycle Company представила разновидность дискового тормоза на переднем колесе своих спортивных моделей с верхним расположением клапанов. Запатентованное Британской ассоциацией по исследованию мотоциклов и веломобилей, устройство Douglas описало как «новый клиновой тормоз», работающий на «скошенном фланце ступицы». Тормоз приводился в действие тросом Боудена . Передние и задние тормоза этого типа были установлены на машине, на которой Том Ширд ехал к победе в Senior TT 1923 года . [10]
Успешное применение началось на железнодорожных пассажирских поездах, самолетах и танках до и во время Второй мировой войны. В США компания Budd представила дисковые тормоза на General Pershing Zephyr для Берлингтонской железной дороги в 1938 году. К началу 1950-х годов дисковые тормоза регулярно применялись на новом пассажирском подвижном составе. [11] В Великобритании компания Daimler использовала дисковые тормоза на своем броневике Daimler 1939 года. Дисковые тормоза, произведенные компанией Girling , были необходимы, поскольку в этом полноприводном (4×4) автомобиле планетарная главная передача находилась в ступицах колес и, следовательно, не оставляла места для обычных барабанных тормозов, устанавливаемых на ступицы . [12]
В 1940 году Герман Клауэ (1912-2001) из немецкой компании Argus Motoren запатентовал [13] дисковые тормоза. Argus поставляла колеса, оснащенные дисковыми тормозами, например, для Arado Ar 96. [ 14] Немецкий тяжелый танк Tiger I был представлен в 1942 году с 55-сантиметровым диском Argus-Werke [15] на каждом приводном валу.
Американский Crosley Hot Shot имел дисковые тормоза на всех четырех колесах в 1949 и 1950 годах. Однако они быстро оказались ненадёжными и были сняты. [4] Crosley вернулся к барабанным тормозам, и барабанные тормоза для Hot Shots стали популярны. [16] Отсутствие достаточных исследований привело к проблемам с надёжностью, таким как заедание и коррозия, особенно в регионах, где на зимних дорогах посыпали солью. [16] Дисковые тормоза Crosley на всех четырех колесах сделали автомобили и специальные модели на основе Crosley популярными в гонках SCCA H-Production и H-modified в 1950-х годах. [ необходима цитата ] Диск Crosley был конструкцией Goodyear -Hawley, современным суппортом «точечного» типа с современным диском, заимствованным из конструкции, применяемой в авиации. [4]
Chrysler разработал уникальную тормозную систему, которая предлагалась с 1949 по 1953 год. [17] Вместо диска с суппортом, сжимающим его, эта система использовала два расширяющихся диска, которые терлись о внутреннюю поверхность чугунного тормозного барабана, который также служил корпусом тормоза. [16] Диски раздвигались, создавая трение о внутреннюю поверхность барабана посредством действия стандартных колесных цилиндров . [16] Из-за дороговизны тормоза были стандартными только на Chrysler Crown и Town and Country Newport в 1950 году. [16] Однако они были опциональными на других Chrysler и стоили около 400 долларов, в то время как целый Crosley Hot Shot продавался за 935 долларов. [16] Эта система дисковых тормозов для четырех колес была создана компанией Auto Specialties Manufacturing Company (Ausco) из Сент-Джозефа, штат Мичиган , по патентам изобретателя HL Lambert и впервые была испытана на Plymouth 1939 года . [16] Диски Chrysler были «самозаряжающимися», в том смысле, что часть энергии торможения сама по себе способствовала тормозному усилию. [16] Это достигалось с помощью небольших шариков, установленных в овальных отверстиях, ведущих к тормозной поверхности. [16] Когда диск вступал в первоначальный контакт с фрикционной поверхностью, шарики выталкивались вверх по отверстиям, заставляя диски дальше расходиться и увеличивая энергию торможения. [16] Это обеспечивало более легкое тормозное давление, чем с суппортами, предотвращало снижение эффективности тормозов, способствовало более холодной работе и обеспечивало на треть большую поверхность трения, чем стандартные двенадцатидюймовые барабаны Chrysler. [16] Сегодняшние владельцы считают Ausco-Lambert очень надежными и мощными, но признают их цепкость и чувствительность. [16]
В 1953 году 50 моделей Austin-Healey 100S (Sebring) с алюминиевым кузовом , построенных в первую очередь для гонок, стали первыми европейскими автомобилями, продаваемыми широкой публике, которые имели дисковые тормоза, установленные на всех четырех колесах. [18]
Гоночный автомобиль Jaguar C-Type выиграл гонку 24 часа Ле-Мана 1953 года , став единственным автомобилем в гонке, использовавшим дисковые тормоза, разработанные в Великобритании компанией Dunlop , и первым автомобилем в Ле-Мане, когда-либо развивавшим среднюю скорость более 100 миль в час. [19] «Большие барабанные тормоза конкурентов могли сравниться с дисковыми тормозами по эффективности торможения, но не по их огромной выносливости». [5]
До этого, в 1950 году, Crosley HotShot с дисковыми тормозами на всех четырех колесах выиграл Индекс производительности в первой гонке в Себринге (шесть часов вместо 12) в канун Нового года 1950 года. [ необходима цитата ]
Citroën DS был первым автомобилем, в котором в 1955 году были установлены современные автомобильные дисковые тормоза. [4] [9] [20] [21] [22] Среди многочисленных инноваций в автомобиле были передние дисковые тормоза суппортного типа. [4] Эти диски устанавливались внутри автомобиля рядом с трансмиссией и приводились в действие центральной гидравлической системой автомобиля. Эта модель была продана в количестве 1,5 миллиона единиц за 20 лет с той же тормозной системой. [4]
Несмотря на ранние эксперименты в 1902 году, проведенные британской Lanchester Motor Company , и в 1949 году американскими Chrysler и Crosley , дорогостоящая, подверженная проблемам технология не была готова к массовому производству. [4] [17] Попытки вскоре были прекращены. [4] [17] [16]
Jensen 541 с дисковыми тормозами на всех четырёх колёсах появился в 1956 году. [4] [23] Triumph представил публике TR3 1956 года с дисковыми тормозами, но первые серийные автомобили с передними дисковыми тормозами Girling были выпущены в сентябре 1956 года. [24] Jaguar начал предлагать дисковые тормоза в феврале 1957 года на модели XK150, [25] вскоре за ней последовал спортивный седан Mark 1 [26] и в 1959 году большой седан Mark IX. [27]
Дисковые тормоза были наиболее популярны на спортивных автомобилях, когда они впервые появились, поскольку эти транспортные средства более требовательны к эффективности тормозов. Диски теперь стали более распространенной формой в большинстве легковых автомобилей. Однако многие (легкие транспортные средства) используют барабанные тормоза на задних колесах, чтобы снизить расходы и вес, а также упростить положения для стояночного тормоза . Это может быть разумным компромиссом, поскольку передние тормоза выполняют большую часть тормозного усилия.
Во многих ранних реализациях для автомобилей тормоза располагались на внутренней стороне карданного вала , рядом с дифференциалом , в то время как большинство тормозов сегодня расположены внутри колес. Внутреннее расположение уменьшает неподрессоренную массу и устраняет источник передачи тепла к шинам.
Исторически тормозные диски производились по всему миру, но в основном в Европе и Америке. В период с 1989 по 2005 год производство тормозных дисков преимущественно переместилось в Китай. [ необходима цитата ]
В 1963 году Studebaker Avanti был оборудован на заводе передними дисковыми тормозами в качестве стандартного оборудования. [28] Эта система Bendix, лицензированная у Dunlop, также была дополнительной на некоторых других моделях Studebaker. [29] Передние дисковые тормоза стали стандартным оборудованием на Rambler Marlin 1965 года . [30] Блоки Bendix были дополнительными на всех моделях Rambler Classic и Ambassador компании American Motors , а также на Ford Thunderbird и Lincoln Continental . [7] [31] [32] Система дисковых тормозов на все четыре колеса также была представлена в 1965 году на Chevrolet Corvette Stingray. [33] Большинство американских автомобилей перешли с передних барабанных тормозов на передние дисковые тормоза в конце 1970-х и начале 1980-х годов.
Lambretta впервые представила массовое производство одного плавающего переднего дискового тормоза, заключенного в вентилируемую литую ступицу из сплава и приводимого в действие тросом, на модели TV175 1962 года. [34] [35] За ней последовала модель GT200 в 1964 году. [36] [37] [38] [39]
MV Agusta был вторым производителем, предложившим публике мотоцикл с передним дисковым тормозом в небольших количествах в 1965 году на своем дорогом туристическом мотоцикле 600 с тросовым механическим приводом. [40] В 1969 году Honda представила более доступную модель CB750 , которая имела один гидравлический передний дисковый тормоз (и задний барабанный тормоз) и которая продавалась огромными тиражами. [40] [41]
В отличие от автомобильных дисковых тормозов, которые расположены внутри колеса, велосипедные дисковые тормоза находятся в воздушном потоке и имеют оптимальное охлаждение. Хотя чугунные диски имеют пористую поверхность, которая обеспечивает превосходную эффективность торможения, такие диски ржавеют под дождем и становятся неприглядными. Соответственно, мотоциклетные диски обычно изготавливаются из нержавеющей стали, просверлены, прорезаны или волнистые для рассеивания дождевой воды. Современные мотоциклетные диски, как правило, имеют плавающую конструкцию, при которой диск «плавает» на бобинах и может немного двигаться, что обеспечивает лучшую центровку диска с фиксированным суппортом. Плавающий диск также предотвращает деформацию диска и снижает передачу тепла к ступице колеса.
Суппорты эволюционировали от простых однопоршневых устройств до двух-, четырех- и даже шестипоршневых. [42] По сравнению с автомобилями, у мотоциклов более высокое соотношение центра масс к колесной базе , поэтому они испытывают больший перенос веса при торможении. Передние тормоза поглощают большую часть тормозных усилий, в то время как задний тормоз служит в основном для балансировки мотоцикла во время торможения. Современные спортивные мотоциклы обычно имеют два больших передних диска и гораздо меньший один задний диск. Мотоциклы, которые особенно быстры или тяжелы, могут иметь вентилируемые диски.
Ранние дисковые тормоза (например, на ранних Honda Fours и Norton Commando ) располагали суппорты поверх диска, перед слайдером вилки. Хотя это обеспечивало лучшее охлаждение тормозных колодок, сейчас почти повсеместно принято размещать суппорт за слайдером (чтобы уменьшить угловой момент вилки). Задние дисковые суппорты могут быть установлены выше (например, BMW R1100S ) или ниже (например, Yamaha TRX850 ) маятника: низкое крепление обеспечивает немного более низкий центр тяжести, в то время как верхнее расположение сохраняет суппорт более чистым и лучше защищенным от дорожных препятствий.
Одна из проблем с дисковыми тормозами мотоцикла заключается в том, что когда мотоцикл попадает в сильный танковый удар (высокоскоростное колебание переднего колеса), тормозные колодки в суппортах отталкиваются от дисков, поэтому, когда гонщик нажимает на рычаг тормоза, поршни суппорта толкают колодки к дискам, фактически не соприкасаясь с ними. Затем гонщик тормозит сильнее, прижимая колодки к диску гораздо агрессивнее, чем при стандартном торможении. Примером этого является инцидент с Микеле Пирро в Муджелло, Италия, 1 июня 2018 года. [43] По крайней мере один производитель разработал систему, противодействующую отталкиванию колодок.
Современной разработкой, особенно на перевернутых («вверх ногами» или «USD») вилках, является радиально установленный суппорт. Хотя они и модны, нет никаких доказательств того, что они улучшают эффективность торможения или увеличивают жесткость вилки. (Не имея возможности использовать распорку вилки, вилки USD могут быть лучше всего усилены за счет увеличенной передней оси). [ необходима цитата ]
Дисковые тормоза велосипедов могут варьироваться от простых механических (кабельных) систем до дорогих и мощных многопоршневых гидравлических дисковых систем, обычно используемых на гоночных велосипедах для скоростного спуска . Усовершенствованные технологии привели к созданию вентилируемых дисков для использования на горных велосипедах , похожих на те, что установлены на автомобилях, которые помогают избежать теплового выцветания на быстрых спусках в горах. Диски также используются на шоссейных велосипедах для езды на велосипеде в любую погоду с предсказуемым торможением. К 2024 году почти все шоссейные велосипеды будут оснащены дисковыми тормозами, как и горные велосипеды. Иногда предпочитают барабаны, поскольку их сложнее повредить на переполненных парковках, где диски иногда гнутся. Большинство тормозных дисков велосипедов изготовлены из стали. Нержавеющая сталь предпочтительнее из-за ее антикоррозионных свойств. [44] Диски тонкие, часто около 2 мм. Некоторые используют двухкомпонентный плавающий диск, другие используют цельный сплошной металлический диск. Велосипедные дисковые тормоза используют либо двухпоршневой суппорт, который зажимает диск с обеих сторон, либо однопоршневой суппорт с одной подвижной колодкой, которая сначала контактирует с диском, а затем прижимает диск к неподвижной колодке. [45] Поскольку энергоэффективность так важна для велосипедов, необычной особенностью велосипедных тормозов является то, что колодки втягиваются, чтобы устранить остаточное сопротивление при отпускании тормоза. [ необходимо разъяснение ] Напротив, большинство других тормозов слегка тянут колодки при отпускании, чтобы минимизировать начальный рабочий ход. [ необходимо разъяснение ]
Дисковые тормоза все чаще используются на очень больших и тяжелых дорожных транспортных средствах, где ранее большие барабанные тормоза были почти универсальными. Одна из причин заключается в том, что отсутствие у диска самоусиления делает тормозное усилие намного более предсказуемым, поэтому пиковое тормозное усилие можно увеличить без большего риска подтормаживания или складывания на сочлененных транспортных средствах. Другая причина заключается в том, что дисковые тормоза меньше изнашиваются при нагревании, а в тяжелом транспортном средстве сопротивление воздуха и качения, а также торможение двигателем составляют малую часть общего тормозного усилия, поэтому тормоза используются сильнее, чем на более легких транспортных средствах, и износ барабанных тормозов может произойти за одну остановку. По этим причинам тяжелый грузовик с дисковыми тормозами может остановиться примерно за 120% расстояния легкового автомобиля, но с барабанными тормозами остановка занимает около 150% расстояния. [46] В Европе правила тормозного пути по сути требуют дисковых тормозов для тяжелых транспортных средств. В США барабаны разрешены и, как правило, предпочтительны из-за их более низкой цены покупки, несмотря на более высокую общую стоимость срока службы и более частые интервалы обслуживания. [ необходима цитата ]
Еще большие диски используются для железнодорожных вагонов , трамваев и некоторых самолетов . Пассажирские вагоны и легкорельсовый транспорт часто используют дисковые тормоза снаружи колес, что помогает обеспечить свободный поток охлаждающего воздуха. Некоторые современные пассажирские вагоны, такие как вагоны Amfleet II , используют внутренние дисковые тормоза. Это снижает износ от мусора и обеспечивает защиту от дождя и снега, которые делают диски скользкими и ненадежными. Тем не менее, охлаждения все еще достаточно для надежной работы. На некоторых самолетах тормоз установлен с очень небольшим охлаждением, и тормоз нагревается при остановке. Это приемлемо, поскольку есть достаточно времени для охлаждения, где максимальная энергия торможения очень предсказуема. Если энергия торможения превышает максимум, например, во время чрезвычайной ситуации, возникающей во время взлета, колеса самолета могут быть оснащены плавкой вставкой [47] , чтобы предотвратить разрыв шины. Это важный тест в разработке самолетов. [48]
Для автомобильного использования диски дисковых тормозов обычно изготавливаются из серого чугуна . [6] SAE поддерживает спецификацию для производства серого чугуна для различных применений. Для обычных применений в легковых автомобилях и легких грузовиках спецификация SAE J431 G3000 (замененная на G10) диктует правильный диапазон твердости , химического состава, предела прочности и других свойств, необходимых для предполагаемого использования. Некоторые гоночные автомобили и самолеты используют тормоза с дисками из углеродного волокна и колодками из углеродного волокна для снижения веса. Скорость износа, как правило, высока, и торможение может быть плохим или схватывающим, пока тормоз не нагреется.
В гоночных и высокопроизводительных дорожных автомобилях использовались другие материалы для дисков. Усиленные углеродные диски и колодки, вдохновленные системами торможения самолетов, такими как те, что использовались на Concorde, были представлены в Формуле-1 компанией Brabham совместно с Dunlop в 1976 году. [49] Углерод-углеродные тормоза в настоящее время используются в большинстве гонок высшего уровня по всему миру, снижая неподрессоренную массу , обеспечивая лучшие фрикционные характеристики и улучшенные структурные свойства при высоких температурах по сравнению с чугунными. Углеродные тормоза иногда применялись на дорожных автомобилях, например, французским производителем спортивных автомобилей Venturi в середине 1990-х годов, но им необходимо достичь очень высокой рабочей температуры, прежде чем они станут по-настоящему эффективными, и поэтому они не очень подходят для использования на дорогах. Чрезвычайное тепло, выделяемое этими системами, видно во время ночных гонок, особенно на коротких трассах. Нередко можно увидеть, как тормозные диски светятся красным во время использования. [ необходима цитата ]
Керамические диски используются в некоторых мощных автомобилях и большегрузных транспортных средствах.
Первая разработка современного керамического тормоза была сделана британскими инженерами для применения в TGV в 1988 году. Целью было снижение веса и количества тормозов на ось, а также обеспечение стабильного трения на высоких скоростях и при любых температурах. Результатом стал керамический процесс, армированный углеродным волокном , который теперь используется в различных формах для автомобильных, железнодорожных и авиационных тормозов.
Благодаря высокой термостойкости и механической прочности керамических композитных дисков их часто используют на экзотических автомобилях , где стоимость не является непомерной. [50] Они также используются в промышленных приложениях, где легкие и не требующие особого ухода свойства керамических дисков оправдывают стоимость. Композитные тормоза могут выдерживать температуры, которые могут повредить стальные диски.
Композитные керамические тормоза Porsche (PCCB) изготовлены из силиконизированного углеродного волокна, выдерживают высокие температуры, весят на 50% меньше, чем железные диски (следовательно, уменьшают неподрессоренную массу автомобиля), значительно снижают образование пыли, существенно увеличивают интервалы технического обслуживания и повышают долговечность в коррозионных средах. Они устанавливаются на некоторые из их более дорогих моделей, но также являются дополнительным тормозом для всех уличных Porsche за дополнительную плату. Их можно узнать по ярко-желтой окраске алюминиевых шестипоршневых суппортов. Диски имеют внутреннюю вентиляцию, как и чугунные, и перфорированы. [ требуется цитата ]
В автомобильной промышленности поршневое уплотнение имеет квадратное поперечное сечение, также известное как квадратное уплотнение.
Когда поршень движется внутрь и наружу, уплотнение тянется и растягивается на поршне, заставляя уплотнение скручиваться. Уплотнение деформируется примерно на 1/10 миллиметра. Поршень может свободно выдвигаться, но небольшое сопротивление, вызванное уплотнением, не дает поршню полностью вернуться в предыдущее положение, когда тормоза отпущены, и таким образом устраняет провисание, вызванное износом тормозных колодок, устраняя необходимость в возвратных пружинах. [51] [52]
В некоторых задних дисковых суппортах стояночный тормоз активирует механизм внутри суппорта, который выполняет некоторые из тех же функций.
Диски обычно повреждаются одним из четырех способов: образование царапин, трещин, деформация или чрезмерная ржавчина. Мастерские по техническому обслуживанию иногда реагируют на любую проблему с дисками, полностью меняя диски. Это делается в основном в тех случаях, когда стоимость нового диска может быть ниже стоимости труда по восстановлению поверхности старого диска. С механической точки зрения это не нужно, если только диски не достигли минимальной рекомендуемой производителем толщины, что сделало бы их использование небезопасным, или если ржавление лопастей сильное (только для вентилируемых дисков). Большинство ведущих производителей автомобилей рекомендуют шлифовку тормозных дисков (США: точение) в качестве решения для бокового биения, проблем с вибрацией и шумов тормозов. Процесс обработки выполняется на токарном станке для тормозов , который снимает очень тонкий слой с поверхности диска, чтобы очистить незначительные повреждения и восстановить равномерную толщину. Обработка диска по мере необходимости максимально увеличит пробег текущих дисков на транспортном средстве.
Биение измеряется с помощью циферблатного индикатора на неподвижном жестком основании, с наконечником, перпендикулярным поверхности тормозного диска. Обычно оно измеряется примерно на расстоянии 1 ⁄ 2 дюйма (12,7 мм) от наружного диаметра диска. Диск вращается. Разница между минимальным и максимальным значением на циферблате называется боковым биением. Типичные характеристики биения узла ступицы/диска для легковых автомобилей составляют около 0,002 дюйма (0,0508 мм ). Биение может быть вызвано либо деформацией самого диска, либо биением на базовой поверхности ступицы колеса, либо загрязнением между поверхностью диска и базовой поверхностью крепления ступицы. Определение основной причины смещения индикатора (боковое биение) требует разборки диска со ступицы. Биение поверхности диска из-за биения или загрязнения поверхности ступицы обычно имеет период 1 минимум и 1 максимум на один оборот тормозного диска.
Диски можно обрабатывать на станке, чтобы устранить разброс толщины и боковое биение. Обработка может выполняться на месте (на машине) или вне машины (токарный станок). Оба метода устраняют разброс толщины. Обработка на машине с соответствующим оборудованием также может устранить боковое биение из -за неперпендикулярности поверхности ступицы.
Неправильная установка может деформировать (скрутить) диски. Болты крепления диска (или гайки колеса/крепления, если диск зажат колесом) должны затягиваться постепенно и равномерно. Использование пневматических инструментов для затягивания гаек крепления может быть плохой практикой, если для окончательной затяжки не используется динамометрический ключ. В руководстве по эксплуатации автомобиля будет указана правильная схема затяжки, а также номинальный момент затяжки для болтов. Гайки крепления никогда не следует затягивать по кругу. Некоторые автомобили чувствительны к силе, прилагаемой болтами, и затяжку следует выполнять динамометрическим ключом .
Часто неравномерный перенос колодок путают с деформацией диска. [53] Большинство тормозных дисков, диагностированных как «деформированные», являются результатом неравномерного переноса материала колодок. Неравномерный перенос колодок может привести к изменению толщины диска. Когда более толстая часть диска проходит между колодками, колодки раздвигаются, и педаль тормоза слегка поднимается; это пульсация педали. Изменение толщины может почувствовать водитель, когда оно составляет приблизительно 0,17 мм (0,0067 дюйма) или больше (на автомобильных дисках).
Изменение толщины имеет много причин, но три основных механизма способствуют распространению изменений толщины диска. Первый — неправильный выбор тормозных колодок. Колодки, которые эффективны при низких температурах, например, при первом торможении в холодную погоду, часто изготавливаются из материалов, которые неравномерно разлагаются при более высоких температурах. Это неравномерное разложение приводит к неравномерному отложению материала на тормозном диске. Другой причиной неравномерного переноса материала является неправильная приработка комбинации колодка/диск. Для правильной приработки поверхность диска должна обновляться (либо путем обработки контактной поверхности, либо путем замены диска) каждый раз, когда меняются колодки. После этого тормоза сильно нажимаются несколько раз подряд. Это создает гладкий, ровный интерфейс между колодкой и диском. Если это не сделано должным образом, тормозные колодки будут испытывать неравномерное распределение напряжения и тепла, что приведет к неравномерному, на первый взгляд случайному, отложению материала колодки. Третий основной механизм неравномерного переноса материала колодки — «отпечаток колодки». Это происходит, когда тормозные колодки нагреваются до такой степени, что материал начинает разрушаться и переноситься на диск. В правильно обкатанной тормозной системе (с правильно подобранными колодками) этот перенос является естественным и является основным фактором, способствующим тормозному усилию, создаваемому тормозными колодками. Однако, если автомобиль останавливается, а водитель продолжает нажимать на тормоза, как это обычно бывает в автомобилях с автоматической коробкой передач , колодки отложат слой материала в форме тормозной колодки. Это небольшое изменение толщины может начать цикл неравномерного переноса колодок. [ необходима цитата ]
Как только диск имеет некоторую степень вариации толщины, неравномерное осаждение колодок может ускориться, что иногда приводит к изменениям в кристаллической структуре металла, из которого состоит диск. При нажатии на тормоз колодки скользят по изменяющейся поверхности диска. Когда колодки проходят мимо более толстой части диска, они выталкиваются наружу. Нога водителя, нажимающая на педаль тормоза, естественным образом сопротивляется этому изменению, и, таким образом, к колодкам прикладывается большее усилие. В результате более толстые части испытывают более высокие уровни напряжения. Это вызывает неравномерный нагрев поверхности диска, что вызывает две основные проблемы. Поскольку тормозной диск нагревается неравномерно, он также неравномерно расширяется. Более толстые части диска расширяются больше, чем более тонкие, из-за большего нагрева, и, таким образом, разница в толщине увеличивается. Кроме того, неравномерное распределение тепла приводит к дальнейшей неравномерной передаче материала колодки. В результате более толстые-горячие части получают даже больше материала колодки, чем более тонкие-холодные части, что способствует дальнейшему увеличению вариации толщины диска. В экстремальных ситуациях этот неравномерный нагрев может привести к изменению кристаллической структуры материала диска. Когда более горячие участки дисков достигают чрезвычайно высоких температур (1200–1300 °F или 649–704 °C), металл может претерпеть фазовое превращение , и углерод, растворенный в стали, может выпасть в осадок, образуя углеродистые карбидные области, известные как цементит . Этот карбид железа сильно отличается от чугуна, из которого состоит остальная часть диска. Он чрезвычайно твердый, хрупкий и плохо поглощает тепло. После образования цементита целостность диска нарушается. Даже если поверхность диска подвергается механической обработке, цементит внутри диска не будет изнашиваться или поглощать тепло с той же скоростью, что и окружающий его чугун, в результате чего неравномерная толщина и нагревательные характеристики диска возвращаются. [ необходима цитата ]
Царапины (США: задиры) могут возникнуть, если тормозные колодки не заменяются вовремя, когда они достигают конца своего срока службы и считаются изношенными. После того, как фрикционный материал достаточно износится, стальная опорная пластина колодки (для приклеенных колодок) или заклепки фиксатора колодки (для заклепанных колодок) будут упираться в поверхность износа диска, снижая тормозную мощность и оставляя царапины на диске. Как правило, умеренно зацарапанный или зазубренный диск, который удовлетворительно работал с существующими тормозными колодками, будет в равной степени пригоден для использования с новыми колодками. Если царапины глубже, но не чрезмерны, их можно отремонтировать, срезав слой поверхности диска. Это можно сделать только ограниченное количество раз, так как диск имеет минимальную расчетную безопасную толщину. Минимальное значение толщины обычно отливается в диск во время изготовления на ступице или краю диска. В Пенсильвании , где действует одна из самых строгих программ проверки безопасности автомобилей в Северной Америке, автомобильный диск не может пройти проверку безопасности, если хотя бы одна царапина глубже 0,015 дюйма (0,38 мм), и должен быть заменен, если механическая обработка уменьшит толщину диска ниже минимально безопасной.
Чтобы предотвратить образование царапин, разумно периодически проверять тормозные колодки на предмет износа. Перестановка шин — логичное время для проверки, поскольку перестановка должна выполняться регулярно в зависимости от времени эксплуатации транспортного средства, а все колеса должны быть сняты, что обеспечивает свободный визуальный доступ к тормозным колодкам. Некоторые типы легкосплавных дисков и тормозных систем обеспечивают достаточно открытого пространства для осмотра колодок без снятия колеса. Когда это целесообразно, колодки, которые близки к точке износа, следует немедленно заменить, так как полный износ приводит к образованию царапин и небезопасному торможению. Многие дисковые тормозные колодки включают в себя своего рода мягкую стальную пружину или фиксатор в качестве части узла колодки, который тянется по диску, когда колодка почти изношена. Это производит умеренно громкий визжащий звук, предупреждая водителя о необходимости обслуживания. Обычно это не оставляет царапин на диске, если тормоза обслуживаются своевременно. Набор колодок можно рассматривать для замены, если толщина материала колодки такая же или меньше толщины стальной подложки. В Пенсильвании стандарт составляет 1 ⁄ 32 дюйма (0,79 мм) для заклепочных колодок и 2/32 дюйма для клееных колодок.
Растрескивание в основном ограничивается просверленными дисками, которые могут образовывать небольшие трещины по краям отверстий, просверленных вблизи края диска из-за неравномерной скорости расширения диска в тяжелых условиях эксплуатации. Производители, которые используют просверленные диски в качестве OEM, обычно делают это по двум причинам: внешний вид, если они определяют, что среднестатистический владелец модели транспортного средства предпочтет внешний вид, не слишком нагружая оборудование; или в качестве функции снижения неподрессоренной массы тормозного узла, с инженерным предположением, что остается достаточная масса тормозного диска для поглощения гоночных температур и напряжений. Тормозной диск является теплоотводом , но потеря массы теплоотвода может быть уравновешена увеличением площади поверхности для отвода тепла. Небольшие волосяные трещины могут появляться на любом поперечно просверленном металлическом диске как нормальный механизм износа, но в тяжелых случаях диск выйдет из строя катастрофически. Ремонт трещин невозможен, и если трещина становится серьезной, диск необходимо заменить. Эти трещины возникают из-за явления малоцикловой усталости в результате многократного жесткого торможения. [54]
Диски обычно изготавливаются из чугуна, и некоторое количество поверхностной ржавчины является нормой. Контактная поверхность диска для тормозных колодок будет оставаться чистой при регулярном использовании, но транспортное средство, которое хранится в течение длительного периода, может развить значительную ржавчину в контактной области, что может снизить тормозную мощность на некоторое время, пока ржавый слой не сотрется снова. Ржавчина также может привести к деформации диска, когда тормоза повторно активируются после хранения из-за разницы в нагреве между незаржавевшими областями, оставшимися покрытыми колодками, и ржавчиной вокруг большей части поверхности диска. Со временем вентилируемые тормозные диски могут развить сильную коррозию ржавчины внутри вентиляционных щелей, что ставит под угрозу прочность конструкции и требует замены. [55]
Суппорт тормоза — это узел, в котором размещены тормозные колодки и поршни. Поршни обычно изготавливаются из пластика , алюминия или хромированной стали .
Суппорты бывают двух типов: плавающие и фиксированные. Фиксированный суппорт не перемещается относительно диска и, таким образом, менее терпим к дефектам диска. Он использует одну или несколько пар противостоящих поршней для зажима с каждой стороны диска и является более сложным и дорогим, чем плавающий суппорт.
Плавающий суппорт (также называемый «скользящим суппортом») перемещается из стороны в сторону к диску вдоль линии, параллельной оси вращения диска; поршень с одной стороны диска толкает внутреннюю тормозную колодку до тех пор, пока она не соприкоснется с тормозной поверхностью, затем тянет корпус суппорта с внешней тормозной колодкой, так что давление оказывается на обе стороны диска. Конструкции плавающего суппорта (однопоршневые) подвержены заеданию, вызванному попаданием грязи или коррозии по крайней мере в один механизм крепления и остановкой его нормального движения. Это может привести к трению колодок суппорта о диск, когда тормоз не задействован или включает его под углом. Заедание может быть вызвано нечастым использованием транспортного средства, выходом из строя уплотнения или резинового защитного чехла, допускающим попадание мусора, высыханием смазки в механизме крепления и последующим проникновением влаги, приводящим к коррозии, или некоторой комбинацией этих факторов. Последствия могут включать снижение топливной экономичности, сильный нагрев диска или чрезмерный износ затронутой колодки. Заклинивший передний суппорт также может стать причиной вибрации рулевого управления.
Другой тип плавающего суппорта — это качающийся суппорт. Вместо пары горизонтальных болтов, которые позволяют суппорту двигаться прямо внутрь и наружу относительно кузова автомобиля, качающийся суппорт использует один вертикальный шарнирный болт, расположенный где-то за осевой линией оси. Когда водитель нажимает на тормоза, тормозной поршень толкает внутренний поршень и поворачивает весь суппорт внутрь, если смотреть сверху. Поскольку угол поршня качающегося суппорта изменяется относительно диска, эта конструкция использует клиновидные колодки, которые уже сзади снаружи и уже спереди внутри.
В ободных тормозах велосипедов также используются различные типы тормозных суппортов .
Наиболее распространенная конструкция суппорта использует один поршень с гидравлическим приводом внутри цилиндра, хотя высокопроизводительные тормоза используют до двенадцати. Современные автомобили используют различные гидравлические контуры для приведения в действие тормозов на каждом наборе колес в качестве меры безопасности . Гидравлическая конструкция также помогает умножить тормозное усилие. Количество поршней в суппорте часто называют количеством «горшков», поэтому если у транспортного средства суппорты с «шестью горшочками», это означает, что в каждом суппорте находится шесть поршней.
Отказ тормоза может быть вызван неспособностью поршня втягиваться, что обычно является следствием неэксплуатации транспортного средства при длительном хранении на открытом воздухе в неблагоприятных условиях. На транспортных средствах с большим пробегом могут протекать уплотнения поршня , что необходимо немедленно устранить.
Тормозные колодки рассчитаны на высокое трение , материал тормозной колодки встраивается в диск в процессе притирки, при этом происходит равномерный износ. Трение можно разделить на две части. Это адгезия и абразив.
В зависимости от свойств материала как колодки, так и диска, а также конфигурации и использования, скорость износа колодки и диска будет значительно различаться. Свойства, которые определяют износ материала, включают компромиссы между производительностью и долговечностью.
Тормозные колодки обычно необходимо регулярно менять (в зависимости от материала колодок и стиля вождения), а некоторые из них оснащены механизмом, который предупреждает водителя о необходимости замены, например, тонким кусочком мягкого металла, который трется о диск, когда колодки слишком тонкие, вызывая визг тормозов, мягким металлическим язычком, встроенным в материал колодки, который замыкает электрическую цепь и зажигает сигнальную лампу, когда тормозная колодка становится тонкой, или электронным датчиком .
Обычно в дорожных транспортных средствах на каждый суппорт устанавливается по две тормозные колодки, тогда как на каждом гоночном суппорте устанавливается до шести колодок с различными фрикционными свойствами в шахматном порядке для достижения оптимальной производительности.
Ранние тормозные колодки (и накладки ) содержали асбест , производя пыль, которую не следует вдыхать. Хотя более новые колодки могут быть изготовлены из керамики, кевлара и других пластиков, вдыхание тормозной пыли все равно следует избегать независимо от материала.
Иногда при нажатии на тормоза раздается громкий шум или пронзительный визг. Чаще всего это происходит на старых автомобилях и тех, которые были произведены или приобретены некоторое время назад. Большинство визгов тормозов вызваны вибрацией (резонансной нестабильностью) тормозных компонентов, особенно колодок и дисков (известной как возбуждение с силовой связью ). Этот тип визга не должен отрицательно влиять на эффективность торможения тормозами. Методы включают добавление накладок с фаской в точки контакта между поршнями суппорта и колодками, связующих изоляторов (амортизирующего материала) к задней пластине колодки, тормозных прокладок между тормозной колодкой и поршнями и т. д. Все должно быть покрыто чрезвычайно высокотемпературной смазкой с высоким содержанием твердых частиц, чтобы помочь уменьшить визг. Это позволяет металлическим частям двигаться независимо друг от друга и тем самым устранять накопление энергии, которая может создавать частоту, слышимую как визг тормозов, стон или рычание. Естественно, что некоторые колодки будут визжать сильнее, учитывая тип колодки и ее случай использования. Колодки, которые обычно рассчитаны на то, чтобы выдерживать очень высокие температуры в течение длительного времени, как правило, создают большое количество трения, что приводит к большему шуму во время торможения. [56]
Холодная погода в сочетании с высокой влажностью раннего утра (роса) часто ухудшает визг тормозов. Однако визг обычно прекращается, когда накладка достигает обычной рабочей температуры. Это сильнее влияет на колодки, предназначенные для использования при более высоких температурах. Пыль на тормозах также может вызывать визг, а коммерческие чистящие средства для тормозов предназначены для удаления грязи и других загрязнений. Колодки без надлежащего количества переносящего материала также могут визжать, это можно исправить путем притирки или повторной притирки тормозных колодок к тормозным дискам. [ необходима цитата ]
Некоторые индикаторы износа накладок, расположенные либо в виде полуметаллического слоя внутри материала тормозной колодки, либо с внешним «датчиком», также разработаны для визга, когда накладка подлежит замене. Типичный внешний датчик принципиально отличается от шумов, описанных выше (при нажатии на тормоза), поскольку шум датчика износа обычно возникает, когда тормоза не используются. Датчик износа может создавать визг только при торможении, когда он впервые начинает указывать на износ, но это все еще принципиально другой звук и высота тона. [56] [57]
Вибрация тормозов обычно воспринимается водителем как незначительные или сильные вибрации, передаваемые через шасси во время торможения. [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [ чрезмерное цитирование ]
Явление дрожания можно разделить на две отдельные подгруппы: горячее (или тепловое ) и холодное дрожание.
Hot judder обычно возникает в результате более длительного, более умеренного торможения с высокой скорости, когда транспортное средство не останавливается полностью. [67] Обычно это происходит, когда водитель замедляется со скорости около 120 км/ч (74,6 миль/ч) до около 60 км/ч (37,3 миль/ч), что приводит к сильным вибрациям, передаваемым водителю. Эти вибрации являются результатом неравномерного распределения тепла или горячих точек . Горячие точки классифицируются как концентрированные тепловые области, которые чередуются между обеими сторонами диска, которые деформируют его таким образом, что создают синусоидальную волнистость по его краям. Как только тормозные колодки (фрикционный материал/тормозная накладка) соприкасаются с синусоидальной поверхностью во время торможения, возникают сильные вибрации, которые могут создавать опасные условия для человека, управляющего транспортным средством. [68] [69] [70] [71]
С другой стороны, холодная вибрация является результатом неравномерного износа дисков или изменения толщины диска (DTV). Эти изменения поверхности диска обычно являются результатом интенсивного использования транспортного средства на дорогах. DTV обычно объясняется следующими причинами: волнистость и шероховатость поверхности диска, [72] несоосность биения оси , упругое отклонение, износ и перенос фрикционного материала. [60] [71] [73] Любой тип потенциально может быть исправлен, если обеспечить чистую монтажную поверхность с обеих сторон тормозного диска между ступицей колеса и ступицей тормозного диска перед использованием и обратить внимание на отпечатки после длительного использования, оставив педаль тормоза сильно нажатой в конце интенсивного использования. Иногда процедура притирки может очистить и минимизировать DTV и нанести новый ровный слой переноса между колодкой и тормозным диском. Однако это не устранит горячие точки или чрезмерное биение .
При приложении тормозного усилия абразивное трение между тормозной колодкой и диском изнашивает как диск, так и колодку. Тормозная пыль, которая оседает на колесах, суппортах и других компонентах тормозной системы, в основном состоит из материала диска. [74] Тормозная пыль может повредить покрытие большинства колес, если ее не смывать. [75] Как правило, тормозная колодка, которая агрессивно истирает больше материала диска, например, металлические колодки, создает больше тормозной пыли. Некоторые высокопроизводительные колодки для использования на гусеничном ходу или для буксировки могут изнашиваться гораздо быстрее, чем обычная колодка, тем самым вызывая больше пыли из-за повышенного износа тормозного диска и тормозной колодки. [56]
Выцветание тормозов — это явление, которое снижает эффективность торможения. Оно приводит к снижению мощности торможения, и вы чувствуете, что тормоза не применяются с той силой, с которой они применялись при трогании с места. Это происходит из-за нагрева тормозных колодок. Нагретые тормозные колодки выделяют некоторые газообразные вещества, которые покрывают область между диском и тормозными колодками. Эти газы нарушают контакт между тормозными колодками и диском и, следовательно, снижают эффективность торможения. [76]
Медиа, связанные с Дисковые тормоза на Wikimedia Commons