Как устроены тормоза на грузовиках
Тормоз-замедлитель, Ретардер, Интардер, Турбо-ретандер, Горный тормоз и Jake Brake. Все что нужно знать о необычных тормозах.
Недавно мне попалась статья о новых сверхтяжелых тягачах Mercedes-Benz, способных тянуть за собой до 250 тонн. Но заинтересовало меня не грузоподьемность, а конкретно некоторые технические решения, а именно — «Турбо-ретардер». Но прежде чем начинать разбираться в «Турбо-ретардере», следовала узнать что такое просто «ретардер», и с чем его едят. По мере изучения предмета, я наткнулся на огромное колличество интересных технических решений. Интересно? Погнали.
Начать конечно следует с википедии.
Тормоз-замедлитель, ретардер (англ. retarder), — устройство, предназначенное для снижения скорости транспортного средства без задействования основной тормозной системы. Из большого количества схем чаще всего применяются электромагнитная и гидравлическая. Преимущество гидравлического тормоза-замедлителя в стабильности тормозного усилия по мере повышения температуры, в то время как электродинамический ретардер способен выдавать большее тормозное усилие.
К слову, в англоязычном разделе вики статья на эту тему в 10 раза больше, чем в русском:
Теперь более подробный разбор.
По месту расположения ретардеры разделяют на первичные (перед коробкой передач) и вторичные (за ней). Недостаток первичных в том, что при переключении передач происходит прерывание тормозного момента — что, разумеется, нежелательно.
Гидродинамический ретардер по принципу работы очень похож на гидротрансформатор. Ретардер этого типа состоит из двух турбин, закрепленных на одной оси в общем корпусе. Ротор жестко связан с ведущими элементами трансмиссии, в то время как статор жестко соединен с корпусом. При движении машины ротор бесцельно гоняет воздух внутри ретардера, а при включении ретардера открывается клапан, через который сжатый воздух поступает в расширительный бак, и рабочая жидкость начинает поступать внутрь турбины. Ротор, движимый карданным валом, разгоняет масло, которое затем попадает в статор и тормозится, замедляя тем самым и ТС. Для вывода тепла чаще всего используется система охлаждения двигателя. Ретардеры могут оборудоваться собственным радиатором, если объем системы охлаждения автодома не рассчитан на появление дополнительных источников тепла. В новых моделях этих устройств система охлаждения ретардера объединена с системой охлаждения двигателя, что не только делает конструкцию проще и легче, но и позволяет достичь большей стабильности температурного режима работы. Недостатком гидродинамического ретардера является тот факт, что для достижения эффективного торможения ему необходимы достаточно высокие обороты.
Индукционные тормоза обеспечивают рассеивание энергии торможения за счет генерации токов Фуко. В состав тормоза-замедлителя как правило входят неподвижный статор и пара роторов, жестко соединенных с вращающим их приводным валом. Статор и роторы установлены коаксиально (что бы совпадали центральные оси) друг напротив друга и разделены небольшим воздушным зазором во избежание любого трения.
Статор играет роль индуктора. Он состоит из последовательно соединенной пары электромагнитов, которые при непрерывном протекании электрического тока через обмотки статора создают электромагнитное поле, необходимое для возникновения токов Фуко в материале роторов.
Роторы играют роль якоря. Они изготовлены из специального проводящего материала, и вихревые токи в роторах возникают только при вращении роторов с помощью приводного вала в магнитном поле, созданном статором.
Токи Фуко по определению представляют собой токи, возникающие в массивном металлическом проводнике при его помещении в переменное магнитное поле. Токи Фуко циркулируют вокруг линий магнитного потока, и эти токи также называются вихревыми токами.
Появление токов Фуко в материале ротора приводит к возникновению лапласовых сил, действующих в направлении, противоположном вращению ротора. В результате этого создается тормозящий момент, действующий на приводной вал и замедляющий таким образом движение автомобиля.
Токи Фуко являются причиной интенсивного повышения температуры роторов, тепло от которых отводится в атмосферу посредством системы вентиляции.
Несмотря на то, что электромагнитные ретардеры тяжелее гидродинамических, они имеют существенное преимущество — начинают эффективно работать практически с холостых оборотов. Слабая сторона – ресурс. Ретардеры такого типа, могут быть установлены непосредственно на вторичный вал трансмиссии или карданный вал. Фирма Telma предлагает еще один способ установки – «на ось» или «осевой ретардер», если переводить дословно – axle retarder. На самом деле он устанавливается на задний мост, и ротор крепиться на вал главной передачи.
Принцип действия индукционных тормозов может показаться простым, но он основывается на сложных физических законах, как, например, электрическое сопротивление материалов, электромагнетизм и термодинамика.
Последняя разработка фирмы Voith – акватардер. Он работает по тому же принципу что и гидродинамический, но вместо рабочего тела он использует не масло, а ОЖ двигателя. Акватардер установлен спереди двигателя и жестко закреплен с его коленчатым валом. Он относится к классу первичных ретардеров. Во время простоя работы (педаль тормоза не нажата) поток жидкости направляется помпой в систему охлаждения двигателя, минуя акватардер. Любое торможение активирует переключающий клапан, который направляет с помощью помпы весь поток охлаждающей жидкости в контур ретардера. Дальше эту функцию берет на себя сам ретардер, действуя как мощный насос. Чтобы с такой мощностью нагнетания получить желаемый тормозной момент, ретардер должен сопротивляться выходному сопротивлению. Этим дросселем является установленный на выходе акватардера пневматический регулировочный клапан, который служит бесступенчатым регулированием тормозного момента. При выключении ретардера оба клапана вентилируются и возвращаются в свое прежнее состояние. К недостаткам конструкции относиться малая мощность – около 1800 Нм, меньше, чем у ретардеров, работающих на масле (от 2000 до 3200 Нм). К достоинствам – малый вес, всего 32 кг, в сравнении с электромагнитным ретардером (в среднем от 100 кг) и простоту кострукции, так как нет необходимости в охлаждении.
Интардер
Некоторые производители автобусов и среднетоннажных грузовиков европейской конструкторской школы (ZF Friedrichshafen AG) встраивают ретандер непосредственно в коробку передач, чем достигается экономия в весе, простота обслуживания а так же возможность охлаждения агрегата ОЖ двигателя. Наиболее распространенным способом является установка ретардера за коробкой передач. Он соединяется со вторичным валом не напрямую, а через пару шестерен с передаточным отношением примерно 1:2, поэтому скорость вращения ротора здесь в два раза выше (что позволяет улучшить характеристики тормозного момента на малых скоростях). Но собственно почему интардер вынесен отдельно от гидродинамического ретардер? Все дело в соединении шестерен в соотношении 1:2. Я думаю, что ZF запатентовала эту схему, и другие производители не идут по этому пути по причине вынужденных отчислений.
***
Турборетандер на тяжелых тягачах Mercedes-Benz Actros SLT и Arocs SLT
Тянуть за собой 250 тонн очень тяжело. Но еще тяжелее начать движение с таким грузом. Гениальность турбо-ретардера в том, что помимо своей основной функции, выполняет роль гидромуфтыв начале движения. Преимуществом такого способа передачи усилия является быстрое и плавное силовое замыкание с высоким проскальзыванием, при полном крутящем моменте двигателя до 3000 Нм, без износа узлов.
При нажатии на педаль акселератора, с помощью сжатого воздуха масло закачивается в сцепление с турбо-ретардером, это создает силовое замыкание между двигателем и первичным валом коробки передач. Количество масла регулируется нажатием на акселератор. Непосредственно после начала движения сцепление с турбо-ретардером замыкается, и масло удаляется из корпуса под воздействием центробежной силы, силовое замыкание между двигателем и коробкой передач производится стандартным способом с наивысшим КПД посредством фрикционного сцепления. В зависимости от нагрузки, подъема и выбранной программы движения тягач начинает движение на первой или второй передаче.
Поскольку трогание с места с проскальзывающим сцеплением не требуется, на SLT оно выполнено как однодисковое сухое сцепление. (На Semi-SLT без сцепления с турбо-ретардером применяется двухдисковое сухое сцепление).
При торможении турбинное колесо останавливается, и масло повторно закачивается в корпус, в этом случае сцепление с турбо-ретардером берет на себя функцию мощного первичного ретардера.
Так же, водитель может маневрировать на очень малых скоростях, контролируя скорость педалью газа, как на обычной автоматической коробке передач с гидротрансформатором. Тронуться на подъеме с сотней тонн позади, тоже труда не составит
Так же, я посчитал нужным добавить в обзор такие неотъемлимые средства остановки грузового транспортного средства, как Горный (моторный) тормоз и Jake Break.
Горный (моторный) тормоз
Является самым простым, дешевым и универсальным средством торможения автомобиля. Работает только при включенной передаче и отпущенной педали акселератора. Суть работы горного тормоза сводится к отключению подачи топлива и частичному перекрытию выпускного тракта с целью создания противодавления на такте выпуска. Чаще всего представляет из себя заслонки с вакуумным сервоприводом. Конструктивно заслонка выполнена таким образом, чтобы обеспечить размер остаточного зазора достаточным для того, чтобы слишком большое противодавление не мешало нормальной работе выпускного клапана (точнее — исключалось его неконтролируемое открытие под воздействием отработавших газов из соседних цилиндров). Это одна из особенностей, ограничивающих максимальный тормозной момент такого тормоза-замедлителя.
К слову:
Эта же система использована для ускоренного прогрева грузовых дизелей Isuzu, Mazda, Mitsubishi. Включается отдельной кнопкой — нарисован двигатель со снежинкой. Выключается по сигналу от датчика температуры.
Нашел маленький отзыв о опыте пользования горным тормозом:
» — Во время недавней поездки в Монголию не один перевал пришлось проходить. Рено Премиум-3 имеет автоматическую заслонку. Включил-закрылась. Нажал газ-открылась. Отпустил газ-опять закрылась. Очень удобно на пересеченной местности(вниз-вверх-вниз). По эффективности: с небольшим грузом (8 тонн в контейнере 40-ке) на затяжных спусках приходилось немного иногда помогать «парашютом». Пустому вполне хватает одного горняка. Только передачу надо правильную выбирать. Рекомендуемый диапазон эффективной работы горного тормоза 2000-2100 (выделен синим цветом на тахометре).
Чем выше обороты-тем эффективнее торможение. Мне с небольшим грузом хватало и не полной эффективности. На Рено-подрулевой рычажок. Включил-увидел синюю шкалу. Выключил-шкала погасла.»
Jake Brake
Американские моторостроители пошли своим путем: там уже не первое десятилетие применяют Jake Brake — относительно простой тормоз Джакобса, встроенный в газораспределительный механизм. Принцип его работы основан на сбросе давления в цилиндре после такта сжатия при помощи штатного выпускного клапана. Для этого между толкателем и стержнем клапана устанавливается промежуточное звено — плунжер, изменяющий длину под действием управляющей гидравлической системы. Активная фаза торможения продолжается и на такте расширения, когда после закрытия клапана в цилиндре создается разряжение, поэтому такой тормоз называют декомпрессионным. Jake Brake применяется на грузовиках Freightliner (двигатели Cummins и Caterpillar) и DAF (голландцы не стали разрабатывать оригинальную конструкцию, а просто обратились за помощью к американцам).
Свой тормоз «по мотивам Jake Brake», но с несколько иным принципом действия сконструировал и MAN. Баварцы пошли сразу двумя путями — использованием заслонки в выпускном коллекторе и модернизацией газораспределительного механизма: маленький плунжер, встроенный в коромысло, уходит вслед за клапаном вниз, а моторное масло (оно начинает поступать через отдельный канал) давит на плунжер и удерживает клапан в приоткрытом положении. В течение всех тактов, кроме впуска, выпускной клапан открыт — а значит, двигатель работает как обычный компрессор, засасывая воздух и нагнетая его в закрытую заслонкой выпускную систему. В итоге противодавление выхлопных газов возрастает настолько, что существенно тормозит поршень и в конечном итоге ведущие колеса.
Тормозная система грузового автомобиля: назначение, устройство и принцип работы
Тормозная система грузового автомобиля— ключевой узел, отличающийся большим количеством элементов, увеличенными размерами и массой, а также более высокими требованиями к надежности. Современные грузовики комплектуются тормозами с пневмоприводом, работающими на принципе сжатого воздуха и поддерживающими необходимое давление в системе.
Ниже подробно рассмотрим, какие бывают виды тормозных систем, в чем их отличия и особенности. Отдельно разберем порядок и нюансы работы пневматической тормозной системы, а также принципы взаимодействия ее узлов.
Отличия тормозной системы грузового и легкового автомобилей, классификация по принципу действия
Конструктивно тормозные системы грузовика и легковой машины почти не отличаются. Главной особенности являются габариты и вес комплектующих узлов. Условно тормоза грузовика бывают следующих видов (по принципу действия).
Механические
Применяются в системе ручного / стояночного тормоза. В состав механизма входят рычаги, тяговая система, уравнители и другие элементы. Приводной узел подает ручнику информацию о фиксации автомобиля на одном месте даже при нахождении под сильным наклоном. Применяется механизм на парковке, во дворе и других местах, когда необходимо обеспечить нахождение машины на одном месте и избежать ее скатывания.
Гидравлические
Распространенный вид приводного механизма, востребованный, как правило, на легковых автомобилях. Конструктивно в состав привода входит гидроусилитель, педаль, цилиндры тормозов и колес, трубки и трубопроводы. В такой системе сочетается эффективность работы, доступность, легкость обслуживания и возможность покупки комплектующих во всех автомобильных магазинах.
Конструктивно гидравлические тормоза бывают:
Дисковые
Отличаются надежностью и эффективностью. Конструктивно состоят из накладок, охватывающих диск, установленный и вращающийся на колесной ступице. При срабатывании тормоза работает приводной механизм, воздействующий на накладки. Последние сдавливают на диск с двух сторон, тормозят его и останавливают транспортное средство.
Барабанные
Более доступный вид тормозов, предусматривающий установку специальных накладок внутри барабанной полости. После нажатия педали колодки расходятся и контактируют со стенкой барабана, предотвращая вращение колеса. Чем сильнее нажатие на педаль, тем быстрей останавливается транспортное средство.
Барабанный тормозной механизм проигрывает дисковому по всем параметрам. Чтобы сэкономить на изготовлении автомобиля, производители часто ставят дисковый вариант спереди, а «барабаны» остаются для задней оси.
Гидравлический привод появился еще в 1910-1915-х годах, а в автомобилестроении применяется с 1924-го. Популярность обусловлена одновременным торможением колес, небольшим временем срабатывания (до 0,2 с), высоким КПД на уровне 90%, небольшими габаритами / массой и простой конструкцией.
Пневматические
Тормозная система с пневматическим приводом— наиболее распространенный вид тормозов для грузовых автомобилей и специальной технике.
На легковых машинах они не применяются. По особенностям работы система имеет много общего с гидравлической с той разницей, что главным рабочим элементом является не жидкость, а воздух, поступающий под давлением с помощью компрессора.
После нажатия на педаль воздух направляется к тормозным элементам и обеспечивает их работу. Дополнительно применяются и другие виды тормозных систем— вакуумная, электрическая и комбинированная. Они используются реже, поэтому не будем останавливаться на них подробно.
Четыре типа тормозов
Для надежности в грузовых автомобилях применяется целый комплекс тормозных узлов. Так, система грузовика условно делится на четыре типа:
Оптимальный вариант, когда в грузовом автомобиле применяются одновременно все озвученные выше системы, обеспечивающие безопасность эксплуатации и своевременную остановку грузовика даже в сложных условиях.
Основные рабочие элементы тормозной пневмосистемы
Как отмечалось, в грузовых машинах чаще всего применяются пневматические тормоза, которые конструктивно состоят из следующих элементов.
Компрессор
Монтируется на маховике силового узла и обеспечивает подачу воздуха с необходимым давлением. Он поступает через трубопровод, очищается, а после подается к цилиндрам компрессора.
При достижении давления в 0,7 МПа останавливается подача в пневматическую систему, а при снижении до 0,65 МПа —прекращается выход в атмосферу. Компрессор монтируется в передней части грузовика в непосредственной близости от мотора.
Работает от клиновидного ремня, объединяющего шкивы вентилятора охлаждения и компрессорного механизма. Давление определяется по манометру. После нажатия на педаль воздух подается в тормозные отсеки, а на следующем этапе колодки сжимаются и обеспечивают торможение.
Главный тормозной цилиндр (ГТЦ)
Назначение узла состоит в восприятии усилия, которое передается от тормозной педали / рычага. Механизм отличается по конструктивным особенностям и принципу действия. В состав входит кожух цилиндра, поршень, уплотнители и соединительные узлы. В сложных конструкциях применяется два или более контуров с увеличенным количеством поршней. В некоторых версиях тормозных систем используются двойные цилиндры.
Возле ГТЦ предусмотрена емкость с тормозной жидкостью, которые соединяется с гидравлическим цилиндром. При использовании индивидуального бака он соединяется с ГТЦ с помощью резиновой трубы. Благодаря этой особенности, обеспечивается пополнение жидкости в случае течи, принятии лишнего рабочего состава при расширении и т. д.
К примеру, в грузовом автомобиле Газ 53 предусмотрено 2-контурная система, а ГТЦ имеет двухсекционное исполнение. Каждый из них работает со своим контуром. Также имеется две емкости, которые объединяются с ГТЦ через пру отверстий.
В новых моделях ГТЦ предусмотрены устройства, сигнализирующие об изменении объема жидкости в баке. В этом случае зажигается контрольная лампа на приборной панели, показывающая водителю о необходимости доливки.
Главными элементом является датчик, отличающийся поплавковой конструкцией и обеспечивающий замыкание контактной группы при снижении жидкости ниже допустимого уровня. При заливке системы необходимо удаление воздуха.
Колесные рабочие цилиндры
Один из главных узлов пневматической тормозной системы, обеспечивающий приведение в действие тормозов— рабочие цилиндры. Конструктивно состоят из двух поршней, которые обеспечивают передачу усилия и остановку автомобиля.
Для срабатывания этих элементов необходимо нажать на педаль тормоза. При ее удерживании происходит движение поршней, воздействующих на колодки и обеспечивающих замедление вращения барабана.
После отпускания педали происходит возврат поршня в первоначальное состояние, но с учетом установленного зазора. В случае износа тормозных колодок происходит смещение кольца вдоль цилиндра для поддержания оптимального расстояния.
Регулятор давления
В его функции входит контроль и поддержание необходимого давления в системе. При необходимости устройство подает дополнительный поток воздуха или спускает его для поддержания работоспособности системы.
Кроме рассмотренных выше узлов, пневматическая система грузовика включает в себя:
Принцип работы пневматических тормозов, взаимодействие рабочих элементов
При пуске мотора запускается компрессор, который принимает воздушный поток и направляет его в тормозную систему до создания нужного давления. Этот параметр контролируется регулятором, который при необходимости выводит излишний воздух за пределы механизмов грузового автомобиля. На следующем этапе поток направляется в осушитель, где из него удаляются лишние добавки и убирается влага.
Очищенный и высушенный поток является гарантией стабильной и бесперебойной работы системы, в первую очередь в холодную погоду. Как правило, осушитель и регулятор находятся в одном корпусе, где дополнительно предусмотрен ресивер для регенерации.
После подготовки воздуха производится его распределение с помощью 4-контурного клапана в следующих направлениях:
Ресиверы обеспечивают необходимый объем сжатого воздуха, подача которого регулируется водителем путем нажатия и опускания педали тормоза. Через специальный кран поток под давлением идет в камеры (сначала передние, а потом и задние). Далее штоки воздействуют на элементы разделения / сжатия колодок системы, и машина останавливается.
В контуре ручных и дополнительных тормозов воздух из накопителя идет к тормозному крану, управляющего воздушным потоком, к энергоАКБ. Последние монтируются на задней оси и имеют тормозной кран, обеспечивающий сброс лишнего давления.
Главным действующим элементом являются тормозные камеры, которые под действием пружин обеспечивают фиксацию автомобиля в стояночном положении. Наличие энергоАКБ позволяет исключить аварии, ведь остановка грузовика происходит даже при снижении давления ниже определенного уровня, то есть в аварийных ситуациях.
Параллельно из ресиверного механизма ручных и дополнительны тормозов идет питания к управляющему крану прицепа. Пневомсистемы машины и прицепного устройства объединяются с помощью специальных головок, а сигналы управления также подаются от тормозов машины.
При наличии прицепа магистрали питания и управления коммутируются отдельно. При установке тормозных камер на прицепном устройстве с энергоАКБ формируется управляющая цепь для этих устройств. По магистрали поток воздуха обходит тормозной кран и заполняет ресивер прицепной конструкции. Далее пневматический сигнал идет к управляющей цепи крана, управляемого одним-двумя регулятора.
АБС грузовой машины и прицепной конструкции контролируют равномерность торможения. Они работают, благодаря модуляторам, датчиком угловой скорости, ЭБУ и информирующим лампочкам.
Важный элемент пневмосистемы— манометр, по которому можно увидеть давление, а также лампы-индикаторы разных цветов, обеспечивающие контроль и своевременное информирование о наличии сбоев в работе системы. Все необходимые сведения выводятся водителю на приборную панель.
Итоги
Тормозная пневматическая система — сложный механизм, состоящий из множества узлов. Каждый из элементов очень важен, ведь обеспечивает адекватность и прогнозированность эксплуатации грузового автомобиля в разных условиях.
При этом шофер должен знать устройство, особенности работы и назначение главных элементов, а также уметь делать простой ремонт тормозной системы. При правильной эксплуатации и своевременном обслуживании тормоза грузовика никогда не подведут и выручат даже в экстремальной ситуации.