Остановка по требованию

Устройство тормозной системы. Часть 1

Обычно, меряясь… мотоциклами, райдеры кидаются друг в друга количеством лошадиных сил, величиной крутящего момента, эксклюзивностью компонентов шасси. В этом разговоре, чаще всего, характеристики тормозной системы не упоминаются вообще, в крайнем случае, говорят: «а у меня Brembo», как будто это что-то объясняет. А зря, ведь тормоза являются очень важной частью байка. Недостаточно иметь мощный двигатель – нужно еще и иметь возможность его «осадить». О том, как устроены тормоза, мы сегодня и поговорим.

Тормозные азы

Давайте, как обычно, начнем с общих вещей. Любая тормозная система служит для замедления движущегося объекта при помощи трения, при этом происходит преобразование кинетической энергии подвижных частей в тепло (если приукрасить – то в натуральный жар, в зависимости от силы торможения). В случае с мотоциклами, трение достигается путем прижатия тормозной колодки к диску. Тормозные системы большей части современный байков используют дисковые тормоза, барабанные системы иногда используются в качестве заднего тормоза на среднеобъемных круизерах и недорогих малокубатурных байках. Привод тормозов может быть механическим или гидравлическим (подробнее об этом чуть ниже).

Прежде чем разбираться с устройством тормозной системы, нужно уяснить несколько важных теоретических понятий.

Тормозное усилие определяется плечом рычага и величиной усилия приложенного через систему к этому рычагу. Плечо рычага, в свою очередь, определяется расстоянием от оси вращения, к которой прикладывается это усилие. Например, область на ручке переднего тормоза, на которую опираются пальцы райдера при торможении, обладает следующим эффектом: если приложить усилие величиной X, в точке, находящейся в середине рычага, то торможение будет не столь эффективным, как если бы то же самое усилие X прикладывалось на конце рычага. Так что чем длиннее рычаг, тем больше плечо рычага, а следовательно, и тормозное усилие. Точно так же, если тормозное усилие прикладывается вблизи центра колеса, его эффективность будет не столь высока, как если бы то же самое усилие было приложено к ободу колеса.

Яркий пример – тормозной диск системы ZTL на мотоциклах Buell закрепляется по внешнему радиусу обода колеса, что позволяет использовать всего один диск вместо двух. Явная экономия веса – плюс, однако есть и минус, который заключается в том, что тормозное усилие, приложенное с одной стороны колеса, нарушает стабильность при торможении. Видимо, это не такой уж и большой минус, поскольку на Buell-ах с такой тормозной системой установлено множество стоппи-рекордов.

Тормозная система ZTL, Buell 1125CR 2009

В тормозной системе с механическим приводом плечо рычага может быть увеличено в любой точке системы, где присутствует рычаг, закрепленный на оси вращения. В системе с гидравлическим приводом усиление достигается за счет различия в диаметрах поршня главного цилиндра и поршня суппорта.

По сути, если диаметр поршня рабочего цилиндра будет вдвое больше диаметра поршня главного цилиндра, то усилие будет увеличено в четыре раза. Если диаметр поршня суппорта равен трем диаметрам поршня главного цилиндра, усилие возрастет в девять раз, а если они отличаются в четыре раза, то усилие увеличится в шестнадцать раз. Однако мы живем в реальном мире, а значит – где-то в темном углу явно притаился компромисс. Для обеспечения перемещения система гидравлического привода полагается на вытеснение жидкости. При одинаковом размере главного и рабочего поршней 10 мм хода главного поршня будут соответствовать 10 мм хода рабочего поршня. Однако чем больше будет рабочий поршень по сравнению с главным, тем меньше он будет сдвигаться относительно перемещения главного поршня.
Однако, не получение достаточного тормозного усилия является проблемой для конструкторов тормозных систем. Главные требования, предъявляемые к современной тормозной системе байка – минимальный вес, наилучшая чувствительность при торможении и срабатывание для целесообразных величин усилия и перемещения на рычаге. Еще один момент, который надо учитывать – совместимость жесткости передней вилки и тормозного усилия. Будь тормозная система хоть трижды убойной по части замедления, это будет неважно, если при одном нажатии на рычаг вилка будет складываться до упора. Кроме того, учитывается также соответствие шинам. Нет никакого смысла в тормозах, которые легко останавливают байк на любой скорости, если при их использовании переднее колесо будет с визгом блокироваться.
Разобравшись с теорией, давайте перейдем к конкретике. Начнем с тормозных колодок и дисков.

Фрикционные материалы

Трение – определяющий фактор при торможении, поэтому сопряженные трущиеся детали должны быть сделаны из материалов, которые не только обеспечивали бы хорошее трение, но были бы способны противостоять этому трению, не истираясь, а также выдерживать выделяющееся тепло, не деформируясь и не расплавляясь.

Фрикционный материал состоит из множества различных элементов, связанных между собой в условиях предельных температур и давлений. Существует множество типов применяющихся тормозных колодок: у каждого – свое собственное предназначение. Применяются соединения, содержащие медь, латунь, графит, свинец, углерод, кевлар, смолы и прочее. Тип и количество каждого входящего в соединение компонента влияют на характеристики работы этого соединения.

Самой простой и распространенной является колодка спекаемого типа, в основном состоящая из металлических частиц, смешанных с другими материалами. Также существуют органические и полуметаллические колодки. Органические изготавливаются из волокон кевлара и арамида. Полуметаллические колодки представляют собой соединения органических и спекаемых материалов.

Барабан или диск, по которым работает фрикционный материал, обычно изготавливают из чугуна или нержавеющей стали. Кроме того, на гоночных мотоциклах используют тормозные диски, изготовленные из карбона. Выбирая материал для диска, конструктор учитывает множество вещей: характеристики удержания и отвода тепла, показатели деформации, вес, стоимость производства (хотя этот момент не слишком важен для гоночных болидов), совместимость с фрикционными материалами, антикоррозийные свойства и износостойкость. Чаще всего предпочтение отдается нержавеющей стали, которая лучше чугуна практически по всем параметрам, кроме стоимости, теплоотвода и характеристик работы в дождевых условиях. Хотя, обычно, с последним фактором борются, применяя специальные колодки.
Теперь давайте рассмотрим конструкцию барабанных и дисковых тормозов.

Под бой барабанов тормоза… пропадают

Барабанные тормоза – старинная конструкция, которая на современных байках практически не применяется из-за нескольких серьезных недостатков. Барабан, внутри которого находится тормозной механизм, закрыт – тепло, возникающее при торможении, некуда рассеивать. Поэтому при интенсивном использовании они перегреваются, фрикционные свойства колодок и барабана ухудшаются, тормоза просто-напросто пропадают. Пока не придумали дисковые тормоза, инженерам приходилось что-то делать с этой проблемой, и они нашли выход, применив вентиляцию барабана. Тормоза многих высокопроизводительных байков 50-х - 60-х  годов оснащены воздухозаборниками, направляющими воздух на колодки для их охлаждения. К несчастью, вместе с холодным воздухом в механизм попадает вода, грязь, пыль – все это снижает эффективность торможения. Кроме того, даже система с двумя тормозными барабанами, расположенными с каждой стороны колеса (нетрадиционная вещь, обычно применялась на гоночных байках до изобретения дискового тормоза), не обеспечивает достаточно сильного и информативного торможения. Да и весит такая конструкция немало.

Хорошая демонстрация принципа работы барабанного тормоза

Все эти проблемы были успешно решены применением открытого диска вместо закрытого барабана.

Дисковые тормоза – цепкие и прохладные

Впервые дисковые тормоза появились на самолетах как решение проблемы отвода тепла, вырабатываемого в барабанных тормозах. В связи с тем, что скорость и вес самолетов увеличились, сразу почувствовалось, что «барабаны» совершенно неспособны их остановить. Точно такая же проблема возникла на мотоциклах по мере роста их мощности и скорости. Открытый диск отлично рассеивает тепло в окружающее пространство, не ограниченное барабаном.

Распределение тепла на тормозном диске при торможении

Диск устанавливается на колесе и вращается вместе с ним. Суппорт, содержащий один или несколько поршней и две тормозные колодки, примыкает к диску. При нажатии на ручку или педаль тормоза поршни перемещаются, прижимая фрикционный материал тормозной колодки к вращающемуся диску.
Впервые на серийном мотоцикле дисковые тормоза появились в 1969 году на модели CB750 компании Honda. С тех пор, дисковая тормозная система используется практически на всех машинах среднего и большого объема, и все шире применяется на малокубатурных байках и скутерах. Конечно, система совершенствовалась из года в год, от модели к модели, однако принцип остался неизменным по сей день.
Сейчас на переднее колесо, как правило, устанавливается два диска. На заднем колесе также применяется дисковый тормоз, однако его не нужно делать настолько мощным из-за эффекта перераспределения масс при торможении. При торможении обычно 75% веса машины приходится на переднее колесо, что означает большую нагрузку на передней шине. При таких условиях невыгодно иметь избыточное тормозное усилие на заднем колесе, поэтому задний диск, как правило, является сравнительно менее мощным. Для мотоциклов с длинной колесной базой (например, круизеры) все эти эффекты сохраняются, однако они не столь сильно проявляют себя.

Эволюция диска

Один из способов улучшения эффективности дисковых тормозов заключается в увеличении диаметра диска. Здесь работает принцип «рычага относительно оси»: чем больше расстояние от оси, тем больше усилие, произведенное этим рычагом. Следовательно, потребуется меньшее усилие для остановки перемещающегося предмета (диска, перемещающегося относительно оси), или то же самое усилие остановит его быстрее. Применение в суппорте нескольких поршней меньшего диаметра вместо одного большого фактически создает эффект присутствия диска большего диаметра.

Когда впервые появились дисковые тормоза, трущаяся поверхность диска неподвижно закреплялась на кронштейне, который притягивался к колесу болтами. У этой схемы были две крупные проблемы: во-первых, небольшая несоосность между диском и колодками значительно снижала эффективность торможения и увеличивала износ колодок. Во-вторых, высокое тепловыделение могло послужить причиной деформации, приводящей к несоосности из-за жесткого закрепления диска.

Оба эти недостатка можно устранить, если отделить диск от кронштейна и позволить ему свободно перемещаться в некоторых пределах. Такая конструкция носит название «плавающего диска». На внутренней кромке диска и внешней кронштейна вырезаны полуокружности. При их совмещении образуются отверстия. Диск прикрепляется к кронштейну втулками, свободно установленными в каждое такое отверстие. При этом он оказывается закрепленным, но все же может перемещаться, расширяться и сокращаться на этом кронштейне.

Демонстрация устройства и преимуществ диска плавающего типа от EBC. Несмотря на рекламный характер, информативность сохранена.

Вопросы водных процедур

Первые дисковые тормоза были «хорошо» известны своей неважной работой в условиях повышенной влажности. Это было связано с образованием водной пленки на диске, которая должна быть удалена перед началом торможения. Если применять неправильный фрикционный материал, проблема усугубляется. Чугун благодаря своему пористому строению является идеальным материалом для диска в мокрых условиях, вот только ржавеет чугунный диск быстро.

Многие думают, что диски с канавками или отверстиями улучшают степень отвода воды, но на самом деле они ухудшают характеристики торможения, поскольку вода собирается на внешних гранях отверстий. Главное преимущество перфорированных дисков – снижение веса, и как следствие, моментов инерции и гироскопических эффектов.
Намного более действенным новшеством, обеспечившим хорошую работу тормозов в условиях повышенной влажности, стало введение спекаемых металлических колодок. В составе таких колодок присутствует ограниченное количество металлических частиц, в результате колодки изнашиваются неравномерно. Их волнистая поверхность позволяет выступающим точкам продавить пленку воды намного быстрее обычных колодок.

Спекаемые металлические тормозные колодки

Сильная «гидра»

Гидравлический привод в тормозных системах байков применяется для обеспечения высокого давления за счет небольших усилий со стороны райдера. Рассмотрим устройство гидравлической тормозной системы.
Главный цилиндр используется для создания тормозного усилия, при помощи поршня воздействующего на жидкость тормозной системы. Жидкость передает усилие суппорту, в котором устанавливается один или несколько поршней. Под действием давления жидкости поршни выдвигаются наружу и давят на тормозные колодки, которые прижимаются к диску - байк замедляется.

Компоненты гидравлической тормозной системы - расширительный бачок, главный тормозной цилиндр, суппорт, диск

Ключевую роль в системе играет тормозная жидкость, поскольку работа всей системы основывается на ее свойстве не сжимаемости. На данный момент существуют четыре варианта тормозной жидкости для мотоциклов: DOT 3, DOT 4, DOT 5 и DOT 5.1. DOT – это система классификации, введенная Американским Департаментом Транспорта (Department of Transport). Основные критерии деления на эти категории – температура закипания и вязкость сухой и содержащей влагу жидкости. DOT 3 и DOT 4 представляют собой минеральные масла, основанные на полигликолях, DOT 5 основана на силиконе и не может смешиваться с первыми двумя жидкостями. DOT 5.1 подобна 3 и 4, ее можно совмещать с ними. DOT 5.1 была специально разработана для работы в антиблокировочных тормозных системах и обладает меньшей вязкостью.

Все эти жидкости, кроме DOT 5, гигроскопичны, то есть они поглощают влагу из воздуха. Влага в тормозной жидкости – это плохо, поскольку она снижает температуру ее закипания, в то время как рабочая температура диска и колодок обычно превышает ее. Гигроскопичность является главной причиной, по которой следует менять «тормозуху» хотя бы раз в два года. Фрикционный материал на колодке служит для изоляции суппорта от тепла, выделяемого диском – это тоже очень хорошая причина для своевременной замены колодок.
DOT 5 не смешивается с водой, вместо этого вода, попав в систему, опускается вниз и располагается вблизи самой горячей области. Там она очень быстро закипает при агрессивном торможении, тормоза «плывут» и теряются. Как результат – наиболее используемой жидкостью в мотоциклетных тормозах является DOT 4.

Очень важный элемент всей тормозной системы – используемые в ней шланги. Главный цилиндр и суппорты связаны усиленными гидравлическими шлангами, допускающими перемещение подвески. В местах, где отсутствует перемещение, могут быть использованы металлические трубки. Тормозные шланги изготавливают из совместимой с тормозной жидкостью резины, однако резина утрачивает свои свойства со временем и растрескивается. Чтобы не обнаружить это в тот момент, когда уже пора бы тормозить перед поворотом,  производители рекомендуют менять резиновые шланги хотя бы раз в четыре года.

Нужная в гоночных условиях и очень популярная «фишка» в уличном тюнинге – установка армированных тормозных шлангов. Они изготавливаются из тефлона, покрытого стальной оплеткой. Тефлон менее подвержен расширению, а также обеспечивает меньшее сопротивление перемещающейся в нем жидкости. Оплетка выполняет функцию дальнейшего ограничения расширения шланга.

Армированные тормозные шланги


Металлическая оплетка шланга

Считается, что «арматура», как ее называют, улучшает отзывчивость тормозов и делает их более резкими, уменьшая склонность к «увяданию» под действием раздувания резиновых шлангов. Это так. Однако требования и уровень подготовки гонщика и уличного райдера совершенно разные, поэтому трезво оцените свои навыки, если хотите устанавливать армированные шланги – они могут показаться слишком жесткими для дорожного использования, предоставляя мгновенную реакцию на использование тормоза. Если навыки управления байком не слишком высоки, то при резком или аварийном торможении небольшое расширение тормозных шлангов лучше воспринимать как положительное качество. Словом, не «ведитесь» на модное словечко, а думайте своей головой. Это, кстати, можно отнести к любому виду тюнинга вашего железного коня.

*****

Разобравшись с общим устройством тормозов, мы оставили за бортом некоторые важные вопросы, например, как устроена АБС, что это за радиальные тормоза или почему лучше использовать несколько меньших тормозных поршней вместо одного большего. На эти вопросы (и многие другие) мы найдем ответы в следующей статье. Следите за обновлениями!