Hamulce tarczowe - rodzaje, urządzenie i zasada działania

Na początku pierwszej połowy XX wieku stało się jasne, że prędkość masowo produkowanych samochodów wzrosła, a dotychczasowe konstrukcje mechanizmów hamulcowych przestały spełniać nawet te prymitywne wymogi bezpieczeństwa. Nadszedł czas, aby zmienić bęben i inne przestarzałe konstrukcje, w wyniku czego pojawił się zupełnie nowy hamulec - hamulec tarczowy.

Schemat i działanie hamulca tarczowego

Podstawowa różnica polega na działaniu klocków hamulcowych z okładzinami ciernymi nie na wewnętrznej powierzchni bębna hamulcowego, ale na zewnętrznych końcach masywnej stalowej lub żeliwnej tarczy. Stąd powstał typowy skład hamulca koła:

• dysk połączony z piastą koła;
• klocki hamulcowe zakrywające tarczę z obu stron;
• mechanizm mocowania klocka, w tym zaciski i wsporniki;
• wykonawcze (robocze) siłowniki hydrauliczne napędu hamulca;
• elementy pomocnicze i mocujące w zależności od konkretnej konstrukcji.

Zacisk mocowany jest do elementów zawieszenia, w przypadku kół kierowanych jest zwrotnicą, a w przypadku kół tylnych przeniesienie momentu obrotowego i siły wzdłużnej może następować poprzez podobny montaż lub obudowę łożyska tylnej osi.

Zadaniem zacisku jest przytrzymywanie klocków hamulcowych w obszarze roboczym, dając im swobodę w kierunku docisku do tarczy i do tyłu, co pozwala na cofanie się po zwolnieniu. Wysiłki tutaj są znaczne, więc zaciski to skomplikowane geometrycznie konstrukcje, mocne i masywne, wykonane z odlewu.

Wewnątrz zacisku znajdują się działające cylindry hydrauliczne, jeden lub więcej, w zależności od mocy i niezawodności układu. Mogą być wykonane jako oddzielne części, mocowane na zaciskach na różne sposoby lub poprzez umieszczenie tłoków w rowkach materiału zacisku. Elastyczne węże napędowe nadają się do cylindrów, a do pompowania z powietrza znajdują się oddzielne złączki w górnej części objętości roboczych.

Jeżeli siłowniki hydrauliczne działają tylko na jeden blok, to przeciwny napędzany jest ze wspornika typu pływającego osłaniającego tarczę od zewnętrznej strony jej obwodu. Sztywność zacisku, który jest jednocześnie masywną odlewaną częścią, sprawia, że ​​drugi klocek jest przenoszony dokładnie z taką samą siłą jak z tłoka pierwszego, ale z przeciwnej strony tarczy.

Możliwe jest rozmieszczenie cylindrów roboczych w układach wielotłokowych symetrycznie względem płaszczyzny tarczy, naprzeciw siebie. Równość wysiłków w tym przypadku zależy od tych samych średnic tłoków i dostarczania do nich tego samego ciśnienia z hydrauliki napędowej.

Tarcze z reguły wykonane są z żeliwa, które posiada odpowiednie właściwości cierne. Możliwe jest również zastosowanie innych materiałów. Są one dociskane do podkładek, które w tym celu mają podkładki nitowane lub klejone, wykonane ze starannie dobranego materiału, spełniającego cały szereg wymagań.

Dwa główne schematy organizacji zacisków

Różnica polega na organizacji wspornika. Można go sztywno zamocować względem zwrotnicy, wtedy tłoki będą musiały być ustawione symetrycznie względem tarczy. Każda z nich będzie działać na swój blok, a obie te siły są równe zgodnie z prawami geometrii i hydrauliki. Ta równość zapewni brak pasożytniczej różnicy sił, które mogą działać prostopadle do płaszczyzny tarczy jako całości i obciążać łożyska kół. Tarcza będzie ściskana tylko przez siły przeciwstawne dociskania klocków.

W podobny sposób będzie działał prostszy system z pływającym wspornikiem. Wspornik może poruszać się wzdłuż szczelin prowadzących w zacisku, wyrównując siłę na klockach, chociaż tłok działa tylko na jedną z nich. Powstaje sytuacja, gdy poprzez system wirtualnych dźwigni utworzonych przez suwmiarkę, prowadnice i wspornik tłok naciska na jeden klocek, a cylinder na drugi. Oczywiście siły te są równe, choć w praktyce nie jest to takie proste.

Zasadniczą wadą mechanizmu pływającego jest obecność siły tarcia we wspornikach prowadzących. Z powodu naturalnego zużycia, zanieczyszczenia lub niedokładności wykonania siły te mogą osiągać znaczną wartość, co prowadzi do nierównomiernego zużycia klocków wewnętrznych i zewnętrznych. To spora wada, którą trzeba zapłacić za względną prostotę projektu.

System wsporników stałych, pomimo kosztów, jest aktywnie stosowany w drogich, szybkich, ciężkich i sportowych samochodach. A jeśli chodzi o tłoki, sprawa rzadko ogranicza się do jednego w obwodzie pływającym lub dwóch w stałym. Z różnych powodów liczba cylindrów wzrasta, sięgając sześciu, a nawet ośmiu w najbardziej zaawansowanych i mocnych hamulcach. Takie konstrukcje są złożone, drogie, ale jednocześnie niezwykle niezawodne, działają z dużą wydajnością, zatrzymując maszyny z ogromną energią kinetyczną w ciągu kilku sekund.

Działanie hamulca

Zasada działania systemu dyskowego jest prosta i intuicyjna. Po naciśnięciu pedału przez kierowcę tłok pompy hamulcowej porusza się, wybierając wszystkie szczeliny i wywierając nacisk na nieściśliwy płyn hamulcowy. Jest równy w każdym punkcie linii, a więc we wszystkich cylindrach wykonawczych. Równość obszarów tłoków w cylindrach roboczych zapewnia pełną identyczność sił działających na klocki hamulcowe jednej osi samochodu.

Rozkład sił wzdłuż osi jest tematem rozwijanym w ramach jednostki napędowej i zapewnia równowagę hamowania samochodu. Ale na jednej osi siły muszą być ściśle równe, w przeciwnym razie samochód będzie ślizgał się po płaskiej i jednolitej powierzchni. Wyjątkiem jest świadoma kontrola sił w aktywnych układach hamulcowych.

Tłoki cylindrów roboczych naciskają na klocki od strony podłoża metalowego, a okładziny cierne dociskane są do tarcz z dużą siłą. Ze względu na znormalizowany współczynnik tarcia na tarczach, a co za tym idzie na kołach, powstaje moment hamowania, który zapewnia samochodowi niezbędne opóźnienie.

Funkcje projektowania dysków

Zazwyczaj tarcze są wykonane z żeliwa, które charakteryzuje się dobrą odpornością na zużycie, twardością i dopuszczalnym współczynnikiem tarcia. W przypadku pojazdów cywilnych to wystarczy, ale tam, gdzie wymagana jest zwiększona moc i odporność na temperaturę, stosuje się specjalne techniki:

• stal stopowa może być stosowana jako materiał na dyski, który lepiej zachowuje się w wysokich temperaturach, mniej odkształca się po cyklach termicznych i ma lepszą wytrzymałość mechaniczną;
• w szczególnych przypadkach tarcza może być wykonana ze specjalnych materiałów, takich jak włókno węglowe, są mocniejsze od stali, mniej ważą i mają zwiększony współczynnik tarcia;
• w celu polepszenia odprowadzania ciepła, tarcze są zaopatrzone w wewnętrzną wentylację, podczas obrotu powietrze jest wtłaczane przez wnęki z wlanymi tam elementami aerodynamicznymi;
• poprawę warunków pracy w cienkiej warstwie pomiędzy okładzinami klocka a powierzchnią tarczy uzyskuje się poprzez perforację w tej ostatniej, która usuwa nagrzane produkty zużycia, powstałe gazy, a dodatkowo chłodzi najgorętszą strefę kontaktu.

Tarcza podlega zużyciu, dlatego po osiągnięciu minimalnej dopuszczalnej grubości należy ją wymienić. Zbyt cienka tarcza traci siłę i powoduje, że tłoki wysuwają się z cylindrów na nieokreśloną odległość, co jest obarczone utratą szczelności.

Najczęstszymi przyczynami przedwczesnej awarii tarczy są chybotanie w wyniku trwałego odkształcenia termicznego i powstawania pęknięć. Zapewnienie bezpieczeństwa wymaga regularnej kontroli tarcz przy każdej konserwacji wraz z pomiarem grubości. Konieczne jest zmierzenie obszaru roboczego, ponieważ tarcze zużywają się nierównomiernie, wzdłuż krawędzi prawie zawsze tworzy się ramię. Czasami jest usuwany mechanicznie podczas wymiany poduszek.

Materiały użyte w podpaskach

Azbest był szeroko stosowany w pierwszych klockach do hamulców tarczowych, ponieważ miał dobry współczynnik tarcia, włókna wzmacniały wypełniacz okładziny, a wysokie temperatury nie miały na niego żadnego wpływu. Ale pył azbestowy ma działanie rakotwórcze, dlatego obecnie stosuje się inne materiały:

• włókna wzmacniające metal;
• cermetale;
• substancje organiczne.

Im doskonalszy materiał, tym droższe klocki, więc dla tego samego modelu samochodu cena zestawu może się różnić o rząd wielkości. Dobre ochraniacze są fizycznie i chemicznie zabezpieczone przed pojawieniem się charakterystycznego skrzypienia, są miękko wkomponowane w pracę i są odporne na ciepło. A właściwości cierne i wytrzymałość materiału dobierane są w taki sposób, aby na jedną wymianę tarczy przypadały w przybliżeniu trzy wymiany klocka. Nadmiernie twarde i ścierne substancje szybko zabijają tarczę, a w przeciwnym wypadku trzeba zbyt często wymieniać klocki, co w żaden sposób nie przyczynia się do niezawodnej pracy. Często klocki są wyposażone w elektroniczne lub akustyczne wskaźniki zużycia.

Zalety i wady systemu dyskowego

Oczywiste korzyści to:

• wysoka skuteczność hamowania;
• odporność na przegrzanie;
• stabilna praca nawet po wniknięciu wody;
• dokładność działania na kołach;
• łatwość układu;
• niski koszt utrzymania;
• niska waga mas nieresorowanych.

Jedyne wady to słaba ochrona przed zanieczyszczeniami i uszkodzeniami mechanicznymi. Początkowo wysokie koszty produkcji masowej są wykluczone z listy wad. Hamulce tarczowe są obecnie stosowane w prawie wszystkich klasach pojazdów, w tym w wielu ciężarówkach. Jedynymi wyjątkami są pojazdy terenowe, w których na pierwszy plan wysuwa się ochrona na złych drogach.