Фрикционный тормозной механизм

Фрикционный тормозной механизм — это устройство, предназначенное для замедления или остановки движения механизма, транспортного средства или вращающегося вала за счёт использования силы трения, возникающей между неподвижными и вращающимися (или движущимися поступательно) элементами. Относится к классу тормозных систем, принцип действия которых основан на преобразовании кинетической энергии движущихся частей в тепловую энергию, рассеиваемую в окружающую среду. Фрикционные тормоза являются наиболее распространённым типом тормозных механизмов в автомобилях, железнодорожном транспорте, станках, подъёмно-транспортном оборудовании и бытовой технике.

История

Первые прототипы фрикционных тормозов появились ещё в XIX веке с развитием паровозов и механических экипажей. Ранние конструкции представляли собой простые колодки, прижимаемые к колесу или барабану вручную или с помощью рычагов. В 1902 году английский инженер Фредерик Ланчестер разработал дисковый тормоз, который, однако, не получил широкого распространения из-за несовершенства материалов и технологий. Массовое внедрение фрикционных тормозов началось в 1920-х годах с появлением автомобилей с механическим приводом. В 1930-х годах американская компания Chrysler представила гидравлический привод тормозов, что значительно повысило эффективность и надёжность. В 1950-х годах дисковые тормоза начали применяться в автоспорте, а затем и на серийных автомобилях, вытесняя барабанные конструкции. В СССР и России развитие фрикционных тормозов было связано с работами таких учёных, как Е. А. Чудаков (основы теории автомобиля) и В. И. Анурьев (проектирование тормозных систем). В 1960-х годах на грузовых автомобилях и автобусах стали активно внедряться пневматические тормозные приводы, а в 1970-х — антиблокировочные системы (ABS), повышающие безопасность при торможении.

Принцип действия

Фрикционный тормозной механизм работает на основе закона сухого трения (закона Кулона — Амонтона). Сила трения, возникающая между прижатыми друг к другу поверхностями, пропорциональна нормальной силе прижатия и коэффициенту трения пары материалов. При торможении кинетическая энергия вращающегося или движущегося элемента преобразуется в тепло, которое выделяется в зоне контакта фрикционных накладок и тормозного барабана (или диска). Эффективность торможения зависит от:

Коэффициента трения — определяется материалом фрикционных накладок и контртела (чугуна, стали, композитов).
Силы прижатия — создаётся приводом (механическим, гидравлическим, пневматическим, электрическим).
Площади контакта — влияет на распределение тепла и износ.
Скорости скольжения — при высоких скоростях коэффициент трения может снижаться (явление фейдинга).

Классификация

Фрикционные тормозные механизмы классифицируются по нескольким признакам.

По форме трущихся поверхностей

Барабанные тормоза — торможение происходит за счёт прижатия колодок к внутренней или внешней поверхности вращающегося барабана. Характеризуются большей площадью контакта и меньшей чувствительностью к загрязнениям, но склонны к перегреву и фейдингу.
Дисковые тормоза — торможение осуществляется прижатием колодок к боковым поверхностям вращающегося диска. Обеспечивают лучший отвод тепла и более стабильное торможение, но требуют защиты от грязи и влаги.
Ленточные тормоза — гибкая лента (обычно с фрикционной накладкой) охватывает вращающийся барабан. Применяются в лебёдках, кранах и некоторых мотоциклах.
Колодочные тормоза — колодки прижимаются к вращающемуся шкиву или диску снаружи. Используются в подъёмных механизмах и на железнодорожном транспорте.

По типу привода

Механические — усилие передаётся через рычаги, тросы или тяги. Просты и дешевы, но требуют частой регулировки.
Гидравлические — усилие передаётся через жидкость (тормозную). Обеспечивают равномерное распределение усилия и высокую точность.
Пневматические — работают на сжатом воздухе. Используются на грузовых автомобилях, автобусах и поездах.
Электрические — электромагнитные или электромеханические. Применяются в современных системах «brake-by-wire».

По назначению

Рабочие тормоза — основные, для замедления и остановки.
Стояночные тормоза — для удержания транспортного средства на месте.
Запасные тормоза — дублируют рабочую систему в случае отказа.
Вспомогательные тормоза — для снижения нагрузки на основную систему (например, горные тормоза).

Устройство и характеристики

Барабанный тормоз

Основные элементы: тормозной барабан (чугунный или стальной), две тормозные колодки с фрикционными накладками, разжимное устройство (кулак или гидроцилиндр), возвратные пружины и механизм регулировки зазора. При торможении колодки прижимаются к внутренней поверхности барабана. Преимущества: низкая стоимость, высокая износостойкость, защищённость от грязи. Недостатки: склонность к перегреву, неравномерный износ, сложность охлаждения.

Дисковый тормоз

Основные элементы: тормозной диск (обычно из чугуна или керамики), тормозные колодки (с металлической или органической накладкой), суппорт (с одним или несколькими поршнями), тормозной шланг и система отвода тепла. Диск может быть вентилируемым (с каналами для охлаждения) или перфорированным. Преимущества: высокая эффективность, стабильность при нагреве, лёгкость обслуживания. Недостатки: уязвимость к загрязнениям и коррозии, более высокая стоимость.

Материалы фрикционных накладок

Органические (асбестовые) — дешёвые, но токсичные (асбест запрещён во многих странах). В России производство накладок с асбестом ограничено.
Металлокерамические — износостойкие, выдерживают высокие температуры, но шумные и абразивные.
Полуметаллические — смесь металлических волокон и органических связующих. Сбалансированы по износу и шуму.
Керамические — дорогие, но лёгкие и устойчивые к перегреву. Используются в спортивных автомобилях и высокоскоростных поездах.

Применение

Фрикционные тормозные механизмы используются в самых разных областях:

Автомобильный транспорт — легковые и грузовые автомобили, автобусы, мотоциклы. В современных легковых автомобилях чаще применяются дисковые тормоза на передней оси и барабанные на задней (для экономии).
Железнодорожный транспорт — поезда, трамваи, метро. Используются колодочные и дисковые тормоза с пневматическим приводом. В России на железных дорогах применяются системы с чугунными колодками и композиционными накладками.
Авиация — колёсные тормоза самолётов (дисковые, многодисковые) для торможения после посадки.
Промышленность — станки, краны, лебёдки, конвейеры. Применяются ленточные и колодочные тормоза с электромагнитным или пневматическим управлением.
Бытовая техника — стиральные машины, электродрели, газонокосилки (тормозные механизмы для остановки вращающихся частей).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Простота конструкции и низкая стоимость производства.
Высокая эффективность при нормальных условиях эксплуатации.
Возможность точного дозирования тормозного усилия.
Широкий диапазон рабочих температур (для дисковых тормозов).

Недостатки

Износ фрикционных накладок и необходимость их периодической замены.
Снижение эффективности при нагреве (фейдинг) — особенно у барабанных тормозов.
Зависимость от состояния поверхности (влажность, грязь, масло).
Выделение тепла и абразивной пыли (тормозная пыль содержит металлические частицы).

Критика и перспективы

Основной недостаток фрикционных тормозов — необратимый износ и выделение вредных веществ (тормозная пыль, содержащая оксиды металлов, может наносить вред здоровью и окружающей среде). В связи с этим в ряде стран (например, в странах ЕС) вводятся ограничения на содержание меди в фрикционных накладках. В России также действуют экологические нормы, регулирующие состав тормозных колодок.

Альтернативой фрикционным тормозам являются рекуперативные тормозные системы (электродинамическое торможение), используемые в электромобилях и гибридах, которые преобразуют кинетическую энергию в электрическую. Однако полностью отказаться от фрикционных тормозов пока невозможно из-за их надёжности и простоты. Перспективные направления развития включают:

Использование керамических и углерод-керамических композитов для повышения износостойкости.
Интеграция с электронными системами управления (ABS, ESP, автоматическое экстренное торможение).
Разработка «сухих» тормозов с минимальным количеством смазки и пыли.

Интересные факты

Первый дисковый тормоз на автомобиле был установлен в 1902 году на гоночном автомобиле «Lanchester».
В 1953 году компания Jaguar выиграла гонку «24 часа Ле-Мана» на автомобиле с дисковыми тормозами, что доказало их превосходство над барабанными.
Тормозная пыль в городах может составлять до 20% от общего объёма мелкодисперсных частиц (PM2.5) в воздухе.
В России на железных дорогах до сих пор используются чугунные тормозные колодки, которые при торможении искрят — это считается нормальным явлением.

Источники

Чудаков Е. А. «Теория автомобиля» — М.: Машгиз, 1950.
Анурьев В. И. «Справочник конструктора-машиностроителя» — М.: Машиностроение, 2006.
ГОСТ 22895-77 «Тормозные системы автомобилей. Технические требования».
Бош Р. «Автомобильный справочник» — М.: За рулём, 2012.
«Трение и износ в тормозных механизмах» / под ред. А. В. Чичинадзе — М.: Наука, 1985.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →