Главный цилиндр тормозной цилиндр. При двухконтурном раздельном приводе главный тормозной цилиндр (рис. 13.2) выполнен с двумя подвижными поршнями типа «тандем», устанавливаемыми в сочетании с вакуумным усилителем.
Тормозной цилиндр большинства автомобилей состоит из следующих элементов:
- корпус;
- резервуар (бачок) для тормозной жидкости;
- поршни с толкателями;
- уплотнительные манжеты;
- возвратные пружины.
Резервуар для жидкости может быть установлен как непосредственно на главном тормозном цилиндре, так и в любом другом удобном месте. Резервуар служит для подпитки гидравлических систем тормозной жидкостью в случае ее частичной потери вследствие износа манжет или испарения. Кроме того, в резервуаре устанавливается датчик, следящий за уровнем тормозной жидкости.
В корпусе тормозного цилиндра располагаются поршни 27 и 33, каждый для отдельного контура, с резиновыми уплотнительными манжетами 35 и возвратные пружины 26 и 32. Полости цилиндра наполняются тормозной жидкостью через перепускные и компенсационные отверстия. Поршни, имеющие сквозные отверстия 29, которые закрываются уплотнительными манжетами, предназначены для создания необходимого давления тормозной жидкости в контурах системы. Возвратные пружины обеспечивают соответственно возврат и удержание в исходном положении поршней при отсутствии воздействий на педаль тормоза.
У главного цилиндра две отдельные камеры сжатия, соединенные с независимыми гидравлическими контурами А и Б. В бачке 23 главного цилиндра внутренняя полость разделена перегородкой на два отсека. Каждый отсек питает одну из камер главного цилиндра. Чтобы исключить случаи повышенного давления из-за температурного расширения жидкости в тормозных контурах, каждая камера сообщается с питательным бачком через компенсационное отверстие 36.
Для замедления автомобиля, водитель осуществляет нажатие на педаль тормоза, которая передает усилие через шток усилителя на поршень 33 (рис. 13.3), а) первого контура главного цилиндра. Поршень первого контура, перемещаясь вперед, перекрывает компенсационное 34 и перепускное 36 отверстия и начинает создавать перед собой давление тормозной жидкости. Образовавшееся давление воздействует на рабочие цилиндры первого контура и перемещает поршень второго контура, который также перекрывает такие же отверстия и создает давление во втором контуре системы. Таким образом, при дальнейшем воздействии на педаль, поршни создают давление в обоих контурах, что создает давление в рабочих цилиндрах и обеспечивает торможение автомобиля, так как колодки под действием усилия поршней цилиндров будут прижиматься к барабану или тормозному диску (рис. 13.3, б). Полости за первым и вторым поршнем при их перемещениях заполняются тормозной жидкостью из резервуара через компенсационное 34 и перепускное 36 отверстия, что в свою очередь исключает завоздушивание и отказ тормозной системы.
27, 33 — поршни второй и первой камер; 28 — уплотнительная манжета поршня; 29 — отверстия в поршне; 34 — компенсационное отверстие; 36 – перепускное отверстие; а – начало нажатия тормозной педали; б – конец нажатия тормозной педали; в – начало отпускание тормозной педали; г – конец отпускание тормозной педали
При отпускании педали тормоза колеса растормаживаются. Поршни при этом возвращаются в исходное положение за счет снижения давления и сил возвратных пружин (рис. 13.3, в). Но, поскольку тормозная жидкость возвращается от колесных цилиндров не мгновенно, давление в главном цилиндре быстро падает (возникает вакуум). В результате этого тормозная жидкость из бачка начинает поступать в главный цилиндр через компенсационное 34 и перепускное 36 отверстия из бачка, многочисленные отверстия в торце поршня и по периферии уплотнительной манжеты поршня. После возврата поршня в исходное положение тормозная жидкость, которая постепенно поступает от колесных цилиндров в главный, попадает в бачок через компенсационное и перепускное отверстия (рис., в). Эти отверстия также уравнивают колебания объемов тормозной жидкости, которые могут возникнуть в главном цилиндре при изменении температуры, что предотвращает повышение давления в гидроприводе при отпущенной педали тормоза.
При потере герметичности одного из контуров, второй будет работать с немного меньшей, но достаточной эффективностью. Например, при выходе из строя первого контура, толкатель вакуумного усилителя не встретив сопротивления, переместит первый поршень до контакта со вторым, который при перемещении создаст давление во втором контуре. При этом ход тормозной педали увеличится за счет отсутствия сопротивления в первом контуре.
В случае потери герметичности во втором контуре, толкатель вакуумного усилителя будет перемещать оба поршня до тех пор, пока поршень второго цилиндра не достигнет торцевой части корпуса цилиндра. После этого в первом контуре будет создано давление, которое приведет в действие рабочие тормозные цилиндры первого контура. В этом случае ход тормозной педали также увеличится, за счет «холостого» хода второго поршня. Однако, несмотря на увеличение хода, при условии правильной регулировки механизма, тормозная система обеспечит эффективное замедление автомобиля.
Регулятор тормозных сил, применяемый в тормозных системах без электронного регулирования предназначен для получения оптимального соотношение тормозных сил на передних и задних колесах автомобиля, что сокращает тормозной путь за счет предотвращения преждевременной блокировки задних колес во время экстренного торможения (во время которого происходит резкое перераспределение массы в сторону передней части автомобиля).Регулятор может быть одинарным или двойным и устанавливается между главным тормозным цилиндром и колесными цилиндрами заднего моста.
Схема регулятора и принципа его работы показана на рис. 13.4.
В начале торможения тормозная жидкость под давлением поступает от главного цилиндра в зазор между поршнем и чашкой цилиндра (рис. 13.4, а) в результате чего к колесным цилиндрам переднего и заднего мостов подается одинаковое давление. В этом режиме сила, перемещающая поршень влево, обусловлена разностью площадей поперечного сечения его частей, однако, поршень не в состоянии преодолеть силу пружины и далее остается неподвижным. При возрастании давления (рис. 13.4), действующего в тормозных цилиндрах задних колес, давление, вызывающее перемещение поршня влево, преодолевает силу пружины, обусловливающее движение поршня влево, и закрывает доступ тормозной жидкости к задним колесам. При дальнейшем росте давления тормозной жидкости, поступающей от главного цилиндра, поршень перемещается вправо и открывает доступ жидкости к задним колесам. При этом давление в заднем контуре тормозного гидропривода возрастает, как и давление, перемещающее поршень влево. Поэтому до того, как давление в задних тормозных колесных цилиндрах сильно возрастет,
поршень переместится влево и перекроет доступ тормозной жидкости к задним колесам. Этот процесс повторяется в целях поддержания давления в заднем гидроприводе на уровне, не большем, чем в переднем гидроприводе.
При отпускании педали тормоза давление в главном цилиндре падает и жидкость из заднего контура проходит снаружи чашки и возвращается к главному цилиндру.
Для уменьшения усилия, прикладываемого к тормозной педали, при торможении автомобиля применяют гидровакуумные усилители (рис. 13.2), использующие энергию разряжения во впускном трубопроводе работающего двигателя и создающие дополнительное давление в системе. Установленный между механизмом педали и главным цилиндром тормоза вакуумный усилитель дополнительно давит на шток 18 от поршня главного цилиндра пропорционально усилию от педали. Корпус вакуумного усилителя, состоящий из основания 4 и крышки 1, соединенных между собой соединительным кольцом 2, разделен на две камеры поршнем диафрагменного типа, собранным из стальных секторов 7, уплотненных резиновой диафрагмой 3. На крышке корпуса установлен обратный клапан 21, который соединяет полость под крышкой со шлангом, идущим к всасывающей трубе двигателя и препятствующий попаданию бензиновой смеси в вакуумный усилитель. Обратный клапан удерживает разряжение в усилителе при падении разряжения во всасывающей трубе двигателя.
В передней камере, снабженной обратным клапаном, поддерживается постоянное разряжение. Степень разряжения в задней камере регулируется клапанным механизмом, состоящим из кольцевых выступов на торце корпуса 10 поршня и центрального резинового клапана 8. Секторы 7 благодаря усилию со стороны корпуса поршня и давлению воздуха на диафрагму со стороны второй камеры поворачиваются вокруг опорной тарелки 6, воздействуя на центральный клапан. Опорная тарелка воспринимает усилие поршня и через шток 18 передает его на поршень 33 первой камеры главного цилиндра.
Взаимное положение деталей клапанного механизма определяется положением регулировочного винта 14, с помощью которого регулируется момент перекрытия каналов, соединяющих обе камеры.
Совместная работа вакуумного усилителя с главным тормозным цилиндром осуществляется следующим образом (рис. 13.5).
Когда педаль тормоза отпущена, толкатель 5вакуумного усилителя вместе с корпусом управляющего клапана и штока усилием пружины 2 отжаты в крайнее (исходное) положение. В это время доступ наружного воздуха в полость камеры переменного давления 6перекрыт. При этом камера постоянного давления 1 через каналы сообщается с камерой переменного давления 6 давления. Камера 1 соединена с вакуумным трубопроводом, внутри которого вмонтирован клапан, предотвращающий попадание горючей смеси в камеры.
Во время работы двигателя в обеих полостях усилителя создается разряжение. Поршни в главном тормозном цилиндре под воздействием возвратных пружин также находятся в крайнем правом положении.
При нажатии на педаль тормоза, толкатель 2 перемещает центральный клапан 4 до упора в седло корпуса клапана. При перекрытии седла полости 1 и 6разобщаются. При дальнейшем перемещении клапана в полость соединяется с атмосферой. Наружный воздух поступает в полость 6через фильтр в зазор между толкателем и клапаном. Под действием разности давлений в полостях 1и 6диафрагма 3 вместе с корпусом клапана перемещается влево, усиливая давление на шток главного тормозного цилиндра, что способствует уменьшению усилия, прилагаемого водителем к тормозной педали.
Кроме рассмотренного усилителя могут применяться усилители тандемного типа (рис. 13.6). Такой усилитель снабжен двумя вакуумными камерами, установленными друг за другом, что позволяет получить больший коэффициент усиления без увеличения размеров поршня усилителя.
Активный усилитель тормозной системы может устанавливаться в отдельных системах ESP. Наряду с обычной своей задачей увеличения усилия, которое прикладывается к тормозной педали, за счет разрежения, создаваемого впускным коллектором или вакуумным насосом, усилитель тормозной системы создаёт предварительное давление, необходимое для работы ESP.
Когда возникает необходимость в срабатывании системы ESP, по сигналу блока управления катушка электромагнита 3 (рис. 13.7) сдвигает вперёд металлический сердечник 4 и открывает клапаны внутри клапанного узла. При этом, как при нажатии педали тормоза, в камере 1 из-за возникшего сообщения с атмосферой увеличивается давление (в камере 2 по-прежнему разрежение), при этом усилитель создаёт в тормозной системе контролируемое двумя датчиками давление.
Потребность в предварительном давлении вызвана тем, что насосу обратной подачи ABS не всегда хватает мощности для нагнетания требуемого давления по причине высокой вязкости тормозной жидкости при низких температурах. Кроме этого, усилие нажатия на шток главного тормозного цилиндра увеличивается при распознавании ситуации экстренного торможения по скорости нажатия педали тормоза (система помощи при экстренном торможении).Скорость нажатия на педаль тормоза фиксирует датчик скорости перемещения штока вакуумного усилителя и передает сигнал в электронный блок управления. Если величина сигнала превышает установленное значение, электронный блок управления активирует электромагнит привода штока.
Колесные тормозные механизмы. Колесные тормозные механизмы с учетом массы автомобиля, приходящейся на переднюю и заднюю оси для обеспечения эффективного торможения, выполняют двух типов: барабанные и дисковые (рис. 13.8).
В настоящее время на передних колесах легковых автомобилей устанавливают дисковые тормозные механизмы. По сравнению с барабанными они обладают более высокой эффективностью. Поскольку на передние колеса автомобиля при торможении приходится более значительная часть тормозных сил, оснащение передних колес дисковыми тормозными механизмами улучшает эксплуатационные свойства автомобиля. Различают механизмы с плавающей скобой и неподвижной скобой. Дисковый тормозной механизм с плавающей скобой показан на рис.13.8, а. Скоба образуется суппортом 3 и колесным цилиндром 5, которые стянуты болтами. Подвижная скоба крепится болтами к пальцам 9, которые установлены в отверстиях направляющей колодок. В эти отверстия закладывается смазка, между пальцами и направляющей колодок установлены резиновые чехлы 8. К пазам направляющей поджаты пружинами тормозные колодки 4, внутренняя колодка имеет сигнализатор износа накладки.
В полости цилиндра 5 установлен поршень 6 с уплотнительным кольцом 7. За счет упругости этого кольца поддерживается оптимальный зазор между колодками и диском.
При отсутствии давления тормозной жидкости в конструкции механизма с плавающей скобой между диском 3 и колодками 2 имеется зазор и диск вращается свободно (рис 13.9, а). В процесс торможения поршень 4 (рис. 13.9, б) нажимает на колодку 2 и прижимает ее к диску притормаживая его, а по окончании данной фазы плавающая скоба 1 начинает сдвигаться в сторону поршня, скользя по направляющим. За счет этого к поверхности диска прижимается еще одна колодка 2 и диск колеса тормозится.
Конструкция тормозного механизма с неподвижной скобой состоит из двух цилиндров 5 по бокам тормозного диска 3 (рис. 13.9, в). Корпус конструкции фиксируется на кулаке. Как только водитель нажимает педаль тормоза, колодки 2, за счет воздействия на них поршней 4, фиксируют диск 3 с двух сторон. В разведённом состоянии их удерживают пружины. Они отличаются необычной формой. Подобные системы устанавливают на автомобили с большим весом.
Барабанный тормозной механизм с гидравлическим приводом (рис. 13.9, б) состоит из двух колодок с фрикционными накладками, установленных на опорном диске. Нижние концы колодок закреплены шарнирно на опорах, а верхние упираются через стальные сухари в поршни разжимного колесного цилиндра. Стяжная пружина прижимает колодки к поршням цилиндра, обеспечивая зазор 7 между колодками и тормозным барабаном в нерабочем положении тормоза.
При поступлении жидкости из привода в колесный цилиндр 5 (рис. 13.9, г) его поршни 4 расходятся и раздвигают колодки 2 до соприкосновения с тормозным барабаном 6, который вращается вместе со ступицей колеса. Возникающая сила трения колодок о барабан вызывает затормаживание колеса. После прекращения давления жидкости на поршни колесного цилиндра стяжная пружина 8 возвращает колодки в исходное положение и торможение прекращается.
Диски колес автомобилей подразделяются на: невентилируемые, вентилируемые, с барабаном (рис. 13.10).
Невентилируемые диски представляют собой сплошные металлические диски. Вентилируемые диски содержат внутреннюю полость, выполненную для эффективного отвода тепла. Диски с барабаном предназначены для установки в барабане стояночного тормоза.
В современных автомобилях все большее распространение находят армированные волокном композитные материалы, вместо металлических, так как они имеют высокую прочность при малом удельном весе, высокую термостойкость и износостойкость. Учитывая эти свойства, такие материалы применяются для изготовления тормозных дисков и колодок.
В качестве материала для изготовления тормозных дисков композитный материал (керамика) типа C/SiC (углерод-карбид кремния) имеет следующие существенные преимущества по сравнению с используемыми обычно металлами, например, серым чугуном:
малая масса конструктивных элементов и тем самым уменьшение неподрессоренных и вращающихся масс (уменьшение массы составляет примерно 50% на колесо);
высокая износостойкость — почти в четыре раза больший срок службы по сравнению с обычными тормозными дисками;
намного более высокая стойкость к резким перепадам температуры, благодаря этому практически отсутствуют геометрические деформации тормозных дисков при изменении температуры;
высокая термостойкость и благодаря этому значительно меньшее снижение коэффициента трения между тормозным диском и колодками при увеличении температуры.
Керамикой типа C/SiC называют армированный углеродным волокном карбид кремния. Карбид кремния по своим свойствам схож с алмазом, то есть он имеет очень высокую твёрдость и благодаря этому очень высокую износостойкость, очень хорошую химическую и термическую прочность. Чтобы иметь возможность использовать этот прочный, но хрупкий материал для тормозных дисков, в матрицу карбида кремния для усиления добавляется углеродное волокно. Этим достигается более высокая вязкость разрушения и благодаря псевдопластичному поведению материала получают более устойчивые к повреждениям детали и узлы.
Керамический тормозной диск имеет с обеих сторон фрикционные слои 2 (рис. 13.11), свойства которых определяют трибологические характеристики тормозной системы. Эти фрикционные поверхности имеют несколько иной химический состав, чем скрытый под ним материал 1 несущей части, которая отвечает за прочность узла и восприятие энергии торможения. Материал типа C/SiC тормозного диска в основном включает в себя три компонента. Несущая часть состоит из карбида кремния и свободного кремния, армирование производится за счёт расположенных в ней углеродных волокон. Во фрикционном слое доля керамики из карбида кремния намного выше, чем в несущей части, для обеспечения надлежащей твёрдости и износостойкости поверхности.
Керамические тормозные диски (рис. 13.12) вентилируются изнутри через специально разработанные каналы для реализации оптимального охлаждения при торможении.
Диск связан с металлической ступицей 7 с помощью соединительных элементов 1. Ступица тормозного диска и соединительные элементы изготовлены из коррозионностойкого металлического сплава. Во фрикционном диске 6 прорезаются перфорационные отверстия и каналы охлаждения.
В автомобилях с керамическими тормозными дисками используются тормозные колодки из органических композитных материалов. Для изготовления таких колодок в состав, из которого они изготовлены, добавляют больше цветных металлов, чем в состав для обычных колодок, что позволяет реализовать более высокие температуры торможения.