Кто придумал дисковые тормоза на машине
Эволюция тормозов: от первых авто до современных прототипов
Первые тормозные системы появились сразу же после изобретения лошадиной повозки. Даже в Римской империи колесницу останавливали с помощью рычага и деревянной колодки, которую прижимали к колесу. В сухую погоду система работала прекрасно, правда колодки быстро стирались. Во время дождя эффективность таких тормозов стремилась к нулю. Позже колодки начали устанавливать по двум сторонам от колеса, а на самих колодках появились кожаные накладки.
Колодки на паровозе. На первых паровозах тоже пользовались колодочной системой: деревянное бревно-рычаг прижимали к колесу, постепенно замедляя движение. В 1804 году изобретатель Ричард Тревитик собрал прототип паровоза — это была паровая карета с механическими ручными тормозами. Карета ездила по кольцевой железной дороге, соревнуясь в скорости с лошадьми.
Колодки на машине. Когда в конце 1890-х братья Мишлен выпустили каучуковые покрышки, деревянные колодки просто перестали работать.Во время торможения мягкая резина сразу же стиралась. Поэтому инженерам пришлось искать другие способы для остановки.
Ленточный тормоз. Проблему остановки каучуковых покрышек решали так: на колесе закрепляли тормозной барабан. Снаружи барабана закрепляли металлическую ленту и натягивали её с помощью системы механических рычагов. Чтобы затормозить, водитель тянул рычаг в кабине, лента затягивалась вокруг барабана — автомобиль останавливался. Считается, что такую концепцию ленты-троса, обмотанного вокруг барабана придумал Даймлер в 1899 году.
Эта конструкция не прижилась. При подъеме на холм, лента часто распускалась и переставала стягивать колесо — машина запросто могла скатиться вниз. Кроме того, лента легко перегревалась и быстро изнашивалась. На открытый механизм попадала грязь и вода с дороги, поэтому такие тормоза меняли каждые 200-300 километров. Какому покупателю понравится такой интервал замены? К концу 1910-х почти все автопроизводители отказались от этой системы.
Барабанные тормоза. В 1902 году Луи Рено, основатель Renault, запатентовал концепцию «барабанного тормоза» — концептуальное продолжение ленточного тормоза, который придумал Даймлер. Сначала это были чугунные колодки, прижимавшиеся к тормозному барабану с внутренней стороны.
В 1910 году автопроизводители полностью спрятали тормозной механизм внутрь самого барабана. Чугунные колодки заменили на накладки на основе асбеста. Грязь и пыль перестали быть помехой, колодки стирались гораздо медленнее — интервал замены увеличился до 1,5—2 тыс. километров.
Появление тормозной жидкости. Усилие от водителя к тормозам раньше передавалось механическим способом. Педаль тяжело выжималась, разные колеса замедлялись неравномерно, водители теряли управление при торможении. Проблему решила гидравлическая система: к каждому колесу подходили шланги, через которые специальная жидкость под давлением сдавливала колодки.
Первые версии гидравлических систем протекали, отверстия для залива жидкостей закрывала сыромятная кожа, которая высыхала и сжималась. А любая протечка приводила к отказу тормозов. К тому же жидкость внутри замерзала в холодное время. К 1931 гидравлическими тормозами пользовались только несколько компаний Dodge, Desoto и Plymouth.
Тридцатые-сороковые годы стали пиком автомобилизации во всем мире. Количество грузовых, легковых автомобилей и техники увеличивалось в разы. Вместе с этим росло число и производителей автокомпонентов. Так, в 1944 году японская компания Nisshinbo запустила производство фрикционных материалов.
Дисковые тормоза. В пятидесятые годы спортивные машины уже могли разгоняться до 200 км/ч, а большинство массовых машин стали более тяжелыми. Старая барабанная колодочная система не справлялась и сильно нагревалась. Поэтому автопроизводители обратились к старой разработке — дисковым тормозам, которые сдавливали не барабан, а железный диск на ступице.
Дисковые тормоза на самом деле появились раньше барабанных — идею запатентовал Фредерик Ланчестер в 1901 году. Только в то время не было подходящих материалов — медные накладки, сжимающие тормозной диск, издавали истошный визг. Уменьшить шум получилось с помощью асбестовой облицовки, которая и использовалась на таких тормозах до 1980-х годов.
Асбестовые волокна использовали во фрикционных смесях с 40-х годов прошлого века. Это дешевый материал, с хорошим коэффициентом трения, но к концу восьмидесятых комиссия ООН признала его вредным для здоровья людей и окружающей среды. Найти на замену асбесту другое вещество с такими же свойствами было не так-то просто.
С 1978 Nisshinbo вместе с Girling Ltd. работали над выпуском колодок без асбеста для дисковых тормозов коммерческих автомобилей. Вместо асбеста компании использовали стальные волокна, мелкие абразивные компоненты и медь.
Тормозные системы. Еще одно глобальное улучшение появилось в начале 70-х — Chrysler выпустила модель Imperial с антиблокировочной системой тормозов. Дальше на автомобилях появлялись системы и ассистенты вроде ESP, TCS, EBD, но сам принцип работы тормозной системы не менялся.
Что сейчас и в будущем
Все открытия, связанные с тормозами, сделаны довольно давно — в начале и середине двадцатого века. Эти системы используются до сих пор. Но торможение напрямую влияет на безопасность, поэтому производители тормозных систем постоянно работают над новыми улучшениями.
Внедрение электроники. Электронные системы помогают убрать механическую связь между педалью и тормозами. После нажатия на педаль, блок управления сам определяет, какое усилие передать суппортам. Такие системы умеют адаптироваться под стиль вождения и менять ход педали подстраиваясь под водителя.
Доработка колес. Continental выпустила прототип, где вместо стандартного тормозного диска на ступице колеса, используется огромный обод. А суппорт находится внутри обода. Такая система весит меньше привычных нам дисковых тормозов.
Эволюция материалов и компонентов. Производители постоянно экспериментируют с новыми материалами, увеличивая стабильность и уменьшая вес колодок.
Nisshinbo здесь не исключение. Каждая смесь — это комбинация от 10 до 25 ингредиентов, которую технологи тщательно подбирают для каждой модели колодки.
Весь процесс разработки, включая испытания, длится в течение одного-двух лет.
Наши инженеры работают и над формой компонентов. Чтобы минимизировать скрип и шумы колодок: мы уменьшили площадь соприкосновения колодки с диском, повысив тем самым давление в зоне контакта. А чтобы в процессе износа колодки эффект не пропадал, скос имеет J-образный профиль. С шумом помогает бороться и диагональный паз на самой колодке.
Почти все наши накладки — органические, без асбеста и стального волокна. Колодки с такими добавками более склонны к появлению трещин. Предотвратить это помогает именно диагональный паз.
Тормозные системы все время меняются: инженеры ищут новые способы для остановки автомобилей, а производители тормозных компонентов работают над комфортом торможения, уменьшают вес деталей, совершенствуют тормозные составы и конструкции компонентов. И это действительно важно: чем лучше работает система торможения, тем выше безопасность водителя и пассажиров.
Эпоха Возрождения дисковых тормозов
14.01.2019 Автор: Master Service 2472
Что может быть привычнее и эффективнее, чем дисковые тормоза? А ведь и они переживали взлеты и падения, годы забвения и мгновения триумфального возвращения в автомобилестроение.
Как дисковые тормоза сумели не только отвоевать место под солнцем, а и удержать позиции?
Первые визжащие тормоза
Тормоз первых автомобилей (Daimler Wagonette 1897)
Велосипедный дисковый тормоз
Но пионером мира ДТ стал Уильям Ланчестер из Англии, который в 1902 году запатентовал свое изобретение (которое, кстати, было очень похоже на велосипедные тормоза). Общая конструкция и принцип действия современных тормозов практически не отличаются от изобретения Ланчестера:
Схема принципа действия дискового тормоза
Кроме того, дисковые тормоза Ланчестера совершенно не дружили с тормозной жидкостью тех времен. Дело в том, что в начале ХХ века “тормозуху” делали на спиртах или натуральных маслах, и закипала она на раз. Что совершенно противопоказано дисковым тормозам, которые очень сильно нагреваются в момент торможения.
Так автомобильный мир почти на 50 лет перешел на барабанные тормоза, задвинув дисковые в дальний ящик.
Из забвения в современность
Барабанные тормоза Луи Рено не имели альтернативы в первой половине ХХ века. Изобретение было настолько удачным, что до сегодняшнего дня не претерпело никаких существенных изменений или усовершенствований: конструкторы придумали фрикционные накладки для колодок, регулировочный механизм, два поршня вместо одного. Вот и все.
В ХХ веке мир значительно ускорился, развивающаяся торговля, гонки вооружений, войны требовали от человечества бОльших скоростей. И чем быстрее транспортное средство мчится, чем больше весит, тем сложнее его остановить. К 40-50-м годам скорости автомобилей выросли настолько, что барабанные тормоза стали сдавать позиции. Такая же беда была и с самолетами. В годы Второй мировой авиаконструкторы вспомнили о покрывшихся пылью дисковых тормозах и разработали эффективные самолетные суппорты.
Дисковые тормоза самолетов
Автоинженеры, которых тоже волновал вопрос, как остановить авто быстро и эффективно, не стали изобретать велосипед и переняли опыт у коллег-авиастроителей. В 1953 году дисковые тормоза доработали в компании British Girling и поставили на сверхсовременный по тем временам автомобиль Jaguar C-Type.
Так началась эпоха Ренессанса дисковых тормозов.
Studebaker Avanti (1963)
А теперь о минусах:
Виды дисковых ДТ
Виды дисковых тормозов: Чугунные, из нержавейки, карбоновые и керамические
Поэтому следующими в нашем рейтинге идут диски из нержавейки. Да, они менее износостойкие, в сравнении с чугуном, но и коррозии они подвержены меньше, и с легкостью выдерживают нагрев до 400 градусов по Цельсию.
А теперь о более специализированных дисках. Диски из углепластика, или проще говоря, карбоновые. Они легче, коррозии не подвержены и обладают высоким коэффициентом трения. Такие диски гораздо дороже чугунных или из нержавейки, поэтому их чаще используют на спорткарах, где их высокая стоимость оправдана.
С конвейера выходят автомобили с вполне подходящими дисковыми тормозами, то есть с достаточной охлаждающей способностью для данного конкретного автомобиля. И если водитель не лихач, то тормоза в тюнинге или замене не нуждаются.
А если водитель любит агрессивный стиль вождения или хочет создать видимость спортивного (или полуспортивного) автомобиля, придется подумать о дисковых тормозах с более высокой охлаждающей способностью.
В этой ситуации на помощь приходят перфорированные диски. Этот вид тормозов пришел к нам от автогонщиков, которые хотели увеличить охлаждающую способность тормозных дисков до максимума. 40 равномерно расположенных отверстий на диске отлично вентилируют и охлаждают. Из минусов: если диски некачественно отремонтировали или неправильно установили/эксплуатировали, по отверстиям перфорации могут пойти трещины.
Теперь, зная историю дисковых тормозов, их выигрышное отличие от барабанных, и разновидности материалов, вы без труда сможете выбрать наиболее подходящие тормоза для вашего автомобиля.
Диаметр, вентиляция и композиты: эволюция дисковых тормозов
Вы наверняка не раз читали про суперкрутые гоночные корчи с композитными вентилируемыми шестипоршневыми 18-дюймовыми дисковыми тормозами по кругу. В целом понятно, что перечисление этих регалий говорит о способности очень быстро и эффективно тормозить. Ну а в деталях?
Дисковые тормоза давно вытеснили все остальные варианты тормозных механизмов, и только редкие барабанные еще пытаются что-то им противопоставить на бюджетных легковушках и тяжелой технике. Но со временем сами дисковые тормоза стали разнообразнее: менялись материалы и устройство дисков и суппортов, равно как и размеры. Что же, попробуем разобраться в их эволюции. И в ее смысле.
Коротко о плюсах дисков
Своим успехом дисковые тормозные механизмы обязаны двум факторам. Во-первых, простоте создания большого усилия – сжимать чугунный диск можно очень сильно, и он не согнется, не сломается и не потеряет своих характеристик. А раз усилие сжатия велико, то и тормозная мощность будет ограничена только прочностью суппорта и тепловой нагрузкой на сам диск.
Во-вторых, собственно, хорошей способностью к восприятию этой самой тепловой нагрузки, или, другими словами, хорошими способностями к охлаждению. Пока диск вращается, он создает непрерывный поток воздуха на своей поверхности, эффективно удаляющий тепло и продукты износа.
Помимо двух этих основных факторов, нашлось и множество второстепенных вроде простоты создания авторегулировки тормозов, точности и «прозрачности» усилий, малой массы тормозного механизма, удобства компоновки со ступицей, простоты обслуживания и прочих. Хотя без первых двух они были бы не столь важны.
А первые два фактора можно охарактеризовать в сумме одним словом – это «мощность». Именно мощность тормозных механизмов при малой массе стала тем, что сделало их успешными. Это способствовало созданию все более и более мощных тормозов, способных без ухудшения характеристик переносить многочисленные торможения с большой скорости.
Зачем нужно усложнять диск?
На первом этапе усовершенствования дисковых тормозов постарались улучшить в первую очередь именно способность к охлаждению, чтобы дополнительно снизить риск перегрева при затяжных или частых торможениях. В дальнейшем именно желание увеличить тепловую мощность тормозов будет толкать конструкторов все к новым и новым решениям.
Диск нельзя нагревать бесконечно – материалы банально теряют прочность, колодки «горят», уплотнения суппорта разрушаются, в общем, греть диски ради большей теплоотдачи нельзя, нужно «держать» температуру и охлаждать.
Вентиляция
Обеспечить лучшее охлаждение диску можно двумя путями: либо увеличивая его площадь (об этом чуть позже), либо введя вентиляцию. За счет создания внутренних радиальных каналов внутри диска площадь охлаждения увеличилась в пять-шесть раз, и во столько же раз увеличилась мощность.
Еще немного увеличить площадь охлаждения позволяет перфорация, и она же чуть улучшает очистку диска при прижатии колодок. К сожалению, усложнение конструкции диска дальше маловероятно и ограничено теплопроводностью чугуна. По сути, почти все современные тормозные механизмы выполнены именно по этой схеме: передние – практически всегда вентилируемые, но без перфорации – она ослабляет диск, снижает его ресурс и применяется нечасто.
Увеличение диаметра
Теперь вернемся к размерам. Увеличивая диаметр диска, мы решаем две проблемы. Во-первых, при этом возрастает площадь охлаждения, а во-вторых – тормозной момент и одновременно скорость вращения диска в зоне трения колодок. Тормозная мощность «размазывается» по площади, уменьшается нагрев. Появляется возможность уменьшить давление прижатия колодок, а значит, снижаются требования к фрикционным материалам и повышается удобство пользования тормозами.
Путь увеличения площади хороший, если бы не одна проблема: внешний диаметр диска всегда ограничен размером колеса. Примерно до 19 дюймов увеличение диаметра колесного диска еще может быть оправдано улучшением управляемости, но дальше гигантомания идет во вред. Прежде всего – из-за того, что критически вырастает неподрессоренная масса, страдает комфорт и, как ни странно, управляемость автомобиля. Да и слишком большой диск быстрее коробится. Эту проблему можно было бы решить утолщением диска, но тогда вырастет масса, а она, как мы поняли, и так уже велика. Но конструкторская мысль нашла выход из положения.
Составные диски
По сути, рабочей зоной тормозных колодок является только внешний край тормозного диска. Использовать всю его площадь просто не нужно – тормозное усилие зависит не от площади контакта колодок. При увеличении площади улучшается модуляция и уменьшается износ накладок, но площадь можно сохранить, увеличив только «длину» колодки, а не ее «высоту». Это значит, что вместо большого и тяжелого сплошного диска можно использовать лишь сравнительно тонкое кольцо максимального диаметра.
Конструктивно проблему можно было решить двумя способами. Традиционный заключается в том, что можно выполнить центральную часть тормозного диска из легкого сплава и прикрепить к ней чугунное кольцо, по которому будут работать колодки.
Второй вариант – прикрепить чугунное кольцо к легкосплавному колесному центру изнутри. Соответственно, и тормозной суппорт тогда будет охватывать тормозное кольцо изнутри, а не снаружи. Второе решение не очень-то прижилось, разве что владельцы ЗАЗ Таврия помнят сей конструктив, да знатоки железнодорожной техники вспомнят локомотивы с подобными тормозными механизмами.
А вот более классическая конструкция диска с легкосплавным центром завоевала мир гоночных и спортивных автомобилей. Составные тормозные диски позволяют экономить по несколько килограмм массы на каждом колесе и к тому же дешевле в эксплуатации – внутренняя сложная легкосплавная часть зачастую не требует замены, меняется лишь простое по конфигурации наружное кольцо из чугуна или другого материала с похожими свойствами.
Плавающие диски
Следующим логичным шагом по пути улучшения стало создание «плавающих» тормозных дисков. Не бойтесь, ни о каком водяном охлаждении речи не пойдет, впрыск воды остается для дисковых тормозов крайне экзотической технологией. Суть куда проще: крепление центральной части такого составного тормозного диска позволяет внешней чугунной части при расширении немного сдвигаться. Тем самым уменьшаются нагрузки, которые возникают из-за разницы в коэффициенте расширения у разных металлов и разнице температур между центральной частью и тормозным кольцом.
А раз нет риска коробления, то можно допустить прогрев диска до большей температуры без риска критического перегрева. Кроме того, улучшаются условия прилегания колодок, и тормоза заработают в полную силу при большей нагрузке. Такой диск может иметь мощность на все 20–30% выше, чем у «жесткой» конструкции, при незначительном, в общем-то, усложнении.
Композитные материалы
При создании составных дисков открылось еще одно направление в развитии тормозных механизмов. Увеличить теплоотдачу можно еще и повышением температуры тормозов, но тогда придется заменить на что-то, умеющее работать при температурах под тысячу градусов. Кандидаты нашлись быстро: в первую очередь это биметаллические диски, металлокерамика и углеволокно.
Биметаллические диски позволяли получить выигрыш в массе, но по совокупности характеристик не получили выигрыша в сравнении с поверхностно упрочненным чугуном, так что эта тюнинговая экзотика почти не встречается. А вот материалы на основе углерод-углеродной, керамической и метал-керамической матрицы прижились, несмотря на очень высокую цену относительно чугуна.
Причин сразу несколько. Во-первых, по сравнению с чугуном композитные материалы имеют в несколько раз меньшую плотность, а значит, на 50-75 % снижается масса диска. Рабочая температура выше 1 100 градусов для них не является проблемой, причем температура поверхности может доходить до 1 400 градусов, поэтому теплоотдача вырастает примерно в полтора-два раза в сравнении с чугуном.
Во-вторых, волокнистые композиты на основе SiC-матрицы обладают очень высокой износостойкостью – такие диски практически «вечные», даже если учитывать особенности эксплуатации в гоночных автомобилях. Чаще всего они выходят из строя не из-за износа поверхности, а из-за разрушения точек крепления и расслоений, свойственных композитам.
В-третьих, у композитных дисков полностью отсутствуют «прихватывания» – точки локального изменения поверхности диска под воздействием высокой температуры и материала колодок.
Именно такие диски можно сделать наибольшего размера, к тому же вдвое увеличив мощность тормозных механизмов. Так почему же композитные материалы до сих пор не вытеснили чугун? Минусы проявились тоже достаточно быстро. Высокая стоимость является очевидным недостатком, но по сути сильно зависит от технологии производства, при появлении массового спроса в автомобилестроении шансы на ее снижение довольно велики. Сами материалы, на самом деле, не столь дороги.
Дисковые тормоза
Дисковые тормозные механизмы – сейчас их установка на автомобили стала привычным явлением, а любой автоконцерн стремится оборудовать такой системой все свои модели, не исключая и бюджетные. При этом всего полвека назад такие тормоза были редкостью и только начинали входить в автомобильный мир.
Терминология
Дисковые тормозные механизмы предназначены для остановки или снижения скорости движения транспортного средства, а также для предотвращения самопроизвольного движения автомобиля. Это происходит за счет прижимания тормозных колодок к наружным плоскостям диска.
История возникновения и развития
Появление
Технология не нова – изобретена она была примерно в одно время с барабанными механизмами. Некоторое время дисковые тормоза использовались и в XIX веке. Однако запатентовал их в 1902 году британский изобретатель Фредерик Уильям Лачестер. Они показали неплохую эффективность, но их широкому распространению мешало то, что колодки производились из меди.
Это приводило к 2-м неприятным факторам:
Кроме того, важным фактором, который ограничивал применение дисковых тормозов, был состав тормозных жидкостей того времени. Они производились на основе касторового масла (растительное) или спиртов, из-за чего закипали в самом гидроприводе во время сильного нагревания колодок и дисков. Как следствие, образовывались паровые пробки, а педаль тормоза часто «проваливалась», что приводило к авариям.
Итог – в первой половине века такие тормоза не устанавливались, так как малая мощность машин позволяла барабанным механизмам эффективно справляться с задачей остановки автомобиля. Только в 40-х годах дисковыми тормозами начали комплектоваться гоночные модели.
50-е годы
Однако в конце 50-х годов ситуация кардинально изменилась, так как автомобили становились мощнее и тяжелее. Особенно заметна эта тенденция была в США, где началось массовое создание «Мускул каров». Эти модели оснащались двигателями с огромной мощностью – по 300-500 л. с. и обладали ураганной динамикой. Кроме того, резко выросла масса автомобилей, что было спровоцировано, в первую очередь, соображениями безопасности.
Это привело к тому, что стандартных, барабанных тормозов стало просто «не хватать». При торможении тяжелых машин на высокой скорости они перегревались, что приводило к увеличению тормозного пути.
Кроме того, в эти годы начали выпускаться новые типы тормозных жидкостей, основанные на этиненгликоле. Они обладали гораздо большей температурой кипения и отлично подходили для использования в тормозных системах с дисковыми тормозами.
Развитие
Именно из-за указанных выше факторов внимание снова акцентировалось на дисковых тормозах. Однако поначалу их устанавливали лишь на переднюю ось, оставляя на задней традиционные барабаные тормоза. Но уже во второй половине 60-х начался переход к дисковым тормозам на обоих осях. Пионером стал итальянский концерн Fiat, создавший доступную для большинства модель Fiat 124, оснащенную дисковыми тормозными механизмами.
После этого начался массовый переход на эту технологию, хотя многие компании на бюджетных моделях оставляли барабанные тормоза.
Настоящее время
Сейчас подавляющее большинство моделей (даже бюджетных) оснащаются тормозами дискового типа. Конечно, барабанные не канули в лету – они до сих пор ставятся на некоторые авто, но только в базовых комплектациях.
Типы дисковых тормозов
Материал
Керамические диски отличаются отменными показателями стойкости к перегреву, что обеспечивает не только качественную тормозную динамику, но также и огромный ресурс. Некоторые колодки в таких устройствах снабжены специальными электронными датчиками, которое сигнализируют на приборную панель о минимальном остаточном ресурсе колодок.
Вентилируемые – они характеризуются наличием 2-х фрикционных поверхностей, между которыми находятся перемычки, позволяющие воздуху циркулировать между дисками. Кроме того, фрикционную поверхность нередко делают перфорированной, что ускоряет процесс охлаждения.
Еще встречаются дисковые тормоза с электрическим или пневматическим приводом.
Достоинства
В сравнении с барабанными тормозными механизмами, дисковые обладают рядом преимуществ:
Таким образом, существенные преимущества дисковых тормозов привели к их широкому распространению.