Как остановить автомобиль?
Движущийся автомобиль, как любое движущееся тело, обладает кинетической энергией, пропорциональной квадрату скорости. Можно представить себе, какая огромная энергия заключена в автомобиле движущемся, например, со скоростью 100 км/ч. При наезде на неровности дороги эта энергия дает о себе знать в виде ударов большой силы, способных сломать рессоры или другие детали ходовой части автомобиля. При лобовом ударе этой энергии достаточно, чтобы разбить препятствие или сам автомобиль превратить в груду металла.
Чтобы таких случаев не происходило, необходимо предвидеть дорожные ситуации и уменьшать скорость до безопасной. Как же это сделать?
Если препятствие водителем замечено издалека, можно автомобиль пустить «по инерции», т. е. отключить двигатель от трансмиссии и ждать, когда он сам снизит скорость и остановится Но если, например, на дорогу выскочил человек, необходимо принять срочные меры по снижению скорости и даже остановке автомобиля. В данном случае, видимо, следует приложить внешнюю силу, направленную навстречу движению. Откуда же взять такую силу?
Возможны несколько вариантов таких сил. Например, девочка, спускающаяся с горки на санках (рис. 83, о), тормозит ногами о снег. Тормозная сила приложена со стороны снега к ногам девочки. Мальчик, спускающийся с горки на велосипеде (рис. 83,6), тормозит ручным тормозом: колодка нажимает на шину колеса или две колодки зажимают обод колеса, появляется сила трения, останавливающая колесо. Одновременно в результате контакта шины с дорогой возникает сила со стороны дороги на колесо, направленная против движения велосипеда. У военного самолета для торможения при посадке выбрасывается парашют, у космического корабля включается реактивный двигатель, сопло которого направлено в сторону, противо положную направлению полета.
Рис. 83. Схема торможения
Для торможения автомобиля используют силу трения между колесом и дорогой. Причем сила трения может быть двух видов: скольжения и покоя. И нам следует разобраться,какая из них наиболее эффективна?
Несмотря на свою простоту, этот вопрос довольно сложный и в нем следует хорошо разобраться, а самое главное — всегда о нем помнить и правильно использовать. Водители трение скольжения колес по дороге называют «юзом». При внезапном появлении препятствия некоторые неопытные водители нажимают на тормозную педаль до отказа, т. е. вводят автомобиль в состояние «юза», полагая, что такой режим торможения наиболее эффективный. Но так ли это?
Из физики мы знаем, что сила трения покоя всегда больше силы трения скольжения. Значит, сила трения между колесом и дорогой будет больше до тех пор, пока колесо не пошло на «юз». Поэтому водитель должен чувствовать автомобиль и не допускать скольжения колес по дороге.
Вся сложность заключается в том, что нельзя «проградуировать» силу нажатия на педаль, так как одна и та же сила в одном случае может оказаться силой трения покоя, а в другом — скольжения. Объясняется это тем, что тормозная сила зависит от состояния дороги: на сухом асфальте сила трения покоя в несколько раз больше, чем на той же, но покрывшейся льдом дороге. Даже мелкий дождь может резко уменьшить тормозную силу. Следует помнить также, что чем больше скорость, тем больший путь проходит автомобиль в одних и тех же условиях до полной остановки (рис 84).
Рис. 84. Зависимость тормозного пути от скорости
На автомобиле используют целый комплекс приборов, приспособлений и механизмов, объединенных в единую тормозную систему. Тормозная система включает в себя, как правило, две, три, а иногда и четыре независимых тормозных систем: рабочую, стояночную, вспомогательную, запасную. На легковых автомобилях используются, как правило, рабочая и стояночная системы. Рабочая тормозная система предназначена для регулирования скорости автомобиля и его остановки с необходимой эффективностью, стояночная — для удержания его неподвижным относительно дороги. Рабочая тормозная система действует на все колеса автомобиля, стояночная либо на специальный тормозной барабан трансмиссии, либо на задние колеса. Рабочая тормозная система имеет, как правило, гидравлический или пневматический (иногда пневмогидравлический) приводы и приводится в действие педалью, стояночная имеет механический привод от рычага.
На тяжелых грузовых и некоторых других автомобилях при повреждениях рабочей тормозной системы используются запасная тормозная система, а также вспомогательная в виде тормоза-замедлителя. Она наиболее эффективна при длительном торможении, например на длинном горном пологом спуске. В автомобилях КамАЗ, например,рабочая,стояночная и запасная тормозные системы управляются тормозными механизмами, установленными на всех колесах автомобиля. В действие они приводятся тормозными камерами. Камеры заднего и среднего мостов совмещены с так называемыми пружинными энергоаккумуляторами. Во время движения силовые пружины энергоаккумуляторов сжаты давлением воздуха.
В аварийной ситуации, например, при обрыве трубки пневматического привода тормозной системы воздух выходит в атмосферу, давление падает и силовые пружины энергоаккумуляторов приводят в действие тормозные механизмы колес задней тележки.
Действие вспомогательной тормозной системы основано на использовании компрессии в цилиндрах двигателя за счет создания дроссельными заслонками противодавления в выпускном трубопроводе (торможение двигателем). Естественно, использование вспомогательного тормоза значительно снижает износ тормозных механизмов.
Тормозная система предназначена для снижения скорости автомобиля, быстрой его остановки и удержания на месте во время стоянки. Тормозная система состоит из тормозных механизмов и привода. Рассмотрим рабочий тормоз, но сначала разберемся в устройстве тормозного механизма. Для простоты понятия принципа его работы рассмотрим тормозной механизм с механическим приводом.
Тормозной механизм
Закрепим на поворотной цапфе или конце заднего моста опорный диск. На нем на пальцах шарнирно установим нижние концы тормозных колодок и стянем колодки пружиной (рис. 85), тогда их верхние концы прижмутся к разжимному механизму (кулаку).
Рис. 85. Схема работы тормозного механизма
Теперь на ступице колеса, свободно вращающейся на подшипниках, закрепим тормозной барабан. Получилось, что тормозные колодки находятся внутри вращающегося барабана на некотором расстоянии от его внутренней поверхности, т.е. с зазором.
Когда необходимо остановить автомобиль, нажмем на тормозную педаль (рис. 85): она повернет рычаг, а с ним и разжимной кулак. Кулак раздвинет колодки и прижмет их к тормозному барабану. Между ними появится сила трения, препятствующая вращению барабана. Чем больше сила прижатия колодок, тем больше тормозная сила.
Когда надобность в торможении отпадает, необходимо отпустить педаль. Пружина стянет колодки, они повернут кулак и отойдут от тормозного барабана. Колесо освободится от действия сил трения. Торможение прекратится.
Для увеличения сил трения на все колодки наклепывают или наклеивают так называемые фрикционные накладки. Они резко увеличивают силу трения между колодками и тормозным барабаном и мало изнашиваются.
Гидравлический привод тормозов
На современных легковых автомобилях и некоторых грузовых устанавливается гидравлический привод тормозов. Он имеет много преимуществ перед другими приводами. Связано это со свойством жидкости, используемой в нем. Например, жидкость практически несжимаема, поэтому привод не требует слишком большого хода педали при торможении. Детали привода мало изнашиваются и не требуют частой регулировки. А это очень важно при эксплуатации автомобиля.
Принцип работы гидравлического привода можно легко объяснить на хорошо известных сообщающихся сосудах, т. е. двух сосудах, соединенных между собой шлангом. Уровень воды (жидкости) в них одинаковый. Если в один сосуд вставить поршень (можно деревянную палочку с намотанной на нее ватой) и нажать на него, то перемещающийся поршень выдавливает жидкость из одного сосуда в другой. Уровень жидкости в нем увеличится.
Вспомним об одном замечательном свойстве жидкости в закрытом пространстве: давление ее в любом месте одинаковое. Следовательно, давление на поршни не зависит от величины их перемещения. Оно возникает во всех частях замкнутого пространства одновременно.
Возьмем два сосуда (рис. 86), соединенных между собой трубкой, а в них несколько поршеньков одинакового диаметра и приложим к одному из них а силу Р, то на каждый поршенек б будет действовать со стороны жидкости сила Р и поднимет их на высоту С. Если поршеньков б четыре, то поршенек а в это время опустится на величину 4С, т. е. займет объем, освободившийся в результате перетекания жидкости из полости А в полость Б.
Рис. 86. Схема передачи давления жидкости
Тормозные механизмы системы с гидравлическим приводом устанавливаются на всех колесах автомобиля, только вместо кулака в знакомом нам тормозном механизме ставят колесный (рабочий) тормозной цилиндр. Каждый цилиндр трубопроводами соединяют с главным тормозным цилиндром.
Колесный тормозной цилиндр состоит из корпуса, закрепленного на опорном тормозном диске, и двух поршней с манжетами для уплотнения, между которыми установлена слабая пружина. С обеих сторон цилиндр закрывается резиновыми защитными колпаками, препятствующими попаданию в цилиндр грязи, пыли, воды. В каждом поршне предусмотрено специальное гнездо (прорезь), в которое входит верхний конец колодки. Через отверстие в цилиндр подводится жидкость из главного тормозного цилиндра.
Главный тормозной цилиндр (рис. 87) состоит из корпуса, в котором совмещены цилиндр и резервуар для жидкости (резервуар может быть выполнен и отдельно в виде бачка), поршня с резиновым манжетом, пружины, обратного и перепускного клапанов, штока и резинового чехла, закрывающего детали от грязи. Поршень выполнен фигурным. На одном его конце надето резиновое кольцо С другой стороны в поршне просверлено несколько отверстий, закрытых пластинчатым звездообразным клапаном. Перед поршнем расположена манжета, прижатая к поршню пружиной. Та же пружина другим концом прижимает к гнезду обратный клапан, в котором установлен перепускной клапан.
Рис. 87. Главный тормозной цилиндр
Полости цилиндра и резервуар соединены между собой перепускным и компенсационным отверстиями. Резервуар закрыт пробкой с отражателем и отверстием для сообщения с атмосферой и поддержания в резервуаре атмосферного давления.
Предположим, что вся система заполнена жидкостью. При нажатии на педаль (рис. 88, а) толкатель перемещает поршень по цилиндру и вытесняет находящуюся под давлением в цилиндре жидкость через нагнетательный клапан по трубопроводам к колесным цилиндрам. Попав в колесный цилиндр, жидкость давит на поршни и перемещает их вместе с тормозными колодками до упора накладок в тормозной барабан. Когда колодки всех колес прижмутся к барабану, жидкость перестанет входить в цилиндры. В гидравлической системе начнет расти давление, которое будет тем больше, чем сильнее водитель давит на тормозную педаль. Естественно, чем больше давление, тем с большей силой колодки прижимаются к тормозным барабанам.
Рис. 88. Схема работы тормозной системы с гидравлическим приводом
Как только водитель отпустит педаль (рис. 88, б), она под действием оттяжной пружины возвращается в исходное положение. Пружины стягивают колодки, которые через поршни колесных цилиндров давят на жидкость и вытесняют ее через трубопроводы и обратный клапан в главный тормозной цилиндр. Происходит растормаживание колес.
При резком отпускании тормозная педаль быстро возвращается в исходное положение. Жидкость, находящаяся в трубопроводах, не может так быстро заполнить пространство за поршнем, поэтому возможен подсос воздуха. Чтобы этого не произошло, резервуар должен всегда иметь избыток жидкости.
При резком обратном ходе педали жидкость из пространства за поршнем из резервуара через отверстие в поршне, открытое пластинчатым клапаном в результате разницы давлений, проходит, отогнув края манжет, в область разрежения.
Жидкость из трубопроводов возвращается в главный тормозной цилиндр, а избыток ее через компенсационное отверстие возвращается в резервуар. Однако после отпускания педали благодаря действию обратного клапана, прижимаемого пружиной, давление в тормозной системе полностью не исчезает. Это незначительное давление препятствует попаданию в систему воздуха.
Попадание даже небольшого количества воздуха в гидравлический привод тормозов нарушает нормальную его работу. Связано это с различием физических свойств жидкости и воздуха. Жидкость, как мы отмечали, практически несжимаема, объем же воздуха изменяется в зависимости от давления: чем выше давление, тем больше он сжимается.
Предположим, что в гидравлический привод попал воздух. Водитель для экстренного торможения нажимает на педаль до отказа. Поршень главного тормозного цилиндра подал в систему максимально возможное количество тормозной жидкости. Должно произойти торможение. Однако объем, который должна занимать жидкость, заполнен воздухом, который под давлением сжался и не передал необходимое усилие.
Если воздуха в системе немного, то, нажав несколько раз на педаль, можно накачать в нее недостающее количество жидкости, еще больше сжать воздух и получить нужное усилие. Но на это нужно время! А его порой не хватает: ведь за одну секунду автомобиль при скорости 60 км/ч проходит около 17 м!
На опорном диске тормоза часто устанавливают эксцентрики, предназначенные для регулировки зазора между тормозной накладкой и тормозным барабаном (рис. 89, а). В свободном состоянии на них опираются внутренней поверхностью тормозные колодки. При износе тормозных накладок увеличивается зазор между ними и барабаном. Вот тогда поворачивают эксцентрик и им приближают колодку к барабану, оставляя необходимый зазор.
Рис. 89. Эксцентрики для регулировки зазоров
Какая необходимость в регулировании зазора?
Для объяснения сначала проведем некоторые расчеты. Допустим, что для перемещения двух колодок в верхней части при нормальном зазоре 0,2 мм потребуется ход поршня 0,4 мм. При диаметре колесного цилиндра 36 мм по формуле подсчета объема цилиндров определяем, что для этого необходимо жидкости 4 см³, а для четырех колесных механизмов 32 см³.
Допустим, что зазор увеличился до 0,4 мм. Для такого хода двух колодок потребуется уже более 8 см³ жидкости, а для четырех колесных механизмов — более 64 см³. Это означает, что рабочий ход поршня главного тормозного цилиндра должен быть увеличен в два раза. И если такое увеличение зазора может быть компенсировано за счет увеличения хода поршня, то при большем зазоре полного хода поршня может не хватить для нормального торможения: педаль «провалится» до пола. Для восстановления хода педали придется отрегулировать зазор между накладками и тормозным барабаном.
Значительное увеличение зазора сказывается на безопасности движения, так как оно вызывает увеличение времени срабатывания тормозов. Особенно это заметно при движении на большой скорости.
Автоматическая регулировка зазора
На многих современных автомобилях применяется автоматическая регулировка зазора. Для этого в цилиндр вместе с поршнями вводятся два стальных упорных кольца (рис. 89, б) с разрезом, прижимающихся к стенке цилиндров силой своей упругости. Кольца соединены с поршнями либо при помощи червячной резьбы, либо при помощи замка с буртиком. Резьба в кольцах и на хвостовиках поршней выполнена так, что поршни в резьбе могут свободно перемещаться на величину, соответствующую требуемому зазору между фрикционными накладками и тормозным барабаном. Аналогичное свободное перемещение допускается и в соединении при помощи замка. Величина перемещения зависит от модели автомобиля и составляет от 1,4—1,7 мм для «Москвича-412» до 1,9—2,06 мм для ГАЗ-24 «Волга».
Упругость колец подобрана такой, чтобы стяжные пружины колодок не могли преодолеть силу трения колец о стенку цилиндра и передвинуть их вдоль оси цилиндра. При нажатии на тормозную педаль поршни колесных цилиндров перемещаются до упора фрикционных накладок в тормозной барабан. Если педаль отпущена, стяжные пружины возвращают их до упора в кольца поршней. Сдвинуть кольца пружина не может, так как ее сила упругости составляет 200—250 Н (20—25 кгс), а для их передвижения необходимо усилие 500—600 Н (50—60 кгс). По мере износа накладок поршень при очередном нажатии водителем на тормозную педаль, дойдя до упорного кольца, преодолевает силу его трения о стенку цилиндра и сдвигает на величину износа накладки. Таким образом устанавливается номинальная величина износа накладки.
Если на автомобиле установлены устройства для автоматической регулировки зазора между тормозными барабанами и фрикционными накладками, то необходимость в эксцентриках отпадает и их не устанавливают.
Для повышения эффективности и надежности тормозов используют различные способы. Например, в тормозном механизме передних колес устанавливают не один колесный цилиндр, а два: по цилиндру на каждую колодку. Если посмотреть на вращающееся колесо и тормозные колодки, прижимаемые к барабану (рис. 90, а), то можно увидеть, как левая колодка как бы захватывается барабаном и заклинивает его, правая же им отталкивается. Следовательно, чтобы получить от них одинаковый момент трения, нужно либо с большей силой прижать правую колодку, либо увеличить площадь этой колодки. Есть еще третий вариант: использовать эффект захватывания барабаном обеих колодок. Но для этого необходимо, чтобы подвижные концы колодок располагались против направления вращения тормозного барабана. Именно поэтому на каждую колодку ставят по одному цилиндру: для левой колодки вверху, для правой — внизу (рис. 90, б).
Рис. 90. Тормозной механизм с одним (а) и с двумя (б) колесными цилиндрами
Другой способ повысить эффективность тормозов: вместо барабанного тормозного механизма использовать дисковый.
Что же собой представляет дисковый тормозной механизм?
Дисковый тормозной механизм
Если вместо тормозного барабана на ступице колеса закрепить диск (рис. 91, а), то его можно использовать для торможения. Действительно, если вращающийся диск зажать специальным приспособлением, то между его поверхностями образуется сила трения, останавливающая колесо.
Рис. 91. Схема дискового тормозного механизма
Обычно используется фрикционный механизм с гидравлическим приводом, только фрикционные колодки имеют не цилиндрическую поверхность, а плоскую и прижимаются они к боковым поверхностям диска.
Дисковые тормоза сами по себе значительно эффективнее барабанных. Их обычно используют на передних колесах легковых автомобилей, на которые при торможении приходится большая часть тормозных сил.
Для крепления колодок и деталей гидравлического привода используется кронштейн, имеющий форму скобы и охватывающий часть тормозного диска с обеих сторон (рис. 91,6). В кронштейны вмонтированы колесные цилиндры, и к ним присоединены трубопроводы от главного тормозного цилиндра. Каждый поршень соединен с тормозной колодкой.
При нажатии на тормозную педаль (рис. 91, в) поршни сходятся и колодками зажимают тормозной диск. Возникающим в гидравлическом приводе давлением жидкости через поршни перемещаются тормозные колодки и прижимаются к тормозному диску. Происходит торможение.
При отпускании тормозной педали давление в системе падает и за счет упругости специальных уплотнительных колец поршни отходят от тормозных колодок.
Если накладки тормозных колодок износились, то увеличивается зазор между ними и тормозным диском, который необходимо уменьшить на величину износа. Делается это автоматически при помощи того же уплотнительного кольца: при нажатии на тормозную педаль поршни, преодолевая силу трения, продвинутся относительно уплотнительных колец на величину износа, а при растормаживании вернутся на величину упругости уплотнительных колец (зазора), т. е. займут новые положения в цилиндрах. Итак, зазор между накладками и диском поддерживается автоматически.
От состояния тормозной системы зависит безопасность движения, жизнь и здоровье людей. Практика показала, что тормозной механизм работает практически безотказно. По крайней мере, неисправности тормозного механизма могут быть обнаружены и устранены заранее, например, износ тормозных накладок определяется по увеличивающемуся ходу тормозной педали.
Наибольшую опасность представляют неисправности привода тормозов, такие, как обрыв трубопровода, утечка жидкости в местах соединений и др. В большинстве случаев они застают водителя врасплох, когда появляется необходимость остановить автомобиль, а тормозная система отказала.
Есть ли выход из подобных ситуаций?
Из большинства ситуаций выход есть, и различные способы описаны в специальной литературе. Это не является темой данной книги. Наша задача объяснить, какие существуют конструктивные способы предотвращения подобных ситуаций.
Двухконтурная тормозная система
На современных автомобилях получили распространение тормозные системы с несколькими контурами (рис. 92). На автомобилях массового производства обычно используются двухконтурные системы. Это означает, что гидравлический привод рабочей тормозной системы имеет один общий орган управления — тормозную педаль с одним главным тормозным цилиндром. Однако тормозные механизмы колес приводятся в действие не от одной магистрали (контура), как мы рассмотрели, а от двух контуров, не связанных между собой. Разветвление контуров обычно начинается от главного тормозного цилиндра.
Рис. 92. Двухконтурная тормозная система
Практика показала, что разделение контуров из соображений безопасности движения должно производиться по каждому мосту автомобиля, т. е. один контур приводит в действие тормозные механизмы колес переднего моста, а другой — заднего. Например, при обрыве трубопровода не выходит из строя вся система, а только ее часть, и у автомобиля лишь снижается эффективность торможения.
Как же происходит разделение контуров?
Считается, что главный тормозной цилиндр и его привод должны безотказно работать в течение всего срока службы автомобиля. Действительно, практически он не отказывает и поэтому является общим для обоих контуров. Обычно применяют два способа разделения контуров. В первом используется главный тормозной цилиндр особой конструкции (рис. 93, а) с двумя поршнями. Первый из них механически связан с тормозной педалью, второй - свободно расположен в средней части цилиндра и разделяет его полость на две изолированные части, к которым подключаются контуры гидравлического привода тормозов. Каждая часть питается жидкостью из отдельного резервуара.
Рис. 93. Схема работы главного тормозного цилиндра двухконтурной системы: а - исправной; б - с поврежденным контуром
При нажатии на тормозную педаль (рис. 93, б) перемещается первый поршень, создается давление в первой полости, которое передается на второй поршень. Жидкость поступает в оба контура. После освобождения педаль, а вместе с ней и первый поршень оттяжной пружиной возвращаются в исходное положение. Возвращаются под действием пружин на свои места и поршни.
При повреждении первого контура поршень этого контура движется без заметного сопротивления до упора во второй поршень. Далее движение второму поршню передается механически. Срабатывает второй контур (рис. 93, в).
При повреждении второго контура второй поршень без сопротивления доходит до упора в днище цилиндра. Срабатывает только первый контур (рис. 93, г).
Неисправность привода сразу обнаруживается водителем по увеличенному ходу тормозной педали и по недостаточной эффективности торможения. Если неисправность не устранить сразу, то после нескольких нажатий на педаль жидкость может выйти через обрыв в трубопроводе неисправного контура.
Второй способ разделения контуров заключается в использовании обычного тормозного цилиндра и дополнительного разделителя гидравлического привода тормозов (рис. 94). Этот способ используется на автомобиле ГАЗ-24 «Волга».
В корпусе разделителя находятся два поршня с уплотнительными кольцами. Корпус с обеих сторон закрыт пробками. Между поршнями в середине корпуса установлено упорное кольцо. В полость между поршнями выходит канал от главного тормозного цилиндра. Трубопроводы от рабочих цилиндров передних и задних колес соединены с полостями, образованными между поршнями и пробками.
Рис. 94. Разделитель гидравлического привода тормозов
При торможении жидкость поступает от главного тормозного цилиндра в пространство между поршнями. Создавшееся давление раздвигает поршни, которые давят на жидкость в полостях цилиндра между поршнями и пробками. Жидкость под давлением поступает в оба контура гидравлического привода тормозов. При отпущенной педали стягивающие пружины колодок вытесняют жидкость из колесных цилиндров. Эта жидкость сдвигает поршни разделителя к середине цилиндра до упорного кольца. Для этой же цели предназначены пружины между поршнями и пробками.
Повреждение одного контура вызывает потерю жидкости только этого контура: поршень этого контура идет до упора в пробку и поступление новой порции жидкости в этот контур уже невозможно, так как этому препятствует уплотнительное кольцо поршня.
При оттормаживании жидкость из исправного контура возвращается в цилиндр и отжимает поршень в крайнее положение. Через открывшееся компенсационное отверстие в магистрали гидропривода создается остаточное (избыточное) давление, поэтому поршень неисправного контура остается в отжатом состоянии и перекрывает канал неисправного контура.
Двухконтурный раздельный гидравлический привод может быть выполнен также при помощи обычных главных тормозных цилиндров без разделителя. Для этого два цилиндра ставят рядом, них штоки соединяются при помощи уравнительного рычага с педалью. Уравнительный рычаг в данном случае должен иметь некоторое ограниченное угловое перемещение относительно штоков главных тормозных цилиндров. Это позволяет при повреждении одного из приводов сохранить работоспособность- другого.
Усилитель тормозов
Для экстренного торможения груженого грузового автомобиля иногда необходимо усилие на педали до 400 Н (40 кгс). Работа в городских условиях, когда необходимо часто тормозить, сильно утомляет водителя. Для облегчения его труда на современных автомобилях часто ставят усилители тормозов, в которых для управления используется сила человека, а для привода исполнительного механизма — мощность двигателя. Таким образом, сила нажатия водителя на педаль резко уменьшается.
Как же устроен усилитель? В гидравлическом приводе легковых автомобилей используют вакуумные усилители, т. е. в принципе их работы заложено использование разрежения (давление воздуха меньше атмосферного). Разрежение создается в двигателе во впускном трубопроводе.
Бывают усилители вакуумные, которые воздействуют на шток главного тормозного цилиндра, и гидровакуумные, воздействующие на поршень специального гидравлического цилиндра. Мы рассмотрим последний, который применяется на большинстве отечественных автомобилей.
Усилитель (рис. 95, а) включает в себя вакуумную камеру и следящий механизм (клапанное реле), обеспечивающий пропорциональность давления в системе по отношению к давлению в главном тормозном цилиндре. В следящий механизм входят вакуумный и воздушный клапаны, соединенные одним штоком, и диафрагма, соединенная с поршнем (рис. 95, б).
Рис. 95. Схема работы вакуумного усилителя
Вакуумная камера жестко соединена с цилиндром гидравлического усилителя. В цилиндре перемещаются поршни с уплотнителями и шариковым клапаном, перекрывающим отверстие в поршне. В вакуумной камере расположен поршень (или тарелка) и диафрагма, в центре которой закреплен толкатель. Свободный конец толкателя упирается в поршень усилителя. Пространство над диафрагмой соединено трубопроводом через специальный канал с впускным трубопроводом двигателя.
Полости в цилиндре усилителя можно условно разделить на полости с высоким и низким давлением. К полости низкого давления подсоединяется трубопровод от главного тормозного цилиндра, к полости высокого давления трубопроводы к колесным цилиндрам.
При работе двигателя и отпущенной тормозной педали во впускном трубопроводе двигателя создается разрежение и воздух через обратный клапан отсасывается из полости вакуумной камеры. В ней создается разрежение.
В момент торможения жидкость из главного тормозного цилиндра поступает в полость низкого давления цилиндра усилителя.
Под действием давления поршень следящего механизма (клапанного реле) вместе с диафрагмой поднимаются вверх и закрывают вакуумный клапан (т. е. усилитель пока еще в работу не включается). При большем нажатии на педаль возрастает давление в цилиндре и поднимающийся дальше поршень через шток открывает воздушный клапан. Атмосферный воздух через фильтр устремляется в левую часть вакуумной камеры. Под действием атмосферного давления воздуха диафрагма вместе с толкателем перемещается вправо и давит на поршень усилителя. К усилию главного тормозного цилиндра добавляется усилие толкателя. Жидкость под возросшим давлением поступает к колесным цилиндрам.
При отпускании тормозной педали давление жидкости со стороны главного тормозного цилиндра падает, клапанное реле (следящий механизм) соединяет вакуумную камеру с впускным трубопроводом двигателя. Разница давлений по обе стороны диафрагмы устранена. Диафрагма вакуумной камеры под действием пружины переместится в исходное положение.
Стояночная тормозная система
Мы разобрались в устройстве и принципе действия рабочей тормозной системы. Но вот представьте себе ситуацию: автомобиль поднимается в гору, а на дороге лежит ящик, упавший с ранее прошедшего транспортного средства. Водителю нужно его убрать. Он останавливает автомобиль, нажав на тормозную педаль. Но только снимает ногу с педали, как автомобиль начинает катиться. Он снова нажимает на нее. Как быть в этом случае?
Для удержания автомобиля в неподвижном состоянии на стоянках применяется стояночная тормозная система. Как мы отмечали, колодки в рабочей тормозной системе — весьма надежный элемент. Поэтому в современных легковых автомобилях они используются для торможения стояночным тормозом.
Привод стояночного тормоза (рис. 96) имеет, как правило, рукоятку вытяжного типа либо рычаг, расположенный под щитком приборов. Стержень рукоятки соединен с тросом, перекинутым через блок и закрепленным на двуплечем рычаге. Двуплечий рычаг тягой соединен с уравнителем усилий, а последний через тросы — с разжимными рычагами тормозных механизмов задних колес. Разжимный рычаг качается на эксцентриковом пальце и упирается через разжимный стержень или планку в левую колодку.
Рис. 96. Стояночный тормоз
Затормаживание задних колес происходит при вытягивании рукоятки или повороте рычага стояночного тормоза. Вытягивание рукоятки сопровождается щелчками, так как собачка фиксатора поочередно проходит через углубления на тяге. Усилие от рукоятки передается тросом двуплечему рычагу, от него через тягу — уравнителю усилий и далее через тросы — разжимному рычагу.
Разжимный рычаг поворачивается на эксцентриковом пальце, упирается в разжимный стержень или планку и стержнем прижимает левую тормозную колодку к внутренней поверхности тормозного барабана. Как только левая колодка уперлась в барабан, разжимная планка останавливается и становится упором для рычага. Рычаг начинает поворачиваться около планки, т. е. верхний конец рычага вместе с осью отходит вправо и прижимает правую колодку к тормозному барабану. Колесо заторможено. Направления движения указанных деталей на рис. 96 показаны стрелками.
При повороте рукоятки тормоза по часовой стрелке фиксатор выходит из впадин на тяге и под действием возвратных пружин двуплечего рычага и колодок рукоятка возвращается в исходное положение. Колеса расторможены.
Для остановки автомобилей большой грузоподъемности к тормозной педали гидравлического привода тормозов необходимо приложить весьма значительные усилия. Поэтому гидравлический привод тормозов на этих автомобилях устанавливать не принято. Для облегчения труда водителя в качестве источника энергии для торможения автобусов, автомобилей большой грузоподъемности, прицепов в полуприцепов используют сжатый воздух. Этот привод называется пневматическим.
В пневматический привод тормозов (рис. 97) обычно входят компрессор, воздушные баллоны, манометр, тормозной кран, тормозные камеры, регулятор давления и некоторые другие приборы. Компрессор предназначен для подачи в тормозную систему сжатого воздуха, воздушные баллоны используются на автомобиле как накопители сжатого воздуха. Манометр позволяет водителю следить за давлением сжатого воздуха в системе.
Рис. 97. Пневматический привод тормозов
Когда водитель нажимает ногой на педаль, тормозной кран открывает доступ воздуха из баллонов в тормозные камеры колес. Они приводят в действие тормозные колодки.
Компрессоры (рис. 98) обычно используются двухцилиндровые. В блоке цилиндров на шариковых подшипниках вращается коленчатый вал, соединенный шатунами и поршневыми пальцами с поршнями. Коленчатый вал компрессора приводится в действие от коленчатого вала двигателя клиновидным ремнем и вращается все время, когда работает двигатель.
Рис. 98. Компрессор
В компрессоре предусмотрены впускной и нагнетательный клапаны. При ходе поршня вниз открывается впускной клапан и воздух из атмосферы, пройдя очистку в воздушном фильтре, засасывается в цилиндр. При ходе поршня вверх впускной клапан закрывается и открывается нагнетательный. Воздух из цилиндра компрессора нагнетается в воздушные баллоны.
Во время работы компрессор нагревается, поэтому в нем, как и в двигателе, предусмотрена рубашка охлаждения, в которую жидкость поступает из системы охлаждения двигателя.
Для смазки трущихся деталей компрессора в коленчатый вал от системы смазки двигателя подводится под давлением масло. Под давлением смазываются коренные и шатунные подшипники, остальные детали — разбрызгиванием. После смазки масло стекает сначала в картер компрессора, а из него по трубке в картер двигателя.
Безусловно, через некоторое время работы компрессора давление сжатого воздуха может оказаться чрезмерно большим и возникнет опасность разрыва шлангов, трубопроводов или других ответственных деталей. Чтобы этого не произошло, на компрессоре предусмотрено разгрузочное устройство, работающее совместно с регулятором давления. Оно срабатывает при определенном давлении воздуха в тормозной системе (обычно 0,7—0,75 МПа (7—7,5 кгс/см²). При этом подача воздуха в баллоны прекращается, а цилиндры компрессора соединяются между собой, т. е. воздух при работе поршней будет свободно переходить из одного цилиндра в другой, а не подаваться в систему. Другими словами, компрессор работает вхолостую.
По мере расходования воздуха давление в системе уменьшается. Как только оно достигнет определенной для данного автомобиля величины, например 0,55—0,6 МПа (5,5—6 кгс/см²), срабатывает клапан регулятора давления, выключается разгрузочное устройство и компрессор нагнетает воздух в систему.
Воздушные баллоны используются для хранения и охлаждения сжатого воздуха, подаваемого в систему компрессором. В нижней части баллона предусматривается кран для слива конденсата воды и масла. Обычно на одном из баллонов устанавливают кран для отбора воздуха для накачки шин и предохранительный клапан.
В процессе работы возможно появление неисправностей регулятора давления, а следовательно, резкое повышение давления в пневматической системе и как результат — поломки отдельных приборов, разрушения трубопроводов, разрывы шлангов и др., т. е. выход из строя тормозной системы. Для предохранения тормозной системы от чрезмерного повышения давления используется предохранительный клапан, обычно устанавливаемый на воздушном баллоне. Он срабатывает при давлении 0,9—0,95 МПа (9—9,5 кгс/см²).
Для управления пневматической системой используется тормозной кран (рис. 99). Нажимая на педаль, водитель при помощи этого крана регулирует подачу сжатого воздуха из воздушных баллонов к тормозным камерам. При постоянно нажатой педали тормозной кран обеспечивает постоянную тормозную силу, а также быстрое растормаживание колес при отпускании педали.
Рис. 99. Тормозной кран
В корпусе тормозного крана расположен стакан с уравновешивающей пружиной, в торцы которого упираются с одной стороны двуплечий рычаг, а с другой седло выпускного клапана. Стакан может передвигаться вдоль оси под действием рычага или седла.
Седло выпускного клапана закреплено в центре диафрагмы, изготовленной из специальной прорезиненной ткани и зажатой по периферии между корпусом и крышкой. Образовавшаяся полость крана соединена через одно отверстие с воздушным баллоном, через другое — с тормозными камерами колес автомобиля, а через выпускное окно — с атмосферой. Возвратная пружина стремится переместить диафрагму вместе с седлом влево и открыть выпускной клапан, т. е, соединить тормозные камеры колес автомобиля через выпускное окно с атмосферой (путь воздуха из тормозных камер показан стрелками). Возвратная пружина (малая) прижимает впускной клапан к седлу, т. е. препятствует попаданию сжатого воздуха из баллонов к тормозным камерам.
При нажатии на педаль (рис. 99, а) тяга через двуплечий рычаг перемещает стакан, а вместе с ним и диафрагму с седлом выпускного клапана вправо и закрывает выпускной клапан: полости тормозных камер изолированы от атмосферы При дальнейшем нажатии на педаль передвигающееся вправо седло выпускного клапана перемещает впускной клапан, открывая доступ воздуха в тормозные камеры, которые затормаживают колеса автомобиля.
Под давлением сжатого воздуха диафрагма прогнется влево и сожмет уравновешивающую пружину. Таким образом, на диафрагму действуют пружина слева и сжатый воздух справа. Когда их силы уравновесятся, оба клапана закроются, т. е. прекратится поступление сжатого воздуха из баллонов к тормозным камерам, и тормозная сила не будет изменяться, пока педаль находится в этом положении. При повторном нажатии на педаль дополнительное количество воздуха поступит к тормозным камерам, что приведет к увеличению тормозной силы.
При отпускании педали (рис. 99, б) двуплечий рычаг освобождает стакан. Он перемещается влево. Переместится влево и седло. Откроется выпускной клапан, а впускной закроется. Полости тормозной камеры соединятся с атмосферой, и сжатый воздух устремится из них наружу.
Как ясно из сказанного ранее, колесные тормозные механизмы приводятся в действие тормозными камерами (или тормозными цилиндрами). Тормозные камеры (рис. 100) крепятся на кронштейнах шпильками. Между корпусом и крышкой по краям зажата диафрагма из прорезиненной ткани. Внутри корпуса расположен шток с закрепленным на его конце диском. Одна или две пружины отводят диафрагму в крайнее положение. Шток при помощи вилки соединен с рычагам вала разжимного кулака. Сжатый воздух поступает из тормозного крана в тормозную камеру, перемещает диафрагму со штоком, поворачивает разжимный кулак, а тот, в свою очередь, раздвигает тормозные колодки, прижимая их к тормозному барабану. Происходит торможение.
Рис. 100. Тормозная камера
Когда же тормозной кран соединяет полость тормозной камеры с атмосферой, давление воздуха в ней уравнивается с атмосферным и под действием пружины диафрагма со штоком возвращаются в исходное положение. Происходит растормаживание колес.
Мы рассмотрели схему, устройство и принцип работы простейшего пневматического привода тормозов. На современных автомобилях используется несколько различных схем, применяются различные совершенные приборы и т. д. Однако все они — предмет рассмотрения в специальной литературе. Отметим лишь, что, например, автомобили КамАЗ оборудованы стояночной, рабочей, вспомогательной и запасной тормозными системами и устройством для аварийного растормаживания стояночного тормоза, на них используется раздельный привод тормозов, т. е. установлено значительное число приборов тормозной системы.