Тормозные системы (от кожы до ESP)

Первые тормозные системы применялись ещё на гужевом транспорте. Лошадь разгоняла повозку до относительно больших скоростей и сама не справлялась с ее остановкой. Первые механизмы тормозили само колесо посредством ручного рычага или системы рычагов. Деревянная колодка, иногда — с обитой кожей поверхностью прижималась к ободу колеса, затормаживая его. В сырую погоду это было малоэффективно.


Колодочный тормоз на карете.


Первые автомобили использовали тот же самый колодочный тормоз, что и конные экипажи. Например, на первых автомобилях Бенца колёса тормозились именно колодками, обитыми кожей. Это было малоэффективно, к тому же кожа быстро истиралась, и на протяжении поездки порой приходилось несколько раз менять кожанные накладки. Усовершенствованный вариант этого механизма используется до сих пор на наиболее простых и малоскоростных велосипедах, правда колодки теперь делают из металла, накладки — из фрикционного материала, и располагают их по бокам от обода колеса

src="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9d/Bicycle_centre_pull_brakes.jpg/220px-Bicycle_centre_pull_brakes.jpg" /
Колодочный тормоз на велосипеде.

Уже в начале XX века серийные легковые автомобили стали развивать скорость более 100 км/ч, что сделало жизненно необходимым наличие эффективной тормозной системы. Первыми по-настоящему эффективными были барабанные тормозные механизмы, принцип действия которых мало изменился до наших дней. В отличие от более ранних систем, которые использовали участок деревянного обода самого колеса, в барабанных тормозах тормозные колодки полукруглой формы прижимались к внутренней поверхности чугунного барабана. Сначала колодки были чугунными, но потом на них стали делать накладки из более износостойкого материала на основе асбеста (в печати тех лет называемого «Ферадо»).

Однако, за это время существенно изменились системы привода тормозов. Если ранние их варианты полагались на механический привод — сначала тягами, а позднее проложенными между закреплёнными на раме шкивами тросами (вроде тех, которые в наши дни приводят в действие стояночный тормоз) — то начиная со второй половины тридцатых-сороковых годов общепринятыми становятся гидравлические тормозные системы (первые серийные автомобили с ними появились ещё во второй половине двадцатых), в которых тормозные механизмы приводились в действие через длинные системы трубок, заполненных гидравлической жидкостью — изначально изготовлявшейся на основе растительного масла. Примерно в те же годы появляются и первые системы сервоприводов, снижавших усилие на педали тормоза.


Барабанный тормозной механизм с гидроприводом и одним двусторонним гидроцилиндром.

В сороковых-пятидесятых годах ввиду существенного роста мощности двигателей появилась необходимость значительного повышения эффективности тормозов серийных автомобилей.
Помимо внедрения в тормозные системы всевозможных усилителей (как правило — либо гидровакуумных, в которых разрежение во впускном коллекторе при помощи специального механизма воздействовало на тормозную жидкость, повышая эффективность торможения, либо вакуумных, где разрежение во впускном трубопроводе двигателя непосредственно воздействовало на связанный с педалью шток), стали совершенствоваться и сами тормозные механизмы.

Эти совершенствования привели к применению Дисковых тормозных механизмов. Ранее они находили применение в основном на гоночных конструкциях и авиации. В таком механизме колодки прижимались не к внутренней поверхности барабана, а к наружным плоскостям чугунного диска. Поэтому в конце пятидесятых — начале шестидесятых на быстроходных серийных автомобилях стали появляться тормозные механизмы принципиально иного типа — дисковые. Ранее они находили применение в основном на гоночных конструкциях и авиации. В таком механизме колодки прижимались не к внутренней поверхности барабана, а к наружным плоскостям чугунного диска.
Такой механизм конструктивно проще барабанного с автоматической регулировкой зазора, компактнее, легче и дешевле.
Он эффективнее, несмотря на меньшую площадь колодок, благодаря тому, что поверхность диска плоская и колодки прижимаются к нему равномерно (полукруглая поверхность колодки барабанного тормоза же неравномерно прижимается к внутренней поверхности барабана). Он проще в обслуживании (в частности — проще замена колодок), практически не ограничивает тормозное усилие на колодках (в барабанном механизме оно ограничено прочностью барабана).
Дисковые тормоза лучше охлаждаются, потому что воздух может свободно циркулировать между диском и поверхностью колодки. Существуют также вентилируемые диски, у них фрикционных поверхностей две. Они разделены перемычками, которые позволяют воздуху попадать внутрь диска и еще лучше отводить тепло от тормозов. Большинство передних дисковых тормозов на современных машинах — именно вентилируемые, потому что как раз на них приходится большая часть работы при остановке автомобиля. При этом большинство задних тормозов — не вентилируемые. Они имеют сплошной диск, потому что задние тормоза просто-напросто не вырабатывают большого количества тепла.
Другим плюсом дисковых тормозов является то, что они самоочищаются от воды, грязи и продуктов износа — загрязнения и газы «сбрасываются» с диска при его вращении, в отличие от барабана, который легко собирает на себя, например, пыль — продукт износа колодок. Вода, масло, газообразные продукты трения — всё это быстро отводится от рабочих поверхностей, не ухудшая торможение.
Главными же преимуществами дисковых тормозов перед барабанными считают постоянство (стабильность) характеристик и широкие возможности для регулировки их работы, что приводит к улучшению торможения, а в конечном итоге — повышению безопасности движения.


Дисковый тормозной механизм.

Но и дисковые тормозные механизмы не снижали шанс возникновения заноса из-за процесса торможения .

Серийные и тюнинговые автомобили имеют, как правило, весьма простые по конструкции и эффективные тормозные системы. Но время идет вперед - электроника проникает даже в эти, казалось бы, заповедные зоны. Попробуем разобраться, как она работает.

Неожиданно возникшее препятствие, удар по педали тормоза, занос... Знакомая картина, не правда ли? Если колеса автомобиля во время торможения оказались заблокированными хотя бы на мгновение, то потеря курсовой устойчивости может быть вызвана действием даже ничтожной поперечной силы. Откуда она берется?

Помимо центробежной силы, действующей на автомобиль при повороте, поперечная может возникнуть из-за неравномерного срабатывания тормозных механизмов разных колес, из-за того, что эти колеса находятся на различных по сцепным свойствам покрытиях, из-за разницы в износе протектора... Причин много. В результате экстренное торможение, почти неизбежно влекущее на мокрой и тем более скользкой дороге блокировку колес, превращает машину в неконтролируемый водителем снаряд, произвольно изменяющий под воздействием упомянутой силы направление движения со всеми вытекающими последствиями.


Первые системы, предотвращающие блокировку колес и позволяющие водителю, слишком надавившему на педаль тормоза, управлять автомобилем, появились более тридцати лет назад. Сейчас такие антиблокировочные системы ABS (Antilock Brake System) можно увидеть разве что в политехнических музеях. Однако испытанные на них принципы построения подобных систем используются и поныне.

Любая ABS состоит из трех основных элементов: датчиков скорости вращения колес, модулятора тормозного давления и электронного блока управления. Задача датчиков - фиксировать начало блокировки колес. Как только это произошло, сигнал передается блоку управления, который в свою очередь отдает команду модулятору, понижающему давление жидкости в гидросистеме тормозов. Когда колесо разблокировалось и снова начало вращаться, давление жидкости возвращается к первоначальной величине и вновь заставляет тормозные механизмы срабатывать. Процессы торможения и растормаживания колес будут циклически повторяться до тех пор, пока угроза блокирования не исчезнет. Водитель ощущает работу ABS по толчкам, передающимся на педаль тормоза.

Колеса способны также сорваться в скольжение в момент начала движения, при разгоне, в случаях энергичного движения по участкам с разнородными по сцепным свойствам покрытиями. Желание избавиться от этих недостатков обусловило появление TCS - Traction Control System (другие названия ASR, ASC, ETS). Собственно говоря, своим существованием противобуксовочные системы обязаны ABS. Конструкторы воспользовавшись компонентами ABS, расширив лишь программное обеспечение процессора этой системы. Блок управления ABS "обучили" распознавать колеса. Когда ведущие начинают вращаться быстрее, чем катятся ведомые, это логично воспринимается процессором как пробуксовка. Далее возможны два варианта. Первый - электроника "придушит" двигатель, не обращая внимания на то, как активно давит на педаль газа водитель; второй - ведущие колеса притормаживаются до тех пор, пока не перестанут буксовать и не зацепятся протектором за покрытие. Впрочем, обычно "работают" оба сценария.

Что в TCS примечательно, так это способность системы, которая по своей сути является "довеском" к ABS, самостоятельно управлять двигателем и тормозами отдельных колес. Получив в руки такие козыри, конструкторы смогли вплотную подойти к разработке еще одного электронного помощника - программы электронной стабилизации ESP (Electronic Stability Program). Кроме того, возможность электронного управления тягой и тормозами впоследствии воспользовались, чтобы имитировать блокировку дифференциала. Так появились современные системы полного привода 4-Matic Mercedes-Benz и x-Drive BMW.



В чем заключается недостатки ABS? Эта система, регулируя давление тормозной жидкости, предохраняют колеса от блокировки и обеспечивают водителю даже при его панических действиях возможность управлять автомобилем. Но выходить из критической ситуации он должен сам, полагаясь исключительно на собственное мастерство и хладнокровие. А если и того и другого оказывается недостаточно? Типичный пример: автомобиль входит в вираж на слишком высокой скорости, и в зависимости от направления поворота его сносит либо в кювет, либо на встречную полосу. Водитель в ответ резко тормозит и дополнительно выворачивает руль в сторону сноса, желая остаться на безопасной траектории. В итоге - снос или занос, хотя ABS и не позволила колесам скользит.

А будь автомобиль оборудован системой ESP (DSC, VSC, VSA), такого не произошло бы. ESP уменьшит подачу топлива, чтобы мощность двигателя и обороты коленчатого вала, а с ним и скорость машины точно соответствовали требованиям конкретной ситуации. Но главное - ESP выберет тормозные усилия для каждого колеса отдельно, причем таким образом, чтобы результирующая тормозных сил противодействовала моменту, стремящемуся развернуть автомобиль вокруг вертикальной оси, и удерживала его на оптимальной траектории.

Если при входе в поворот начнется занос задней оси, ESP обеспечит подтормаживание наружного переднего колеса. Благодаря этому возникнет стабилизирующий момент сил, возвращающий автомобиль на безопасную траекторию движения. Если же поворачиваемость автомобиля будет недостаточной, из-за чего по причине сноса передних колес он не вписывается в вираж, ESP притормозит заднее внутреннее колесо, помогаю водителю сохранить контроль над машиной.

Чтобы ESP работала, к имеющимся колесным датчикам потребовалось добавить датчики курсового отклонения, поперечного ускорения и положения рулевого колеса, а также в очередной раз расширить программное обеспечение процессора. В результате ESP не только контролирует скорость вращения каждого из колес и давление в тормозной системе, как это делает ABS, но и одновременно следит за поворотами руля, боковым ускорением автомобиля, его угловой скоростью, а также управляет режимами работы двигателя и трансмиссии.