Ещё не всё придумали трусы

Автоконструкторы ломают головы не только над тем, как разогнать автомобиль с минимальными затратами, но и как быстро и эффективно его остановить.

Колесо от Porsche 997 Turbo. Перфорированные диски быстрее охлаждаются, торможение в итоге оказывается более эффективным.
Фото (Creative Commons license): Robert S. Donovan

Вовремя остановить разогнавшуюся повозку — задача, может быть, не такая сложная, как заставить её самостоятельно двигаться, но не менее важная. С этой простой истиной на собственном опыте познакомились изобретатели уже самых первых «самобеглых колясок». Причём сложность задачи быстро увеличивалась по мере того, как «коляски» становились всё более проворными и тяжёлыми.

Первые тормоза появились ещё на конных экипажах, но лишь на самых тяжёлых и быстрых. У кучера под рукой находился длинный рычаг, конец которого прижимал колодку к колесу экипажа. Но в большинстве ситуаций, сбавляя ход, справлялись сами лошади.

С проблемой торможения столкнулись и железнодорожники, но их опыт в автомобилестроении был использован не сразу, и потом всё равно пришлось искать свои решения. Автомобиль появился как коляска, оснащённая маленьким бензиновым двигателем. Для остановки лёгкого экипажа не требовалось прилагать больших усилий. Из-за несовершенства тормозных систем в Великобритании с 1865 по 1896 год действовал Закон о красном флаге — об ограничении скорости движения в городах 5 км/ч и сопровождении каждого автомобиля человеком, идущим перед экипажем с красным флагом и периодически сигналящим в горн.

Изначально для передачи усилия от педали тормоза к тормозным колодкам использовались тросы, но вскоре они были заменены стальными рычагами. Пусть и сделанные из металла, тросы всё же немного растягивались, необходимо было их периодически натягивать. Следующим шагом стала установка гидравлического усилителя — тормозного цилиндра. Это система из двух поршней, помещённых в сообщающиеся цилиндры разного диаметра, заполненные тормозной жидкостью. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, соединённую с поршнем меньшего диаметра, он создаёт давление в тормозной магистрали, которое передаётся на поршень большего диаметра, прижимающий тормозную колодку.

Единый подход (или некое подобие стандарта) к качеству и конструкции автомобильных тормозов возник только к середине 1920-х благодаря инженеру Винченцо Ланче (Vincenzo Lancia, 1881–1937). Передовой автомобиль того периода Lancia Lambda после нескольких испытаний был оборудован тормозными механизмами на всех четырёх колёсах. Говорят, что сам основатель марки Ланча после пробной поездки на прототипе с четырьмя тормозящими колёсами принял решение о том, что тормоза на всех колёсах должны стать стандартом. К началу 30-х годов так поступали все автопроизводители.

Винченцо Ланча первым стал устанавливать на своих автомобилях тормозные механизмы на всех четырёх колёсах. До него, как правило, тормозами оборудовалась лишь одна из осей автомобиля: передняя или задняя. Фото: Fiat Group

Барабаны и диски

Самый ранний из ныне используемых тормозных механизмов — барабанный. Это металлический барабан, внутри которого установлены тормозные колодки и прижимающий механизм. При нажатии на педаль прижимающий механизм разводит тормозные колодки в стороны и тем самым прижимает их к тормозному барабану, закреплённому на ступице колеса. Чем больший диаметр тормозного барабана, тем более эффективно работают тормоза. Такие тормозные механизмы достаточно дешёвые. Колодки располагаются внутри барабана, защищающего их от грязи, поэтому такой механизм предпочтительнее для плохих дорог.

Но в то же время защищённость тормозных колодок негативно сказывается на их охлаждении. Из-за трения во время торможения происходит выделение большого количества тепла. При одиночном торможении достичь перегрева и деформации металла тормозного барабана тяжело, но при длительном торможении — например, при спуске с горы — барабанные тормоза очень быстро перегреваются, металл легко деформируется, и тормозные колодки теряют свои фрикционные свойства. Поэтому сегодня барабанные тормоза устанавливают на колёса задней оси, так как в процессе торможения они испытывают меньше нагрузок. В своё время на АвтоВАЗе, испытывая прототипы Жигулей Fiat 124, советские инженеры заменили задние дисковые тормоза на барабанные для лучшей работы на грунтовых дорогах.

Первые дисковые тормозные механизмы появились в конце 1950-х. Состоят они из диска, закреплённого на ступице колеса и вращающегося вместе с ним, тормозных колодок, помещённых по обе стороны диска, и неподвижно закреплённого тормозного суппорта — детали, удерживающей колодки на небольшом расстоянии от поверхности диска и прижимающего их в момент торможения. Это более открытый механизм, он лучше обдувается воздухом и меньше нагревается.

Часто для передних тормозных механизмов устанавливают специальные дефлекторы, направляющие поток воздуха на механизм. Особенно заметны такие «трубы» на внутренней стороне передних колёс автомобилей «Формулы-1». В таком случае тормоза называют вентилируемыми. Иногда тормозные диски изготавливают с желобками, улучшающими охлаждение. Для условий с интенсивными торможениями применяют перфорированные диски. Отверстия в диске ещё больше способствуют охлаждению и увеличивают силу трения, значит, более эффективно замедляют движение автомобиля. На суперкарах встречаются двойные тормозные диски — внешне они кажутся составленными из двух, параллельно расположенных дисков с лопатками для охлаждения между ними. На самом деле такой диск отливается как единое целое. Он очень эффективен, но существенно дороже обыкновенных дисков и очень восприимчив к попаданию воды.

Гонки «12 Hours of Sebring». От частых торможений во время гонок тормоза автомобиля раскалились.
Фото (Creative Commons license): Freewheeling Daredevil

Сегодня дисковые тормоза —  стандартный вариант для легковых автомобилей, впрочем, ряд производителей авто для рынка США устанавливают задние барабанные тормоза. Последний прорыв — керамические тормозные диски, их пока предлагают как опцию для очень быстрых автомобилей, таких как Porsche 911. Иногда их используют на гоночных автомобилях. Но всё-таки чаще для гонок используют дорогие диски из углеволокна.

Добиться более эффективного замедления можно увеличением усилия, с которым тормозные колодки прижимаются к диску, но эта сила ограничена хрупкостью материалов колодок. Поэтому можно увеличить диаметр тормозного диска (но для этого придется установить колёса большего диаметра) или увеличить площадь тормозных колодок. Иногда встречаются тормозные механизмы с двумя суппортами. Но чаще увеличивают площадь колодок и, соответственно, количество поршней, их прижимающих.

Если сами диски существенно усовершенствовались, то с тормозными колодками сегодня ещё предстоит работать. Колодки состоят из металлической основы и фрикционной накладки, которая должна обеспечивать хорошее трение для торможения и при этом истираться, чтобы не допустить износ тормозного диска. Точный состав накладок каждый производитель считает коммерческой тайной. Но известно, что в состав входит асбест. При торможении образуется мельчайшая асбестовая пыль, очень вредная для дыхательных путей и лёгких.

Антиблокировочная система

Как оказалось в середине 70-х годов ХХ века, эффективные тормоза могут сослужить и плохую службу. При слишком сильном нажатии на педаль или на скользком покрытии тормозной механизм срабатывал настолько эффективно, что колесо переставало вращаться. А автомобиль с заблокированными колёсами практически неуправляем. Решение нашли инженеры компании Bosch, предложившие антиблокировочную систему тормозов (ABS). Первая система была чуть проще современных: данные от датчиков вращения со всех четырёх колёс поступали в один канал электронного блока ABS. Как только поступал сигнал о том, что хотя бы одно колесо заблокировалось, блок подавал команду на привод тормозного цилиндра и тот на доли секунды ослаблял давление в тормозной системе, чтобы колёса снова начали вращаться, затем следовало опять усиление давления до тех пор, пока не поступал сигнал о блокировке. В современных антиблокировочных системах транзисторы заменены микропроцессорами, система получает информацию по четырём каналам и управляет давлением в тормозных магистралях не на всех колёсах, а только на заблокированных. Интенсивность её работы — около 30 циклов понижения и повышения давления в секунду. В целом принцип действия сохранился с конца 70-х.

Дальнейшим развитием ABS стала система ESP — электронная программа стабилизации. Компьютер дополнительно к информации от датчиков ABS получает информацию о скорости движения автомобиля, продольном и поперечном ускорении, угле поворота колёс. В случаях, когда действия водителя в повороте (поворот колёс) не дают прогнозных данных от остальных датчиков (то есть, траектория движения не меняется), компьютер рассчитывает необходимые действия для возврата на ранее заданную траекторию. Например, притормаживая в повороте одно из внутренних (по отношению к повороту) колёс, система ESP буквально «заправляет» автомобиль в поворот. Так тормоза уже работают вместе с рулевым механизмом.

Уже в 1970-е результаты автомобилей, оборудованных системой ABS, на тест-драйвах были значительно лучше, чем результаты автомобилей без этой системы. Фото: Robert Bosch GmbH

В ближайшие несколько лет должны начать серийную установку систем bywire, в которой механические связи органов управления заменяются электронными. В частности, тормозная система bywire предполагает, что тормозная педаль не будет связана с гидроцилиндром механически. Специальный датчик будет определять степень нажатия на педаль, сопоставлять с дорожными условиями, скоростью и направлением движения автомобиля, и давать команду сервоприводу развить точно необходимое давление в тормозной системе для самого эффективного замедления.

Ещё модернизируя Peugeot 406, инженеры выяснили, что в экстремальных ситуациях, когда требуется максимальное нажатие на педаль тормоза, большинство водителей (даже на автомобилях с ABS) нажимают недостаточно сильно, опасаясь блокировки колёс. Проанализировав особенности нажатия на тормозную педаль в аварийных ситуациях, инженеры установили датчик, который отслеживает характерный резкий удар по педали. Датчик подаёт сигнал на специальный сервопривод, который очень точно повышает давление в тормозной системе, обеспечивая тем самым максимально эффективное замедление. Сегодня системы экстренного торможения устанавливаются на многих автомобилях разных производителей.

Торможение двигателем

Когда автомобильные двигатели стали достаточно мощными и массивными, водители научились использовать их для снижения скорости. Если достаточно искусно переключиться на передачу ниже и отпустить педаль акселератора, автомобиль будет плавно замедляться. Конечно, для полной остановки такая техника едва ли годится, но при снижении скорости, например, при спуске с горы она доказала свою эффективность. Сегодня за тех, кто не хочет осваивать торможение двигателем, включение более низкой передачи осуществляют автоматические коробки передач. Зачастую, когда водитель едва касается педали тормоза, вместо торможения электроника автоматической коробки передач даёт сигнал к смене передачи. Это даёт плавное замедление, сохранение управляемости автомобиля и даже сохранение ресурса тормозных механизмов. Стоит чуть сильнее нажать на педаль, как включатся тормоза. Но пока электроника оценивает возможности торможения двигателем равными замедлению с использованием тормозов, будут использоваться возможности двигателя.

Переосмыслением идеи торможения двигателем было внедрение систем рекуперации энергии. Одними из первых решившихся серийно использовать энергию замедления автомобиля на серийных автомобилях стили инженеры Toyota. В нынешней модели Lexus RX400h с системами Hybrid Drive задние колеса приводит в движение электромотор. Инженеры решили использовать «торможение электромотором». При замедлении автомобиля электромотор переключается в режим электрогенератора (и электромотор и электрогенератор практически идентичны по своей конструкции). Включившийся электрогенератор создаёт сопротивление вращению задних колёс и тем самым способствует замедлению. Естественно, что всем процессом управляют компьютеры. Именно внедрение компьютеров во многие системы, в том числе и в тормозную, позволило увеличить эффективность работы этих систем.

Блокировки дифференциала

Тормоза могут брать на себя и некоторые функции трансмиссии. Современные паркетные вседорожники не оснащены блокируемыми дифференциалами, которые предотвращают свободное вращение колёс (например, при попадании в яму). На случай, если же владельца «паркетника» застанет бездорожье, тормозная система автомобиля имитирует блокировки дифференциала, подтормаживая буксующее колесо и тем самым перераспределяя крутящий момент на колёса с хорошим сцеплением. Естественно, механические блокировки дифференциала эффективнее, но для большинства ситуаций возможностей тормозной системы вполне достаточно. Также на автомобилях Land Rover Freelander и Discovery 3 тормозная система включена в систему помощи при спуске по крутому склону: электроника поддерживает постоянное положение дросселя акселератора, а удержание скорости в пределах безопасной и корректировка траектории движения при сползании одного из колёс осуществляется подтормаживаением колёс.

Для некоторых автомобилей недостаточно обычной тормозной системы. Они достигают таких скоростей, когда малейшее изменение в аэродинамике автомобиля может существенно замедлить его. Пример такого автомобиля — Mercedes-Benz McLaren SLR. Заднее антикрыло активно, при торможении оно меняет угол атаки и встаёт практически вертикально, тем самым создавая сопротивление движению воздуха. К тому же добавляется нагрузка на задний мост, то есть нагрузка между передними и задними тормозами распределяется равномернее. Фото: Daimler AG

Помимо основной тормозной системы в автомобиле есть ещё одна: стояночная тормозная система, или ручной тормоз. В странах, где ездят в основном на машинах с автоматической коробкой, он больше известен как аварийный тормоз (emergency brake). Устройство этой системы долгое время оставалось неизменным: рычаг в салоне посредством троса связан с задними тормозными колодками. При затягивании рычага колодки прижимаются к диску или барабану. Причем, стояночный тормоз гораздо надежнее фиксировал автомобили с задними барабанными тормозами. Поэтому в 80-е годы инженерами Mercedes-Benz для модели 190 было найдено оригинальное решение для сочетания положительных свойств дисковых тормозов при движении и барабанных при стоянке. Задние тормозные механизмы были и барабанными и дисковыми одновременно: тормозной диск имел такую форму, что в нём размещались колодки барабанного механизма. Барабанный механизм использовался только для стояночного тормоза.

Достаточно редко стояночный тормоз делают на трансмиссионный вал, как в ранних моделях Land Rover. В таком случае колодки зажимают приводной вал и тем самым не дают вращаться колёсам. Современная тенденция — электромеханический стояночный тормоз. Такой, как у Audi A8. Для его включения не требуется с усилием затягивать рычаг. Достаточно нажать кнопку, а электропривод сам натянет рос и прижмет колодки к тормозному диску. На уклонах такой тормоз может автоматически фиксировать автомобиль и помогать при начале движения в гору, не допуская отката назад.

Применение новых материалов и электроники позволяет существенно улучшить тормозную систему автомобилей. И что интересно, тормозная система всё больше интегрируется с рулевой системой, трансмиссией. 

Алексей Коваль, Вокруг света