Тормозные системы — это важнейшие элементы безопасности для всего транспорта. Без них движение автомобилей, троллейбусов и трамваев превратилось бы в хаос. Кроме того, тормоза критически важны для работы грузоподъемных кранов, станков и многих других технологических машин.
Принцип работы и основные типы механических тормозов
Основная задача любой тормозной системы — контролировать скорость, предотвращать самопроизвольное движение и обеспечивать быструю остановку. Большинство механических тормозов, которые мы видим вокруг, работают на принципе силы трения. Именно трение позволяет преобразовать энергию движения в тепловую, тем самым замедляя или полностью останавливая вращающиеся части.
Колодочные и дисковые тормоза
Наиболее распространены тормоза колодочного типа. Их конструкция включает вращающийся стальной барабан, закрепленный на валу. При необходимости остановки к этому барабану снаружи или изнутри прижимаются специальные колодки. Эти колодки изготавливаются из материалов с высоким коэффициентом трения по отношению к стали, например, из специальных сортов чугуна или композитов. Прижим колодок осуществляется разными способами: с помощью системы рычагов, электромагнитных устройств, энергией сжатого воздуха или, как в современных автомобилях, гидравлической системой. В последнем случае тормозное усилие от педали передается через жидкость под давлением в рабочий цилиндр, который и прижимает колодки.
Альтернативой колодочным являются дисковые тормоза. В них торможение происходит за счет сжатия вращающегося металлического диска между двумя неподвижными колодками. Такая конструкция часто эффективнее рассеивает тепло и обеспечивает более стабильную работу.
Ленточные и специальные тормозные системы
В некоторых машинах применяются ленточные тормоза. Их принцип действия похож на колодочный, но вместо отдельных колодок используется гибкая металлическая лента, охватывающая барабан. Внутренняя поверхность ленты также покрыта фрикционным материалом для создания тормозного усилия.
Особую категорию составляют так называемые грузовые тормоза. В них колодки или лента постоянно прижаты к барабану под действием силы тяжести специального груза. Отжимаются они только на время работы механизма, например, электромагнитом. Такие системы незаменимы в механизмах подъемных кранов и лебедок, где они надежно удерживают груз на весу, предотвращая его падение в случае прекращения подачи энергии (см. Подъемно-транспортные машины).
Самотормозящие механизмы и стопорные устройства
Для фиксации положения в некоторых узлах машин используют не классические фрикционные тормоза, а специальные механизмы. Например, в редукторах иногда применяют самотормозящую червячную передачу. Ее особенность — очень малый угол подъема винтовой линии червяка. Из-за этого передача движения от червяка к колесу возможна, а вот обратный процесс — проворачивание вала под нагрузкой — блокируется силами трения.
Еще одно простое и надежное стопорное устройство — храповой механизм. Он состоит из зубчатого (храпового) колеса и подпружиненной «собачки». «Собачка» позволяет колесу свободно вращаться в одном направлении, но заскакивает между зубьями и жестко блокирует его при попытке поворота в обратную сторону. Такие механизмы есть в механических часах для завода пружины, в лебедках и многих других устройствах.
Электрическое торможение
Современный транспорт часто использует комбинированные системы. На электровозах (см. Локомотив), в вагонах метро и троллейбусах помимо механических широко применяется рекуперативное электрическое торможение. Оно основано на уникальном свойстве тяговых электрических двигателей: они могут работать и как генераторы. При необходимости замедления машинист переводит двигатели в генераторный режим. Вращающиеся от инерции движения колеса начинают вращать роторы двигателей, которые теперь вырабатывают электрический ток. На преодоление электромагнитных сил внутри генератора тратится кинетическая энергия состава, что и приводит к его плавному замедлению. Этот ток часто можно вернуть обратно в контактную сеть для питания других машин, что повышает энергоэффективность.