Гидравлический привод тормозов

Гидравлический привод тормозов — это совокупность устройств, предназначенных для передачи усилия от органа управления (педали или рычага) к тормозным механизмам колёс (или барабанов) посредством жидкости, находящейся под давлением. Является основным типом тормозного привода на большинстве современных легковых и грузовых автомобилей, мотоциклах, а также на некоторых видах железнодорожного и авиационного транспорта. Обеспечивает высокое быстродействие, равномерное распределение усилий и возможность усиления тормозного момента за счёт гидравлического мультипликатора.

История

Первые попытки использования жидкости для передачи тормозного усилия относятся к началу XX века. В 1918 году американский инженер Малькольм Лоугхед (Malcolm Loughead) разработал и запатентовал гидравлическую тормозную систему для автомобилей. Первоначально она применялась на гоночных автомобилях и авиационной технике. В 1920-х годах компания Duesenberg начала устанавливать гидравлические тормоза на серийные модели, что значительно повысило их надёжность и эффективность по сравнению с механическими тросовыми приводами.

Массовое внедрение гидравлического привода в автомобилестроении началось в 1930-х годах. Ключевым этапом стало создание в 1936 году компанией Bendix Corporation (США) первой серийной гидравлической системы с главным цилиндром и колёсными цилиндрами. В СССР первые гидравлические тормоза появились на автомобилях ЗИС-101 (1936 год) и ГАЗ-М-1 (1937 год). К 1950-м годам гидравлический привод практически вытеснил механический на легковых автомобилях, а к 1970-м — и на большинстве грузовых.

Устройство и принцип действия

Основными элементами гидравлического привода тормозов являются:

• Главный тормозной цилиндр (ГТЦ) — преобразует механическое усилие от педали в давление жидкости. Внутри цилиндра находится поршень, соединённый с педалью, и возвратная пружина. В современных системах часто применяются двухсекционные ГТЦ (тандемные), обеспечивающие раздельное питание двух контуров.
• Тормозная жидкость — рабочая среда, передающая давление. Обычно используется на основе гликолей (DOT 3, DOT 4, DOT 5.1) или силикона (DOT 5). Жидкость должна быть несжимаемой, иметь высокую температуру кипения и низкую температуру застывания.
• Трубопроводы и шланги — стальные трубки (магистрали) и гибкие резиновые или полимерные шланги, соединяющие ГТЦ с колёсными механизмами.
• Колёсные тормозные цилиндры (рабочие цилиндры) — расположены непосредственно в тормозных механизмах (дисковых или барабанных). В дисковых тормозах это один или несколько цилиндров, в барабанных — два цилиндра, раздвигающие колодки.
• Вакуумный усилитель (сервопривод) — устройство, использующее разрежение во впускном коллекторе двигателя (или от отдельного вакуумного насоса) для увеличения усилия на поршне ГТЦ. Значительно снижает усилие на педали, необходимое для торможения. В современных автомобилях является обязательным элементом.
• Регулятор давления (пропорциональный клапан) — устройство, ограничивающее давление в задних тормозах для предотвращения блокировки колёс при резком торможении (особенно на автомобилях с передним приводом).
• Антиблокировочная система (ABS) — электронно-гидравлический блок, который при торможении модулирует давление в каждом контуре, предотвращая блокировку колёс и сохраняя управляемость. Включает гидравлический насос, электромагнитные клапаны и электронный блок управления.

Принцип действия: При нажатии на педаль тормоза усилие через вакуумный усилитель передаётся на поршень главного цилиндра. Поршень вытесняет тормозную жидкость из цилиндра в трубопроводы. Поскольку жидкость практически несжимаема, давление мгновенно передаётся по всей системе к колёсным цилиндрам. Под действием давления поршни колёсных цилиндров прижимают тормозные колодки к дискам или барабанам, создавая тормозной момент. При отпускании педали возвратные пружины возвращают поршни и колодки в исходное положение, а жидкость перетекает обратно в бачок ГТЦ.

Классификация

Гидравлические приводы тормозов классифицируются по нескольким признакам:

По числу контуров

• Одноконтурные (устаревшая схема) — при разгерметизации одного участка система полностью выходит из строя. Использовались до 1960-х годов.
• Двухконтурные (современный стандарт) — тормозная система разделена на два независимых гидравлических контура. При отказе одного контура второй сохраняет работоспособность, хотя и с меньшей эффективностью. Распространены схемы: диагональная (переднее левое — заднее правое колесо) и параллельная (передняя ось — задняя ось).
• Многоконтурные — применяются на тяжёлых грузовиках и спецтехнике (например, по контуру на каждое колесо).

По типу рабочей жидкости

• Гликолевые (DOT 3, DOT 4, DOT 5.1) — гигроскопичны, требуют замены каждые 2–3 года, имеют высокую температуру кипения.
• Силиконовые (DOT 5) — негигроскопичны, не смешиваются с гликолевыми, используются в военной и авиационной технике, а также в автомобилях с длительным простоем.
• Минеральные (LHM) — применяются в системах Citroën и некоторых других марок, обладают хорошими смазывающими свойствами, но несовместимы с резиновыми уплотнителями гликолевых систем.

По наличию усилителей

• Без усилителя — усилие на педали полностью передаётся механически, требует значительного физического усилия. Используется на маломощных мотоциклах, скутерах, некоторых спортивных автомобилях.
• С вакуумным усилителем — наиболее распространённый тип на легковых автомобилях.
• С пневматическим усилителем — применяется на грузовых автомобилях и автобусах (пневмогидравлический привод).
• С электрогидравлическим усилителем — используется в современных системах с электронным управлением (например, в электромобилях).

Применение

Гидравлический привод тормозов является стандартом для:

• Легковых автомобилей — все современные модели, включая электромобили (Tesla, Nissan Leaf).
• Мотоциклов — большинство дорожных мотоциклов, скутеров, квадроциклов.
• Грузовых автомобилей — малого и среднего тоннажа (до 12 тонн), а также в составе пневмогидравлических систем для тяжёлых грузовиков.
• Автобусов — малого и среднего класса.
• Железнодорожного транспорта — на некоторых типах локомотивов и вагонов (например, в системе электропневматического тормоза).
• Авиации — на лёгких и средних самолётах (например, Cessna, Ан-2), а также в качестве резервной системы на тяжёлых машинах.
• Сельскохозяйственной и строительной техники — тракторы, экскаваторы, погрузчики.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокое быстродействие — давление передаётся практически мгновенно (со скоростью звука в жидкости).
• Равномерное распределение усилий — все колёса получают одинаковое давление (при исправной системе).
• Возможность усиления — за счёт вакуумного усилителя или гидравлического мультипликатора.
• Компактность — трубопроводы занимают меньше места, чем механические тяги.
• Надёжность — при двухконтурной схеме сохраняется работоспособность при отказе одного контура.
• Простота интеграции с электронными системами — ABS, ESP, система помощи при экстренном торможении.

Недостатки

• Чувствительность к утечкам — потеря герметичности приводит к отказу системы.
• Зависимость от состояния жидкости — гигроскопичность гликолевых жидкостей снижает температуру кипения и может вызвать парообразование (отказ тормозов при перегреве).
• Необходимость обслуживания — требуется периодическая замена жидкости и прокачка системы для удаления воздуха.
• Сложность ремонта — для устранения неисправностей требуется специальное оборудование (например, для прокачки ABS).
• Ограниченная температура эксплуатации — при сильном морозе (-40°C и ниже) жидкость может загустевать, а при перегреве — закипать.

Интересные факты

• Первая гидравлическая тормозная система на серийном автомобиле (Duesenberg Model A, 1921) была настолько эффективной, что её называли «тормозом, который может остановить поезд».
• В СССР гидравлические тормоза впервые появились на автомобиле ЗИС-101, но из-за дефицита качественной тормозной жидкости и уплотнителей они часто выходили из строя.
• Современные тормозные жидкости DOT 4 и DOT 5.1 имеют температуру кипения «сухой» жидкости до 260°C, а «влажной» (после двух лет эксплуатации) — около 180°C.
• В электромобилях и гибридах гидравлический привод часто дополняется рекуперативным торможением, где электродвигатель работает как генератор, снижая нагрузку на гидравлику.
• В гоночных автомобилях Формулы-1 используются карбоновые тормозные диски и специальные тормозные жидкости с температурой кипения до 300°C.

Источники

1. ГОСТ 22895-77 «Тормозные системы автомобилей. Технические требования».
2. Боровских Ю. И., Буралёв Ю. В. «Устройство автомобилей». — М.: Высшая школа, 2008.
3. Вахламов В. К. «Автомобили: конструкция и эксплуатационные свойства». — М.: Академия, 2010.
4. SAE International. «Brake Systems: Design, Testing, and Analysis». — SAE, 2015.
5. Bosch. «Automotive Handbook». — 10th Edition, 2018.
6. Техническая документация компаний TRW Automotive, Continental Teves, Bosch.