Введение
На многие факторы, обеспечивающие торможение автомобиля и его остановку, действуют обычные законы физики. Знание этих основных естественных законов поможет вам понять принципы действия тормозов и ограничения, которые они налагают на их работу.
В этой главе большое внимание уделяется предельной мощности тормоза, которая оказывается необходимой при торможении в экстренных ситуациях. Конечно, с такими ситуациями водителям приходится сталкиваться редко, но тормозная система их автомобилей должна к ним быть готова.
Торможение
Тормозная система останавливает автомобиль путем снижения его скорости до тех пор, пока она не станет равна нулю. Торможение противоположно ускорению, которое является процессом увеличения скорости. Стандартное обозначение ускорения или замедления — g. Сила тяжести заставляет падать брошенный предмет. Во время падения его скорость увеличивается за одну секунду на 9,8 м/с. Предмет продолжает увеличивать свою скорость на таком уровне каждую секунду до тех пор, пока не упадет на землю или аэродинамическое сопротивление не помешает ему продолжить увеличение своей скорости.
Уменьшение скорости движения или замедление, равное величине 9,8 м/с, принимается за единицу замедления при торможении, равную 1 g. Обычный легковой автомобиль может останавливаться без проблем при скорости замедления, находящейся в пределах от 0,6 до 0,8 g (от 5,88 до 7,85 м/с соответственно). В среднем легковой автомобиль останавливается таким образом, что замедление не превышает 0,2 g (1,96 м/с). Если скорость замедления достигает большей величины, то во время торможения большинство водителей испытывают дискомфорт. Предмет весом в 100 кг испытывает давление сзади, равное 20 кг при скорости замедления 0,2 g, 50 кг — при скорости замедления 0,5 g. Замедление, равное 1 g, оказывает довольно сильную нагрузку на ремни, и любой незакрепленный предмет летит вперед по инерции во время остановки по направлению движения автомобиля.
Если замедление автомобиля, движущегося со скоростью 100 км/ч, равно 0,5 g, то его движение будет замедляться каждую секунду на 17.6 км/ч. Через односекундный интервал скорость движения автомобиля будет равняться 82,4; 64,8; 47,2; 29,6 и так далее до полной остановки.
Во время торможения скорость автомобиля уменьшается в зависимости от ускорения замедления. Из этого можно сделать вывод, что чем выше ускорение замедления, тем меньше тормозной путь и время, затрачиваемое на остановку автомобиля.
При проверке тормозов часто используется термин коэффициент эффективности тормозной системы, который характеризует способность тормозной системы останавливать автомобиль. Коэффициент эффективности тормозов определяется соотношением их мощности и веса автомобиля. Чтобы коэффициент эффективности тормоза был 100%, его тормозная мощность должна равняться весу автомобиля при скорости замедления в 1 g. Если мощность тормоза — 60% от веса автомобиля, то его коэффициент эффективности равен 60% при скорости замедления в 0,6 g. На коэффициент эффективности тормоза, как и на замедление, влияют состояние дорожного покрытия, покрышек и самого тормоза.
Трение и тепловая энергия
Самый простой способ остановить автомобиль — это преобразовать содержащуюся в нем кинетическую энергию в тепловую. Теплота — один из самых распространенных и универсальных видов энергии. Это преобразование происходит обычно тогда, когда в автомобиле выключают двигатель. Трение вращающихся валов и колесных подшипников, трение гибких боков шин и протекторов покрышек, а также трение молекул воздуха об автомобиль и шасси тоже все вместе вырабатывает немного тепловой энергии. По мере того, как кинетическая энергия превращается в тепловую, автомобиль постепенно замедляет свой ход и, наконец, останавливается. Однако автомобиль с подшипниками и покрышками хорошего качества и формой, значительно облегчающей его сопротивление потокам воздуха, может катиться по инерции очень долго, пока не израсходует всю свою кинетическую энергию.
Мы пользуемся тормозами тогда, когда нам надо остановить машину быстро и на короткой дистанции. Обычные тормозные механизмы тормозной системы — это устройства, вырабатывающие тепловую энергию. Они генерируют теплоту, получаемую от трения тормозных накладок о вращающийся диск или барабан. Путем трения можно образовывать огромное количество тепловой энергии.
Тепловая энергия
Тепловая энергия измеряется по интенсивности и количеству. Интенсивность тепловой энергии — это то тепло, которое мы ощущаем; оно измеряется в градусах.
Количество теплоты — это то количество теплоты какого-либо предмета или пространства, или то количество, которое данный предмет может поглотить или выделить.
Теплота может передаваться от одного объекта к другому, более холодному. Этот объект может иметь твердую, жидкую или газообразную форму, но он в любом случае должен быть более холодным. Теплота всегда передается от более горячего объекта к более холодному. По мере получения тепловой энергии более холодный объект нагревается, а более горячий, сообщивший ему эту энергию, охлаждается.
Теплота, накапливающаяся в тормозных накладках и барабане или диске, переходит от них в струи более холодного воздуха, проходящие сквозь них (рис. 2.1). Температура тормозных механизмов повышается после каждого торможения. Степень повышения температуры зависит от скорости и веса автомобиля, резкости торможения и массы тормозных механизмов, особенно барабана или диска.
Рисунок 2.1. Накапливание теплоты в тормозном механизме и последующая передача ее воздуху и другим деталям
Раньше температура тормозных механизмов в легковых автомобилях не поднималась очень высоко: она составляла примерно 120°С во время обычного торможения и 175°С — во время экстренного. В современных, более легких автомобилях, тормозные механизмы стали меньше и легче, поэтому теплота во время торможения в них стала накапливаться сильнее. Во время спокойного торможения температура тормозных механизмов в современном переднеприводном автомобиле составляет примерно 177°С, а во время экстренного торможения колеблется от 175°С до 425°С. Тормозные механизмы современных тормозных систем должны работать в условиях гораздо более высоких температур, чем тормозные механизмы автомобилей прошлых лет выпуска.
Трение колодочных накладок
Трение — это сопротивление, которое возникает во время соприкосновения двух поверхностей при их перемещении относительно друг друга. Во время трения возникает теплота. Тормозные накладки предназначены для того, чтобы во время трения о барабан или диск производить теплоту’. Количество выработанной теплоты определяется коэффициентом трения между колодочными накладками ja диском или барабаном, силой их давления друг на друга, а также их скоростью движения относительно друг друга.
Тормозная накладка должна иметь высокий коэффициент трения во время соприкосновения с барабаном или диском в различных условиях: при самой низкой температуре (зимой, в мороз, в начале торможения) и при самой высокой температуре: (летом, в жару, в конце процесса торможения при резкой остановке автомобиля, движущегося на высокой скорости). В то же время, износ поверхности барабана или диска, соприкасающейся с тормозными накладками, должен быть минимальным.
Коэффициент трения тормозных накладок большинства легковых автомобилей равен примерно 0,3 единицы. Данный коэффициент трения позволяет тормозить с такой силой, чтобы машина не потеряла управления. Если коэффициент трения слишком низок, то тормозные накладки будут генерировать недостаточно тепловой энергии для нормального торможения. В результате педаль тормоза будет слишком «жесткой», а мощность тормозов — слабой. Если коэффициент трения слишком высок, тормоза будут очень легко блокироваться и станут слабоуправляемыми, а машину' будет часто заносить.
Коэффициент трения некоторых накладок меняется в зависимости от степени их нагрева. Коэффициент трения некачественных фрикционных накладок при нагревании снижается и они тем самым утрачивают свои свойства:
мощность тормозов снижается, когда на них оказывается большая нагрузка. У других накладок, наоборот, коэффициент трения повышается, что также говорит об их низком качестве, поскольку в результате этого во время резкой остановки, тормоза будут легко блокироваться. Коэффициент трения высококачественных фрикционных материалов меняется очень незначительно вне зависимости о того, нагрелись они или охладились.