Надо сказать, что пневматические тормоза (использующие воздух в качестве рабочего тела) – изобретение не новое. Их история начинается ещё в конце ХIХ века, и разрабатывались они не для автомобилей, коих в те времена ещё толком то и не было, а для железнодорожного транспорта, развивающегося тогда семимильными шагами.
Своим появлением они решили сразу несколько проблем – позволили поездам стать более мощными, а также перевозить больше грузов, так как только пневматика смогла обеспечить адекватное тормозное усилие для тяжёлых составов.
До автомобилей это чудо инженерной техники добралось лишь в 40-е годы ХХ столетия, когда стали появляться поистине большегрузные тягачи и другая, нелёгкая техника на колёсах.
Пневматические тормоза: только воздух нам поможет
Почему лишь пневматический привод подходит для подобных транспортных средств? На самом деле вся проблема в человеке, а вернее в его ограниченных силах.
Эффективность привычных для нынешних легковушек гидравлических тормозов и уже тем более механических в любом варианте исполнения зависит от силы нажатия на педаль, и даже вакуумный усилитель, призванный помочь водителю, не всесилен.
А теперь представьте, с какой силой надо давить на педаль, чтобы остановить многотонный грузовик с прицепом.
Даже если создать гидравлическую систему, нагнетаемую, например, мощным насосом, то для того чтобы погасить энергию движения столь крупной техники, давление пришлось бы повысить до огромных величин, что влияло бы на надёжность всей схемы.
Справиться с этой задачей сможет только пневмопривод. О его принципе действия и конструкции далее.
Как работает тормозная система с пневматическим приводом?
Итак, как же заставить воздух работать на нас? Чтобы разобраться в этом, давайте рассмотрим общее устройство пневмотормозов. Простейшая схема состоит из таких элементов:
Работают вышеперечисленные механизмы вместе следующим образом. Одним из ключевых игроков команды выступает компрессор, который постоянно во время движения закачивает под давлением воздух в ресиверы.
В остальной части системы в это время держится низкое давление, но как только Вы нажимаете педаль – всё меняется.
В момент нажатия поворотная пробка крана изменяет положение и соединяет ресиверы с тормозным цилиндром. Попавший в него под большим давлением воздух, давит на диафрагму, которая в свою очередь перемещает шток, соединённый одним концом с разжимным кулаком.
Этот кулак последнее препятствие между энергией сжатого воздуха и тормозными колодками, которые сдаются под его напором и зажимают тормоза.
Когда педаль отпущена, кран возвращается в исходное положение, тем самым соединяя тормозную камеру с атмосферой. Давление в ней падает, тормоза отпускаются.
Хорошие и не очень стороны пневматики
Мы рассмотрели самый примитивный случай пневматической тормозной системы, в реальных конструкциях всё гораздо сложнее. Кстати, о сложности – это один из недостатков таких схем. Какие ещё минусы, а также какие плюсы есть у них?
Начнём с хороших сторон. Неоспоримым преимуществом пневмотормозов, о котором мы уже говорили, является возможность генерировать большие усилия на тормозные колодки, при этом педаль нажимается без особых проблем. Помимо этого, такие системы прощают небольшие негерметичности в магистралях, обладают высокой надёжностью и КПД, достигающим 80-85%.
Рис. Пневматическая одноконтурная тормозная система
Конечно же, есть и недостатки. К ним относится большое время срабатывания пневматики, габариты и сложность системы, отбор мощности двигателя машины на работу компрессора, а также вероятность остаться без тормозов в морозы, так как в магистрали довольно часто попадает вода и при минусовых температурах она превращается в лёд, блокируя циркуляцию воздуха.
Современный коммерческий транспорт оборудуется пневматическими тормозными системами. Принцип действия пневматических систем основан на применении энергии сжатого воздуха. Использовать воздух в качестве рабочего газа – отличное техническое решение. Это основная особенность данного вида тормозных систем и главное отличие от других, применяемых на практике. Пневматические тормозные системы укомплектованы множеством элементов управления и исполнения. Сложные по устройству, они используют общий принцип действия и имеют схематичное сходство.
Общий принцип действия тормозной пневмосистемы
Упрощенно принцип действия можно описать так. Воздушный насос (компрессор который имеет привод от двигателя) накачивает в систему воздух из атмосферы. Благодаря регулятору давления, в системе создается и поддерживается предусмотренное характеристиками давление воздуха. Запас воздуха, сжатого компрессором, накапливается в специальных баллонах – ресиверах, крепящихся к раме транспортного средства. При надавливании педали тормоза водителем, воздух из ресиверов по трубкам и шлангам заполняет тормозные камеры. Своими штоками камеры приводят в действие механизмы тормозных колодок. Тормозные колодки передают энергию сжатого воздуха тормозным барабанам (дискам) колес. Движение транспорта замедляется. При отпускании водителем педали тормоза, воздух из тормозных камер возвращается в атмосферу. Механические детали системы с помощью встроенных пружин принимают исходное положение. Машина вновь набирает скорость.
Описание составных частей тормозной пневмосистемы
Тормозная пневмосистема грузового автомобиля включает в себя:
рабочую тормозную систему,
стояночную тормозную систему,
антиблокировочную систему,
систему контроля и сигнализации.
Если грузовик оборудован прицепом, в общую схему добавляется тормозная система прицепа.
Описание основных рабочих элементов тормозной пневмосистемы
Компрессор. Воздушный насос. накачивает воздух в пневмостистему.
Регулятор давления. Поддерживает в системе заданное рабочее давление и ограничивает поступление избытка воздуха.
Осушитель воздуха. Задерживает влагу и другие примеси во избежание попадания их в механизмы системы.
Четырехконтурный защитный клапан. Распределяет воздух по независимым контурам, и предотвращает утечку воздуха в случае обрыва одного из них.
Ресиверы контуров. Специальные баллоны для накопления запаса сжатого воздуха.
Ножной тормозной кран. Предназначен для управления рабочей тормозной системой.
Тормозные камеры. преобразуют давление воздуха в механический процесс торможения.
Ручной тормозной кран. Обеспечивает управление стояночной тормозной системой.
Энергоаккумуляторы. Выполняют роль исполнительных механизмов и затормаживают автомобиль на время стоянки, а также в движении, когда давление в пневмосистеме упадет ниже допустимого.
Детали антиблокировочной системы. Контролируют процесс равномерного торможения колесами.
Манометр. Прибор на панели перед водителем с показаниями давления в системе.
Контрольный, аварийный сигнализаторы. Индикаторные лампы на панели.
Общая схема работы тормозной пневмосистемы
При запуске двигателя одновременно включается в работу компрессор. Он забирает атмосферный воздух и подает его в систему до момента достижения рабочего давления. Давление в системе определяет и ограничивает регулятор давления. Избыток воздуха направляется через выпускной клапан обратно в атмосферу. После регулятора давления воздух прогоняется через осушитель воздуха. Это устройство необходимо для фильтрации различных примесей и удержания паров атмосферной влаги. Сухой воздух обеспечивает безаварийную работу системы, особенно в морозное время. В большинстве систем регулятор давления и осушитель воздуха объединены в общий узел, оснащенный небольшим отдельным ресивером. Ресивер помогает осушителю выполнять функцию регенерации.
После осушителя воздух распределяется четырехконтурным защитным клапаном:
в два независимых контура рабочей тормозной системы, оборудованных раздельными ресиверами;
в контур стояночной и аварийной систем, оснащенный самостоятельным ресивером (через этот контур также происходит питание системы торможения прицепа);
в контур питания дополнительных потребителей воздуха (пневмоподвески и других).
Кроме разделения потока воздуха клапан обеспечивает:
при падении в каком-либо давления ниже допустимого – герметичность в остальных.
Водитель осуществляет управление главным тормозным краном через педаль тормоза. Через полости тормозного крана воздух под давлением нагнетается в тормозные камеры передних колес, через управляющие элементы – тормозные камеры задних колес. Камеры штоками воздействуют на механизмы разведения (сжатия) тормозных колодок. Автомобиль тормозит.
В контуре стояночной и аварийной тормозных систем воздух из ресивера подается на ручной тормозной кран, который управляет подачей воздуха в энергоаккумуляторы, которые устанавливаются как правило на задние колеса. Посредствам ручного тормозного крана сбрасывается давление из такого аккумулятора. В результате, пружина воздействует на испонительные механизмы. Она принудительно давит на шток тормозной камеры, обеспечивая безопасную постановку грузового автомобиля на стоянку. Энергоаккумуляторы помогают избежать аварии во время движения. Когда давление системы упадет ниже допустимого, они тормозят машину.
Еще из ресивера контура стояночной и аварийной тормозных систем подается питание на кран управления тормозами прицепа. Пневматические системы автомобиля и прицепа соеденяются с помощью питающих соединительных головок. Управляющие сигналы в систему торможения прицепа параллельно поступают от тормозных систем автомобиля: рабочей, стояночной, аварийной.
При соединении тормозной системы прицепа с основной тормозной системой грузовика подключаются отдельно:
питающая магистраль исполнительных механизмов,
управляющая магистраль.
Если на прицепе стоят тормозные камеры, оснащенные энергоаккумуляторами, дополнительно собирается цепь управления секциями энергоаккумуляторов. По питающей магистрали сжатый воздух, минуя тормозной кран прицепа, наполняет ресивер прицепа. По управляющей магистрали пневмосигнал подается в цепь управления тормозным краном прицепа. В зависимости от расположения осей, прицепы оснащаются одним или двумя регуляторами тормозных сил. Эти устройства позволяют корректировать выходной сигнал с тормозного крана, исходя из загрузки прицепа. Отрегулированный сигнал поступает в антиблокировочную систему прицепа.
Антиблокировочные системы грузовика и прицепа контролируют процесс равномерного торможения колесами. Их работу обеспечивают:
датчики угловой скорости колес,
электромагнитные клапаны – модуляторы,
электронный блок управления,
сигнальные лампы.
Система контроля и сигнализации – это манометр, показывающий водителю давление в пневмосистеме (иногда два, по числу контуров рабочей системы), и индикаторные лампы разного цвета, через датчики, контролирующие работу системы и сигнализирующие о ее состоянии.
Тормозная пневмосистема грузового автомобиля технически сложный механизм. Тяжелая габаритная машина должна надежно и предсказуемо вести себя на любой дороге. Знание устройства, принципа действия составных частей и элементов тормозной системы поможет в правильном уходе за ней. В благодарность – тормоза не подведут водителя в экстремальной ситуации.
Большинство современных грузовых автомобилей, прицепов к ним и автобусов оснащено пневматической тормозной системой, работа которой связана со взаимодействием большого количества управляющих и исполнительных элементов. Проведение проверки технического состояния и инструментального контроля указанной системы требует от диагностов хорошего понимания общих принципов ее построения и функционирования. Поэтому целесообразно остановиться на конструктивных особенностях данной системы более подробно.
Пневматическая тормозная система — это тормозная система, привод которой осуществляется посредством использования энергии сжатого воздуха. При этом под тормозным приводом подразумевается совокупность элементов, находящихся между органом управления и тормозом и обеспечивающих их функциональную взаимосвязь. В тех случаях, когда торможение осуществляется целиком или частично с помощью источника энергии, не зависящего от водителя, содержащийся в устройстве запас энергии также считается частью привода.
Рис. Пневматическая одноконтурная тормозная система
Привод, как правило, подразделяется на две функциональные части:
привод управления
энергетический привод
При этом управляющие и питающие магистрали, соединяющие буксирующие транспортные средства и прицепы, не рассматриваются в качестве частей привода.
Привод управления — это совокупность элементов привода, которые управляют функционированием тормозов, включая функцию управления необходимым запасом энергии.
Энергетический привод — совокупность элементов, которые обеспечивают подачу на тормоза энергии, необходимой для их функционирования, включая запас энергии, используемой для работы тормозных механизмов.
Тормоз — это устройство, в котором возникают силы, противодействующие движению транспортного средства. Тормоз может быть фрикционным (когда эти силы возникают в результате трения двух движущихся относительно друг друга частей транспортного средства), электрическим (когда эти силы возникают в результате электромагнитного взаимодействия двух движущихся относительно друг друга, но не соприкасающихся частей транспортного средства), гидравлическим (когда силы возникают в результате действия жидкости, находящейся между двумя движущимися относительно друг друга элементами транспортного средства), моторным (когда эти силы возникают в результате искусственного увеличения тормозящего действия двигателя, передаваемого на колеса).
Элементы системы фрикционного тормоза называются тормозными механизмами.
В пневматических тормозных системах приводом управления являются элементы пневмопривода, с помощью которых подаются сигналы на автоматическое или регулируемое срабатывание элементов энергетического привода. На управляющих элементах пневмопривода (тормозных кранах, клапанах, регуляторах и т.п.) вход управляющего пневмосигнала всегда обозначается цифрой 4. Такое же обозначение данного сигнала имеет место на функциональных и структурных схемах.
Энергетическим приводом в пневматических тормозных системах являются элементы, с помощью которых осуществляется питание сжатым воздухом элементов привода управления или исполнительных элементов энергетического привода (тормозных камер, энергоаккумуляторов, пневмоцилиндров и т.п.). Науправляющих элементах пневмопривода вход питающей магистрали всегда обозначается цифрой 1. Следует отметить, что в ряде случаев управляющий сигнал может одновременно выполнять функции питающего. В этом случае на элементах и схемах пневмопривода вход такого сигнала все равно обозначается цифрой 1.
Любой выходной пневматический сигнал или воздействие обозначается на элементах управления или схемах цифрой 2.
В случае, когда какие-либо элементы управления имеют несколько входов или выходов, относящихся к различным контурам тормозной системы, они маркируются цифрами (в порядке возрастания), следующими после обозначения, указанного выше (например, 11, 12, 21, 22 и т.п.).
Цифрой 3 на элементах тормозного привода обозначается связь с атмосферой.
Рассмотрим функционирование пневмопривода тормозной системы и отдельных ее элементов на примере системы грузового автомобиля, предназначенного для буксирования прицепа и, соответственно, прицепа, буксируемого таким тягачом.
В целях обеспечения надежности работы пневматический привод разделяется на несколько контуров, относительно независимых друг от друга. Первый из них называется питающим и выполняет функцию подготовки сжатого воздуха к применению в пневмосистеме в качестве рабочего тела.
Компрессор — это воздушный насос, который нагнетает воздух в питающий контур и, как правило, осуществляет первичную регулировку его давления. Регулятор давления управляет подачей сжатого воздуха компрессором с целью поддержания его давления в заданных пределах. Осушитель воздуха производит подготовку сжатого воздуха для использования в пневмосистеме. Основная его задача — отделение от воздуха паров воды и от- фильтровывание различных примесей (в основном паров масла). В современных системах осушитель совмещает функции отделения от примесей и регулировки давления, поэтому в таких системах регулятор давления как отдельный узел отсутствует. Поскольку большинство осушителей работает по принципу регенерации, они имеют отдельный ресивер, с помощью которого обеспечивается регенеративная функция. В некоторых видах пневмосистем может применяться предохранитель от замерзания, смешивающий со сжатым воздухом летучую низкозамерзающую жидкость для предотвращения замерзания воды, конденсирующейся на элементах тормозного привода при низких температурах. Однако эти устройства в настоящее время применяются редко, так как современные модели осушителей обеспечивают подготовку сжатого воздуха с достаточной эффективностью.
После прохождения через осушитель сжатый воздух поступает к четырехконтурному защитному клапану. Основные функции данного устройства:
разделение потока сжатого воздуха на независимые контуры
обеспечение последовательного заполнения контуров сжатым воздухом после возрастания давления в одном из контуров до установленного значения
обеспечение герметичности остальных контуров тормозной системы при разгерметизации или большом падении давления в одном из них
Четырехконтурный защитный клапан распределяет воздух по следующим контурам:
двум независимым контурам рабочей тормозной системы тягача (I и II)
контуру стояночной (аварийной) тормозной системы, а также питающему и управляющему контурам прицепа (III)
контуру питания пневмоподвески и прочих дополнительных потребителей воздуха (9 на рисунке), например пневмоподвески кабины, сиденья водителя, пневмогидроусилителя сцепления, привода вспомогательной тормозной системы (на рисунке представлен краном управления моторным тормозом)
Каждый из контуров имеет исполнительные элементы, которые и реализуют конечную функцию непосредственного воздействия на тормозной механизм, а контур тормозной системы прицепа имеет соединительные головки для подключения к управляющей и питающей магистралям тягача.
В контурах I и II рабочей тормозной системы сжатый воздух после ресиверов подается к ножному тормозному крану в верхнюю и нижнюю секции соответственно. Внутри данного элемента происходит формирование либо чисто управляющего, либо комбинированного (управляющего и одновременно питающего) сигнала, который поступает непосредственно (как показано на рисунке для тормозов передних колес) или через определенные управляющие элементы 18 (как показано на рисунке для тормозов задних колес) к исполнительным элементам тормозных систем (14, 20). В качестве дополнительных управляющих элементов могут выступать ускорительные (релейные) клапаны, регуляторы тормозных сил, обеспечивающие функцию ускорительных кранов, краны быстрого оттормаживания и т.п. В качестве исполнительных элементов могут служить простые диафрагменные тормозные камеры либо комбинированные тормозные камеры с энергоаккумулятором.
В контуре III сжатый воздух поступает к ручному тормозному крану аварийной и стояночной тормозных систем, где формируется, как правило, чисто управляющий сигнал, который при поступлении на ускорительный клапан 17 аварийной тормозной системы производит подачу или сброс давления воздуха из секции энергоаккумулятора комбинированной тормозной камеры. Воздухом этого же контура осуществляется питание тормозного крана управления тормозами прицепа. Через данный кран происходит питание тормозной системы прицепа посредством соединительной головки, а также формируется управляющий сигнал как результат воздействия сигналов от тормозных кранов рабочей, аварийной и стояночной систем. Этот сигнал подается на соединительную головку управляющей магистрали.
К контурам тормозной системы подсоединяются контрольно- измерительные приборы. Обычно это манометры, указывающие давление в контурах I и II, или один общий манометр. Кроме того, имеются контрольные лампочки, которые сигнализируют о падении давления в контурах пневмопривода.
К пневмосистеме тягача подключен ряд компонентов АБС, реализующих данную функцию для всего комбинированного транспортного средства. В их число входят датчики АБС, считывающие значения угловой скорости колес, электронный блок управления, суммирующий и анализирующий сигналы датчиков и формирующий сигнал для выходного воздействия, модуляторы АБС (электромагнитные клапаны), играющие роль исполнительных механизмов, соединительная вилка прицепа, а также контрольные и диагностические лампы, подающие сигналы о техническом состоянии системы.
Прицеп снабжается сжатым воздухом от тягача через питающую соединительную головку, окрашенную в красный цвет. Пройдя через фильтр и тормозной кран прицепа, воздух поступает в ресивер.
Управляющий пневматический сигнал проходит через соединительную головку управляющей магистрали, окрашенную в желтый цвет, и, пройдя через фильтр, подается на тормозной кран прицепа. Под воздействием этого сигнала в указанном кране формируется выходной управляющий сигнал, который корректируется регуляторами тормозных сил в зависимости от загрузки транспортного средства. На полуприцепах и прицепах, имеющих центральное расположение осей, устанавливается один регулятор тормозных сил. Прицепы с разнесенным положением осей в управляющей магистрали тормозной системы передней оси могут иметь дополнительный клапан согласования давлений, служащий для обеспечения благоприятного соотношения давления воздуха между данными осями. Скорректированный управляющий сигнал подается к модуляторам АБС, которые на прицепах могут играть, кроме того, роль ускорительных клапанов. В зависимости от исполнения системы, а также для соблюдения нормативных требований один модулятор на прицепах может питать исполнительные механизмы оси, отдельного колеса или нескольких колес по одному из бортов прицепа. В пневматической части модуляторов управляющий сигнал преобразуется в сигнал, приводящий в действие исполнительные элементы (тормозные камеры). В ряде случаев на прицепах используются в качестве исполнительных элементов тормозные камеры с энергоаккумуляторами. При этом имеется дополнительная пневматическая магистраль, осуществляющая подачу сжатого воздуха в секции энергоаккумулятора, и устройство приведения в действие стояночной тормозной системы, находящееся вне кабины водителя.
Элементы АБС прицепа включают следующие устройства:
колесные датчики
блок управления
модуляторы давления с функцией ускорительного клапана
Для проверки корректности работы системы служит диагностический разъем, а для электрического питания системы и поступления управляющих сигналов от тягача — соединительная вилка.
