Устройство пневматических тормозов автомобиля

Устройство автомобилей

Пневматический привод тормозов

Торможение сжатым воздухом

Пневматический привод широко используется в тормозной системе тягачей, грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности и автобусов. В тормозной системе с пневматическим приводом тормозные механизмы включаются за счет использования энергии сжатого воздуха.

Первая пневматическая тормозная система была запатентована американцем Д. Вестингаузом в 1872 году и предназначалась для использования в железнодорожном транспорте. Изобретение пневматического привода стало поистине революционным для железных дорог, обеспечивая надёжное торможение поездов в автоматическом режиме, что позволило существенно увеличить массу и скорость железнодорожных составов.

Для автомобилей пневмопривод тормозов впервые был предложен американским инженером Д. Стартевентом в 1904 г., но в серийном автомобильном производстве стал применяться лишь в сороковых годах прошлого столетия. Причиной, по которой инженеры-конструкторы обратили на пневмопривод более пристальных взор — стремительный рост мощности, производительности и грузоподъемности автотранспортных средств, передвигавшихся, к тому же, все более стремительно. Применявшиеся в те годы гидравлические и механические приводы не могли обеспечить надежное и эффективное торможение тяжелых автомобилей, и уж тем более — автопоездов.

В гидравлическом приводе без специальных усилителей величина тормозных усилий на исполнительных элементах тормозных механизмов лимитируется физическими возможностями человека, а с использованием гидровакуумных и вакуумных усилителей – размерами вакуумной диафрагмы, которая, при необходимости создания значительных усилий, разрасталась до огромных габаритов, негативно влияя на компоновку автомобиля. Кроме того, увеличение усилия, передаваемого гидроприводом, влечет за собой существенное повышение давления жидкости в нем, что создает дополнительную опасность разгерметизации системы, т. е. снижает ее надежность. И если незначительные утечки воздуха в пневмоприводе не влияют на его работоспособность, то для гидропривода они губительны, приводя к отказу системы.

Увеличение интенсивности дорожного движения и возросшие скорости ужесточают требования к тормозным системам автомобилей и автопоездов. Они регламентируются международными требованиями, государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами.

По этим причинам на автомобилях полной массой более 9 тонн применяют пневматический привод тормозных механизмов, который может создавать практически неограниченное приводное усилие со стороны тормозных механизмов, обеспечивая эффективное торможение автотранспортных средств любой массы и на любой скорости.

Следует отметить, что пневматические тормозные системы отечественных автомобилей не уступают, а по некоторым показателям даже превосходят аналоги ведущих зарубежных фирм.

Преимущества и недостатки пневматического привода

Широкое распространение пневматического привода транспортных средств объясняется целым рядом преимуществ:

возможность создания больших разжимных сил на тормозных колодках при малом усилии на педали управления;
доступность, дешевизна и безопасность рабочего тела для работы пневмопривода (обычный атмосферный воздух);
возможность накопления большого количества потенциальной энергии сжатого воздуха в специальных баллонах-аккумуляторах (ресиверах), позволяющей долго и эффективно тормозить даже при отказе основного источника энергии (компрессора);
допустимость незначительных естественных утечек сжатого воздуха из-за негерметичности (незначительные утечки компенсируются запасом сжатого воздуха и компрессором);
простота и удобство соединения магистралей при составлении автопоезда;
достаточно высокий КПД (0,8. 0,85);
возможность использования энергии сжатого воздуха для привода различных вспомогательных устройств и оборудования автомобиля (пневматический звуковой сигнал, стеклоочистители, привод дверей автобуса, привод переключения КПП, усилитель сцепления, подкачка шин и т. п.).

Недостатками пневматического привода являются:

большое время срабатывания вследствие медленного поступления сжатого воздуха к удаленным воздухонаполняемым объемам через трубопроводы с малым диаметром, а также из-за свойства сжимаемости воздуха (как и любого газа);
сложность конструкции и высокая стоимость (особенно многоконтурного привода);
большие масса и габариты приборов пневмопривода по сравнению с гидроприводом;
существенные затраты мощности на привод компрессора;
возможность выхода пневмопривода из строя при замерзании конденсата в трубопроводах и аппаратах при отрицательных температурах.

Обеспечивая высокое усилие, пневматический привод имеет массу, значительно превышающую массу эквивалентного по эффективности гидравлического привода, а также заметно дороже его. Так, например, на одиночном автомобиле марки «КамАЗ» пневмопривод содержит до 25 приборов и аппаратов, до шести ресиверов и примерно 70 м трубопроводов. Очевидно, что стоимость такого привода достаточно высокая.

Время срабатывания пневматического привода весьма продолжительное – у одиночных автомобилей оно составляет 0,4…0,7 сек, а у автопоездов может достигать 1,5 сек. Время растормаживания достигает 1,2 сек.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что по быстродействию пневматический привод в 5…10 раз медленнее гидравлического привода.

Общее устройство пневматического привода тормозов

На рис. 1 изображена схема пневматического привода тормозов автомобиля ЗИЛ-433100. Для детального ознакомления со схемой необходимо щелкнуть мышкой по рисунку 1. Увеличенное изображение схемы с пояснениями к номерам позиций откроется в отдельном окне браузера.

Основными элементами пневматического привода являются компрессор 1, ресиверы (воздушные баллоны) 9, 10, 11, 22, 23, хранящие запас сжатого воздуха, кран управления 18, магистрали и исполнительные элементы, воздействующие на разжимные устройства тормозных механизмов. В качестве таких исполнительных устройств обычно используют тормозные камеры 2, 29 диафрагменного типа.

Кроме основных элементов, пневматический привод современного автотранспортного средства включает различные дополнительные приборы и устройства, обеспечивающие его надежное функционирование, как в одиночном автомобиле, так и в составе автопоезда.

Все приборы пневматического тормозного привода делятся на следующие группы: питающие, приборы управления, регулирующие, исполнительные.

Питающие приборы подготавливают энергоноситель (сжатый воздух) к работе и распределяют его по контурам. Сюда относятся компрессор с регулятором давления воздуха, устройство, предохраняющее конденсат от замерзания, трубопроводы и различные соединительные элементы, в том числе и для присоединения пневмопривода тягача к пневмоприводу прицепа (полуприцепа).

К приборам управления относятся тормозные краны всех систем (рабочей, стояночной, запасной, вспомогательной), а также краны и клапаны управления тормозными системами прицепа или полуприцепа.

К регулирующим приборам относятся регуляторы тормозных сил, ускорительные клапаны, клапаны быстрого растормаживания.

К исполнительным приборам относятся тормозные камеры и пружинные энергоаккумуляторы.

Принцип действия пневматического привода тормозных механизмов достаточно прост – при торможении автомобиля (нажатие на тормозную педаль) кран соединяет ресиверы с магистралями, устанавливая в них давление воздуха, пропорционально силе, приложенной водителем к тормозной педали. При снятии усилия с тормозной педали кран отсоединяет магистрали от ресиверов и соединяет их с окружающей средой, выпуская сжатый воздух из системы.
Подобно гидравлическому, пневматический привод разделяется на контуры, причем каждый отдельный контур оснащается своим ресивером с запасом сжатого воздуха и управляется отдельной секцией крана. Это необходимо для повышения надежности привода и сохранения управляемости автомобилем в случае разгерметизации или отказа одного из контуров.

Одноконтурный пневматический привод прост по конструкции, но современные требования к безопасности движения исключают его использование на автомобилях из-за низкой надежности. Поэтому на современных автомобилях применяются многоконтурные приводы, и помимо двух обязательных контуров рабочей тормозной системы применяют несколько независимых контуров других тормозных систем.
Так, пневматический тормозной привод автомобиля КамАЗ-4310 имеет шесть независимых контуров:

контур питания потребителей сжатым воздухом;
контур привода тормозных механизмов передних колес;
контур привода тормозных механизмов задних колес;
контур привода стояночной тормозной системы;
контур привода вспомогательной тормозной системы;
контур аварийного растормаживания стояночной тормозной системы.

Кроме того, имеется целый ряд приборов, обеспечивающих работу привода тормозных механизмов прицепа и осуществляющих контроль над состоянием элементов тормозного привода.
Аналогичной тормозной системой осуществляются современные модели автомобилей ЗиЛ, МАЗ, КрАЗ и др.

Особенно удобен пневматический привод для использования на автопоездах. Исполнительные механизмы привода тормозной системы прицепа (или полуприцепа) питаются от установленных на них отдельных ресиверов посредством дополнительного крана, который называется воздухораспределителем.

Соединение тормозных систем тягача и прицепа может быть однопроводным или двухпроводным.
При однопроводном приводе прицеп соединен с тягачом с помощью одной магистрали, через которую осуществляется как наполнение ресиверов прицепа сжатым воздухом, так и передача на прицеп команд на торможение с заданной водителем интенсивностью.
Преимуществом однопроводного тормозного привода прицепных автотранспортных средств является его простота, а также то, что при отрыве прицепа от тягача он автоматически, без применения дополнительных устройств, затормаживает прицеп вследствие того, что давление в разорвавшейся соединительной магистрали падает до нуля.

В двухпроводном приводе посредством одной магистрали, связывающей тягач с прицепом (полуприцепом), постоянно пополняется запас сжатого воздуха в ресиверах прицепа. Эта магистраль называется питающей. Другая магистраль (управляющая) управляет воздухораспределителем прицепа. Давление воздуха в управляющей магистрали изменяется пропорционально изменению давления в тормозных магистралях тягача.

Двухпроводный привод обладает рядом преимуществ по сравнению с однопроводным:

обеспечение лучшего согласования торможения тягача и прицепа благодаря одинаковому давлению сжатого воздуха в ресиверах тягача и прицепа:
повышение эффективности работы тормозов прицепа и уменьшение времени их срабатывания;
при частых торможениях тормозная система прицепа с двухпроводным приводом эффективно пополняет запас сжатого воздуха в ресивере, поддерживая постоянство рабочего давления.

Автомобильные фирмы США, а также большинства европейских стран применяют на прицепах двухпроводный привод тормозных систем. В Германии получил распространение комбинированный привод (одно- и двухпроводный), а отдельные фирмы Великобритании и Франции используют трехпроводной привод управления тормозами прицепа. При этом третий контур используется в качестве запасного контура тормозной системы прицепа.

Клапаны управления тормозными системами прицепов с двухпроводным приводом и с однопроводным приводом являются аппаратами управления тормозными системами прицепов. Они устанавливаются на автомобилях-тягачах.

Комбинации тормозных приводов

На длиннобазовых автомобилях и тягачах большегрузных автопоездов часто используются комбинированный гидропневматический привод тормозных механизмов . В таком приводе для увеличения тормозных усилий используется энергия сжатого воздуха, а передача их к тормозному механизму осуществляется жидкостью.
Использование гидропневматического привода позволяет увеличить скорость его срабатывания, но приводит к усложнению конструкции тормозной системы.

Некоторые прицепы могут снабжаться электромагнитным клапаном, который служит для управления подачей сжатого воздуха к тормозным камерам, выполняя функцию крана-распределителя, а также для включения тормозной системы прицепа при торможении автомобиля вспомогательной тормозной системой (моторным или специальным тормозом-замедлителем). При подаче электрического сигнала электромагнитному клапану от тягача он обеспечивает поступление сжатого воздуха из ресивера к тормозным камерам, а при прекращении управляющего сигнала открывает доступ магистрали к внешней среде, сбрасывая давление в ней.
Такая конструкция относится к электропневматическим комбинированным тормозным приводам .

Пневматический тормозной привод

Пневматический тормозной привод для затормаживания автомобиля или прицепа использует сжатый воздух.
Преимущества и недостатки пневматического привода во многом противоположны гидравлическому приводу.
Так, к преимуществам относят неограниченные запасы и дешевизну рабочего тела (воздух), сохранение работоспособности при небольшой разгерметизации, т. к. возможная утечка компенсируется подачей воздуха от компрессора, возможность использования на автопоездах для непосредственного управления тормозами прицепа, использование в других устройствах, таких как пневматический звуковой сигнал, привод переключения многоступенчатых коробок передач, усилитель сцепления, привод дверей автобуса, подкачка шин и т. п.
Недостатками пневмопривода являются: большое время срабатывания вследствие медленного поступления сжатого воздуха к удаленным воздухонаполняемым объемам через трубопроводы с малым диаметром, сложность конструкции, большие масса и размеры агрегатов из-за относительно небольшого рабочего давления, возможность выхода из строя при замерзании конденсата в трубопроводах и аппаратах при отрицательных температурах.

Простейший пневматический тормозной привод автомобиля:
1 — ресивер;
2 — педаль;
3 — кран;
4 — тормозной цилиндр;
5 — пружина;
6 — шток тормозного механизма;
7 — тормозная колодка

Простейший пневматический тормозной привод автомобиля (а) состоит из ресивера, в который подается сжатый воздух из компрессора, крана, приводимого в действие от педали, и тормозной камеры, шток которой связан с разжимным кулаком тормозного механизма.
При торможении поворотная пробка крана соединяет внутреннюю полость тормозной камеры с ресивером и сжатый воздух, воздействующий на диафрагму, приводит в работу тормозной механизм (б).
Давление воздуха в тормозной камере устанавливается такое же, как в ресивере. При повороте пробки крана в другое положение (а) сжатый воздух выходит из камеры в атмосферу. Разжимной кулак возвращается в первоначальное положение и происходит растормаживание.

Принципиальная схема пневматического привода тормозов грузового автомобиля и прицепа

Реальный пневматический привод современного автомобиля намного сложнее. Принципиальная схема пневматического привода тормозов грузового автомобиля и прицепа показана на рисунке. Привод тягача содержит аппараты подготовки воздуха, аппараты контуров рабочей, стояночной и запасной систем тягача, аппараты управления тормозами прицепа. Привод прицепа включает аппараты рабочей и стояночной систем.
Воздух от компрессора поступает через регулятор давления, влагоотделитель к четырехконтурному защитному клапану (все эти устройства составляют систему подготовки воздуха). Тормозная система выполнена многоконтурной. К контуру привода передних тормозных механизмов относятся: ресивер с запасом воздуха, одна из секций тормозного крана, модуляторы антиблокировочной системы (АБС) и тормозные камеры передних тормозных механизмов. К контуру задних тормозных механизмов принадлежит второй ресивер, вторая секция тормозного крана, регулятор тормозных сил, модуляторы АБС и две тормозные камеры с пружинными энергоаккумуляторами. На трехосных автомобилях тормозные камеры задних осей обычно входят в состав заднего контура. На многоосных автомобилях тормозные камеры группируются в контуры различными вариантами, например, 1–2 и 3–4 оси или 1–3 и 2–4 оси. Третий контур является контуром стояночной системы и состоит из ресивера, тормозного крана со следящим действием, которым управляет водитель, ускорительного клапана и энергоаккумуляторов. Контур вспомогательной системы содержит кран управления и два пневмоцилиндра. Для управления тормозами прицепа на автомобиле-тягаче также имеются одинарный защитный клапан, клапан управления тормозами прицепа и соединительные головки.
Привод полуприцепа или прицепа имеет две соединительные головки, два магистральных фильтра, воздухораспределительный клапан, ручной кран стояночной системы без следящего действия, ресивер, регулятор тормозных сил, модуляторы АБС, тормозные камеры с энергоаккумуляторами или без них. Соединение пневмопривода тягача и прицепа выполняют двумя трубопроводами, которые образуют питающую и управляющую магистрали.
Реальная схема конкретного автомобиля может отличаться от рассмотренной наличием или отсутствием дополнительных приборов.
Сжатие воздуха для пневматического тормозного привода осуществляется компрессором, приводящимся в действие непосредственно от двигателя автомобиля. Максимальное давление, создаваемое компрессором, может достигать 1,5 МПа. Максимальное рабочее избыточное давление воздуха в ресиверах привода составляет 0,65–0,8 МПа и автоматически ограничивается регулятором давления.
Атмосферный воздух имеет определенный процент влажности. При сжатии компрессором он нагревается, а при движении по трубопроводам и через аппараты привода — остывает. При этом из сжатого воздуха выделяется влага, которая ускоряет коррозию внутренних поверхностей системы, смывает смазку и, главное, может замерзнуть в трубопроводах и аппаратах при отрицательной температуре, что приведет к отказу тормозов. Для удаления влаги (очистки воздуха) в питающей части привода, до или после регулятора давления, устанавливают влагоотделители. Очистка сжатого воздуха от влаги в них осуществляется термодинамическим или адсорбционным способом. Третий способ защиты — перевод конденсата в состояние низкозамерзающей жидкости. Для этого в специальном аппарате — спиртонасытителе — при низких температурах окружающей среды в сжатый воздух вводят пары спирта, которые, смешиваясь с выделившейся влагой, образуют раствор (антифриз) с низкой температурой замерзания.
Четырехконтурный защитный клапан, разделяет привод на четыре, действующих независимо друг от друга, контура. Защитный клапан позволяет двигаться воздуху только в направлении к ресиверам, защищая запас воздуха в ресиверах при разгерметизации на участке аппаратов подготовки воздуха. Одновременно он защищает исправные контуры от неисправного в случае обрыва в одном из них, не позволяя выйти воздуху в атмосферу сразу из всех ресиверов привода. Одинарный защитный клапан отключает привод тягача в случае разрыва питающего трубопровода прицепа. На некоторых автомобилях вместо четырехконтурного применяют двойные или тройные защитные клапаны аналогичного назначения. Пройдя через четырехконтурный клапан, сжатый воздух заполняет ресиверы контуров.
Работой любого контура рабочей системы управляет одна секция тормозного крана. Тормозной кран — это следящий аппарат, через который воздух при торможении поступает из ресивера в рабочие аппараты. Он управляется тормозной педалью в кабине водителя. При растормаживании через тормозной кран воздух из привода выпускается в атмосферу. Регулятор тормозных сил и модулятор АБС корректируют давление воздуха в контурах при торможении.
Стояночной тормозной системой управляют с помощью ручного тормозного крана, установленного в кабине водителя. Исполнительным элементом контура являются энергоаккумуляторы. Между краном и энергоаккумулятором размещен ускорительный клапан. Тормозной кран уменьшает или увеличивает давление в полости ускорительного клапана, который в соответствии с этим либо пропускает из ресивера воздух в цилиндр энергоаккумулятора, а значит, повышает в нем давление, либо для снижения давления в цилиндре выпускает воздух из него в атмосферу. Чтобы обеспечить быстрый выпуск воздуха из энергоаккумуляторов при торможении ускорительный клапан располагают максимально близко от них. Два крайних, фиксированных, положения рукоятки соответствуют максимальному избыточному давлению воздуха в энергоаккумуляторах или атмосферному. При промежуточных положениях рукоятки давление также может принимать любое промежуточное значение, что позволяет использовать данный контур в качестве контура запасной тормозной системы и производить плавное торможение.
Контур вспомогательной системы позволяет включать в работу моторный тормоз — замедлитель. При нажатии кнопки крана воздух поступает в пневмоцилиндры контура, а при отпускании — выходит в атмосферу. Из-за малого расхода воздуха этот контур не имеет собственного ресивера.
Магистраль, питающая ресивер прицепа сжатым воздухом (питающая магистраль), начинается от одинарного защитного клапана, а управляющая процессом торможения прицепа — от клапана управления тормозами прицепа. Подача сжатого воздуха в ресивер прицепа производится постоянно, независимо от того, происходит торможение тягача или нет. Управляющая магистраль используется для подачи команды на прицеп о начале торможения и его интенсивности. Команда подается путем изменения давления воздуха в управляющем трубопроводе. Чем больше давление в трубопроводе, тем интенсивнее тормозится прицеп. Максимальной интенсивности торможения соответствует максимальное давление в магистрали, при расторможенном состоянии полуприцепа избыточное давление в магистрали отсутствует. Давление в управляющей магистрали изменяется с помощью клапана управления тормозами прицепа. Он соединен с обоими контурами рабочей системы через контур стояночной системы. При торможении рабочей системой тягача воздух от обоих контуров поступает в клапан, который срабатывает и увеличивает давление в управляющей магистрали. Если выходит из строя один из рабочих контуров, торможение прицепа осуществляется по команде от исправного контура. При торможении стояночной системой тягача уменьшение давления в ее контуре приводит к срабатыванию клапана, и также осуществляется торможение прицепа.
Помимо штатного режима торможения клапан обеспечивает аварийное управление тормозами прицепа при разрыве питающей магистрали. Для этого он снабжен специальным устройством обрыва, который уменьшает давление в питающей магистрали, если командное давление от контуров тягача на вход аппарата поступает, а давление на выходе аппарата не увеличивается.
Для управления торможением прицепа его воздухораспределитель соединен с управляющей и питающей магистралями, с ресивером и тормозными камерами. По своим функциям воздухораспределительный клапан прицепа аналогичен тормозному крану на тягаче, но управляется он не педалью, а командным давлением воздуха, поступающим от тягача. В расторможенном состоянии воздух по питающей магистрали через воздухораспределитель заполняет ресивер прицепа, при этом давление в управляющей магистрали отсутствует. Максимальное давление воздуха в ресивере прицепа равно максимальному давлению в ресиверах автомобиля.
При торможении тягача с помощью рабочей или стояночной тормозной системы давление в управляющей магистрали увеличивается, что приводит к срабатыванию воздухораспределителя, который подает воздух из ресивера прицепа в тормозные камеры. Когда давление в управляющей магистрали снижается, прицеп растормаживается. Кроме того, торможение прицепа происходит всегда при уменьшении давления воздуха в питающем трубопроводе ниже 0,48 МПа, что может происходить при обычной расцепке тягача от прицепа на стоянке или при срабатывании клапана обрыва на тягаче. Такое затормаживание остановит прицеп при его полном отрыве от тягача во время движения. Растормаживание осуществляется или автоматически при последующем увеличении давления свыше 0,48 МПа, или вручную — специальной кнопкой на воздухораспределителе. Регулятор тормозных сил и модулятор АБС предназначены для корректирования давления воздуха, поступающего от воздухораспределителя к тормозным камерам.
Торможение прицепа стояночной системой производится краном, который выпускает воздух из энергоаккумуляторов тормозов прицепа. Некоторые прицепы могут снабжаться электромагнитным клапаном, который служит для включения тормозной системы прицепа при торможении автомобиля вспомогательной тормозной системой (моторным тормозом-замедлителем). При подаче электросигнала электромагнитному клапану от тягача он обеспечивает поступление сжатого воздуха из ресивера к тормозным камерам.