Как работают тормоза автомобиля

Тормозная система делает одну вещь: превращает энергию движущегося автомобиля в тепло. Нога давит на педаль, усилитель и гидравлика умножают это усилие в десятки раз, колодки прижимаются к вращающимся дискам, трение греет металл, тепло уходит в воздух. Но останавливают машину не тормоза, а сцепление шин с дорогой: колодки замедляют вращение колеса, а сколько замедления получит сам автомобиль, решают четыре пятна контакта размером примерно с ладонь. Всё остальное в тормозной системе - это способы подвести к колесу нужное усилие и не дать деталям перегреться.

Сколько энергии приходится погасить

Автомобиль массой полторы тонны на скорости 100 км/ч несёт около 580 килоджоулей кинетической энергии. Примерно столько же тепла нужно, чтобы довести до кипения полтора-два литра холодной воды. Останавливая машину, тормоза обязаны выделить всю эту энергию за несколько секунд, причём на нескольких килограммах металла.

Кинетическая энергия растёт как квадрат скорости. Вдвое быстрее - вчетверо больше энергии, и при том же сцеплении вчетверо длиннее тормозной путь. Разница между 60 и 120 км/ч для тормозной системы не двукратная, а четырёхкратная, и именно этот квадрат стоит за тем, что на высокой скорости запас дистанции кончается неожиданно быстро.

Если бы всё тепло одного резкого торможения со ста километров в час осталось внутри двух передних дисков общей массой около восьми килограммов, они нагрелись бы примерно на полтораста градусов. На деле часть тепла принимают колодки, часть уносит поток воздуха, поэтому одиночное торможение диски переносят спокойно. Трудности начинаются, когда торможения идут подряд и отводить тепло некуда: в длинном спуске, на треке, в горах.

Гидравлика: почему хватает силы ноги

Жидкость практически не сжимается, а давление в замкнутом объёме передаётся во все стороны одинаково. На этом и построена схема. Педаль через рычаг давит на поршень главного тормозного цилиндра, тот создаёт давление в трубках, а на другом конце это давление действует на поршни в тормозных механизмах всех четырёх колёс.

Выигрыш в силе получается дважды. Первый раз - на рычаге педали, которая работает как обычный рычаг с плечом. Второй раз - на разнице площадей: поршень главного цилиндра небольшой, а поршни в суппортах суммарно во много раз больше, и та же величина давления даёт на них гораздо большее усилие. Платой служит ход: педаль проходит сантиметры, колодки смещаются на десятые доли миллиметра. При спокойном торможении давление в контуре составляет несколько десятков атмосфер, при экстренном приближается к сотне.

Гидравлика разделена на два независимых контура. Разводят их обычно по диагонали или отделяя передние колёса от задних, чтобы разгерметизация одной трубки не оставила машину совсем без тормозов: половина системы продолжает работать. Именно поэтому же в контуре недопустим воздух. В отличие от жидкости он сжимается, и вместо давления нога тратит ход педали на сжатие пузырька: педаль становится мягкой и уходит глубже обычного.

Усилитель: разрежение вместо мышц

Одной ногой создать нужное давление тяжело, поэтому между педалью и главным цилиндром стоит вакуумный усилитель - плоская банка с резиновой диафрагмой внутри. С одной стороны диафрагмы через клапан впускается атмосферный воздух, с другой поддерживается разрежение, которое бензиновый двигатель сам создаёт во впускном коллекторе. Разница давлений на площади в несколько сотен квадратных сантиметров даёт сотни ньютонов дополнительного усилия, и чем сильнее водитель жмёт, тем шире открывается клапан и тем больше добавляет усилитель.

Двигателям, которые разрежения не создают, и электромобилям нужен отдельный источник: механический или электрический вакуумный насос либо полностью электрический усилитель. При заглушенном моторе в усилителе остаётся запас разрежения на одно-два нажатия, после чего педаль становится очень тугой. Тормоза при этом не исчезают, исчезает только помощь: усилие приходится создавать ногой целиком.

Диск, колодка и барабан

Тормозной механизм колеса - это пара трения. К вращающемуся вместе с колесом диску с двух сторон прижимаются колодки, которые давит поршень суппорта. Фрикционный материал колодки подобран так, чтобы коэффициент трения оставался примерно постоянным в широком диапазоне температур, около четырёх десятых. Он не должен ни резко падать при нагреве, ни вцепляться намертво на холодную.

Диск открыт потоку воздуха и потому хорошо охлаждается. У нагруженной оси его делают вентилируемым: два кольца, соединённых рёбрами, между которыми вращение гонит воздух от центра к краю. Отверстия и прорези на поверхности нужны не для охлаждения, а чтобы уводить газы и воду из зоны контакта.

Барабанный механизм устроен иначе: колодки распираются изнутри и прижимаются к внутренней поверхности вращающегося барабана. У него есть встроенное самоусиление - вращение барабана само доворачивает переднюю колодку и прижимает её сильнее, поэтому усилия нужно меньше. Взамен барабан хуже отдаёт тепло и сильнее меняет характер при нагреве. Отсюда типичное сочетание: диски там, где нагрузка выше, барабаны там, где она мала, а закрытый механизм удобен ещё и для стояночного тормоза с тросовым или электрическим приводом.

Перегрев и кипение жидкости

У тормозов есть два разных способа отказать от жары, и путать их не стоит. Первый - перегрев самого фрикционного материала: связующее начинает разлагаться, между колодкой и диском появляется газовая прослойка, коэффициент трения падает. Педаль при этом остаётся твёрдой, а замедления нет.

Второй - кипение тормозной жидкости. Тепло от суппортов доходит до неё, у поршней образуются пузырьки пара, и вот они уже прекрасно сжимаются. Педаль проваливается в пол, потому что ход уходит на сжатие пара, а не на прижим колодок. У жидкостей нормируют две температуры кипения: сухую, у свежей, и влажную, у набравшей воду. Для распространённого класса DOT4 это 230 и 155 градусов, для DOT3 - 205 и 140, для DOT5.1 - 260 и 180. Разрыв огромный, а жидкость гигроскопична и тянет влагу из воздуха через микропоры шлангов, поэтому срок службы у неё считается годами, а не пробегом.

Почему заблокированное колесо тормозит хуже

Кажется логичным, что раз колодки схватили колесо намертво, то и торможение максимально. На деле наоборот. Пока колесо катится и лишь слегка проскальзывает, резина в пятне контакта работает на трении покоя и цепляется за микронеровности асфальта. Максимум сцепления приходится примерно на 10-20 процентов проскальзывания, то есть когда колесо вращается чуть медленнее, чем следовало бы по скорости машины.

Стоит его заблокировать полностью, и трение покоя сменяется трением скольжения, которое ниже. Резина плавится, между шиной и дорогой образуется тонкий скользкий слой. К потере в замедлении добавляется потеря управления: скользящее колесо не может создать боковую силу, и повёрнутый руль перестаёт что-либо значить. Сам предел зависит от покрытия: на сухом асфальте коэффициент сцепления достигает 0,8-0,9, на мокром падает до 0,4-0,6, на укатанном снегу и льду опускается до 0,1-0,2 - то есть тормозной путь на льду вырастает в разы, и никакая тормозная система этого не отменит.

Что делает антиблокировочная система

Задача антиблокировочной системы - удержать колёса в той самой зоне частичного проскальзывания. На каждой ступице стоит зубчатое кольцо и датчик, считающий частоту вращения. Электроника сравнивает колёса между собой и с расчётным замедлением автомобиля. Как только одно из них начинает резко отставать, то есть вот-вот заблокируется, гидроблок закрывает клапан подачи давления к этому колесу, при необходимости стравливает часть жидкости обратно, ждёт, пока колесо раскрутится, и снова поднимает давление насосом.

Цикл повторяется до полутора десятков раз в секунду и передаётся на педаль дрожью и треском - это работает насос и щёлкают клапаны, а не ломается механизм. Важно понимать пределы: система не увеличивает сцепление, она лишь не даёт его потерять, и на рыхлом снегу или гравии, где заблокированное колесо нагребает перед собой клин, тормозной путь с ней может оказаться даже длиннее. Взамен сохраняется управляемость, а это чаще оказывается важнее нескольких метров.

Распределение усилия по осям

При торможении вес переносится вперёд: передняя подвеска сжимается, задняя разгружается. Разгруженное колесо срывается в блокировку раньше, а занос задней оси уводит машину с траектории. Поэтому на переднюю ось приходится большая часть тормозного усилия, обычно 60-80 процентов, а давление к задним колёсам ограничивают. Раньше этим занимался механический регулятор, чувствительный к нагрузке, теперь тот же гидроблок, что и в антиблокировочной системе, распределяя давление по колёсам электронно.

На том же гидроблоке построена и система стабилизации. Она умеет подтормаживать отдельное колесо, которое водитель вовсе не просил тормозить, и разворачивающим моментом возвращать машину на курс. Туда же относится ассистент экстренного торможения: по скорости нажатия педали он определяет, что торможение аварийное, и сразу поднимает давление до максимума, не дожидаясь, пока водитель дожмёт педаль. Всё это разные надстройки над одной и той же гидравликой.

Торможение электричеством

У электромобилей и гибридов появился второй тормоз - тяговый электродвигатель. В режиме генератора он сопротивляется вращению колёс и заряжает батарею, возвращая часть той энергии, которую обычные тормоза просто выбрасывают в воздух. В городском цикле с частыми остановками это заметная экономия.

Фрикционные тормоза при этом никуда не деваются: рекуперация слаба на малых скоростях, не работает при полной батарее и не годится для аварийной остановки. Электроника смешивает два источника замедления так, чтобы для ноги это выглядело одной ровной педалью, и колодки в такой машине изнашиваются заметно медленнее. Заодно меняется и роль механических тормозов: они всё чаще работают как резерв и как средство удержания, а основную рутинную работу берёт на себя электрика. Что происходит, когда тормозов уже не хватило, отдельная история: за неё отвечает подушка безопасности.