Тормоза ленточные, колодочные и дисковые. Схемы, конструкции и расчет
Исполнительным органом тормозных систем являются тормозные механизмы, в которых усилие, вызванное тормозным приводом преобразуется в тормозной момент. По конструктивному исполнению рабочих элементов тормозные механизмы различают на барабанные, ленточные, дисковые и конические.
Рабочими элементами барабанных тормозных механизмов являются колодки, взаимодействующие с наружной или внутренней поверхностью тормозного барабана. У ленточных тормозных механизмов рабочими элементами являются гибкая лента, взаимодействующая с тормозным барабаном. Дисковые тормоза могут быть с рабочими элементами в виде целых дисков или отдельных сегментных колодок. Рабочий элемент конического тормоза выполнен в виде конуса. Последние две конструктивные разновидности объединяются в одну группу тормозов с осевым нажатием.
На троллейбусах применяются барабанные, дисковые и ленточные тормоза. Барабанные и дисковые тормоза расположены в колесах троллейбуса и служат для создания искусственного сопротивления его вращению, а следовательно и движению троллейбуса. Барабанные и дисковые тормозные механизмы при торможении преобразуют кинетическую энергию вращающихся и поступательно-движущихся масс троллейбуса в тепловую энергию, рассеиваемую ими в окружающую среду.
Ленточные тормоза
Ленточный тормозиспользуется в каждом из двух головных механизмов штангоуловителя троллейбуса, который затормаживает диностартер охватывая его барабан тормозными колодками после отключения штангоуловителя. Это необходимо для исключения самопроизвольного подъема токоприемника после притягивания его к крыше троллейбуса и повторного включения штангоуловителя.
В ленточных тормозах торможение осуществляется за счет трения гибкой стальной ленты о наружную поверхность цилиндрического тормозного шкива или внутреннюю поверхность цилиндрического барабана. Повышение коэффициента трения достигается путем закрепления на рабочей стороне ленты накладки из фрикционного материала. При одинаковых замыкающих усилиях, коэффициенте трения и диаметрах шкивов (барабанов) тормозной момент ленточного тормоза значительно больше колодочного. Угол обхвата лентой тормозного шкива обычно составляет 270°. Допустимое давление на фрикционный материал 0.8 МПа, а коэффициент трения не превышает 0.35.
Эффективность ленточных тормозов зависит от способа закрепления концов тормозной ленты. По этому принципу ленточные тормоза разделяются на следующие типы:
- простые без серводействия;
- простые с серводействием;
- двойные;
- плаваюшие.
Лучшим с точки зрения получения минимальных усилий на рычаге управления и работы в обоих направлениях считается плавающий ленточный тормоз.
Простой ленточный тормоз без серводействия. Оба конца тормозной ленты крепят к рычагу.
Рисунок 37. Простой ленточный тормоз без серводействия
Момент трения тормоза:
;
;
.
Из уравнений равновесия тормозного рычага
;
.
Обозначим 
при 
.
Для сравнительной оценки примем 
, 
рад. Тогда 
.
Эффективность торможения не зависит от направления вращения тормозного барабана.
Простой ленточный тормоз с серводействием.
Рисунок 38. Простой ленточный тормоз с серводействием
;
;
;
;
.
При 
, 
.
Простой без самоусиления получается при вращении барабана в обратную сторону
;
.
При , 
.
Двойной ленточный тормоз представляет собой ленточный тормоз в котором листы крепятся неподвижно к кронштейну в средней части, а оба конца листа затягиваются рычажным механизмом.
Рисунок 39. Двойной ленточный тормоз
Момент трения тормоза не зависит от направления вращения
;
; 
.
Подставляя выражения для 
и 
в уравнение для 
, найдем
;
.
Если 
; 
.
Если 
, а 
.
Ширина тормозной ленты
,
где 
- наибольшее допустимое давление на ленту.
Ширину тормозной ленты следует брать не более 100 мм. При необходимости можно ставить две узкие ленты параллельно. Материал ленты – листовая сталь 40 или 65Г. Толщина ленты
.
Ленту проверяют на разрыв под действием силы 
максимально затянутого набегающего конца
,
где 
МПа.
Тормозные ленты могут работать без накладок и с накладками. Накладками служат накладки из асбополимерных материалов тканые и прессованные. Накладки прессованные используются на колодках изогнутых заранее по размеру барабана.
В отпущенном состоянии между тормозной лентой и барабаном должен быть зазор 
мм, для ленты с накладкой - 
мм для части ленты без накладки.
Для обеспечения зазора ставят оттяжные пружины с усилием 100…150 Н.
Вал тормозного барабана проверяют на изгиб от силы 
МПа.
Перемещение свободного конца ленты при торможении 
. Рабочий ход рычага (педали) тормоза 
.
;
;
;
.
Обычно 
.
Из уравнений дисков
;
; 
;
;
;
;
; 
.
. Обычно 
.
Колодочные тормоза
Колодочный (барабанный) тормоз(рис. 1) состоит из барабана, колодок, опорного диска (суппорта), опоры колодок, разжимного устройства и регулятора зазоров. Тормозные барабаны отливаются из чугуна (с примесью никеля, молибдена, меди, титана) и выполняются с ребрами по наружной поверхности, которые увеличивают площадь теплоотдачи барабана и его жесткость. К наружной поверхности колодки крепится фрикционная накладка с помощью заклепок. Колодка имеет ребро жесткости. Нижним концом колодка шарнирно крепится с помощью опорных пальцев к суппорту. Верхний конец колодки упирается в разжимной кулак. Величина удельного давления между барабаном и накладкой при экстренном торможении не должна превышать 2.5 МПа. Тормозной механизм имеет кулачковое разжимное устройство, которое обеспечивает равенство перемещений колодок.
Рисунок 40. Барабанный тормозной механизм без усилителя
1, 6 – колодки; 2 – рычаг; 3 – разжимной кулак; 4 – ролики; 5, 8 – стягивающие пружины; 7 – накладка; 9 – нижняя опора; 10 – штампованный щиток.
Рассмотрим равновесие тормозной колодки под действием внешних сил. При этом делаем следующие допущения.
1) Давление на накладку на выделенном элементарном участке 
( 
- ширина накладки; 
- радиус барабана; 
-приращение центрального угла 
) одинаково по всей ширине накладки;
2) Закон распределения давления 
по длине накладки не зависит от сил 
,
где 
- максимальное давление на накладку;
- функция, отображающая закон распределения по длине накладки.
3) Коэффициент трения 
между накладкой и барабаном остается постоянным на всех режимах торможения.
Рисунок 41. Равновесие тормозной колодки под действием внешних сил
На элементарном участке накладки со стороны барабана действует нормальная реакция
и возникающая при вращении барабана элементарная сила трения
,
касательная к поверхности трения.
Момент 
, создаваемый на колодке силами трения
.
Из условия равновесия колодки
.
Подставляя в это уравнение выражения 
и 
и преобразуя его, получим
;
,
где 
;
Откуда
;
.
При высокой жесткости барабана и колодки
В тормозах с деталями малой жесткости распределение давления на накладку близко к равномерному
.
При интегрирования выражений для А и В получаем при синусоидальном распределении давления
;
.
При равномерном распределении давлений
;
.
Давление на накладку минимальное при 
.
При 
.
Общий тормозной момент двухколодочного тормоза складывается из момента 
передней колодки и момента 
задней колодки, т.е. 
.
Для тормоза с гидроцилиндром и симметричными колодками 
; 
; 
; 
. Общий тормозной момент
.
Силы 
, разжимающие колодки
.
Для тормозов с двумя одинаковыми активными или пассивными колодками
;
.
Рисунок 42. Разжимной кулак
Для тормоза с фиксированным разжимным кулаком при приработанных накладках
;
.
Из условия равновесия разжимного кулака
,
где 
- длина рычага;
- начальный диаметр окружности кулака;
- сила, действующая на рычаг разжимного кулака.
Приближенно при допущении 
из первого равенства следует
.
Тогда
.
Аналогично
.
Откуда
;
или 
.
Дисковые тормоза
По конструктивному исполнению дисковые тормозные механизмы делятся на открытые и закрытые, одно- и многодисковые.
В зависимости от конструкции диска различают тормозные механизмы со сплошным и вентилируемым, металлическим и биметаллическим дисками.
В зависимости от способа крепления скобы различают дисковые тормозные механизмы с фиксированной и плавающей скобой.
Дисковым тормозом с фиксированной скобой (рис. 2) обеспечивается большое приводное усилие и повышенная жесткость механизма.
Колесные тормозные цилиндры 2 размещаются на скобе 1 с двух сторон диска 9. В цилиндр входит поршень 8 с уплотнительным кольцом 7 и пылезащитный чехол 5. Внутренние полости цилиндров скобы с помощью трубопровода 3 сообщаются с главным тормозным цилиндром. Поршень 8 непосредственно воздействует на тормозные колодки 6 с фрикционными накладками 10.
При торможении дисковым тормозом давление в колесных цилиндрах 2 повышается и поршни 8, перемещаясь, прижимают с двух сторон накладки 10 к вращающемуся диску 9. Тормозные колодки 6 удерживаются в скобе 1 с помощью пальцев 4.
Рисунок 43. Дисковый тормозной механизм с фиксированной скобой
Специального устройства для отвода колодок и регулировки зазора в паре трения не требуется. При снижении давления в колесных цилиндрах за счет упругости уплотнительных колец 7 и осевого биения диска колодка фиксируется с минимальным зазором.
Тормозные диски изготовляются из чугуна. В однодисковых механизмах сплошные диски имеют толщину 8...13 мм, вентилируемые – 16...25 мм. Биметаллический тормозной диск может выполняться с алюминиевым или медным основанием. Фрикционный слой выполняется из серого чугуна.
Дисковые тормозные механизмы имеют следующие преимущества перед колодочными: меньшие зазоры между дисками и колодками в незаторможенном состоянии (0,005...0,1 мм) и ход колодки, что позволяет повысить быстродействие и передаточное число тормозного привода; меньшую массу и габариты; более равномерное изнашивание фрикционных материалов, так как распределяется равномерно давление по поверхности пары трения диск – колодка; больший тормозной момент, развиваемый за счет уравновешивания сил, действующих со стороны колодок на диск; возможность обеспечения эффективного теплоотвода от трущихся элементов; большую стабильность развиваемого тормозного момента.
К недостаткам дисковых тормозных механизмов относятся: трудность обеспечения герметизации (незащищенный диск может подвергаться абразивным воздействиям, окислению и коррозии, способствующим быстрому изнашиванию тормозных накладок); высокое давление на фрикционную накладку вызывает ее неустойчивую работу: вибрацию, непостоянство коэффициента трения, концентрацию температурных напряжений, появление задиров и трещин; повышенная интенсивность изнашивания фрикционных накладок; обязательное применение в тормозном приводе усилителя по давлению.
Рисунок 44. Схемы дисковых тормозных механизмов:
а – с фиксированной скобой; б – с плавающей скобой.
При расчете дисковых тормозов исходной величиной является тормозной момент, который должен обеспечить дисковый тормоз. Расчетными являются: площадь активной поверхности тормозной колодки, соотношение внешнего и внутреннего радиусов, эквивалентный радиус диска,соотношение активной площади диска и колодок (коэффициент перекрытия), толщина диска, осевое усилие прижатия колодки.
Зависимость тормозного момента, развиваемого однодисковым механизмом, от прижимающей силы 
может быть выражена следующей формулой:
,
где 
- средний радиус приложения сил трения.
Радиус 
может в соответствии со схемой быть определен как
,
где 
и 
- соответственно наружный и внутренний радиусы тормозной накладки.
Нагрев тормозного диска (барабана) за одно торможение. Нагрев тормозного диска или тормозного барабана за одно торможение определяется как отношение кинетической энергии автомобиля, приходящейся на соответствующее колес, при торможении с максимальной скорости к количеству теплоты, необходимому для нагревания диска или барабана массой 
,
где С – теплоемкость материала диска или барабана, равная 500 Дж/кгК для чугуна и 460 Дж/кгК для стали.
Нагрев тормозного диска или барабана за одно торможение не должен превышать 180 °С.