Дисковые тормоза: основные характеристики, преимущества и особенности

Дисковые тормоза известны давно. Они хорошо себя зарекомендовали и на сегодняшний день используются очень широко. Но обо всем по-порядку.

В настоящее время существует два типа тормозных систем – барабанные и дисковые. Впервые тормозные механизмы дискового типа применили в конце 40-х годов XX в., а с 70-х барабанные тормоза на передних колесах заменили на дисковые на всех автомобилях.

В данной статье будет дано подробное описание дисковых тормозов, их преимущество перед барабанными аналогами, а также приведено описание составных частей данной тормозной системы (суппорт, тормозной диск, защитный экран). Кроме того, описаны преимущества и недостатки разных типов дисковых тормозов.

 

Преимущества дисковых тормозов перед барабанными

К преимуществам дисковых тормозов по сравнению с барабанными можно отнести следующие их качества:

  • тормозная способность дисковых систем не снижается из-за перегрева, так как они лучше охлаждаются;
  • сопротивление дисковых тормозов воздействию воды и загрязнениям выше;
  • техническое обслуживание тормозных механизмов требуется гораздо реже;
  • поверхность трения дисковых тормозов при одинаковой массе больше, чем у барабанных.

 

Рис. 1 Тепловое расширение барабанного и дискового тормоза

Рис. 1

 

При  нагревании тепловое расширение тормозного барабана — увеличение внутреннего диаметра — приводит к увеличению хода педали тормоза или к деформации барабана, которая может вызвать резкое снижение тормозного действия (рис. 1). Тормозной диск, в свою очередь, представляет собой плоскую деталь, его температурное расширение происходит в сторону фрикционного материала, поэтому сжатие диска не может вызвать деформации, достаточной для того, чтобы повлиять на тормозные характеристики. К тому же центробежная сила отбрасывает загрязняющие материалы от тормозного диска наружу.

На рисунке 2 показано, почему дисковый тормоз охлаждается лучше барабанного. Охлаждающий воздух начинает охлаждать тормозной барабан только после того, как теплота, выделяющаяся при торможении, проходит через его стенки, в то время как трущиеся поверхности дискового тормоза открыты для доступа воздуха. Теплопередача от тормозного диска к воздуху начинается сразу после применения тормозов.

 

Рис. 2 Принцип охлаждения барабанных и дисковых тормозов

Фото 2

 

Возможность регулировки дисковых тормозов является еще одним их преимуществом. Проекция дисковых тормозов такова, что после каждого применения они саморегулируются из-за малого зазора между колодками и тормозным диском.

Устройство дискового тормоза

Фото 3

1 — блок цилиндров;

2 — тормозные колодки;

3 — прижимной рычаг суппорта;

4 — защитный кожух;

5 — ось прижимного рычага;

6 — направляющая колодок;

7 — суппорт тормоза;

8 — тормозной диск;

9 — штуцеры для удаления воздуха;

10 — тормозные шланги.

 

Основными деталями дисковых тормозов являются суппорт, тормозной диск, колодки, защитный экран. Рассмотрим эти элементы тормозной системы подробнее.

Дисковые тормоза разделяют на одно- и многодисковые. Самая большая и тяжелая их часть — это тормозной диск. Механизм работы однодисковых тормозов сводится к тому, что тормозные колодки с фрикционным материалом при торможении зажимают один тормозной диск. Многодисковые тормоза, применяющиеся обычно в авиации, имеют несколько вращающихся тормозных дисков, разделенных неподвижными дисками (статорами). На тормозном щите многодисковых тормозов расположены гидравлические цилиндры и поршни, которые управляют тормозными колодками и при выдвижении зажимают тормозные диски и статоры. Многодисковые тормоза полностью состоят из металла, а состав однодисковых тормозов включает органический и металлический фрикционный материал.

Материалом тормозного диска, как и тормозного барабана, обычно является чугун. Чугун обладает хорошей износоустойчивостью и хорошими фрикционными свойствами, имеет высокую твердостью и прочность при высоких температурах; он легко поддается механической обработке, и  его стоимость относительно низка.

Размер тормозного диска равен его наружному диаметру и общей толщине поперечного сечения между двумя рабочими поверхностями. Диаметр тормозного диска обычно ограничивается размерами колеса, а вентилируемый тормозной диск всегда толще сплошного. Для дискового  тормоза это общая площадь контакта с двумя тормозными колодками при одном повороте диска.

Фото 4Большое значение отношения площади охвата на тонну автомобиля в хорошо спроектированных тормозах означает высокую эффективность тормозной системы. Площадь охвата дискового тормоза — это площадь трения тормозных колодок на обеих сторонах тормозного диска. Таким образом, более точно использовать Rp вместо Rr, однако поскольку в большинстве тормозов оба радиуса практически равны, для удобства расчета используется Rr, который легче измерить.

 

Тормозной диск прикрепляется к проставке, а та, в свою очередь, — к ступице колеса или фланцу моста. Проставка обеспечивает более долгий путь для передачи тепла от трущейся поверхности тормозов к колесным подшипникам, что позволяет поддерживать их температуру достаточно низкой. Проставки серийных автомобилей обычно изготавливаются из чугуна как одно целое с тормозным диском, а проставки гоночных автомобилей делаются как отдельная деталь из алюминиевого сплава. Недостатком проставок из алюминиевого сплава является более высокая, чем у чугуна, теплопроводность, что приводит к большему нагреву колесных подшипников.

 

Вентилируемые дисковые тормоза

Тормозной диск может быть сплошным или с вентиляционными каналами внутри него. В легких автомобилях обычно используются сплошные тормозные диски. Вентилируемые тормозные диски с радиальными охлаждающими каналами применяют на тяжелых автомобилях, требующих установки дисков максимально возможных больших размеров.

Мощные гоночные автомобили оснащены вентилируемыми тормозными дисками, при этом могут иметь место различия в толщине их боковых стенок. Чтобы температура на каждой стороне тормозного диска была одинаковой, на многих тормозах болидов ближайшая к колесу сторона тормозного диска тоньше, чем противоположная. Колесо сопротивляется прохождению охлаждающего воздуха к наружной рабочей поверхности тормозного диска, что делает ее более горячей, чем внутренняя сторона, поэтому большая толщина плохо охлаждаемой наружной поверхности тормозного диска способствует выравниванию температур их нагрева.

Фото 5Тормозные диски гоночных автомобилей зачастую имеют криволинейные охлаждающие каналы, которые повышают эффективность действия воздушного потока. Тормозные диски для левой и правой сторон авто не взаимозаменяемы из-за криволинейности вентиляционных каналов. Тормозной диск с криволинейными вентиляционными отверстиями или наклонными прорезями для эффективной работы должен вращаться в определенном направлении. Правильное направление вращения по отношению к вентиляционным отверстиям и прорезям показано на схеме.

Типичные значения удельной площади охвата тормозов представлены в таблице для типичных автомобилей 1981/82 годов выпуска.

 

Типичные значения удельной площади охвата тормозов на тонну массы автомобиля

Модель автомобиля Удельная площадь охвата тормозов, кв. см/т Модель автомобиля Удельная площадь охвата тормозов, кв. см/т
Alfa Romeo Spyder 1670,55 Mitsubishi Lynx RS 1212,6
Audi 5000 Turbo 1580,25 Nissan Sentra 1754,4
Audi Quattro 1638,3 Peugeot 505 STi 1735,05
BMW 528e 1670,55 Pontiac J2000 1115,85
Chevrolet Camaro Z28 1135,2 Porsche 944 1954,35
Chevrolet Corvette 1841,8 Renault Alliance 1225,5
Dodge Charger 2.2 1038,45 Renault 5 Turbo 1128,75
Ferrari 308GTSi 1038,45 Renault 1,8i 1219,05
Ford Mustang GT 5.0 1044,9 Subaru GL 1090,05
Honda Accord 1141,65 Toyota Celica Supra  1444,8
Honda Civic 1102,95 Toyota Starlet 1264,2
Lamborghini Jalpa 1464,15 Volkswagen Scirocco 1277,1
Mazda GLC 1122,3 Volkswagen Scirocco SCCA GT3 1960,8
Mercedes-Benz 380SL 1538,65 Volvo GLT Turbo 1560,9

 

Мощные автомобили имеют более высокие значения этого показателя по сравнению с экономичными седанами.

Возможные неполадки дисковых тормозных систем

При частом интенсивном торможении на вентилируемых тормозных дисках появляются трещины. Причина этого —  термические напряжения и давление тормозных колодок на тонкие металлические стенки в каждом  охлаждающем канале. Термические напряжения в тормозном диске с литой или прикрепленной болтами проставкой вызываются в месте их соединения из-за того, что температура тормозного диска в этом месте выше, чем температура проставки.

Наружная часть тормозного диска при его нагреве расширяется сильнее, чем холодная проставка. Это приводит к тому, что тормозной диск деформируется и изгибается, появляется его конусность, которая приводит к неравномерному износу тормозных накладок. Постоянно повторяясь, расширение и стягивание тормозного диска вызывают появление трещин. Опора каждой стороны  вентилируемого тормозного диска и эффективное его охлаждение снижают вероятность появления трещин на нем.

Тормозные барабаны и тормозные диски спроектированы таким образом, чтобы противостоять самому тяжелому варианту появления термического напряжения при каждом применении тормозов, но многократные применения тормозов могут вызвать усталостные трещины. Если тормоза используются в режиме резкого торможения, необходимо чаще их проверять.

 

Суппорты дисковых тормозов

Рассмотрим подробнее устройство суппортов. Суппорты дисковых тормозов включают тормозные колодки и гидравлические тормозные цилиндры с поршнями, которые прижимают колодки к тормозному диску.  Принцип работы всех суппортов дисковых тормозов одинаков: когда водитель нажимает на педаль тормоза, под давлением тормозной жидкости поршни перемещают тормозные колодки, которые зажимают тормозной диск.

Суппорты легковых автомобилей обычно изготовлены из относительно дешевого высокопрочного серого чугуна с шаровым графитом. Однако они достаточно тяжелые. Гоночные или вообще мощные автомобили обычно оснащены суппортами из алюминиевого сплава, их масса почти в два раза меньше чугунных.

 

Типы суппортов, их особенности

Существуют два основных типа суппортов — фиксированные и плавающие.

Рис. 4 Отличия суппортов разного типа

рис.4

Фиксированные суппорты имеют большее число поршней (два или четыре), они больше по размеру и тяжелее плавающих суппортов. При работе в тяжелых условиях они допускают большее число экстренных торможений до наступления перегрева суппорта.

Плавающий суппорт перемещается в противоположном движению поршня направлении. Поскольку плавающий суппорт имеет поршень только на внутренней стороне тормозного диска, весь суппорт может смещаться внутрь, чтобы наружная тормозная колодка могла прижаться к тормозному диску. Плавающие суппорты меньше подвержены утечкам и износу, так имеют меньше движущихся деталей и уплотнений.

Фиксированные суппорты чаще всего применяют на гоночных автомобилях, а плавающие — на серийных.

Рис. 5 Тормозной диск с плавающим суппортом

Фото 7

Достоинством плавающих суппортов является легкость применения механического стояночного тормоза, так как в конструкции с одним тормозным цилиндром он легко управляется тросом, в то время как в фиксированных суппортах с поршнями на обеих сторонах тормозного диска это сделать сложнее. Недостатком плавающих суппортов является то, что они могут вызывать неравномерный износ тормозных колодок из-за перемещения самого суппорта.

 

Возможные неполадки суппортов

Рис. 6 Варианты деформации

Фото 8

 

  • Часть корпуса суппорта, которая охватывает наружный диаметр тормозного диска, называется мост. Давление тормозной жидкости вызывает действие силы P на каждой стороне суппорта, которая старается изогнуть его мост. Жесткость моста определяет жесткость всей конструкции суппорта, т. к. от жесткости конструкции зависят толщина поперечного сечения и масса суппорта.

 

  • Суппорт располагается между наружной стороной тормозного диска и внутренней стороной колесного диска, поэтому требования по пространству для его размещения диктуют проектирование суппорта с небольшой величиной поперечного сечения. К сожалению, это может привести к его изгибу. Чтобы повысить жесткость, суппорты тормозов гоночных автомобилей проектируют с широкими мостами.

 

  • Если тормозная колодка перекрывает размеры поршня, то она при действии тормозов будет изгибаться. Для обеспечения равномерного контакта рабочей поверхности тормозной колодки и тормозного диска используются несколько поршней.

 

Рис. 7 Суппорты с одним и двумя поршнями

Фото 9

  • Если устройство крепления суппорта податливое, то при перемещении может возникнуть его скручивание, а это, в свою очередь, вызывает неравномерный износ тормозных накладок, пружинистость и увеличивает ход педали тормоза.

 

  • Так как тормозной диск и кронштейн суппорта располагаются в разных плоскостях, последний воспринимает скручивающий момент во время приложения тормозов. Если кронштейн слишком тонкий, он будет скручиваться, вызывая прихватывание суппортом тормозного диска. Обычно толщина установочного кронштейна суппорта должна составлять не менее 12,7 мм.

 

Особенности эксплуатации дисковых тормозных систем

Для защиты внутренней рабочей стороны тормозного диска от попадания грязи и воды устанавливаются защитные экраны. Такое приспособление по своей конструкции напоминает тормозной щит барабанных тормозов. Защитные экраны оказывают сопротивление прохождению охлаждающего воздуха к тормозному диску, поэтому обычно не устанавливаются на дисковые тормоза гоночных автомобилей.

Что касается фрикционного материала дисковых тормозов, то он обычно приклеивается к боковой поверхности тормозных колодок, изготовленных из стального листа. Тормозные колодки продаются с уже прикрепленными тормозными накладками, повторно они не используются.

Нагрузка от тормозной колодки обычно не накладывается непосредственно на поршень в тормозном суппорте. На многих автомобилях между поршнем и тормозной колодкой устанавливаются противоскрипные шайбы, предназначенные для уменьшения шума, возникающего при вибрировании или дребезжании колодки по тормозному диску.

 

Подводя итоги

Мы рассмотрели устройство дисковых тормозных систем, особенности, преимущества, сильные и слабые стороны разных их типов. Из всего вышесказанного нетрудно сделать выводы о том, каким должна быть максимально эффективная тормозная система для гоночных автомобилей.

 

  • Для гоночных машин подходят только вентилируемые тормозные диски, которые охлаждаются быстрее. Чтобы температура на каждой стороне тормозного диска была одинаковой, на многих тормозах гоночных автомобилей ближайшая к колесу сторона тормозного диска тоньше, чем противоположная. Криволинейные вентиляционные отверстия тормозных дисков эффективнее для гоночных автомобилей, чем прямые. Направленные каналы вентиляции, по сравнению с традиционной прямой конструкцией, значительно повышают интенсивность прокачки воздуха по ним, улучшая теплоотдачу. Спиральная конструкция каналов более равномерно распределяет механические напряжения в диске, увеличивая ресурс и уменьшая вероятность образования трещин.

 

  • Перфорация диска, выполняя все те же функции по газоотводу, что и проточки, увеличивает площадь обдуваемой поверхности диска, улучшая охлаждение. При круглогодичной эксплуатации улучшает очистку диска от влаги и грязи.

 

  • Проставки и суппорты дисковых тормозов для гоночных автомобилей — из алюминиевого сплава. Легкая алюминиевая проставка улучшает характеристики управления автомобилем, снижает термические напряжения на тормозном диске. Низкий вес, благодаря использованию алюминия с малой удельной массой, снижает неподрессоренные массы, благоприятно сказываясь на качестве работы подвески автомобиля.

 

  • Фиксированный суппорт, рассчитанный на большее число экстренных торможений и обладающий повышенной гибкостью по сравнению с плавающим, идеален во время гонок.

 

  • Достаточную для эксплуатации гоночных автомобилей жесткость тормозных дисковых систем обеспечивают мосты увеличенной ширины. Благодаря увеличению и наилучшему распределению сечений «моста» (элемента, работающего на разжимающие суппорт нагрузки) получена повышенная жесткость суппорта к рабочим деформациям. Повышенная жесткость, суммируясь с общим снижением рабочих давлений и армированными тормозными шлангами, обладающими минимальной склонностью к увеличению объёма (разбуханию) при нагрузке, позволяет получить максимальную информативность на тормозной педали и возможность очень точно дозировать тормозной момент в системе.

 

  • Многопоршневая конструкция суппорта позволяет получить равномерное усилие прижатия тормозной колодки к диску, а разный диаметр поршней компенсирует разницу температурных условий работы колодки по площади контакта, предотвращая возможную неравномерность износа (конусность) по передней и задней кромкам. Повышенная общая площадь поршней в суппортах, изменяет передаточное отношение гидравлической системы, что приводит к значительному снижению рабочих давлений жидкости. Низкие давления снижают требуемое максимальное усилие на педали тормоза. Снижают нагрузку и вредные деформации на всех штатных деталях тормозной системы.

 

  • В случае использования «плавающей конструкции» диска, рекомендуемой для применения в режимах предельных нагрузок (на гоночном треке), позволяет полностью снять термо-напряжения относительно центральной части и предотвратить передачу избыточного тепла на ступичный подшипник. Обеспечивая нормальную работу и увеличенный ресурс этих деталей в самых жёстких условиях.

 

  • Чем больше диаметр тормозного диска, тем больше эффективный радиус приложения тормозного момента. Это позволяет увеличить максимальную тормозную мощность, развиваемую системой. От эффективного радиуса напрямую зависит площадь охвата рабочих поверхностей, являющихся одним из основных показателей возможностей диска по рассеиванию тепловой энергии.

И помните, качественные дисковые тормоза — это в первую очередь ваша безопасность. Учитывайте это при выборе подходящего варианта тормозной системы для своего авто.

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Одноклассники