CC BY
102
УДК 620.017
РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИИ ТОРМОЗНЫХ МЕХАНИЗМОВ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
В.П. Волков, профессор, д.т.н., Н.В. Дюкарев, Ю.В. Волков,
студенты, ХНАДУ
Аннотация. Выполнен ретроспективный анализ развития конструкции тормозных механизмов легковых автомобилей. Показано, что основной причиной, стимулирующей совершенствование конструкции тормозных механизмов, являются повышающиеся требования к их энергорассеивающей способности.
Ключевые слова: автомобиль, тормозное управление, тормозной механизм.
Введение
Активная безопасность автомобилей, влияющая на безопасность дорожного движения, в значительной мере определяется конструкцией тормозного управления. Эффективность тормозного управления оценивается двумя показателями: тормозным путем и развиваемым при торможении замедлением. Тормозной путь является интегральным показателем, а замедление характеризует работу тормозных механизмов автомобиля. Оценить перспективы развития тормозных механизмов в ближайшем будущем невозможно без ретроспективного анализа.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является анализ развития конструкции тормозных механизмов и объяснение причин, стимулирующих их совершенствование .
Развитие конструкции тормозных
механизмов легковых автомобилей
Впервые о тормозах вообще упоминается в 1816 г. Ф. Дойцом. В начальный период становления автомобиля (1886 - 1900 гг.) о конструкции тормозов в литературе практически не упоминалось. На автомобилях применялись различные типы тормозных устройств, как-то: рифленые башмаки, подводимые под колеса, якорные механизмы,
погружающиеся в поверхность дороги, и др. [1].
В условиях малой интенсивности дорожного движения и невысоких динамических свойств автомобилей основными проблемами, стоящими перед создателями тормозных механизмов в этот период, было обеспечение легкости управления и достаточной энерго-поглощающей способности. Этому почти идеально отвечал ленточный тормоз, имеющий тогда повсеместное применение.
Появление в 1899 г. первого барабанного тормозного механизма на автомобиле [2] было по достоинству оценено и в 1903 г. они уже устанавливались на автомобилях Mercedes и Renault [3], а к началу 20-х годов барабанные тормоза полностью вытеснили ленточные.
Барабанный тормоз по сравнению c ленточным не может дать заметных преимуществ в снижении температуры поверхности трения при экстренном торможении. Единственным преимуществом барабанного тормоза могло быть снижение температуры при циклических торможениях, то есть более высокая энергорассеивающая способность, которая объясняется как увеличением поверхности охлаждения, так и лучшими условиями теп-лоотвода. Отсюда причинами, вызывающими появление барабанных тормозных механизмов, являются улучшившиеся динамические свойства автомобилей и повышение интенсивности движения. Барабанные тормозные
механизмы применялись на всех колесах автомобилей до 60-х годов, и даже в настоящее время их достаточно часто можно встретить на колесах задней оси автомобилей сегмента А, В, С.
Следует отметить, что появившаяся в 1902 году конструкция дискового тормозного механизма открытого типа изобретателя Ф. Манчестера не получила распространения из-за отсутствия фрикционных материалов, способных работать при высоких удельных давлениях и температурах, сложности и нетехнологичности привода.
С ростом динамических свойств автомобилей и интенсивности движения кинетическая энергия, рассеиваемая тормозными механизмами, постоянно увеличивалась, и это находило отражение в увеличении ширины дорожки трения при уменьшении диаметра барабана [3].
Большое внимание, в период 1915 - 1940 гг. уделялось снижению максимальных значений температуры поверхности трения, что нашло в применении трех и четырех колодок [3]. Эту же цель преследовало и создание тормозных механизмов с самоустанавливающимися колодками с параллельными (Lockheed) и затем наклонными направляющими (Girling), иногда применяющимися и до настоящего времени.
Существенно уменьшившийся к концу 30-х годов диаметр колес легковых автомобилей уже не позволял применять малое, а тем более нулевое плечо обката управляемых колес в сочетании с барабанными тормозными механизмами. Поэтому следует признать удачным применение вынесенных к дифференциалу барабанных тормозов в сочетании с нулевым плечом обката управляемых колес в переднеприводном легковом автомобиле Citroen 2CV. Очевидно, что одной из основных целей этого конструктивного решения являлось увеличение энергорассеивающей способности тормоза за счет лучших условий охлаждения встречным потоком воздуха.
Открытый дисковый тормозной механизм, постоянно совершенствуясь, нашел к концу 30-х годов широкое применение в качестве трансмиссионного тормоза [1], в основном из-за небольшой массы и меньшего числа деталей.
К этому же времени относится разработка конструкции закрытого дискового тормоза для военных машин [1, 4]. Область применения рассматриваемой конструкции тормоза ограничивается достаточно тяжелыми и тихоходными машинами при невысокой интенсивности движения. Это также подтверждается опытом применения закрытого дискового тормоза такого типа на легковых автомобилях Chrysler [1, 4]. Такая конструкция не получила признания ни у потребителей, ни у конкурентов, а область её применения ограничилась опытными образцами [4].
В 1937 г. на автомобиле Crossley [3] был применен в рабочей тормозной системе открытый дисковый тормозной механизм, разработанный компанией Graf and Stift [2]. В этом же году [2, 3] точно такой же тормоз устанавливался на рекордно-гоночном автомобиле Thunderbolt. К этому времени в странах с высокой интенсивностью движения начинает проявляться тенденция к уменьшению степени серводействия тормозных механизмов. Так, например применение тормозных механизмов с двойным сервоэффектом [1] в Европе снизилось, что объясняется недостаточной их стабильностью и обусловленной высокой степенью вероятности появления курсовой
неустойчивости автомобиля в процессе торможения. Также отмечалась сложность в регулировании приводного усилия для такого типа тормозов [3, 5].
В период с 1950 по 1970 годы почти все ведущие автопроизводители перешли к следующей схеме применения барабанных тормозных механизмов: на передней оси - две активные колодки, а на задней - одна активная и одна пассивная. Таким образом, при сохранении прежнего уровня энергорассеи-вающей способности предпочтение отдавалось более стабильным в ущерб комфорту управления, который компенсировался применением усилителей. На всех легковых автомобилях обычно применялся гидравлический привод в подавляющем числе случаев с разделением контуров передней и задней осей.
С 1950 г. на автомобилях Chrysler, а с середины 50-х годов на автомобилях Jaguar ХК-120С начали серийно устанавливать дисковые тормоза открытого типа конструкции Dunlop. В 1955 г. дисковые тормоза с
плавающим диском устанавливают на автомобили Citroen DS19. К середине 60-х годов дисковые тормозные механизмы уже применялись на передних колесах большинства европейских моделей легковых автомобилей.
К настоящему времени открытые дисковые тормозные механизмы полностью вытеснили барабанные на передних колесах легковых автомобилей и продолжают успешно вытеснять их на задних [6]. С ростом динамических свойств автомобилей тормоза со сплошным диском постепенно заменяются тормозами с вентилируемым диском. Полной замене барабанных тормозов пока препятствуют в основном экономические факторы. Попытки создания концепций альтернативных дисковому тормозу пока не дали положительных результатов. Так концепция тормоза с обратной фрикционной парой явно не учитывала решающую роль энергетических процессов. Концепция венечного тормоза, предложенная фирмой Ferodo в 1966 г., ввиду термического коробления ротора по осевой и окружной координатам не обеспечивала качественного контакта трущихся поверхностей. Концепция «шкивного» тормоза с рабочим поршнем, выполненным из фрикционного материала, обеспечивает чистоту выключения тормоза и не требует смены колодки - поршня за весь срок службы автомобиля. Однако, по энергопреобразующим качествам она значительно уступает дисковому тормозу и может использоваться только на задних колесах автомобилей особо малого класса вместо барабанных тормозов.
Достаточно очевидно, что основной причиной смены концепций тормозов является дальнейшее повышение цикличности их работы. Рост цикличности торможений в свою очередь требует повышения энергорассеивающей способности тормоза, которая обеспечивается путем резкого увеличения, фактически удвоения, площади поверхности трения, являющейся одновременно и площадью охлаждения ротора.
Эту проблему пытается решить фирма Delphi, предложив использовать в колесном тормозе два плавающих в осевом направлении тормозных диска с неподвижной скобой. Такое решение позволяет расширить возможности по увеличению тормозного момента, оставаясь в рамках допустимого температур-
ного диапазона, что, в свою очередь, приводит к снижению массо-габаритных параметров тормозных механизмов. Предлагаемая конструкция тормозного механизма, имея четыре поверхности охлаждения, позволяет уменьшить тепловую напряженность деталей механизма, что открывает широкие возможности по совершенствованию тормозного управления автомобиля.
Другое направление совершенствования конструкции тормозных механизмов - применение карбоно-керамических тормозных дисков, выдерживающих при циклических торможениях высокие температуры нагрева и не снижающих при этом выходные характеристики тормозного механизма. Их широкое использование сдерживается технологической сложностью процесса изготовления и высокими ценовыми показателями применяемых материалов.
Выводы
Таким образом, основной тенденцией развития концепции тормозных механизмов легковых автомобилей является повышение их энергорассеивающей способности. С учетом ужесточающихся ограничений на габариты и массу тормоза эта тенденция влечет за собой повышение температуры поверхности трения, что в свою очередь требует применения все более теплостойких фрикционных материалов. Смена концепций тормозных механизмов фактически является качественным скачком в этом эволюционном процессе.
Литература
1. Бухарин Н.А. Тормозные системы автомоби-
лей. - М.-Л.: Машгиз, 1950. - 292 с.
2. Samochody od A do Z. - Warzawa: WKL, 1978. -
1208 р.
3. Newcomb T.P. Stopping Revolutions: Develop-
ments in the Braking of Cars the Earliest Days.
- Proceeding Institution Mechanical Engineerings. - 1961. - V. 195. - № 6. - P. 139 - 150.
4. Pighini U. Freni a disko per autoveicoli. - Designo
mach. - 1973. - v. 4. - № 1.
5. De Vita E.I. Freni. - Quattroruote. - 1977. - № 11.
- P. 152 - 157.
6. Гредескул А.Б., Федоров А.С., Матвиенко В.Ю.
Статистические аспекты выбора ТМ для легковых автомобилей. - Автомобильная промышленность. - 1980. - № 8. - С. 21 - 23.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 19 декабря 2007 г.
