Brakes

Тормозные системы и их модернизация

Авторы: Стивен Руис, руководитель инженерной группы, и Кэрол Смит, инженер-консультант, компания StopTech LLC

Практически любой автомобиль способен остановиться с высокой скорости один раз, при условии, что шины и тормоза работают идеально. Однако тормозные системы большинства «гражданских» машин, пикапов и даже некоторых «заряженных» автомобилей не предназначены для интенсивных или спортивных режимов эксплуатации, таких как активное прохождение поворотов, скоростное торможение или буксировка. Основная проблема — недостаточная теплоемкость и теплоотдача тормозных дисков и суппортов, что приводит к быстрому нагреву и, как следствие, к ухудшению эффективности.

Кроме того, у стоковых компонентов зачастую недостаточная конструктивная жесткость, что снижает эффективность передачи усилия и может привести к нежелательному деформированию или растрескиванию. Большинство заводских тормозных систем ориентированы на комфорт и тихую работу, а не на экстремальные условия эксплуатации. Поэтому при спортивном или динамичном вождении появляется необходимость в модернизации.

Что нужно учитывать при выборе высокопроизводительной тормозной системы Производительность и безопасность — основные параметры, от которых зависит эффективность и надежность. Легкость установки — важный фактор при самостоятельной модернизации. Стоимость — вариант эконом-класса или действительно серьёзное инженерное решение. При выборе системы важно учитывать следующие аспекты:

Тормоза лишь замедляют — шины останавливают. Тормозной путь зависит не только от тормозных колодок и дисков, но и от состояния и типа шин. Высококлассные шины с хорошим сцеплением могут существенно снизить тормозной путь, а использование некачественных шин сведет эффективность любой тормозной системы к минимуму.

Тепловая энергия и рассеивание тепла. При торможении часть кинетической энергии превращается в тепло, которое нужно эффективно рассеивать. Например, чтобы остановить автомобиль массой 1,5 тонны со скорости 160 км/ч за 8 секунд, на одно колесо приходится энергия порядка 30 600 калорий в секунду. Тормозной диск поглощает около 80% этой энергии, и его конструкция должна обеспечивать как теплоемкость (чтобы не деформироваться и не трескаться при длительных торможениях), так и теплоотдачу (к вентиляции, излучению, конвекции).

Конструкция и материал тормозных дисков В официальных гонках используются диски с высокопроизводительными конструкциями, такими как отверстия или насечки, что увеличивают тепловую отдачу и вентиляцию. Современные разработки идут в сторону использования перфорированных или ребристых дисков, а также дисков с насечками, которые обеспечивают эффективность без дополнительных слабых мест, связанных с перфорацией.

Теплоемкость и теплоотдача. Чем больше площадь поверхности на диске при одинаковой массе, тем быстрее он сможет рассеивать тепло. Также важна вентиляция — наличие каналов и отверстий для интенсивного воздушного охлаждения.

Материалы и инновационные решения. Титановый поршень в суппорте значительно снижает тепловой контакт между тормозной колодкой и жидкостью, что позволяет снизить вероятность закипания тормозной жидкости и повысить стабильность работы системы при экстремальных нагрузках.

Вот отредактированный и расширенный вариант статьи в формате MediaWiki, с убранными тегами, исправленными заголовками и добавленной информацией:

Физика тормозной системы

Перед тем как перейти к дальнейшим рассуждениям, обратимся к физике процесса и рассмотрим основные определения.

Коэффициент механического усиления педали Человек не может directly давить на главный цилиндр с силой, достаточной для остановки автомобиля. Поэтому педаль тормоза устроена так, чтобы увеличивать усилие, прикладываемое водителем. Коэффициент механического усиления педали – это отношение расстояний от точки крепления педали до центра площадки и до штока главного цилиндра. В большинстве случаев его значение лежит в пределах от 4:1 до 9:1. Чем выше коэффициент, тем больше увеличивается сила давления на педаль и, соответственно, ход педали увеличивается.

Давление в тормозной магистрали Это гидравлическая сила, которая заставляет систему работать при нажатии педали. Давление измеряется в кг/см² (Бар) и определяется как отношение силы, умноженной на коэффициент усиления, к площади сечения главного цилиндра. При одинаковой силе давления в системе большее давление будет в системе с меньшим сечением цилиндра. Типичные значения давления для остановки автомобиля варьируют от 55 до 137 Бар.

Сила зажима суппорта Это сила, прикладываемая поршнями суппорта к тормозному диску. Она рассчитывается как произведение давления в магистрали на общую площадь поршней. В числовом выражении: сила зажима (Н) давление (кг/см²) × площадь поршней (см²). Увеличение площади колодок не влияет на силу зажима, однако увеличивает расход тормозной жидкости, что важно учитывать при проектировании систем.

Тормозной момент Это основной параметр, отвечающий за тормозную эффективность. Тормозной момент определяется как произведение эффективного радиуса диска на силу зажима, умноженную на коэффициент трения, делённый на 12. Величина тормозного момента на одном колесе показывает, насколько эффективно система способна создать крутящий момент для замедления автомобиля. Обычно тормозной момент передних колёс превышает крутящий момент, развиваемый двигателем, что позволяет сохранить стабильность при торможении.

Выводы из физических характеристик тормозной системы

Увеличение давления Для повышения давления в системе можно использовать более длинный рычаг педали или уменьшить диаметр главного цилиндра, однако это увеличит ход педали.

Усиление зажима Сила зажима увеличивается либо за счёт повышения давления, либо за счёт увеличения диаметра поршней в суппортах. Размер колодок не влияет на силу зажима. Увеличение диаметра поршня приведёт к увеличению хода педали.

Максимальный тормозной момент Достигается за счёт увеличения эффективного радиуса диска, площади поршней, давления в системе или коэффициента трения. Размер колодок влияет на их износ и теплоотдачу, но не напрямую на тормозной момент.

Распределение тормозных усилий между осями Большинство автомобилей проектируются так, чтобы основной тормозной момент приходился на передние колёса. Причины этого – динамика загрузки колес при замедлении и возможность управлять автомобилем во время экстренного торможения.

Причины распределения тормозных усилий - Вес смещается на переднюю ось при торможении. - Блокировка задних колёс ухудшает управляемость, а блокировка передних возможна лишь при высокой нагрузке – она необходима для эффективного торможения. - В гоночных автомобилях обычно до 60% тормозного усилия приходятся на передние колёса, а аэродинамика обеспечивает дополнительную прижимную силу задней части.

Ограничительные клапаны давления заднего контура Ограничивают давление в задних тормозных контурах, чтобы избежать блокировки задних колёс при интенсивном торможении. Эти клапаны позволяют регулировать распределение усилий и сохранять управляемость автомобиля.

Технические аспекты тормозных систем

Жесткость педали и дозирование усилий - Люди воспринимают изменение силы лучше, чем перемещение педали. - Жесткая педаль обеспечивает точное дозирование