4. Тормозные системы

4.1 Назначение и типы

Тормозной называется система управления автомобиля, обеспечивающая безопасность при движении и остановках. Она служит для уменьшения скорости движения, остановки и удержания автомобиля на месте.

Современные автомобили оборудуются несколькими тормозными системами, имеющими различное назначение

Рабочая тормозная система предназначена для снижения скорости автомобиля вплоть до полной его остановки. Она является наиболее эффективной из всех тормозных систем, действует на все колеса автомобиля и используется для служебного и экстренного (аварийного) торможения автомобиля. Рабочую тормозную систему часто называют ножной, так как она приводится в действие от тормозной педали ногой водителя.

Стояночная тормозная система служит для удержания на месте неподвижного автомобиля. Она воздействует только на задние колеса автомобиля или на вал трансмиссии и приводится в действие от рычага рукой водителя, поэтому ее иногда называют ручной.

Запасная тормозная система является резервной и предназначена для остановки автомобиля при выходе из строя рабочей тормозной системы. При отсутствии на автомобиле отдельной запасной тормозной системы ее функции может выполнять исправная часть рабочей тормозной системы (первичный или вторичный контур) или стояночная тормозная система.

Вспомогательная тормозная система служит для ограничения скорости движения автомобиля на длинных и затяжных спусках. Она выполняется независимой от других тормозных систем и представляет собой тормоз-замедлитель, который обычно действует на вал трансмиссии. Вспомогательную тормозную систему часто используют для служебного торможения в целях уменьшения износа рабочей тормозной системы и повышения безопасности движения в горных условиях, где при частых торможениях тормозные механизмы колес сильно нагреваются и быстро выходят из строя. Так, если у грузового автомобиля число торможений на 100 км пути составляет около 125 на загородном шоссе, то в горных условиях оно возрастает до 1000.

Прицепная тормозная система предназначена для снижения скорости движения, остановки и удержания на месте прицепа, а также автоматической его остановки при отрыве от автомобиля - тягача.

Рабочей, стояночной и запасной тормозными системами оборудуют все автомобили, а вспомогательной - только грузовые автoмобили большой грузоподъемности полной массой свыше 12 т и автобусы полной массой более 5 т.

Прицепной тормозной системой оборудуют прицепы, работающие в составе автопоездов.

Совокупность всех тормозных систем называется тормозным управлением автомобиля. Каждая тормозная система состоит из одного или нескольких тормозных механизмов (тормозов), которые осуществляют процесс торможения автомобиля, и

тормозного привода, управляющего тормозными механизмами.

4.2 Торможение автомобиля. Тормозная динамика

В процессе торможения автомобиля тормозные механизмы препятствуют вращению колес, вследствие чего между дорогой и колесами возникают силы, которые направлены и действуют против движения автомобиля. При этом запас кинетической энергии, которой обладает движущийся автомобиль, преобразуется в тепловую энергию при трении в тормозных механизмах колодок с барабанами и дисками и при скольжении заторможенныx колес по дороге. Тепловая энергия рассеивается в окружающую среду. Тормозная сила автомобиля равна сумме тормозных сил всех его колес. Она увеличивается с улучшением покрытия дороги и может достичь на сухом асфальтобетонном шоссе 80 % силы тяжести автомобиля. Поэтому торможение автомобиля на таком шоссе более эффективно, чем на дорогах с другими покрытиями.

В процессе эксплуатации торможение автомобиля может осуществляться

1) двигателем,

2) тормозной системой при отъединенном от трансмиссии двигателе,

3) тормозной системой и двигателем (комбинированное),

4) с периодическим прекращением действия тормозной системы,

5) тормозом - замедлителем.

При торможении двигателем тормозные механизмы не применяются.

Тормозом является только двигатель, который не отъединяется от ведущих колес автомобиля, но работает на режиме холостого хода (с уменьшенной подачей топлива) или на компрессорном режиме (без подачи топлива). Ведущие колеса автомобиля через трансмиссию принудительно вращают коленчатый вал. В результате в двигателе благодаря трению возникает сила сопротивления, которая и вызывает замедленное движение автомобиля.

Торможение двигателем применяют в горных условиях, при движении на длинных спусках и в случаях, когда необходимо получить небольшое замедление. Оно обеспечивает плавность торможения, сохранность тормозных механизмов и устойчивость автомобиля против заноса. Однако торможение двигателем на режиме холостого хода очень вредно с точки зрения загрязнения окружающей среды, так как с отработавшими газами выбрасывается большое количество окиси углерода.

При торможении с отъединенным двигателем автомобиль тормозится только тормозными механизмами колес, без использования двигателя. В этом случае двигатель отъединяется от ведущих колес автомобиля путем выключения сцепления или установки рычага управления коробкой передач в нейтральное положение. Торможение с отъединенным двигателем является основным способом торможения и чаще всего используется в эксплуатации, так как обеспечивает быстрое замедление, однако этот способ торможения уменьшает устойчивость автомобиля против заноса на дорогах с малым коэффициентом сцепления.

Торможение с неотъединенным двигателем - комбинированное торможение автомобиля - осуществляется совместно тормозными механизмами и двигателем. Перед приведением в действие тормозных механизмов уменьшают подачу топлива в цилиндры двигателя. Частота вращения коленчатого вала стремится к частоте холостого хода. Однако этому препятствуют ведущие колеса автомобиля, которые принудительно вращают коленчатый вал через трансмиссию. В результате возникает тормозящее действие двигателя. После этого приводятся в действие тормозные механизмы, и торможение автомобиля осуществляется совместно двигателем и тормозными механизмами. Такой способ увеличивает срок службы тормозных механизмов, которые при длительных торможениях с отъединенным двигателем сильно нагреваются и выходят из строя, повышает устойчивость автомобиля против заноса, особенно на дорогах с малым коэффициентом сцепления.

При торможении с периодическим прекращением действия тормозной системы колеса автомобиля должны удерживаться на грани скольжения (юза), но не скользить. В момент начала скольжения колес уменьшается сила нажатия на тормозную педаль, что позволяет колесам перекатываться по дороге. В контакт с дорогой будут вступать новые части протектора шин, ранее не участвовавшие в торможении и менее нагретые и размягченные. В результате максимальная сила сцепления колес с дорогой сохраняется. Этот способ обеспечивает наиболее эффективное торможение автомобиля, в том числе на скользких дорогах при малом коэффициенте сцепления. Однако он рекомендуется только водителям высокой квалификации, так как для удержания колес автомобиля на грани юза без их скольжения необходимы большой опыт и внимание.

В современных автомобилях такую функцию выполняет антиблокировочная система (АБС).

Торможение тормозом-замедлителем происходит вследствие его воздействия на вал трансмиссии. Тормозные механизмы колес не используются. Этот способ торможения целесообразен в горных условиях, где при частых торможениях наступают быстрый нагрев и выход из строя тормозных механизмов колес. При торможении тормозом-замедлителем повышается безопасность движения, уменьшается износ тормозных механизмов, шин и двигателя.

Тормозная динамика

Различают аварийное (экстренное) и служебное торможение.

Аварийное торможение производят с максимальной для данных условий интенсивностью. Обычно число аварийных торможений составляет 5 ... 10 % общего числа торможений.

Служебное торможение применяют для плавного уменьшения скорости автомобиля или его остановки в заданном месте. Оно происходит с небольшой интенсивностью (замедление 1 ... 1,5 м/с²). Служебное торможение может осуществляться двигателем. При этом водитель уменьшает или прекращает подачу топлива в цилиндры двигателя. За счет трения в двигателе и агрегатах трансмиссии создается тормозная сила. Такой способ торможения применяют при необходимости получения плавного снижения скорости.

Наиболее часто используемый способ служебного торможения - торможение двигателем и тормозами. На дорогах с малым коэффициентом сцепления при таком способе торможения уменьшается возможность возникновения заноса.

Торможение при отсоединенном двигателе применяют в тех случаях, когда торможение двигателем не обеспечивает нужного замедления, а также при необходимости остановки автомобиля.

На рисунке 4.2.1 изображена тормозная диаграмма, на которой показано время реакции водителя, срабатывания тормозного привода, движения с заданным замедлением и время оттормаживания.

Рис. 4.2.1 Диaгpамма торможения автомобиля:

а - изменение замедления от времени; б - изменение скорости от времени; t_р - время реакции водителя; t_п - время срабатыванияя тормозноro привода; t_τ - время движения автомобиля с заданным замедлением; t_о - время оттормаживания; t'_р - время психической реакции водителя; t''_р - время физической реакции водителя; t_з - время запаздывания тормозного привода; t_н - время нарастания замедления

Время реакции водителя (0,2 ... 1,5c) состоит из времени психической реакции (оценка обстановки и принятие решения) и времени физической реакции (перенос ноги с педали подачи топлива на тормозную педаль и начало перемещения педали тормоза).

Время срабатывания тормозного прнвода (не более 0,6с) зависит от времени запаздывания тормозного привода t_з и времени нарастания замедления

Время оттормаживания при гидравлическом приводе составляет 0,2с, при пневматическом - 0,5 .. .1,5 с.

Весь пyть, проходимый автомобилем от момента, когда водитель заметил препятствие, до полной остановки, называют остановочным S₀..

Остановочный путь равен сумме пyти S_р.з, проходимого автомобилем в течение времени реакции водителя и времени запаздывания срабатывания тормозного привода, и пyти торможения S_t:

S₀ = S_р.з + S_t·

Пyть торможения - это расстояние, проходимое автомобилем за время действия на него тормозных сил.

Внешние силы, действующие на автомобиль при торможении, показаны на рисунке 4.2.2.

Рис. 4.2.2 Силы, действующие на автомобиль при торможении:

F_τ1 и F_τ2 - тормозные силы; F_f1 и F_f2 - силы сопротивления качению; F_i — составляющая силы тяжести, параллельная направленю движения; F_В - аэродинамическое сопротив­ление; R_z1 и R_z2 - нормальные составляющие реакции дороги; L - база; а,b - координаты центра тяжести; G_а - масса автомобиля; α - угол подъема

Основные силы F_τ1 и F_τ2 , обеспечивающие замедление автомобиля, действуют в плоскости контакта колес с дорогой и направлены противоположно направлению движения автомобиля. При достаточном сцеплении силы F_τ1 и F_τ2 определяются тормозными моментами, развиваемыми тормозными механизмами мостов. Эти силы можно рассчитать по формуле

F_τi = M_i /r₀ ,

где M_i - момент тормозных сил; r₀ - радиус колеса.

Максимальные значения тормозных сил ограничены по сцеплению с дорожным покрытием, т. е. F_τi = φR_zi ,

где R_zi - нормальная составляющая реакции дороги, действующая на i-й мост.

Кроме тормозных сил на автомобиль действуют силы сопротивления качению колес F_f1 и F_f2 , сила сопротивления подъему F_i и аэродинамическое сопротивление F_В .

Сумма проекций всех сил на плоскость, параллельную опорной поверхности, вызывает ускорение автомобиля:

δma = F₁ + F₂ + F_f1 + F_f2 + F_i + F_в ,

где m - масса автомобиля; a - ускорение торможения; δ = 1,03 ... 1,05 - коэффициент учета вращающихся масс автомобиля при торможении (для изменения угловой скорости вращающихся масс необходимо приложить силу!)

К вращающимся массам в процессе торможения относят только массы колес. Это связано с тем, что при торможении с отсоединенным двигателем маховик не связан с колесами, а моменты инерции других деталей трансмиссии малы.

Нецелесообразно доводить колеса автомобиля при торможении до блокировки, что приводит к полному скольжению (юзу) колес, так как при этом колесо не может воспринимать боковые силы.

Блокировка задних колес более опасна, чем передних.

Когда первыми блокируются колеса заднего моста, автомобиль теряет устойчивость. Даже незначительная боковая сила, вызванная, например, ветром, неровностями дороги, центробежной силой или поворачивающим моментом, обусловленным различием тормозных сил на правом и левом колесах, вызывает боковое скольжение колес заднего моста. Это приводит к тому, что продольная ось автомобиля повернется на некоторый угол.

При отклонении оси автомобиля от прямолинейного направления возникает момент, стремящийся увеличить занос автомобиля.

При блокировке передних колес водитель не может управлять автомобилем: автомобиль продолжает прямолинейное движение, но устойчивость его при этом не теряется , так как при поперечном отклонении переднего моста возникает момент, стремящийся возвратить автомобиль в положение, соответствующее прямолинейному движению.

Для обеспечения одинакового скольжения колес всех мостов и наиболее эффективного торможения необходимо, чтобы тормозные силы (тормозные моменты) распределялись между мостами автомобиля пропорционально нормальным реакциям дороги.