Пристрій гальмівної системи. Частина 1
Текст: Артем 'S1LvER' Терехов
Зазвичай, міряючись ... мотоциклами, райдери кидаються один в одного кількістю кінських сил, величиною крутного моменту, ексклюзивністю компонентів шасі. У цій розмові, найчастіше, характеристики гальмівної системи не згадуються взагалі, в крайньому випадку, кажуть: «а у мене Brembo», як ніби це щось пояснює. А дарма, адже гальма є дуже важливою частиною байка. Недостатньо мати потужний двигун - потрібно ще й мати можливість його «осадити». Про те, як влаштовані гальма, ми сьогодні і поговоримо.
Перш ніж розбиратися з пристроєм гальмівної системи, потрібно усвідомити кілька важливих теоретичних понять.
Гальмівне зусилля визначається плечем важеля і величиною зусилля прикладеного через систему до цього важеля. Плече важеля, в свою чергу, визначається відстанню від осі обертання, до якої прикладається це зусилля. Наприклад, область на ручці переднього гальма, на яку спираються пальці райдера при гальмуванні, володіє таким ефектом: якщо прикласти зусилля величиною X, в точці, що знаходиться в середині важеля, то гальмування буде не настільки ефективним, як якщо б те ж саме зусилля X прикладалася на кінці важеля. Так що чим довше важіль, тим більше плече важеля, а отже, і гальмівне зусилля. Точно так же, якщо гальмівне зусилля прикладається поблизу центру колеса, його ефективність буде не настільки висока, як якщо б те ж саме зусилля було докладено до обода колеса.
Яскравий приклад - гальмівний диск системи ZTL на мотоциклах Buell закріплюється по зовнішньому радіусу обода колеса, що дозволяє використовувати всього один диск замість двох. Явна економія ваги - плюс, однак є і мінус, який полягає в тому, що гальмівне зусилля, яке з одного боку колеса, порушує стабільність при гальмуванні. Мабуть, це не такий вже і великий мінус, оскільки на Buell-ах з такою гальмівною системою встановлено безліч стоппи-рекордів.
У гальмівній системі з механічним приводом плече важеля може бути збільшено в будь-якій точці системи, де присутня важіль, закріплений на осі обертання. В системі з гідравлічним приводом посилення досягається за рахунок різниці в діаметрах поршня головного циліндра і поршня супорта.
По суті, якщо діаметр поршня робочого циліндра буде вдвічі більше діаметра поршня головного циліндра, то зусилля буде збільшено в чотири рази. Якщо діаметр поршня супорта дорівнює трьом діаметрам поршня головного циліндра, зусилля зросте в дев'ять разів, а якщо вони відрізняються в чотири рази, то зусилля збільшиться в шістнадцять разів. Однак ми живемо в реальному світі, а значить - десь в темному кутку явно причаївся компроміс. Для забезпечення переміщення система гідравлічного приводу покладається на витіснення рідини. При однаковому розмірі головного і робочого поршнів 10 мм ходу головного поршня будуть відповідати 10 мм ходу робочого поршня. Однак чим більше буде робочий поршень в порівнянні з головним, тим менше він буде зрушуватися щодо переміщення головного поршня.
Однак, не отримання достатньої гальмівного зусилля є проблемою для конструкторів гальмівних систем. Головні вимоги, що пред'являються до сучасної гальмівній системі байка - мінімальна вага, найкраща чутливість при гальмуванні і спрацьовування для доцільних величин зусилля і переміщення на важелі. Ще один момент, який треба враховувати - сумісність жорсткості передньої вилки і гальмівного зусилля. Будь гальмівна система хоч тричі забійної по частині уповільнення, це буде неважливо, якщо при одному натисканні на важіль вилка буде складатися до упору. Крім того, враховується також відповідність шинам. Немає ніякого сенсу в гальмах, які легко зупиняють байк на будь-якій швидкості, якщо при їх використанні переднє колесо буде з вереском блокуватися.
Розібравшись з теорією, давайте перейдемо до конкретики. Почнемо з гальмівних колодок і дисків.
Тертя - визначальний фактор при гальмуванні, тому пов'язані труться деталі повинні бути зроблені з матеріалів, які не тільки забезпечували б хороше тертя, але були б здатні протистояти цьому тертю, що не істіраясь, а також витримувати виділяється тепло, не деформуючись і не розплавляючись.
Фрикційний матеріал складається з безлічі різних елементів, пов'язаних між собою в умовах граничних температур і тисків. Існує безліч типів застосовуються гальмівних колодок: у кожного - своє власне призначення. Застосовуються сполуки, що містять мідь, латунь, графіт, свинець, вуглець, кевлар, смоли та інше. Тип і кількість кожного, хто входить в з'єднання компонента впливають на характеристики роботи цього з'єднання.
Найпростішою і поширеною є колодка спекаемого типу, в основному складається з металевих частинок, змішаних з іншими матеріалами. Також існують органічні і напівметалеві колодки. Органічні виготовляються з волокон кевлара і арамида. Напівметалеві колодки являють собою сполуки органічних і спікається матеріалів.
Барабан або диск, за якими працює фрикційний матеріал, зазвичай виготовляють з чавуну або нержавіючої сталі. Крім того, на гоночних мотоциклах використовують гальмівні диски, виготовлені з карбону. Вибираючи матеріал для диска, конструктор враховує безліч речей: характеристики утримання і відведення тепла, показники деформації, вага, вартість виробництва (хоча цей момент не дуже важливий для гоночних болідів), сумісність з фрикційними матеріалами, антикорозійні властивості і зносостійкість. Найчастіше перевага віддається нержавіючої сталі, яка краще чавуну практично за всіма параметрами, крім вартості, тепловідведення і характеристик роботи в дощових умовах. Хоча, звичайно, з останнім фактором борються, застосовуючи спеціальні колодки.
Тепер давайте розглянемо конструкцію барабанних і дискових гальм.
Під бій барабанів гальма ... пропадають
Барабанні гальма - старовинна конструкція, яка на сучасних байках практично не застосовується через декілька серйозних недоліків. Барабан, всередині якого знаходиться гальмівний механізм, закритий - тепло, що виникає при гальмуванні, нікуди розсіювати. Тому при інтенсивному використанні вони перегріваються, фрикційні властивості колодок і барабана погіршуються, гальма просто-напросто пропадають. Ще не придумали дискові гальма, інженерам доводилося щось робити з цією проблемою, і вони знайшли вихід, застосувавши вентиляцію барабана. Гальма багатьох високопродуктивних байків 50-х - 60-х років оснащені повітрозабірниками, що направляють повітря на колодки для їх охолодження. На жаль, разом з холодним повітрям в механізм потрапляє вода, бруд, пил - все це знижує ефективність гальмування. Крім того, навіть система з двома гальмівними барабанами, розташованими з кожного боку колеса (нетрадиційна річ, зазвичай застосовувалася на гоночних байках до винаходу дискового гальма), не забезпечує досить сильного і інформативного гальмування. Та й важить така конструкція чимало.
Гарна демонстрація принципу роботи барабанного гальма
Всі ці проблеми були успішно вирішені застосуванням відкритого диска замість закритого барабана.
Дискові гальма - чіпкі і прохолодні
Вперше дискові гальма з'явилися на літаках як рішення проблеми відведення тепла, що виробляється в барабанних гальмах. У зв'язку з тим, що швидкість і вага літаків збільшилися, відразу відчулося, що «барабани» абсолютно нездатні їх зупинити. Точно така ж проблема виникла на мотоциклах по мірі зростання їх потужності і швидкості. Відкритий диск відмінно розсіює тепло в навколишній простір, необмежене барабаном.
Розподіл тепла на гальмівному диску при гальмуванні
Диск встановлюється на колесі і обертається разом з ним. Супорт, що містить один або кілька поршнів і дві гальмівні колодки, примикає до диска. При натисканні на ручку або педаль гальма поршні переміщаються, притискаючи фрикційний матеріал гальмівної колодки до диска, що обертається.
Вперше на серійному мотоциклі дискові гальма з'явилися в 1969 році на моделі CB750 компанії Honda. З тих пір, дискова гальмівна система використовується практично на всіх машинах середнього і великого обсягу, і все ширше застосовується на малокубатурних байках і скутерах. Звичайно, система удосконалювалася з року в рік, від моделі до моделі, однак принцип залишився незмінним донині.
Зараз на переднє колесо, як правило, встановлюється два диска. На задньому колесі також застосовується дисковий гальмо, проте його не потрібно робити настільки потужним через ефект перерозподілу мас при гальмуванні. При гальмуванні зазвичай 75% ваги машини доводиться на переднє колесо, що означає велике навантаження на передній шині. При таких умовах невигідно мати надмірну гальмівне зусилля на задньому колесі, тому задній диск, як правило, є порівняно менш потужним. Для мотоциклів з довгою колісною базою (наприклад, круїзери) всі ці ефекти зберігаються, однак вони не настільки сильно проявляють себе.
Один із способів поліпшення ефективності дискових гальм полягає в збільшенні діаметра диска. Тут працює принцип «важеля щодо осі»: чим більше відстань від осі, тим більше зусилля, вироблене цим важелем. Отже, потрібно менше зусилля для зупинки переміщається предмета (диска, що переміщається щодо осі), або те ж саме зусилля зупинить його швидше. Застосування в супорті декількох поршнів меншого діаметра замість одного великого фактично створює ефект присутності диска більшого діаметра.
Коли вперше з'явилися дискові гальма, треться поверхню диска нерухомо закріплювалася на кронштейні, який притягався до колеса болтами. У цієї схеми були дві великі проблеми: по-перше, невелика несоосность між диском і колодками значно знижувала ефективність гальмування і збільшувала знос колодок. По-друге, високе тепловиділення могло послужити причиною деформації, що призводить до несоосности через жорсткого закріплення диска.
Обидва ці вади можна усунути, якщо відокремити диск від кронштейна і дозволити йому вільно переміщатися в деяких межах. Така конструкція носить назву «плаваючого диска». На внутрішній кромці диска і зовнішньої кронштейна вирізані півкола. При їх поєднанні утворюються отвори. Диск прикріплюється до кронштейну втулками, вільно встановленими в кожне таке отвір. При цьому він виявляється закріпленим, але все ж може переміщатися, розширюватися і скорочуватися на цьому кронштейні.
Збірка плаваючого диска в домашніх умовах
Питання водних процедур
Перші дискові гальма були «добре» відомі своєю неважливою роботою в умовах підвищеної вологості. Це було пов'язано з утворенням водної плівки на диску, яка повинна бути видалена перед початком гальмування. Якщо застосовувати неправильний фрикційний матеріал, проблема ускладнюється. Чавун завдяки своєму пористій будові є ідеальним матеріалом для диска в мокрих умовах, ось тільки іржавіє чавунний диск швидко.
Багато хто думає, що диски з канавками або отворами покращують ступінь відведення води, але насправді вони погіршують характеристики гальмування, оскільки вода збирається на зовнішніх гранях отворів. Головна перевага перфорованих дисків - зниження ваги, і як наслідок, моментів інерції і гіроскопічних ефектів.
Набагато більш дієвим нововведенням, який забезпечив хорошу роботу гальм в умовах підвищеної вологості, стало введення спікається металевих колодок. У складі таких колодок присутній обмежену кількість металевих частинок, в результаті колодки зношуються нерівномірно. Їх хвиляста поверхня дозволяє обхвату продавити плівку води набагато швидше звичайних колодок.
Спікається металеві гальмівні колодки
Гідравлічний привід в гальмівних системах байків застосовується для забезпечення високого тиску за рахунок невеликих зусиль з боку райдера. Розглянемо пристрій гідравлічної гальмівної системи.
Головний циліндр використовується для створення гальмівного зусилля, за допомогою поршня впливає на рідину гальмівної системи. Рідина передає зусилля супорта, в якому встановлюється один або кілька поршнів. Під дією тиску рідини поршні висуваються назовні і тиснуть на гальмівні колодки, які притискаються до диска - байк сповільнюється.
Компоненти гідравлічної гальмівної системи - розширювальний бачок, головний гальмівний циліндр, супорт, диск
Всі ці рідини, крім DOT 5, гігроскопічні, тобто вони поглинають вологу з повітря. Волога в гальмівній рідині - це погано, оскільки вона знижує температуру її закипання, в той час як робоча температура диска і колодок зазвичай перевищує її. Гігроскопічність є головною причиною, по якій слід міняти «тормозуху» хоча б раз на два роки. Фрикційний матеріал на колодці служить для ізоляції супорта від тепла, що виділяється диском - це теж дуже хороша причина для своєчасної заміни колодок.
DOT 5 не змішується з водою, замість цього вода, потрапивши в систему, опускається вниз і розташовується поблизу найгарячішою області. Там вона дуже швидко закипає при агресивному гальмуванні, гальма «пливуть» і губляться. Як результат - найбільш використовуваної рідиною в мотоциклетних гальмах є DOT 4.
Дуже важливий елемент всієї гальмівної системи - використовуються в ній шланги. Головний циліндр і супорти пов'язані посиленими гідравлічними шлангами, що допускають переміщення підвіски. У місцях, де відсутній рух, можуть бути використані металеві трубки. Гальмівні шланги виготовляють з сумісною з гальмівною рідиною гуми, проте гума втрачає свої властивості з часом і дає тріщини. Щоб не виявити це в той момент, коли вже пора б гальмувати перед поворотом, виробники рекомендують міняти гумові шланги хоча б раз в чотири роки.
Потрібна в гоночних умовах і дуже популярна «фішка» в вуличному тюнінгу - установка армованих гальмівних шлангів. Вони виготовляються з тефлону, покритого сталевий опліткою. Тефлон менш схильний до розширення, а також забезпечує менший опір переміщається в ньому рідини. Обшивка виконує функцію подальшого обмеження розширення шланга.
Армовані гальмівні шланги
Металева обплетення шланга
Розібравшись із загальним пристроєм гальм, ми залишили за бортом деякі важливі питання, наприклад, як влаштована АБС, що це за радіальні гальма або чому краще використовувати кілька менших гальмівних поршнів замість одного більшого. На ці питання (і багато інших) ми знайдемо відповіді в наступній статті. Слідкуйте за оновленнями!