Фрикционный тормоз¶

Фрикционный тормоз — это устройство для замедления или остановки движения механизма, в котором тормозной момент создаётся за счёт силы трения между неподвижными и вращающимися (или движущимися поступательно) элементами. Относится к классу механических тормозных систем и является наиболее распространённым типом тормозов в технике, транспорте и промышленности.

¶Принцип действия

Работа фрикционного тормоза основана на преобразовании кинетической энергии движущегося тела в тепловую энергию посредством трения. При прижатии тормозной колодки (или накладки) к вращающемуся барабану, диску или рельсу возникает сила трения, направленная против движения. Величина тормозного момента зависит от силы прижатия, коэффициента трения между контактирующими поверхностями и радиуса приложения силы (для вращающихся элементов).

В зависимости от конструкции, усилие прижатия может создаваться механически (пружиной, рычагом), гидравлически, пневматически или электромагнитно. После прекращения торможения поверхности размыкаются, и трение исчезает.

¶История

Прообразы фрикционных тормозов использовались ещё в античных повозках и подъёмных механизмах — для замедления применяли деревянные колодки, прижимаемые к ободу колеса. Первые патенты на тормозные механизмы с фрикционными накладками появились в середине XIX века.

В 1902 году британский инженер Герберт Фруд разработал дисковый тормоз, однако широкое распространение он получил лишь в авиации и на автомобилях после Второй мировой войны. В 1950-х годах дисковые тормоза стали стандартом для гоночных автомобилей, а затем и для серийных машин. Ленточные тормоза применялись на ранних автомобилях и в грузоподъёмной технике. Барабанные тормоза доминировали в автомобилестроении до 1970-х годов, после чего постепенно уступили место дисковым на передних колёсах.

¶Классификация

Фрикционные тормоза классифицируют по нескольким признакам.

¶По форме трущихся поверхностей

• Колодочные тормоза — тормозные колодки прижимаются к внутренней или наружной поверхности вращающегося барабана. Используются в железнодорожном транспорте, грузоподъёмных машинах, на автомобилях (барабанные тормоза).
• Дисковые тормоза — колодки зажимают плоский диск с двух сторон. Распространены в автомобилях, мотоциклах, велосипедах, станках.
• Ленточные тормоза — гибкая стальная лента с фрикционным материалом охватывает барабан, стягиваясь при торможении. Применяются в лебёдках, кранах, некоторых видах транспорта.
• Рельсовые тормоза — колодки прижимаются к головке рельса. Используются на железнодорожном подвижном составе и трамваях.

¶По способу создания прижимного усилия

• Механические — усилие передаётся через рычаги, тяги, тросы (ручной тормоз автомобиля).
• Гидравлические — усилие создаётся жидкостью под давлением (основная тормозная система автомобилей).
• Пневматические — усилие создаётся сжатым воздухом (грузовики, автобусы, поезда).
• Электромагнитные — колодки прижимаются электромагнитом (вспомогательные тормоза, некоторые станки).
• Пружинные — торможение осуществляется пружиной, а растормаживание — внешним усилием (стояночные тормоза, аварийные системы).

¶По назначению

• Рабочие тормоза — для замедления и остановки в нормальном режиме.
• Стояночные тормоза — для удержания неподвижного механизма.
• Аварийные (запасные) тормоза — для остановки при отказе основной системы.
• Вспомогательные тормоза — для длительного торможения на спусках (например, замедлители).

¶Устройство и характеристики

Основные элементы фрикционного тормоза: тормозной барабан или диск, тормозные колодки с накладками, приводной механизм (цилиндр, рычаг, пружина), система возврата колодок в исходное положение.

Ключевые характеристики:

• Тормозной момент — максимальный момент, который может развить тормоз.
• Коэффициент трения — зависит от материалов пары (сталь-асбест, сталь-керамика, сталь-органический композит). Современные накладки изготавливают из композитов на основе смол, кевлара, металлических волокон, керамики.
• Износостойкость — ресурс накладок до замены (обычно 30–80 тыс. км для автомобилей).
• Теплостойкость — способность сохранять свойства при нагреве (феномен «fade» — снижение трения при перегреве).
• Эффективность — отношение тормозного момента к прижимному усилию.

¶Применение

Фрикционные тормоза используются повсеместно:

• Автомобильный транспорт — дисковые и барабанные тормоза всех колёс.
• Железнодорожный транспорт — колодочные и дисковые тормоза вагонов и локомотивов.
• Авиация — дисковые тормоза колёс шасси.
• Велосипеды и мотоциклы — ободные, дисковые (гидравлические и механические).
• Промышленность — тормоза кранов, лебёдок, конвейеров, станков, лифтов.
• Спортивный инвентарь — тормоза роликовых коньков, самокатов, горных велосипедов.

¶Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Простота конструкции и низкая стоимость.
• Высокое быстродействие.
• Возможность точного регулирования усилия.
• Работа в широком диапазоне температур и условий.

Недостатки:

• Износ трущихся поверхностей, требующий периодической замены.
• Выделение тепла, что может приводить к перегреву и снижению эффективности (fade).
• Образование тормозной пыли (особенно асбестовой, которая признана канцерогенной; в России с 2000-х годов асбест в накладках заменён на другие материалы).
• Зависимость коэффициента трения от влажности, загрязнения, температуры.
• Шум и вибрации при работе (скрип, стук).

¶Интересные факты

• Первые дисковые тормоза на автомобилях были установлены на гоночных машинах «Jaguar» в 1950-х годах.
• В авиации дисковые тормоза шасси могут нагреваться до 800–1000 °C при посадке.
• На железных дорогах России до сих пор широко применяются колодочные тормоза с чугунными колодками.
• В горных велосипедах гидравлические дисковые тормоза обеспечивают тормозное усилие до 2000 Н.
• Тормозные накладки для высокоскоростных поездов (например, «Сапсан») изготавливаются из керамических композитов, выдерживающих температуры свыше 600 °C.

¶Источники

• «Тормозные системы автомобилей» — учебник для вузов, под ред. В. А. Петрова, М.: Машиностроение, 2008.
• «Теория и конструкция тормозов» — И. И. Гринберг, М.: Транспорт, 1985.
• «Трение и износ в тормозных устройствах» — А. В. Чичинадзе, М.: Наука, 1990.
• «Автомобильные тормозные системы» — Bosch, 2015.
• «Железнодорожный транспорт: тормозные системы» — справочник, М.: Транспорт, 2000.
• Стандарты ГОСТ Р 52847-2007 (тормозные накладки), ГОСТ 22895-77 (тормоза автомобилей).