Первый тормозной механизм представлял собой деревянный башмак, который водитель прижимал рычагом к колесу. Затем прогресс дал миру ленточный вариант: гибкая металлическая лента огибала барабан и при натяжении замедляла его вращение.
Революцию в 1902 году совершил ныне всем известный Луи Рено. Именно он изобрел барабанные тормоза. Прошло уже больше ста лет, а принцип их работы почти не изменился: нажимаешь на педаль (или рычаг) — колодки изнутри распирают вращающийся вместе с колесом барабан, останавливая его.
Интересно, что примерно в то же время появились и дисковые тормоза, которые мы привыкли считать более современными. Запатентовал их британец Фридрих Вильгельм Ланчестер. Но такие механизмы поначалу прижились лишь в автогонках и авиации. Гражданским машинам главное преимущество новинки — лучшее охлаждение — попросту не требовалось по причине низких скоростей.
К тому же открытые диски быстро загрязнялись, что снижало эффективность и требовало частой замены колодок. Популярность к дисковым тормозам пришла во второй половине XX века, когда появились улучшенные фрикционные материалы и, конечно же, быстрые автомобили, которым барабанных тормозов стало не хватать по причине перегрева.
Разделить дисковые тормоза можно на два типа: с плавающим и фиксированным суппортом. Первый представляет собой скобу и один-два встроенных в нее поршня. Они толкают колодку с внутренней стороны диска, одновременно приводя в движение скобу, которая прижимает к диску внешнюю колодку.
Система компактна, проста, мало весит, недорого стоит и позволяет получить так называемое отрицательное плечо обкатки (важно для переднеприводных машин). Поэтому и нашла применение на большинстве современных автомобилей.
А вот фиксированные суппорты ставят, в основном, на мощные машины. Поршни здесь расположены по обе стороны от тормозного диска. Конструкция получается более жесткой, позволяет охватить большую площадь диска. Да и отклик на нажатие педали при такой схеме живее.
Про охлаждение
При замедлении автомобиля его кинетическая энергия переходит в тепло. А нагрев — дополнительная нагрузка на детали тормозной системы. И самое простое оружие против него — набегающий поток воздуха.
Для охлаждения тормозных механизмов в современных автомобилях предусматривают каналы в бамперах и кузовных панелях. А в гоночных болидах вкупе со сложной системой патрубков принудительного охлаждения можно также встретить специальные лопасти на колесных дисках (turbofans), которые играют роль вентилятора.
Если говорить о технологиях, то можно выделить три основные вещи, ставшие привычными для серийных автомобилей: вентиляционные каналы в тормозном диске, канавки и перфорация. Вентилируемый диск — это два «блина», между которыми предусмотрена система каналов.
По ним при вращении колеса циркулирует воздух и охлаждает диск. А вот канавки и перфорация, скорее, дополнение для быстрых спортивных автомобилей. Они помогают отводить тепло, а также очищать диск от скользкого налета грязи и композитной крошки истертых накладок.
Про материалы
Основной материал тормозных дисков — чугун. Он износостойкий и обладает хорошими фрикционными свойствами. Но и минусов хватает, среди основных: большой вес и высокая теплоемкость, которая вроде бы полезна, но при высоких температурах (более 400°C) диск может коробиться и деформироваться. А это неприемлемо для скоростных автомобилей.
На помощь пришли композитные материалы — появились карбон-керамические тормоза. Сырьё для них не такое дорогое, а вот процесс изготовления очень сложный, долгий и затратный. Но игра стоит свеч: такой диск весит вдвое меньше чугунного, поглощает больше кинетической энергии, «съедает» часть неподрессоренных масс, не боится высоких температур и при этом остается невероятно износостойким. Главным минусом карбон-керамики является ее обязательный прогрев до рабочей температуры (примерно 400°C). То есть пока система холодная, педаль тормоза тугая, а эффективность замедления снижена.
Важно не путать композитные тормозные диски и колодки с деталями из чистого карбона. Такие тоже существуют и применяются исключительно на гоночных автомобилях. Стоят они дороже, стачиваются в разы быстрее, но имеют высочайшие фрикционные свойства, которые проявляются в условиях очень высоких температур (более 700°C). Поэтому на прогревочных кругах пилотам приходится хорошенько разогревать не только резину, но и тормоза.
Тормоз Торричелли
К любопытным разработкам в области тормозных систем можно отнести так называемый тормоз Торричелли, который несколько лет назад предложила шведско-американская компания Autoliv.
Система названа в честь итальянского ученого, который, помимо прочего, придумал барометр и развил теорию атмосферного давления. Тормоз Торричелли состоит из вакуумного насоса, блока управления и металлической пластины с электроприводом под днищем автомобиля. При резком торможении электроника выстреливает пластину в асфальт, к которому она «присасывается» за счет разряжения. Такая система уменьшает тормозной путь автомобиля на 40% (!), не нарушая при этом курсовую устойчивость.
Электронные помощники
Конечно, на современном автомобиле тормоза — это не только механика, но и электроника. Причем с привычной ABS все только начинается.
Одна из полезных систем — электронное распределение тормозных усилий (Electronic Brake Distribution). Задача EBD — индивидуально подбирать давление в каждом механизме, чтобы обеспечить равномерное, безопасное, а главное — максимально эффективное замедление машины независимо от распределения веса по осям и траектории движения машины.
При экстренном торможении в дело вступит Brake Assist. Он поможет сократить тормозной путь машины на 15-20%. Как? Ученые установили, что в экстренной ситуации человек зачастую бьет по педали быстро, но не в полную силу. Так вот, ассистент сам увеличивает давление в системе до срабатывания ABS.
Иногда реакции человека вообще не требуется. Комплекс оптических датчиков, радаров и камер следит за обстановкой, и если допускает возможность аварии, электроника сигнализирует водителю. Не последовало реакции? Автомобиль автоматически замедлится или полностью остановится.
Допустим, удар все же случился. Тогда тормоза сработают еще раз — для того, чтобы неуправляемая машина не отлетела в другое препятствие.
Но это крайности, а вообще компьютер научили даже просушивать тормоза. Вы этого даже не почувствуете, но при взмахе дворников система несколько раз подведет колодки к дискам, чтобы снять с поверхностей трения влагу.
Залезла электроника и в мир офф-роуда. Например, она может сократить тормозной путь на рыхлом покрытии за счёт кратковременного блокирования передних колес: под ними возникает так называемый тормозной клин, по сути, шины нагребают перед собой кучки грунта и о них тормозят.
К этой же категории ассистентов отнесем системы помощи при спуске и подъеме, а также электронную имитацию блокировки дифференциала (EDS), которая подтормаживает буксующие колеса, чтобы перераспределить тягу на сторону с лучшим сцеплением.
Тормоза по проводам
Все идет к тому, что в будущем механической связи педали тормоза с колесными механизмами не будет. Технология получила название Brake By Wire (BBW). Сигнал и правда идет по проводам: водитель лишь дает команду, а колодки сжимаются актуаторами.
Основные преимущества полностью электронной тормозной системы:
- более быстрый отклик по сравнению с гидравликой и сокращенный тормозной путь;
- небольшой вес, компактность, удобство компоновки, поскольку отсутствуют гидравлические магистрали;
- настраиваемый ход и усилие педали тормоза;
- отсутствуют вибрации на педали;
- полная синхронность работы со всеми электронными помощниками;
- менее трудоемкое обслуживание.
Реальную систему BBW можно встретить на задней оси современных болидов Формулы 1. И то по регламенту безопасности на них обязательно ставят страхующий гидравлический контур, который моментально активируется в случае отказа электроники.
Даже несмотря на то, что уже существует рабочая модель полностью электронных тормозов, есть много сложностей внедрения, которые инженерам еще придется решить. Начиная от поиска батарей, из которых система станет черпать электричество, заканчивая банальным недоверием человека к электронному разуму.
