История развития тормозных систем автомобиля
Появление транспорта повлекло за собой появление первых тормозных систем. Впервые они стали применяться на повозках запряженными лошадьми. Торможение происходило посредством ручного рычага или системы рычагов, которые воздействовали прямо на колесо. Колодка прижимаемая к колесу была деревянной, иногда — с обитой кожей поверхностью. Эффективность такой тормозной системы сильно ухудшалась в дождливую погоду.
Эволюция не обошла стороной и тормозной механизм. Появление в 1768 году первого автомобиля, а в 1885 году первого мотоцикла открыло новую эру развития таким механизмам. Первые автомобили использовали тот же самый колодочный тормоз, что и конные экипажи. Обитые кожей тормозные колодки быстро изнашивались, и на протяжении поездки порой приходилось несколько раз менять кожаные накладки. Современный вариант этого механизма используется на некоторых моделях велосипедов, правда колодки изготавливают из металла, а накладки — из фрикционного материала, и располагают их по бокам от обода колеса. Их эффективность также несколько снижается в дождливую погоду. На более дорогих моделях велосипедов моделях используют дисковые тормоза, эффективность которых не зависит от погодных условий. К началу XX века серийные легковые автомобили стали развивать скорость более 100 км/ч, что сделало жизненно необходимым наличие эффективной тормозной системы. В 1902 Уильям Ланчестер запантетовал дисковые тормоза. В этой конструкции медные колодки соприкасались с тормозным диском, при этом раздавался сильный скрип. Благодаря «великолепному» звуковому сопровождению эта тормозная система не получила широкого распространения, что привело к появлению тормозных механизмов барабанного типа.
Ленточный тормоз Даймлера представляет собой гибкую металлическую ленту, охватывающую снаружи тормозной барабан.
Тормоза сто лет назад: как барабаны оказались эффективнее дисков
Скоро исполнится сто лет с момента появления на автомобилях гидравлических тормозов – весьма почтенный возраст для технологии, применяемой до сих пор. Первый патент на технологию гидравлических тормозов на транспорте был взят Малькольмом Локхидом в 1917 году. А в 1921 году на Model A Duesenberg система уже ставилась серийно. Самое время для истории о появлении и развитии автомобильных тормозов.
Тормозная система появилась задолго до автомобилей – останавливать нужно было вагоны, телеги, кареты, различные приводные системы и многое другое оборудование. В наследство от времен, когда скорость в 30 километров в час уже считалась огромной, машинам достались и технологии торможения той эпохи. Колодочные тормоза с механическим приводом на одну ось и, под конец 19 века, ленточный тормоз.
Колодка на века и недолгий век ленты
Колодочные тормоза многие, наверное, видели на железной дороге, где отлично видна суть такой конструкции. Колодка просто прижимается к беговой поверхности колеса и останавливает его вращение. Нечто подобное применялось на телегах, но с поправкой на материалы. Колесо телеги обычно было деревянным или обитым стальным ободом, а колодку или же башмак изготавливали из дерева или кожи. Часто колодки как отдельного конструктивного элемента вообще не существовало, просто бревно-рычаг прижималось к колесу. Прижималась колодка к колесу с помощью обычного рычага, и работала такая система вполне исправно на протяжении многих сотен лет. Конечно, колодки надо было менять каждую сотню-другую километров, а на скоростях за 30 они могли сгореть от одного торможения, но в целом такая конструкция справлялась со своими задачами, пока не появились более скоростные локомобили и пневматические шины.
На фото: колодочный тормоз на телеге
Использование даже литых каучуковых покрышек резко уменьшало возможности работы таких тормозов: колодка должна быть мягче поверхности колеса, а что может быть мягче резины? Такая колодка сотрется моментально. В общем, если на грузовиках и машинах с деревянными и стальными ободными колесами колодочные тормоза еще немного задержались, то на сравнительно быстрых автомобилях с ДВС от них отказались в самом начале. Их еще можно застать на первом Motorwagen конструкции Бенца, но такая система почти не встречается на последующих конструкциях.
Ленточный тормоз получил свое название из-за использования в конструкции ленты или троса, обведенных вокруг вращающегося барабана. При затягивании петли тормоза барабан эффективно затормаживался, причем хорошо проявлялся эффект самоусиления – лента натягивалась самим вращением колеса. Подобная конструкция легко устанавливалась на ступицу или одну из осей машины (обычно заднюю) и позволяла тормозить на машинах с пневматическими шинами, причем с довольно высокой скорости.
На фото: принцип действия ленточного тормоза
Но, как и колодочные тормоза, она обладала малым ресурсом, не больше нескольких сотен километров, и легко перегревалась. Эффект самозатормаживания осложнял контроль торможения при движении в основном направлении и уменьшал эффективность тормозов при движении задним ходом. К тому же, ленты или тросы системы интенсивно загрязнялись и были подвержены коррозии. В целом, ленточный тормоз относится к семейству барабанных тормозов, ведь в данном случае колодка в виде ленты воздействует на тормозной барабан.
К нему же относят и дисковые тормоза, но в дальнейшей классификации будет употребляться разделение по существенным конструктивным признакам, и под барабанным будет подразумеваться только одно из конструктивных исполнений.
Барабаны ранних машин часто изготавливали из дерева, а лента могла быть не только металлической, но еще и текстильной или кожаной. А на машине Готлиба Даймлера в 1899 году были установлены тормозные механизмы с деревянным барабаном и стальной лентой. Кстати, первые специальные тормозные материалы для сухопутных машин были изготовлены именно для ленточных тормозов: Герберту Фруду приписывают изобретение первых тормозных лент из фрикционной смеси на основе волоса и битума.
На фото: Daimler 8 HP «Phoenix» Phaeton
Век ленточного тормоза был короток – он оказался немногим лучше колодочного, и надолго задержался на автомобилях только в качестве стояночного, а еще массово применяется в классических планетарных АКПП, где его способность к самозатягиванию и простота конструкции пришлись очень кстати. Основная масса автопроизводителей перестала использовать ленточные тормоза еще до начала Первой мировой.
Барабаны против дисков, раунд первый
Изобретение барабанного тормоза с колодками почему-то принято приписывать господину Майбаху, но если внимательно прочитать описание конструкции, то станет понятно, что нажатие колодок на барабан сбоку – это, скорее, шаг к дисковым тормозам. В его конструкции ролики прижимали неподвижный диск к торцу барабана, закрепленного на задней оси. Конструкция, мягко говоря, крайне далека от оптимальной, и потому тоже осталась лишь забавным техническим курьезом. Но зато появилась в 1901-м, на год раньше варианта барабанных тормозов от Луи Рено, который создал ту конструкцию, которую все еще можно встретить на многих машинах.
В ней две колодки прижимались к внутренней поверхности барабана, причем одна колодка была установлена так, что создавала эффект самоусиления торможения при любом направлении вращения. Такой вариант тормозного механизма оказался куда удачнее всех остальных. Грязь, вода и масло почти не попадали на тормозную поверхность барабана и на сам механизм, расположенный внутри, а значит, ресурс колодок увеличивался даже при применении несовершенных материалов.
К тому же барабан можно было делать большего диаметра и большей ширины, тем самым неплохо масштабируя конструкцию по тормозной мощности. И даже небольшое максимальное усилие прижатия колодок к барабану оказалось большим плюсом, ведь привод тормозов тогда был тросовым или рычажным, а значит, не позволял получить большое усилие.
Как ни странно, дисковые тормоза были запатентованы примерно в то же время, а на машинах стали устанавливаться даже раньше, с начала 1902 года. Патент взял Фредерик Ланчестер, он же устанавливал дисковые тормозные механизмы на машины собственного производства. Сложно сказать, был ли он изобретателем или патентным троллем, но патентовал он много и часто, благо работал в Патентном Бюро Лондона. К тому моменту дисковые тормоза уже применялись на велосипедах, так что возможно, что изобретатель «подсмотрел» основную идею. Но в то время возможность выдерживать большее усилие при торможении и лучшее охлаждение такого механизма оказались невостребованными. А загрязнялась рабочая поверхность такого тормоза очень сильно, что повышало требования к материалу тормозных колодок. В общем, без гидропривода, для эксплуатации по грунтовым дорогам да на двенадцатисильных «болидах» дисковые тормоза оказались не очень приспособлены.
Кстати, Майбах был не первым, кто пытался прижать к барабану сбоку тормозную колодку в форме диска. В 1898 году Элмер Амброуз оснастил электромобиль своей конструкции электромагнитным тормозом: в нем к поверхности тормозного диска пружины прижимали тормозные диски-накладки, а для растормаживания конструкции применялись электромагниты. Для остановки достаточно было убрать питание с тормозов, и машина останавливалась.
Такая конструкция может считаться еще более ранним вариантом дискового тормоза, чем майбаховская, ведь колодки прижимались с двух сторон к барабану в форме диска, и к тому же, срабатывание при пропадании питания являлось важным шагом в направлении повышения безопасности движения. Применение аналогичной технологии к пневматическим тормозам много позже заметно повысило безопасность их использования.
Как видим, конструкторская мысль на рубеже веков фонтанировала, причем некоторые элементы решений оказались очень перспективными, но совершенно бесполезными в момент разработки.
Тормозить всеми лапами
И кстати, первый полноприводный автомобиль Spyker HP 60/80 1903 года является одновременно и первой машиной с тормозами на всех колесах. Подавляющее большинство остальных машин тормозило только задней осью, причем не очень эффективно. Следом за голландцами последовали шотландцы. Модель Arrol-Johnston 1910 года они тоже оснастили тормозами всех четырех колес. В том же году Isotta Fraschini запатентовала тормозную систему всех колес, а с 1911 по 1914 выпускали модель Tipo KM4, оснащенную такой системой. Кстати, тормоза на этой машине были барабанными и с водяным охлаждением, да еще и с раздельным приводом. Передний тормоз приводился рычагом, а задний –педалью. Да-да, конструкция раздельных тормозов у мотоциклов «растет» именно оттуда.
На фото: Spyker HP 60 1903 года
На автосалоне в Нью-Йорке 1923 года всего два автомобиля имели тормоза на всех колесах – отличились Duesenberg и Rickenbacker. Запомните перечисленные марки, именно они были быстрейшими машинами на трассах в начале века, а продвинутая тормозная система была знаком принадлежности к клубу самых мощных и быстрых авто на свете.
На фото: Rickenbacker Six Convertible Indy 500 Pace Car 1923 год
Ситуация начала меняться гораздо позже. В 1924 году 70% машин все еще имели тормоза только на задней оси, и только к 1929 году ситуация переломилась кардинально – 99% машин получили тормоза на все колеса.
Впрочем, тормозная система была все еще мало похожа на современные, хотя многие компоненты уже к тридцатым годам имели схожий с современным дизайн. Привод механизмов часто был механическим, усилители тормозов были редкой опцией, раздельные контуры механизмов появятся еще не скоро, даже регуляторы тормозного усилия все еще не появились. Не говоря уже об АБС и системах контроля устойчивости, которые изменят сам способ управления тормозами и их функциональность.
Обо всем этом мы поговорим во второй части статьи об автомобильных тормозах.
История тормозных систем автомобилей
Уже более 100 лет человечество увлечено автомобилями. Машины год от года становятся все быстрее и быстрее, но, не смотря на все эти компрессоры, турбонагнетатели и другие технические новшества, позволяющие автомобилю стремительно набирать скорость – существует предел. Законы физики еще ни кто не отменял.
Но не все в автомобиле измеряться скоростью. Есть также и тормоза, которые не менее важны, чем лошадиные силы. И если бы не ограничения, связанные с тем, что человек не может противостоять быстрому торможению, машины могли бы тормозить практически мгновенно.
Тормоза, что барабанные, что дисковые, всегда были неизменным спутником мощи и скорости на протяжении десятилетий. Однако эволюционировали они по-разному.
Нельзя сказать, что тормоза придумал какой-то определенный человек. Как говориться, все, что движется, должно останавливаться. Тот, кто придумал движущийся объект, тот и придумал торможение. Получается, что тормоза как таковые, специально никто не изобретал.
Первая тормозная система, которая использовалась на «древних» транспортных средствах представляла собой деревянный брусок, которым, используя принцип рычага, тормозили колесо. Этот метод хорошо работал для повозок, запряженных лошадьми или для паровых машин с деревянными колесами. А вот когда браться Мишлен придумали шину, такой способ торможения стал неэффективен.
Барабанная тормозная система – основа современных тормозов и применяется в автомобилях до сих пор.
Человека, которому приписывается авторство барабанной системы, зовут Луи Рено. Он изобрел барабанные тормоза в 1902 году. Тем не менее, подобный, но более простой механизм, годом ранее начал использовать на своих автомобилях Вильгельм Майбах. Еще ранее, в 1999 году, подобная идея пришла в голову Готлибу Даймлеру – обернуть кабель вокруг барабана и прикрепить его к шасси. Управлять работой барабанных тормозов можно было из машины при помощи рычага, потянул – автомобиль остановился.
Все эти тормозные системы были наружного типа и подвергались влиянию окружающей среды: жара, пыль, грязь, вода значительно ухудшали свойства барабанных тормозов. Но решение быстро нашлось – сам тормозной механизм спрятали внутрь барабана.
Гидравлическая система
Конец эпохи барабанной тормозной системы с ручным управлением пришел в 1918 году, когда Малькольм Лоугхэд придумал гидравлическую систему тормозов. Он провел к каждому колесу специальные шланги, по которым под давлением подавалась жидкость в суппорта, где уже тормозные поршни зажимали колодку.
Данное новаторское решение, привело к быстрому развитию этой технологии, и уже в 1920-х годах гидравлическая тормозная система устанавливалась на большинство люксовых автомобилей, а чуть позже, и вовсе стала применяться практически на всех машинах.
Дисковые тормоза
Автомобили становились все быстрее и тяжелее и барабанные тормоза хоть и работали эффективно, но имели свойство перегреваться от постоянных нагрузок, из-за чего автомобиль замедлялся медленнее.
И, хотя, дисковые тормоза были придуманы в одно время с барабанными, устанавливать их стали только в 1950-х годах. Запатентовал технологию Уильям Ланчестер в 1902 году.
Первым производителям, который стал устанавливать гидравлическую дисковую тормозную систему, был Chrysler. В Европе же, эту технологию приняла на вооружение английская компания Jaguar и французская Citroen.
Тем не менее, широкое распространите система не получила из-за того, что от водителя требовалось прилагать значительное усилие при нажатии педали. И только в 1964 году, дисковая тормозная система была окончательно принята автомобильным сообществом, когда была установлена на легендарный Studebacker Avanti.
Дело в том, что на помощь водителю пришел вакуумный усилитель, который воздействовал на главный тормозной цилиндр. Теперь от человека не требовалось давить на педаль, что есть силы. А ведь до этого только так можно было создать достаточное давление в тормозной системе для быстрой остановки автомобиля.
Что нового?
Эволюция тормозных механизмов с тех пор заметно замедлилась. Создаются лишь вспомогательные системы, такие как: ABS (анти-блокировочная система), EBD (распределение тормозных усилий), системы экстренного торможения т.д., а вот сама тормозная система, принципы которой были заложены еще в 1900-х годах, сохранилась до сих пор.
Эволюция тормозов: от первых авто до современных прототипов
Первые тормозные системы появились сразу же после изобретения лошадиной повозки. Даже в Римской империи колесницу останавливали с помощью рычага и деревянной колодки, которую прижимали к колесу. В сухую погоду система работала прекрасно, правда колодки быстро стирались. Во время дождя эффективность таких тормозов стремилась к нулю. Позже колодки начали устанавливать по двум сторонам от колеса, а на самих колодках появились кожаные накладки.
Колодки на паровозе. На первых паровозах тоже пользовались колодочной системой: деревянное бревно-рычаг прижимали к колесу, постепенно замедляя движение. В 1804 году изобретатель Ричард Тревитик собрал прототип паровоза — это была паровая карета с механическими ручными тормозами. Карета ездила по кольцевой железной дороге, соревнуясь в скорости с лошадьми.
Колодки на машине. Когда в конце 1890-х братья Мишлен выпустили каучуковые покрышки, деревянные колодки просто перестали работать.Во время торможения мягкая резина сразу же стиралась. Поэтому инженерам пришлось искать другие способы для остановки.
Ленточный тормоз. Проблему остановки каучуковых покрышек решали так: на колесе закрепляли тормозной барабан. Снаружи барабана закрепляли металлическую ленту и натягивали её с помощью системы механических рычагов. Чтобы затормозить, водитель тянул рычаг в кабине, лента затягивалась вокруг барабана — автомобиль останавливался. Считается, что такую концепцию ленты-троса, обмотанного вокруг барабана придумал Даймлер в 1899 году.
Эта конструкция не прижилась. При подъеме на холм, лента часто распускалась и переставала стягивать колесо — машина запросто могла скатиться вниз. Кроме того, лента легко перегревалась и быстро изнашивалась. На открытый механизм попадала грязь и вода с дороги, поэтому такие тормоза меняли каждые 200-300 километров. Какому покупателю понравится такой интервал замены? К концу 1910-х почти все автопроизводители отказались от этой системы.
Барабанные тормоза. В 1902 году Луи Рено, основатель Renault, запатентовал концепцию «барабанного тормоза» — концептуальное продолжение ленточного тормоза, который придумал Даймлер. Сначала это были чугунные колодки, прижимавшиеся к тормозному барабану с внутренней стороны.
В 1910 году автопроизводители полностью спрятали тормозной механизм внутрь самого барабана. Чугунные колодки заменили на накладки на основе асбеста. Грязь и пыль перестали быть помехой, колодки стирались гораздо медленнее — интервал замены увеличился до 1,5—2 тыс. километров.
Появление тормозной жидкости. Усилие от водителя к тормозам раньше передавалось механическим способом. Педаль тяжело выжималась, разные колеса замедлялись неравномерно, водители теряли управление при торможении. Проблему решила гидравлическая система: к каждому колесу подходили шланги, через которые специальная жидкость под давлением сдавливала колодки.
Первые версии гидравлических систем протекали, отверстия для залива жидкостей закрывала сыромятная кожа, которая высыхала и сжималась. А любая протечка приводила к отказу тормозов. К тому же жидкость внутри замерзала в холодное время. К 1931 гидравлическими тормозами пользовались только несколько компаний Dodge, Desoto и Plymouth.
Тридцатые-сороковые годы стали пиком автомобилизации во всем мире. Количество грузовых, легковых автомобилей и техники увеличивалось в разы. Вместе с этим росло число и производителей автокомпонентов. Так, в 1944 году японская компания Nisshinbo запустила производство фрикционных материалов.
Дисковые тормоза. В пятидесятые годы спортивные машины уже могли разгоняться до 200 км/ч, а большинство массовых машин стали более тяжелыми. Старая барабанная колодочная система не справлялась и сильно нагревалась. Поэтому автопроизводители обратились к старой разработке — дисковым тормозам, которые сдавливали не барабан, а железный диск на ступице.
Дисковые тормоза на самом деле появились раньше барабанных — идею запатентовал Фредерик Ланчестер в 1901 году. Только в то время не было подходящих материалов — медные накладки, сжимающие тормозной диск, издавали истошный визг. Уменьшить шум получилось с помощью асбестовой облицовки, которая и использовалась на таких тормозах до 1980-х годов.
Асбестовые волокна использовали во фрикционных смесях с 40-х годов прошлого века. Это дешевый материал, с хорошим коэффициентом трения, но к концу восьмидесятых комиссия ООН признала его вредным для здоровья людей и окружающей среды. Найти на замену асбесту другое вещество с такими же свойствами было не так-то просто.
С 1978 Nisshinbo вместе с Girling Ltd. работали над выпуском колодок без асбеста для дисковых тормозов коммерческих автомобилей. Вместо асбеста компании использовали стальные волокна, мелкие абразивные компоненты и медь.
Тормозные системы. Еще одно глобальное улучшение появилось в начале 70-х — Chrysler выпустила модель Imperial с антиблокировочной системой тормозов. Дальше на автомобилях появлялись системы и ассистенты вроде ESP, TCS, EBD, но сам принцип работы тормозной системы не менялся.
Что сейчас и в будущем
Все открытия, связанные с тормозами, сделаны довольно давно — в начале и середине двадцатого века. Эти системы используются до сих пор. Но торможение напрямую влияет на безопасность, поэтому производители тормозных систем постоянно работают над новыми улучшениями.
Внедрение электроники. Электронные системы помогают убрать механическую связь между педалью и тормозами. После нажатия на педаль, блок управления сам определяет, какое усилие передать суппортам. Такие системы умеют адаптироваться под стиль вождения и менять ход педали подстраиваясь под водителя.
Доработка колес. Continental выпустила прототип, где вместо стандартного тормозного диска на ступице колеса, используется огромный обод. А суппорт находится внутри обода. Такая система весит меньше привычных нам дисковых тормозов.
Эволюция материалов и компонентов. Производители постоянно экспериментируют с новыми материалами, увеличивая стабильность и уменьшая вес колодок.
Nisshinbo здесь не исключение. Каждая смесь — это комбинация от 10 до 25 ингредиентов, которую технологи тщательно подбирают для каждой модели колодки.
Весь процесс разработки, включая испытания, длится в течение одного-двух лет.
Наши инженеры работают и над формой компонентов. Чтобы минимизировать скрип и шумы колодок: мы уменьшили площадь соприкосновения колодки с диском, повысив тем самым давление в зоне контакта. А чтобы в процессе износа колодки эффект не пропадал, скос имеет J-образный профиль. С шумом помогает бороться и диагональный паз на самой колодке.
Почти все наши накладки — органические, без асбеста и стального волокна. Колодки с такими добавками более склонны к появлению трещин. Предотвратить это помогает именно диагональный паз.
Тормозные системы все время меняются: инженеры ищут новые способы для остановки автомобилей, а производители тормозных компонентов работают над комфортом торможения, уменьшают вес деталей, совершенствуют тормозные составы и конструкции компонентов. И это действительно важно: чем лучше работает система торможения, тем выше безопасность водителя и пассажиров.
https://avtoshod.ru/articles/istoriya-razvitiya-tormoznyh-sistem-avtomobilya/
