Тормозное управление

Глава 10.

ТОРМОЗНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

 

                1. Назначение тормозного управления

Тормозное управление автомобиля предназначено для выполнения двух родственных функций:

- торможения  автомобиля с задаваемой водителем интенсивностью с целью снижения скорости или поддержания ее в заданных пределах;

- удержания автомобиля в остановленном состоянии.

Процесс торможения движущегося автомобиля заключается  в создании искусственного сопротивления  этому движению. Обычно (за исключением  рекордных автомобилей, для торможения которых могут использоваться парашютные системы) уменьшение скорости автомобиля вплоть до его полной остановки осуществляется путем создания реактивных тормозных сил в контакте колес с дорогой, направленных в сторону, противоположную движению. Тормозные силы создаются и для удерживания автомобиля на месте. В свою очередь, возникновение тормозной силы достигается за счет торможения колеса специальным, обычно фрикционным, устройством - тормозным механизмом. Именно в тормозных механизмах в большинстве случаев торможения автомобиля происходит поглощение энергии.

Наиболее  высокая эффективность требуется  от тормозного управления при экстренных торможениях (экстренным называется торможение с целью максимально быстрого уменьшения скорости). Именно на такие режимы должно быть рассчитано тормозное управление, хотя они составляют не более 1—3% от общего числа включений тормозов и тем реже встречаются, чем выше квалификация водителя.

 

2. Требования к тормозным  управлениям

Моментом  начала торможения при анализе работы тормозного управления считается начало воздействия водителем на орган управления (нажатие на педаль). Снижение скорости автомобиля при этом начинается с некоторым запаздыванием, поскольку требуется некоторое время, в течение которого тормозная сила увеличивается от нуля до необходимой величины.

 

 

Рис. 1. Силы, действующие на автомобиль при его торможении.

Это время  в зависимости от типа автомобильного транспортного средства и его тормозного управления может составлять от 0,15 до 1,5 секунды. На рис. 1 показано, как возникшие по истечении этого времени тормозные силы R_τ1 и R_τ2 , направленные против силы инерции P_J и составляющей веса автомобиля G_a·sinα, препятствуют движению автомобиля (приводя к снижению его скорости или полной его остановке).

Составляющая  веса (скатывающая сила) в зависимости от знака и величины угла α может быть положительна, равна нулю или отрицательна, а сила инерции равна нулю при удержании автомобиля на месте и при равномерном движении.

Очевидно, что  для получения больших замедлений нужны большие силы R_τ, для чего к колесам со стороны тормозных механизмов нужно подводить большие тормозные моменты М_τ. Однако величина R_τ зависит не только от величины тормозного момента, но и от условий сцепления колес с дорогой. Эти условия характеризуются силами сцепления, равными произведениям нормальных реакций на коэффициент сцепления, зависящий от типа и состояния дорожной поверхности и характеристик шин. На каждом колесе сила R_τ может изменяться в широких пределах, но не может превысить силы сцепления. Если же сила R_τ становится равной силе сцепления, то колесо прекращает вращение (блокируется или, как говорят, движется юзом), что отрицательно сказывается на устойчивости и управляемости движения.

Перечисленные обстоятельства требуют точного  дозирования тормозных моментов для обеспечения наиболее эффективного в конкретных условиях процесса торможения автомобиля. Однако дело осложняется тем, что переменной является не только величина коэффициента сцепления колес с дорогой, но и вертикальная реакция R_z , действующая на каждое из колес.

Из рис. 1 видно, что сила инерции P_J и составляющая веса G_a·sinα приложены в центре масс автомобиля, а уравновешивающие их силы R_τ - в плоскости дороги. Вследствие наличия плеча h_g при движении автомобиля на подъеме или на спуске, а также при торможении или разгоне происходит перераспределение нормальных реакций R_z1 и R_z2. В общем случае соотношение этих реакций зависит от координат центра масс автомобиля, величины его колесной базы, угла продольного наклона дороги, продольного замедления и от других факторов.

Таким образом, нормальная реакция колес, то есть та сила, которая при прочих равных условиях определяет максимально возможную  тормозную силу, является функцией многих величин, из которых почти все переменны. Так, масса автомобиля и координаты центра масс изменяются при загрузке и разгрузке, вызывая так называемое статическое изменение нормальных реакций колес, а угол продольного уклона дороги и замедление автомобиля, непрерывно изменяющиеся в процессе движения, приводят к дополнительному динамическому перераспределению этих реакций.

При постоянном соотношении эффективности тормозных  механизмов передних и задних колес только в частном случае может быть обеспечена наивысшая эффективность тормозного управления. При изменении условий будет происходить опережающая блокировка каких-либо (передних или задних) колес, тогда как возможности реализации тормозных сил на других колесах не будут полностью использованы. В этих условиях не удастся получить наибольшее возможное для данных условий движения замедление, при этом случай блокировки задних колес на скользкой дороге наиболее опасен, так как это может вызвать прогрессирующий занос автомобиля.

Поворот автомобиля вокруг вертикальной оси и уход с  заданной полосы движения возможен и  при меньших, чем предельные, тормозных силах. Например, так бывает при неодновременном срабатывании механизмов или при большой разнице действующих на правом и левом бортах тормозных сил. Потеря устойчивости движения может произойти при неправильной работе тормозных механизмов или, что бывает чаще, различии коэффициентов сцепления справа и слева, например, при попадании правых колес на замерзшую лужу около бордюра.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

Важно также  иметь возможность получения  больших замедлений в течение всего времени длительного торможения или во время нескольких, следующих друг за другом энергичных торможений. На таких режимах тормозной механизм сильно нагревается, переводя в тепло кинетическую (или потенциальную при торможении на спуске) энергию автомобиля, что влечет за собой падение коэффициента трения и снижение тормозного момента. Подобное положение отрицательно сказывается как на величине тормозного пути, так и на устойчивости автомобиля при торможении из-за часто имеющего место неодинакового изменения коэффициента трения в тормозных механизмах правого и левого бортов автомобиля. В связи с изложенным, а также исходя из некоторых других очевидных положений, к тормозному управлению автомобилей предъявляются следующие основные требования:

1. Высокая эффективность. Она оценивается расстоянием, пройденным автомобилем за время торможения (тормозным путем), и обеспечивается небольшим временем срабатывания тормозного управления, достаточной величиной тормозных моментов и правильным распределением тормозных сил между передними и задними колесами.

2. Обеспечение устойчивости автомобиля при торможении. Это достигается, в частности, за счет синхронности срабатывания тормозных механизмов и равенства тормозных сил по бортам автомобиля.

3. Высокая стабильность тормозных моментов, обеспечивающая выполнение предыдущих требований. Для реализации этого требования необходимо, в частности, обеспечить хороший отвод теплоты от поверхностей трения тормозных механизмов.

4. Обеспечение пропорциональности между управляющим усилием водителя и тормозным эффектом на всех режимах торможения и растормаживания. Это требование часто определяют термином «следящее действие».

5. Удобство управления. В частности, по действующим нормам расчетное замедление автомобиля должно обеспечиваться при усилии водителя на педаль, не превышающем 500 Н для легковых и 700 Н для грузовых автомобилей.

6. Повышенная надежность. Так как тормозное управление играет определяющую роль в обеспечении активной безопасности транспортного средства, должно быть гарантировано сохранение работоспособности ряда его элементов в течение всего срока службы автомобиля, независимо от условий эксплуатации.

3. Структура тормозных  управлений

Тормозной системой автомобиля называется совокупность устройств, предназначенных для осуществления того или иного вида торможения. Для выполнения тормозным управлением указанных выше требований автомобиль должен иметь несколько тормозных систем, а именно:

- рабочую тормозную систему;

- стояночную тормозную систему;

- запасную тормозную систему;

- вспомогательную тормозную систему.

Назначение  первых двух систем очевидно. Запасная тормозная система служит для остановки автомобиля в случае отказа рабочей тормозной системы. С целью упрощения конструкции отдельная (автономная) запасная система практически не применяется. Обычно ее роль выполняют оставшиеся исправными части рабочей системы или специальным образом спроектированная стояночная система. Часто на больших автомобилях для повышения надежности используют одновременно оба указанных технических решения.

Вспомогательная тормозная система предназначена  для длительного поддержания  постоянной скорости, в основном на затяжных спусках. Используемые в остальных тормозных системах фрикционные тормозные механизмы способны создавать большие тормозные моменты, однако при длительной работе перегреваются и резко снижают свою эффективность. Поэтому на некоторых типах автомобилей для поддержания безопасной скорости на длинных спусках приходится применять вспомогательные механизмы, так называемые тормоза-замедлители, обычно гидравлические или электрические. Обычно тормозом-замедлителем оснащены автобусы с полной массой свыше 5 т и грузовые автомобили с полной массой свыше 12 т.

С точки зрения их структуры в тормозных системах можно выделить:

- источник (преобразователь) энергии,

- тормозной  привод,

- исполнительные элементы,

- тормозные механизмы.

Источником  энергии, обеспечивающим работу тормозной системы, называется совокупность устройств, вырабатывающих или преобразующих эту энергию. Компрессор или гидронасос, создающие давление рабочего тела (воздуха или жидкости), можно считать источниками энергии условно, поскольку они преобразуют механическую энергию автомобильного двигателя. На автомобилях, имеющих малую массу, для торможения используется мускульная энергия водителя. В других случаях возможно комбинированное использование мускульной энергии и энергии двигателя, например, за счет разрежения во впускном коллекторе двигателя, позволяющего применять вакуумные усилители.

Функциями тормозного привода являются передача энергии от источника к исполнительным элементам, ее дозирование для обеспечения торможения с необходимой интенсивностью и правильное распределение энергии между тормозными механизмами разных колес. Тормозные приводы различают по виду используемой в них энергии:

- механические,

- гидравлические,

- пневматические,

- гидропневматические,

- электропневматические.

Исполнительными элементами привода называются устройства, преобразующие давление используемого в приводе рабочего тела в приводную силу, предназначенную для приведения в действие тормозных механизмов.