О прогрессе тормозов – популярно
Хорошие тормоза – важнейшая составляющая безопасности эксплуатации любого автомобиля.
Автотранспортное средство, несущееся с высокой скоростью, обладает существенной кинетической энергией. А значит, представляет собой повышенную опасность для окружающих. На дороге оно удерживается за счет сил трения, возникающих между колесами (шинами) и дорожным полотном. Практически единственная возможность для обычного водителя избежать неприятностей в сложной дорожной ситуации – это своевременно снизить скорость, т.е. осуществить процесс торможения.
Торможение является одной из основных фаз движения, оно неоднократно повторяется в течение поездки и, как правило, завершает ее. Данная фаза характеризуется интенсивным поглощением кинетической энергии движущегося транспортного средства за счет создания для этой цели искусственного сопротивления движению. Реализация торможения осуществляется совокупностью специфических устройств, способных быстро поглотить и рассеять в окружающей среде значительную энергию. Для этой совокупности устройств в технической литературе принято обозначение «тормозное управление», а в разговорной речи ее часто называют просто тормозами.
Практически реализовать тормозное управление можно по-разному. Созданы механические, гидравлические, пневматические, электрические тормозные системы. На легковых автомобилях ныне в подавляющем большинстве случаев используются гидравлические тормоза, которые стали применять с начала 20-х годов прошлого столетия. Приоритет в этой области принадлежит американцам. Давайте вспомним, как устроены такие тормоза.
Возьмем два цилиндра, соединим их трубопроводом и заправим, например, касторовым маслом, как было в 1920-х годах, или современной тормозной жидкостью. Один цилиндр пусть будет тормозным, и его поршень соединим с тормозной колодкой, а поршень другого – с педалью тормоза. Второй назовем главным тормозным цилиндром. Да, добавим еще возвратную пружину, чтобы устанавливать поршни в исходное состояние. Вот и все. Если теперь станем нажимать на педаль, то жидкость из главного тормозного цилиндра начнет перетекать в тормозной цилиндр, его поршень прижмет колодку к тормозному барабану или диску и начнется само торможение. Чем сильнее будем давить на педаль, тем сильнее будет прижиматься колодка и больше будет замедление колеса.
Установив тормозные цилиндры в каждое колесо, получим простейшую гидравлическую тормозную систему. Такие продолжают применяться и сейчас, но не на автомобилях, а в основном на велосипедах, мотоциклах и каретах. Да, да, каретах, которые в небольших количествах делают по заказам ценителей гужевого транспорта. Сам видел современную карету с гидравлическими тормозами, действующими на задние колеса.
Теперь начнем улучшать получившуюся у нас тормозную систему. Сначала добавим усилитель, расположив его между педалью и главным тормозным цилиндром. Это заметно снизит усилие, которое необходимо приложить для торможения. Наибольшее распространение получили вакуумные усилители, которые для своей работы используют разрежение, возникающее у бензиновых двигателей во впускном трубопроводе за дроссельной заслонкой. К сожалению, их усиление зависит от степени разрежения, и если при торможении двигатель заглохнет, то не будет и усиления. Возникает проблема и с применением дизелей, у которых нет дроссельной заслонки. Та же сложность существует у транспортных средств с гибридной силовой установкой, не говоря уже про «чистые» электромобили. Поэтому придумали еще и вакуумные насосы с электроприводом.
Пойдем дальше. Разделим тормозной привод на два контура, что позволит продолжать торможение в случае какого-либо единичного отказа. Правда, эффективность в аварийном режиме будет снижена. Обычно это разделение производят по осям или диагонально. Но бывают и более сложные схемы. Лучше всего – дублирование тормозного привода, как, например, сделано у легковых ЗИЛов. Здесь даже в случае отказа одного из контуров сохраняется 100%-я эффективность.
Наконец, между главным тормозным и тормозными цилиндрами установим гидроагрегат одной из электронных систем управления тормозами (антиблокировочной, или противобуксовочной, или динамической стабилизации) и получим самую современную тормозную систему.
Остается добавить, что раньше применяли регулятор тормозных сил, который понижал давление в тормозных цилиндрах колес задней оси по отношению к давлению на передних колесах, что повышало безопасность. Но сейчас его функцию выполняет электроника через гидроагрегат.
Займемся электронными устройствами управления тормозами.
По интенсивности торможения подразделяют на служебные и экстренные. И если с первыми у водителя особых сложностей не возникает, то про вторые такого сказать нельзя. Избежать столкновения с каким-либо препятствием, внезапно возникшем на пути следования, можно двумя путями – или остановиться перед ним, или объехать его. Не так уж и редко оба этих действия объединяют, иначе говоря, при выполнении маневра осуществляют торможение. Отсюда вытекают высокие требования к таким характеристикам автомобиля, как длина тормозного пути и его управляемость при торможении «в пол».
Длина тормозного пути (или величина замедления автомобиля) зависит от многих факторов. Прежде всего это состояние дорожного покрытия, а оно может меняться от сухого высококачественного асфальта и до раскатанного льда. Затем следуют шины. Они должны соответствовать сезону, т.е. зимой быть зимними, а летом – летними. На льду хорошо помогают шипы. Не последнюю роль играет степень износа протектора шины – недаром эксплуатация «лысых» покрышек запрещена. Далее следует обратить внимание на качество (используемые материалы, технология изготовления, изношенность) трущихся пар тормозных механизмов, а именно тормозных колодок и дисков (барабанов). Содержание их в ненадлежащем состоянии не позволит интенсивно затормозить, даже если на автомобиле установлены новые «породистые» шины и на улице отличная летняя погода, а действие происходит на автомагистрали. С другой стороны, нет смысла гнаться за дорогущими экзотическими колодками и дисками, предназначенными для настоящих спортивных автомобилей. Их достоинства можно ощутить только в гонках на специальных трассах.
Сцепление протектора шины с поверхностью дороги определяется коэффициентом сцепления. Различают его продольную и поперечную составляющие. С коэффициентом сцепления в продольном направлении связана длина тормозного пути. Естественно, чем он выше, тем раньше остановится автомобиль. А коэффициент сцепления в поперечном направлении отвечает за устойчивость и управляемость. Здесь также – чем больше, тем лучше.
В процессе торможения линейная скорость колеса на радиусе качения всегда меньше скорости автомобиля – колесо проскальзывает. В предельном случае происходит его блокирование – оно просто перестает вращаться и дальше двигается юзом. Величина проскальзывания влияет на обе составляющие коэффициента сцепления, причем на каждую из них по-разному. Таким образом получаются два графика зависимости коэффициента сцепления от проскальзывания колеса. К сожалению, их максимумы не совпадают, т.е. одновременно получить минимальную длину тормозного пути и максимальную управляемость физически невозможно. Поэтому приходится идти на компромисс и подбирать такую область проскальзывания, где автомобиль не только неплохо замедляется, но и продолжает слушаться руля. А торможение юзом очень опасно, так как при этом значение коэффициента сцепления в поперечном направлении минимально, и автомобиль легко срывается в «вальсирование».
Поддерживать проскальзывание колеса в оптимальной области очень сложно и доступно только особо опытным водителям-профессионалам с большим стажем работы, которые великолепно чувствуют автомобиль. А что делать остальным участникам движения? Ответ прост – ездить на транспортных средствах, оснащенных антиблокировочной системой. Задача, которую решает данная замечательная штуковина, как раз и состоит в автоматическом обеспечении оптимального проскальзывания колеса. Кстати, АБС была в числе первых устройств, с которых начиналась большая электронизация автомобилей.
Современные системы недороги (доступны для оснащения бюджетных транспортных средств), компактны и выполняют еще и функцию регулятора тормозных сил.
Развитием АБС стала противобуксовочная система, которая ограничивает буксование ведущих колес при трогании и разгоне. Для этого она самостоятельно посредством насоса с электроприводом создает давление в тормозной камере буксующего колеса (притормаживает его) и выдает команду на контроллер двигателя для снижения подводимого к ведущим колесам крутящего момента. Само собой, при торможении ПБС выполняет антиблокировочную функцию и действует как регулятор тормозных сил. Исходную информацию для своего функционирования (подобно АБС) система получает от датчиков скорости вращения колеса. В настоящее время ПБС практически не применяется, так как уступила свое место системе динамической стабилизации, которой проигрывает по критерию «цена – возможности».
СДС, помимо выполнения всего того, что умели ее предшественницы, компенсирует недостаточную или избыточную поворачиваемость автомобиля при прохождении поворотов, тем самым удерживая его на задаваемой водителем траектории движения. Для решения столь сложной задачи исходную информацию приходится брать еще и с трех дополнительных датчиков: угла поворота руля, скорости вращения автомобиля вокруг вертикальной оси и его поперечного ускорения. На последние версии систем конструкторы «взвалили» ряд вспомогательных функций. Среди них подсушивание тормозных механизмов в дождливую погоду, предотвращение раскачивания прицепа (когда буксируем прицеп-дачу или катер), защиту от опрокидывания (актуально для транспортных средств с высоким центром тяжести, например, джипов) и т.п.
А дальше тормозную систему в качестве исполнительного механизма стали использовать в таких устройствах безопасности, как различные варианты активного круиз-контроля, автоматического экстренного торможения. Найдет она применение и в будущих автомобилях-роботах.
Отдельно следует сказать несколько слов про электрогидравлическую тормозную систему, которую под обозначением Sensotronic Brake Control (SBC) весной 2002 года применили на Mercedes-Benz E-класса. Здесь реализован принцип управления по проводам. Педаль тормоза связана с датчиком ее положения, а сигнал с него поступает на электрогидроагрегат, который создает требуемое давление в тормозных камерах. Это была очень перспективная разработка, однако победоносного шествия по автомобилям других марок (подобно СДС) не произошло. Обычная «гидравлика» очень совершенна, а каких-либо существенных преимуществ перед ней новинка не имела. И тем не менее электрогидравлическая тормозная система остается перспективной, и работы в этом направлении продолжают вестись. Не исключено их широкомасштабное применение на гибридо- и электромобилях, где используется рекуперативное торможение (см. «АБС-авто» № 5/2012).
Тема электронных систем управления тормозами слишком обширна, чтобы осветить ее в одной статье, и поэтому будет продолжена в следующих публикациях нашего журнала.
