О тормозах и торможении.

 Столько времени и усилий уходит на то чтобы узнать побольше о том, что заставляет снегоход ехать, мы решили, что стоит сместить акценты на то чтобы узнать побольше о том что заставляет их замедлиться и безопасно остановиться. Я рад представить этот обзор о тормозной системе от технического «мага» Кевина Кэмерона, который проливает свет на этот важный компонент. Приятного чтения.

 Столько времени и усилий уходит на то чтобы узнать побольше о том, что заставляет снегоход ехать, мы решили, что стоит сместить акценты на то чтобы узнать побольше о том что заставляет их замедлиться и безопасно остановиться. Я рад представить этот обзор о тормозной системе от технического «мага» Кевина Кэмерона, который проливает свет на этот важный компонент. Приятного чтения.

  Автомобили (и снегоходы) сегодня имеют хорошие тормоза, но я достаточно стар, чтобы помнить когда это было не так. Туристы спускающиеся с горы Whiteface в штате Нью-Йорк иногда подъезжали с дымящимися тормозами  к кассе оплаты.

 Очевидно, что транспортному средству при спуске с горы нужны тормоза способные рассеивать энергию вырабатываемую при спуске. Барабанные тормоза стали заменяться дисковыми в 70-х потому что последние проще и дешевле сделать. Когда тормозной барабан расширяется от тепла при торможении, он расширяется не столько внутри сколько снаружи.

Что вдвойне мешает колодке полностью прилегать. Правильно установленный диск не деформируется от температуры и ему некуда деваться от колодок, т. к. зажимают его с обеих сторон в суппорте. Обе поверхности диска подвергаются воздействию окружающего воздуха в отличие от закрытых тормозных барабанов.

Природа трения.

 Когда две поверхности соприкасаются —  даже очень гладкие — очень маленький процент их поверхности соприкасается на самом деле. Если вы прижмете две твердые поверхности с некоторой силой друг к другу, то пятно контакта будет прямо пропорционально приложенной силе.

 Поскольку площадь контакта мала, то давление в этой зоне очень большое. Когда одна поверхность скользит по другой в местах их контакта возникают участки микро спайки. Эти участки  создают силу обратную скольжению. Трение это сумма этих сил. В конечном счете эти участки достигают своих пределов упругости и «спайка» разбивается, чтобы затем снова сформироваться. При этом часть поверхности материала отщепляется. Эти частицы принимают форму пыли, что ещё более ограничивает область истинного контакта. Постоянное растяжение, разрывы и вибрации структуры материала процессом спайки-разрыва есть молекулярная вибрация. Таким образом  сухое трение  твердых тел преобразует  механическую энергию, силу воздействующую на тормозные поверхности в тепловую энергию.

Гидравлика 101

 Принцип простых дисковых тормоз использует  механизм обыкновенных ножниц, управляемых через трос, который зажимает вращающийся диск в  тормозные колодки. Чуть более сложные механические суппорта, которые используют винтовую передачу с низким коэффициентом трения, управляемые посредством рычага и троса. Современные снегоходы используют гидравлическую тормозную систему из-за её плавности и степенности работы.

 Гидравлическая система работает  путем преобразования  гидравлического давления, создаваемого главным тормозным цилиндром (через тормозную магистраль) в механическую силу, которая сжимает тормозные колодки. Реальная сила созданная поршнем равна  давлению в магистрали помноженное на площадь поршня. В случае если поршней несколько  то общая сила равна сумме площадей цилиндров вместе взятых.

 

Главный тормозной цилиндр.

 Главный тормозной цилиндр состоит из небольшого поршневого насоса, управляемого тормозного рычага и соединен с небольшой емкостью, которую необходимо поддерживать полной. Отпуская рычаг тормоза, вы позволяет поршню главного тормозного цилиндра оттянуть жидкость из тормозной системы. В этом положении он оставляет небольшое отверстие, соединяющее главный цилиндр с емкостью. Это позволяет системе не только пополнить запасы жидкости, но также нагретой жидкости вернуться в резервуар, предотвращая перегрев системы. В другом положении поршня (при нажатии на рычаг тормоза) жидкость повышает давление в системе приводя в действие тормоза. Это единственный вариант, при котором система может оставаться под давлением без применения тормоза, т. е. когда пилот (механик-водитель) отпустил педаль тормоза. Всегда проверяйте, что рычаг тормоза полностью возвращается назад.

 Поршень тормозного цилиндра имеет два сальника. Второй сальник расположен на некотором расстоянии от торцевого уплотнения, чтобы предотвратить утечку жидкости при движении поршня.

Типы суппортов

 Простейший гидравлический суппорт имеет один поршень на одной стороне и целиком размещен  cбоку на креплениях, что позволяет ему двигаться при износе колодок. Двух поршневые суппорта могут быть жестко закреплены, т. к. оба поршня могут двигаться компенсируя износ колодок.

 Спрос на повышения эффективности торможения на протяжение многих лет привел к более широкому использованию многопоршневой конструкции. Например на мотоцикле Buel 1125R используется 8 поршневой суппорт на переднем колесе, а четырех поршневые конструкции стали обычным явлением

Конструкции суппорта

 Недорогие тормозные суппорта отлиты из алюминия и состоят их двух половинок, что делает обработку поршневых отверстий не сложной задачей. Половики собираются с помощью болтов.

 Более мощные конструкции не разборные и поршневые отверстия доделываются через отверстие с одной стороны, которые потом  закрываются винтовыми пробками. Совсем недавно так называемые «моноблочные» суппорты фрезеруются  для добавления жесткости, а поршневые отверстия делаются специальным устройством со стороны колодок и заглушки не требуются

Ход колодок

 Когда вы использует тормоза, гидравлическое давление толкает поршни, которые нажимают на тыльную сторону колодок, двигая их на десятые доли миллиметра, чтобы зажать диск. Когда вы отпускаете тормоз, поршни втягиваются обратно, позволяя диску вращаться без трения. Когда колодки достаточно изношены и не касаются диска, поршень занимает новую позицию ближе к диску. Во многих (более дешевых) тормозных системах это не допустимо и требуется менять колодки заблаговременно.

 

Фрикционные материалы.

 Фрикционные материалы на органической основе, используемые как для тормозного башмака так и для колодок, выделяют газ при высоких температурах, уменьшая тормозное трение. Составляющие фрикционного материала могут оплавиться формируя «стекло» — гладкий поверхностный слой с низким коэффициентом трения. Фрикционные материалы на органической основе  могут иметь плохое сцепление, когда тормозящая поверхность мокрая, делая тормоза слабыми в таких условиях. Так когда вода закипает от температуры, трение резко возрастает и тормоза «залипают».

 В таких условиях колодки содержащие металлические и керамические  компоненты обеспечивают более высокую производительность. Эти материалы кроме того обеспечивают лучшее  трение, чем на органической основе примерно в 2 раза.

 Как и следовало ожидать, такие более агрессивные материалы могут поцарапать или забить поверхность диска со временем, но мы же не на конкурсе красоты. Металлизированные колодки проводят тепло лучше чем на органической основе и поэтому в некоторых случаях  используется теплоизоляция или проставки между колодкой и поршнем для предотвращения  перегрева тормозов от кипящей тормозной жидкости внутри суппорта, также проставки способствуют снижению вибраций.

 

Неравномерный износ тормозных колодок.

 Если вы часто прибегаете к жестким торможениям, вы заметите что передние части колодок изнашиваются  быстрее чем задние Со временем этот эффект изнашивает колодку до формы клина. Это вызывает перекос  поршня суппорта, что может привести к заклиниванию или чрезмерному давлению на тормозной рычаг. Есть несколько способов,чтобы предотвратить это. Диски делают рефленными или просверливают отверстия, чтобы отводить от тормозов колодочную пыль  и газ, или поверхность колодок покрывают канавками. В случае четырех или шести поршневых суппортов используются  несколько колодок  меньшего размера, чтобы избежать неравномерного износа, что может произойти, если использовать всего две  длинных колодки.

 

Материалы тормозных дисков

 Обычные диски в основном делают из нержавеющей стали и чугуна, но существуют интересные варианты. Вентилируемые диски выполнены с радиальными воздушными проходами как видно на фото. Другой способ- множество канавок с причудливыми пазами или отверстиями . Такие «волновые диски» как утверждают производители остывают быстрее чем обычные.

 Для более серьезных нагрузок диски изготавливаются из углепластика. Углепластиковые диски изначально были разработаны для самолетов, в последствии адаптированы для гонок  Формулы-1, а в 1989 году появились в мотогонках. Очень высокая температура плавления углепластика позволяет ему функционировать нормально при температурах, при которых металлические диски превратились бы раскаленную лужу. Более дешевая альтернатива это новый материал, усиленный углеволокном, на основе очень твердой и температуро устойчивой карбидокремниевой керамики. Карбоновые диски черного цвета, тогда как карбидокремниевые  похожи на серый камень.

Вес диска и рабочая температура

 Все тормоза могут ослабнуть, или стать менее эффективными, при повышении их температуры. Чем меньше масса тормозного диска, тем больше его рабочая температура. Если   тормоз с воздушным охлаждением желательно чтобы циркуляция воздуха была и вокруг диска.

 В 1988 году Honda решила  сократить значительный вес железных дисков на своём мотоцикле NSR500 до минимума. Они были «вознаграждены» на гонке в Лагуне Секе рядом с городом Монтерей в штате Калифорния, США (Laguna Seca) когда их диски стали черными от серьезного перегрева. Износ колодок настолько ускорился, что они стерлись ещё до конца гонки. Вывод простой — если ваш тормозной диск стал темно-синим или черным, то вам требуется диск большей массы и диаметра.

 Антон Чернов для yam.su. Тверь, ноябрь 2013