Сучасні системи гальмування та допомоги при гальмуванні дуже вражають. Їх виробники конкурують між собою, щоб надати найбільш ефективні та комфортні рішення для гальмування. Проте шлях до досягнення сучасних інженерних рішень був довгим.
Світанок розвитку гальмівних систем
Важливість гальм у сучасних автомобілях безперечна. Гальмівна система сьогодні є однією з найважливіших систем автомобіля. Але гальма не завжди були такими важливими. На початку розвитку автомобілів винахідники думали про те, як змусити автомобіль рухатися, а не про те, як його зупинити. Внутрішні опори машини в поєднанні з іншими простими засобами були гальмівними системами того часу. Перші автомобілі зупинялися за допомогою важелів, які притискали дерев’яну колодку до обода колеса, або за допомогою інших гальмівних засобів, які використовувалися в екіпажах. Насправді автомобілі нагадували карети і тому мали багато спільних з ними конструктивних рішень.
Однак невдовзі було помічено, що такі імпровізовані гальма не дуже ефективні. Дерев’яні колодки швидко зношувалися при контакті з колесами і не забезпечували достатньої гальмівної сили на крутих дорогах. І водії хотіли рухатися швидше і швидше. Були випробувані різні рішення з метою перетворення кінетичної енергії в теплову за допомогою більш ефективного методу. Використовувалися все більш ефективні підкладки, наприклад з міді, що збільшувало силу тертя. Однак у них був один суттєвий недолік – вони були дуже гучними при контакті з металевими колесами. Щоб виправити це, їх покривали м’якими фрикційними матеріалами, такими як азбест, бавовна або гума. Цих рішень було достатньо, оскільки автомобілі не могли їхати швидко.
Шини – новий виклик для автомобільних гальм
На розвиток гальм значною мірою вплинули пневматичні шини. Вони забезпечували кращий комфорт на нерівній місцевості та дозволяли їздити на вищих швидкостях, але погано працювали з примітивними гальмами того часу. Колодка, притиснута безпосередньо до шини, могла спрацювати на велосипеді, але не на набагато важчому автомобілі. Отже, був розроблений новий тип гальм, який захований усередині колеса. Цікаво, що барабанні та дискові гальма були винайдені приблизно в один і той самий час.
Перші дискові гальма були винайдені у 1902 році Фредеріком Вільгельмом Ланчестером, англійським інженером, тоді як барабанні гальма було запатентовано Луї Рено того ж року. Інші інженери, у тому числі Готліб Даймлер і Вільгельм Майбах, також експериментували з барабанними гальмами, але перемогла конструкція Рено. Замість чавунного барабана, обмотаного мотузками, він застосував набагато ефективніше рішення, тобто гальмівні колодки, що штовхають барабан. Цей тип гальм зберігся до наших днів. Звичайно, не без модифікацій.
Гідравліка в гальмівних системах
Перші автомобільні гальма були повністю механічними і приводилися в дію виключно силою м’язів водія. Спочатку з гальмами були тільки задні колеса. Автомобіль з гальмами на всіх чотирьох колесах не був винайдений до 1909 року, в основному через недостатні інженерні знання, які перешкоджали винаходу гальм, що забезпечують стійкість автомобіля. Керовані за допомогою сталевих ліній, барабани працювали з різною силою, і синхронізація чотирьох пар гальмівних колодок була невеличкою проблемою.
Прорив стався в 1917 році, коли Малькольм Логхед, який пізніше став відомим як Локхед, запатентував гідравлічні гальма. Цей тип гальм був вперше винайдений німцем Гуго Мейєром у 1895 році, але він не прижився. Гальма Локхед були першими гідравлічними гальмами масового виробництва. Застосування гідравлічної рідини сильно змінилося. По-перше, було збільшене гальмівне зусилля. По-друге, була усунена проблема розтріскування і розшарування шлангів, у результаті чого гальмами стало зручніше користуватися. Перші гідравлічні гальма були сумно відомі витоками, але вони були набагато надійнішими, ніж механічні гальма.
Кілька років потому, в 1928 році, була додана додаткова функція – система допомоги при гальмуванні. Гальмівний сервопривід використовував негативний тиск, створюваний у системі впуску, щоб збільшити гальмівну силу. Після натискання на педаль гальма головний циліндр активувався і клапан скидав негативний тиск із впускного колектора. Різниця тиску між двома частинами мембрани створювала силу, яка додатково підтримувала поршень головного циліндра. Сила була прямо пропорційна до того, наскільки сильно була натиснута педаль гальма. Таким чином водій міг легко контролювати силу гальмування. Оскільки гальма ставали все ефективнішими, автомобілі могли рухатися все швидше і швидше.
Повільне зменшення популярності барабанних гальм
Барабанні гальма домінували в автомобільній промисловості протягом багатьох років. Ви все ще можете зустріти їх на задній осі деяких маленьких і не дуже потужних автомобілів, таких як міські автомобілі. Незважаючи на свою міцність, барабани стійкі до різних дорожніх умов і не такі неефективні, як багато хто міг би подумати. Але в них є проблема з високою температурою.
Щільно закритий гальмівний барабан ускладнював відведення тепла. Розширення гальмівних колодок вимагало великої сили та застосування великого й важкого барабана. Також були несправні барабанні гальма. Хоча вони були простої конструкції та мали закритий корпус, їхні колодки часто заклинювало, що призводило до перегріву гальм. Це спричиняє раптову втрату гальмівної сили та небезпечні ситуації. На щастя, були винайдені дискові гальма.
Компресія або як працюють дискові гальма
Як і багато інших винаходів, перші сучасні дискові гальма дебютували в спорті. У 1993 році Jaguar XK, оснащений чотирма дисковими гальмами Dunlop, виграв 24-годинну гонку Ле-Ман. Почалася революція гальмівних систем.
На відміну від мідних гальмівних накладок 1902 року, сучасні колодки не скрипіли і не зношувалися так швидко. Незабаром будуть застосовані більш передові фрикційні накладки, такі як кераміка, напівметалічні суміші або кевлар. Азбест, як було встановлено, викликає рак, незабаром він буде виключений. Усі гальмівні колодки використовують одну й ту саму основну перевагу дискового гальма – вищу ефективність навіть під час динамічної їзди.
Ключовим є відведення тепла від дискових гальм. Вони охолоджуються вітром, передають тепло ободам і можуть додатково мати спеціальні вентиляційні отвори. Вони ідеально підходять для їзди в горах, динамічної їзди та екстреного гальмування. Поршні чинять тиск на фрикційні накладки і, відповідно, на гальмівний диск. Вони також більш сумісні з системами допомоги водієві, такими як ABS або ESP. Стискання виявляється кращим способом гальмування, ніж штовхання. Супорти переважають над барабанними гальмами.
Майбутнє автомобільних гальм
Центри досліджень і розробок продовжують розробляти ще більш ефективні гальма. Змінюються матеріали, системи та дизайн гальмівної системи. Все більше виробників використовують так званий шортинг, тобто короткочасний нагрів поверхні гальмівної колодки до 600–800 °С. Це для підвищення стійкості до так званого вигорання, тобто зниження ефективності накладок через температуру гальм. Усе більше уваги також приділяється зменшенню вібрації та скрипу гальм. Колодки гарної якості мають прошарок, який звукоізолює та зменшує вібрацію.
Схоже, незабаром гальмівним системам буде набагато менше роботи, ніж сьогодні. Розвиток гібридних та електричних автомобілів робить системи рекуперації енергії все більш серйозною альтернативою гальмам. Системи рекуперації, відомі донедавна з болідів Формули-1, набувають популярності. Енергія, що утворюється під час гальмування, більше не перетворюється на тепло і безповоротно втрачається, а перетворюється на електричну енергію. Звичайно, рекуперація енергії не замінить звичайні дискові гальма і не буде достатньою під час різкого гальмування. Однак вона може легко зменшити знос гальмівних дисків і колодок під час легкої повсякденної їзди. Незабаром ми дізнаємося, чи були праві у своїх прогнозах експерти.