История развития тормозных систем

Всего лишь за сто лет тормозные системы развились от примитивных колодок-башмаков с конных повозок до суперсовременных гидравлических или пневматических систем, способных остановить легковой автомобиль, двигающийся на скорости более 300 километров в час, или многотонный нагруженный грузовик. От барабанных тормозов производители перешли к дисковым. И… обратно к барабанным. И эта история, возможно, далеко не закончена.

 

В этой статье мы расскажем:

• Как тормозили первые автомобили в конце 19-го века;

• Как развивались тормозные системы в первой половине 20-го века;

• Почему в 21-м веке барабанные тормоза снова могут вернуться на автомобили.

Конец XIX века

 

Колодки-башмаки
Первые тормоза, как и первые фары, достались автомобилям в наследство от конных экипажей. Лошади не могли сами быстро остановить повозку, поэтому для торможения придумали колодки-башмаки. На беговую поверхность колеса надевался колодочный тормоз, состоявший из деревянной, а позже — металлической колодки. С течением времени такие колодки усовершенствовали, добавив фрикционный материал.

 

Колодки-башмаки прижимались непосредственно к ободам колёса и за счёт силы трения останавливали их. Однако они были малоэффективны в сырую погоду и, кроме того, быстро стирали резину.

 

 

Колодка-башмак

 

 

Колодки-башмаки управлялись ручным рычагом или системой рычагов. Такие тормозные системы называются механическими. Они использовались в качестве рабочей тормозной системы на автомобилях до 1940 года. И хотя механическую систему заменили современные тормоза с педалью, тормозные механизмы в основном так и остались колодочными (за исключением ленточных). То есть торможение происходит благодаря трению колодок о тормозной барабан или тормозной диск.

 

Первые тормоза с ножной педалью
В 1885 году в Германии Карл Фридрих Михаэль Бенц регистрирует первый в мире бензиновый автомобиль — Benz Patent-Motorwagen, или трицикл Бенца №1 (патент получен в 1886 году). В этом автомобиле для торможения ещё используется ручной рычаг, действующий непосредственно на шкив промежуточного вала. А вот на модель 1887 года впервые установили задние колодочные тормоза, управляемые педалью ножного тормоза. Эффективность торможения зависела от силы нажатия на педаль.

 

 

Benz Patent-Motorwagen 1885 года.

 

 

Ленточный тормоз
В 1885 году другой немец — Готтлиб Вильгельм Даймлер — устанавливает на первом мотоцикле Reitwagen с двигателем внутреннего сгорания ленточный барабанный тормоз, состоявший из барабана, тканевого ремня (ленты) и рычажного механизма (система рычагов).

 

Барабаны были прочно прикреплены к осям или ступицам колёс, а на них натянуты пропитанные укрепляющими составами тканевые ремни или стальные ленты. При нажатии на рычаг лента обжимала барабан и он переставал крутиться, следовательно, останавливалось и колесо.

 

Ленточные тормоза ставили только на заднюю ось. Они были эффективны на скоростях 16-20 км/ч и просты в ремонте, но очень недолговечны — механизм подвергался коррозии из-за дождей и влаги. Кроме того, когда на ленту попадала вода или грязь, коэффициент торможения резко падал, и эффективность снижалась. Но это были не единственные недостатки ленточных тормозов. При остановке на холме лента самораспускалась и, чтобы автомобиль не скатывался назад, под колёса приходилось очень быстро подставлять клинья. Ну и изнашивались барабаны и ленты очень быстро. Менять их приходилось каждые 320-400 километров.

 

 

Слева схема ленточного тормоза: а1. барабан; а2. лента; b. система рычагов.
Справа мотоцикл Даймлера 1885 года.

 

 

В 1902 году бизнесмен Олдс Рэнс выпустит 425 автомобилей Oldsmobile, оборудованных ленточными барабанными тормозами с управлением от ножной педали, и проведёт испытания тормозной системы. По результатам тормозной путь на скорости 22,5 километра в час у Oldsmobile составил 6,5 метра, у безлошадного экипажа — 11 метров и 23,6 метра — у конного.

 

 

Oldsmobile 1902 года.

 

 

Первая половина ХХ века

 

Первые дисковые и барабанные тормоза
В октябре 1902 года английский инженер Фредерик Уильям Ланчестер патентует дисковые тормоза. Однако в то время из-за недостатка металлов тормозные накладки изготавливали из меди, и это создавало ряд проблем: при торможении из-за контакта металл-металл стоял страшный шум, а также медь быстро изнашивалась. Поэтому в автомобилях сначала использовали барабанные тормоза.

 

В 1902 году сооснователь компании Renault Луи Рено сконструировал барабанный тормоз с колодками полукруглой формы. Колодки располагались внутри полого барабана и прижимались к его внутренней поверхности. Такая форма барабанных тормозов используется до сих пор.

 

С 1910 на автомобили стали ставить барабанные тормоза с колодками внутри барабанов. Тормоза были прочными и могли служить до 1000 – 2000 километров. В те времена дороги были грязными и ухабистыми, так что у закрытой конструкции барабанных тормозов было большое преимущество — барабан защищал колодки от воды и грязи. Кроме того, барабанные тормоза позволяли водителям с меньшей силой жать на педали, что было особенно актуально до появления гидравлических тормозных систем.

 

Четырёхколесная тормозная система
В 1910 итальянец Джустино Каттанео из компании Isotta-Fraschini, патентует четырёхколёсную тормозную систему, которую затем впервые ставят на серийную модель автомобиля Isotta-Fraschini Tipo KM. Передние колёса этой машины были оснащены тормозами с внутренними разжимными колодками, задние — тормозами с водяным охлаждением. Задние тормоза управлялись педалью, а охлаждающая жидкость под давлением подавалась на внутреннюю сторону барабана. Тормоза на передних колёсах приводил в действие ручной рычаг с помощью троса. Такая система состояла из 50 узлов, 20 подшипников и 200 механических деталей.

 

 

Спортивная модель Isotta-Fraschini Tipo KM-4. С 1911 по 1914 год было продано 50 таких
автомобилей.

 

 

Гидравлические тормоза и прототип тормозного усилителя
Между 1917 и 1923 Мальком Локхид, сооснователь компании Lockheed, изобрёл гидравлические тормоза и получил 7 патентов в автомобилестроении.

 

Гидравлический тормоз работает за счёт свойства жидкостей сопротивляться сжатию в замкнутом объёме. В системе Локхида давление тормозной жидкости (тогда — на основе растительного масла) передавалось по трубкам от главного тормозного цилиндра к тормозным колодкам, а колодки, в свою очередь, прижимались к наружной стороне тормозного барабана.

 

В 1921 году гидравлическая тормозная система Локхида была установлена на все четыре колеса автомобиля Model A Duesenberg. Однако при эксплуатации выяснилось, что сыромятные манжеты гидроцилиндров, которые Локхид использовал для уплотнения и предотвращения утечки тормозной жидкости, быстро высыхали и сжимались под давлением тормозов, и тормозная жидкость всё-таки вытекала. Тогда инженеры Maxwell Motor Corporation стали производить манжеты в виде резиновых чашечек, которые решили проблему. С 1923 года Maxwell-Chalmers стали предлагать улучшенные четырёхколёсные тормоза за 75 долларов США.

 

В 1923 году Джон Годфри Томас в Великобритании патентует изобретение «позволявшее усиливать тормоза» — первый прототип тормозного усилителя.

 

Алюминиевые барабанные тормоза, эксцентрики, гидровакуумные, вакуумные и гидравлические усилители В 1940-е годы благодаря доступным высокооктановым бензинам быстро росла мощность двигателей и скорость движения автомобилей. На тормоза приходилась всё большая нагрузка, они всё больше перегревались, поэтому конструкторы придумали алюминиевые тормозные барабаны с рельефной поверхностью для лучшего отвода тепла.

Преимущества барабанных тормозов:

* Можно увеличить эффективность торможения, нарастив ширину колеса;

* Износостойкость колодок;

* Хороши для бездорожья и низких температур: при стоянке на стояночном тормозе колодки не примерзают к барабану в минусовые температуры, а расположение колодок внутри барабана защищает их от грязи.

 

Недостатки барабанных тормозов:

* При попадании продуктов износа колодок на барабан снижается эффективность торможения;

* Большая площадь колодки не позволяет поршням равномерно прижимать её к барабану.

* При экстренном торможении барабаны нагреваются на 500-600 градусов, что ведёт расширению барабанов, расстояние до колодок увеличивается и приходится давить на педаль сильнее.

Чтобы предотвратить неплотное прилегание колодок к барабану при износе, изобретают эксцентрики — механизмы, смещающие тормозные колодки наружу. Но эксцентрики требуют постоянной регулировки, поэтому в 1946 их дополняют гидроцилиндры с самоподводом, впервые представленные на американском автомобиле Studebaker. Система повышала безопасность автомобиля и обеспечивала одинаковую регулировку тормозной системы всех колёс.

 

Примерно в это же время начинают активно устанавливать различные виды усилителей:

• Гидровакуумные, в которых разрежение во впускном коллекторе при помощи специального механизма воздействовало на тормозную жидкость, повышая эффективность торможения;

• Вакуумные — разрежение во впускном трубопроводе двигателя непосредственно воздействовало на связанный с педалью шток;

• Гидроусилители — использующие давление, создаваемое насосом усилителя рулевого управления.

Барабаны стали делать с двумя раздельными гидроцилиндрами и двумя ведущими колодками вместо одного гидроцилиндра, действующего сразу на 2 колодки.

 

 

Барабанный механизм с двумя ведущими колодками.

 

 

Дисковые тормоза
В послевоенное время скорости автомобилей продолжали расти. Так, Pontiac Bonneville 1958 года выпуска имел 8-цилиндровый двигатель и уже мог развить скорость до 210 километров в час. Барабанные тормоза уже не могут быстро и эффективно остановить автомобиль и им на смену приходят дисковые тормоза, которые до этого использовались на гоночных автомобилях, в железнодорожном транспорте и авиации.

 

Принцип работы дисковых тормозов принципиально отличается от барабанных. В них колодки сжимают внешние плоскости металлического диска и останавливают колесо. Сила сжатия оказывается гораздо больше, чем сила расширения, которая используется в барабанных тормозах, чтобы прижать колодки к внутренней поверхности барабана. И благодаря силе сжатия, появилась возможность быстро останавливать машины даже на очень высоких скоростях.

 

Между 1949 и 1953 годом Chrysler устанавливает дисковые тормоза на четвёртое поколение моделей Imperial. В начале 1950-х британская компания Dunlop устанавливает дисковые тормоза на Jaguar C-Type 1953 года. В следующие 5 лет на дисковые тормоза переходят Mercedes-Benz, Renault, Nissan, Volvo, Toyota и Studebaker. Studebaker Avanti 1962 года — первый автомобиль с дисковыми тормозами современного типа.

 

 

Studebaker Avanti 1962 года.

 

 

XXI век

 

Примерно до середины 2010-х годов казалось, что барабанные тормоза — это анахронизм, и ни один производитель в здравом уме не будет устанавливать их на современные автомобили.

 

Но потом появились электромобили, и всё изменилось.

 

Барабанные тормоза стоят на задних колёсах таких суперсовременных автомобилей, как Volkswagen ID.4 и на хэтчбеке ID.3, на кроссоверах Skoda Enyaq iV и Audi Q4 e-tron, а компания Continental, которая разработала тормоза для электромобилей VW, предлагает ставить барабаны не только на задние, но и на передние колёса.

 

Всё дело в том, что в электромобилях используется система рекуперативного торможения, а для неё как раз барабанные тормоза гораздо эффективнее, чем дисковые.

Подробнее о будущем барабанных тормозных систем и их применении на электромобилях писали в отдельной статье. Читать →