Пневматическая тормозная система: как она работает на грузовом транспорте

Жалоба тягача, заехавшего в мастерскую, далеко не всегда звучит как «тормоза не держат»; гораздо чаще она звучит как «тормоза схватывают поздно». Между моментом нажатия на педаль и моментом, когда машина начинает замедляться, водитель чувствует непривычный, короткий, но вполне заметный провал. Манометр в норме, давление в ресиверах внутри рабочего диапазона, толщина накладок достаточная, на панели нет ни одной записи о неисправности. При замере тормозная сила тоже не оказывается заниженной. Силы хватает; сила приходит поздно. В пневматической тормозной системе это две совершенно разные задачи, и решаются они не в одном и том же месте.

Это руководство посвящено одному-единственному вопросу: за какое время после нажатия на педаль тормозное усилие доходит до тормозной камеры, где именно рождается это пневматическое запаздывание и как его сократить? Тема здесь не количество воздуха, а время, которое уже имеющийся воздух тратит на дорогу. Сколько воздуха система вырабатывает, сколько запасает и сколько расходует тот или иной потребитель — отдельный разговор, относящийся к руководствам по компрессору. Здесь всё рассматривается по оси времени.

Что такое время срабатывания пневматических тормозов и чем оно отличается от гидравлики?

Время срабатывания — это промежуток между моментом, когда водитель начал нажимать на педаль, и моментом, когда давление в тормозной камере достигло заданного уровня. Внутри этого определения скрыты две разные величины, и если их спутать, диагностика уходит по ложному следу с самого начала. Первая — время запаздывания: педаль уже пошла, а в камере давления ещё нет вообще. Вторая — время нарастания: давление в камере уже появилось и поднимается к целевому уровню. Полное время срабатывания есть сумма этих двух; время запаздывания обычно рождается в управляющей ветви, а время нарастания — в питающей ветви и в собственном объёме камеры.

У того же определения есть и обратная сторона: время растормаживания. После отпускания педали воздух из камеры должен выйти, а усилие — исчезнуть, и это тоже требует времени, чаще всего большего, чем при нажатии. Значительная часть задержек, которые в эксплуатации проходят незамеченными, сидит именно здесь: при замедленном растормаживании машина не теряет способность останавливаться, она просто продолжает движение с не полностью отпущенными тормозами, и это возвращается в виде тепла.

Отличие от гидравлики сводится к одному физическому факту: жидкость практически несжимаема, воздух сжимаем. В гидравлическом контуре магистраль уже заполнена жидкостью, и движение передаётся на другой конец почти мгновенно. В пневматической системе, чтобы возникло усилие, объём магистрали и камеры нужно наполнить до более высокого давления; наполнение — это расход, а расход требует времени. Поэтому пневматическим тормозам изначально присуще запаздывание, которое нельзя обнулить. Задача инженерии не в том, чтобы устранить его, а в том, чтобы удержать ниже приемлемой границы.

Эта граница не произвольна: в нормативных требованиях задан верхний предел времени достижения определённого уровня давления в самой неблагоприятно расположенной камере. Числовое значение предела зависит от класса машины и метода измерения, поэтому цифра здесь не приводится; заучить непроверенный порог опаснее, чем не измерять вовсе.

Как работает пневматическая тормозная система? Краткая сводка с точки зрения тайминга

В пневматической тормозной системе компрессор, приводимый двигателем, вырабатывает сжатый воздух, воздух подготавливается, уходит в ресиверы и ждёт там наготове. Когда водитель нажимает на педаль, новая энергия не производится; принимается решение о том, какая часть уже запасённой энергии уйдёт в тормозные камеры. Педаль здесь не передатчик усилия, а орган управления: в зависимости от степени нажатия она формирует запрос на давление. Этот запрос идёт по магистралям, в камерах превращается в давление, диафрагма толкает шток, а механика прижимает накладку к поверхности трения.

Если смотреть по времени, у этой цепочки три разные скорости. Запасённая энергия уже находится на месте; время готовности равно нулю. Запрос водителя движется по магистралям со скоростью наполнения. А рождение усилия ждёт, пока выберутся механические зазоры. Позднее срабатывание машины — это нарушение одной из этих трёх скоростей, и какая именно нарушена, ищут в разных местах.

Покомпонентное описание системы, логика контуров, перечень неисправностей и порядок диагностики выходят за рамки этой статьи; всё это разобрано в руководстве Пневматические тормозные системы большегрузного транспорта: принцип работы, словарь компонентов и неисправности. Дальше здесь речь идёт только о ходе часов: о том, где расходуется время.

Через какие остановки усилие доходит до камеры после нажатия на педаль?

Запаздывание не рождается в одной точке; оно копится небольшими долями на следующих друг за другом остановках. Каждая остановка сама по себе выглядит незначительной, а их сумма и есть тот провал, который чувствует водитель.

1. Свободный ход педали и механическая передача. Путь, который педаль проходит до того, как приведёт в действие кран, — это время, прошедшее без единого пневматического события; при сбитой регулировке привода этот зазор увеличивается.
2. Порог открытия крана. Тормозной кран не пропускает воздух, пока не пройдено определённое перемещение. Этот порог заложен в конструкции; при усталости пружин или загрязнении внутри он растёт, и время запаздывания удлиняется.
3. Наполнение управляющей магистрали. Чтобы запрос на давление дошёл до точки, которой он управляет, тонкая магистраль должна наполнить собственный объём; чем она длиннее, тем больше эта доля.
4. Отклик управляемого клапана. Пока давление в управляющем порту не поднимется до уровня, достаточного для перемещения поршня внутри клапана, питающее окно не откроется. Здесь преодолевается второй порог.
5. Открытие питающей ветви. После открытия окна воздух начинает течь из ближайшего ресивера в камеру. Всё время до этого момента и есть время запаздывания; в камере ещё нет сколько-нибудь заметного давления.
6. Наполнение объёма камеры. Объём за диафрагмой наполняется до давления, способного породить усилие. Основное тело времени нарастания находится именно здесь, и с ростом объёма оно удлиняется.
7. Выборка зазоров. Шток идёт вперёд, зазоры в механике складываются, накладка касается поверхности. На этой стадии давление уже есть, а замедляющего усилия ещё нет.
8. Нарастание усилия. После установления контакта каждый прирост давления напрямую переходит в усилие, и машина начинает замедляться. Именно этот момент водитель называет «тормоз схватил».

Первые пять из этих восьми остановок относятся к управляющей стороне, последние три — к силовой; без знания того, когда давление начало появляться в камере, это разделение провести невозможно.

Где рождается пневматическое запаздывание: разделение управляющей и питающей ветви

Ключ к пониманию архитектуры тайминга — вот это различие: магистраль несёт либо информацию, либо мощность. Управляющая ветвь несёт сведение «тормози настолько-то», и для этого ей достаточно наполнить небольшой объём. Питающая ветвь несёт воздух, который наполнит камеры, и она обязана заполнить большой объём. Когда обе задачи возложены на одну магистраль, длинная и тонкая трубка везёт и информацию, и мощность; тогда камеры в задней части машины ждут, пока воздух, вышедший из крана под кабиной, пройдёт весь путь.

Настоящее место рождения задержки именно здесь, а не там, где его предполагает большинство. Волна давления идёт по магистрали очень быстро: изменение на одном конце ощущается на другом почти сразу. Однако начало изменения давления в точке и достижение этой точкой рабочего давления — не одно и то же. Время съедает не путешествие волны, а наполнение объёма; а скорость наполнения ограничена самым узким местом на пути.

Поэтому современные тормозные контуры осознанно разделены надвое: тонкие управляющие магистрали проходят большое расстояние, но наполняют малый объём; толстые питающие магистрали наполняют большой объём, но они короткие. Вся конструкция построена на том, чтобы большое расстояние и большой объём не встретились на одном пути. Если при ремонте это разделение по недосмотру нарушено, машина теряет не силу, а время; и эта потеря не видна ни на одном приборе.

Как диаметр и длина магистрали меняют время срабатывания?

Магистраль влияет на тайминг двумя путями, и оба работают в одну сторону. Первый — объём: чем длиннее или толще магистраль, тем больше воздуха нужно в неё залить. Второй — сопротивление: двигаясь внутри трубки, воздух теряет давление на трение; эта потеря растёт с длиной и очень быстро увеличивается при сужении сечения.

Поведение этих двух величин при изменении диаметра неодинаково, и в этом критическая точка. При сужении сечения объём уменьшается пропорционально; пропускная способность же падает по гораздо более жёсткой зависимости. Итог однозначно отрицательный: тонкая магистраль удлиняет суммарное время, даже если наполняемый объём стал меньше. Верно и обратное: увеличение питающей магистрали на один типоразмер, несмотря на рост объёма, чаще всего время сокращает.

С длиной всё ещё прямее: удлинение магистрали увеличивает одновременно и объём, и сопротивление. Это объясняет, почему геометрия машины определяет тормозной тайминг. На машине с длинной рамой камера задней оси удалена от крана под кабиной куда сильнее, чем камера передней, и если ничего не предпринять, задние тормоза всегда будут срабатывать позже. Та же причина объясняет и то, почему разница между тягачом и полуприцепом ещё больше.

При растормаживании влияние магистрали ещё заметнее: камера на конце длинной магистрали наполняется поздно, а опорожняется ещё позже. Самая же частая тихая ошибка — обновление магистрали при ремонте той трубкой, что нашлась под рукой: трубка с подходящим наружным, но зауженным внутренним диаметром не течёт, давление держит, на приборе не видна; единственное, что она делает, — удлиняет время срабатывания этого контура.

Что добавляют к задержке фитинги, угольники и сужения сечения?

Пропускную способность контура определяет не сама трубка, а самое узкое место на пути. Узкий штуцер, поставленный в середину толстой питающей магистрали, опускает всю магистраль до пропускной способности этого штуцера; толщина трубки после этого ничего не значит. Поэтому при поиске задержки считать надо не только длину магистрали, но и переходные элементы на ней.

Типичные точки, добавляющие свою долю ко времени, таковы. Внутренний проход штуцеров обычно уже трубки, к которой они присоединены, и несколько идущих подряд штуцеров эти сужения складывают. Резкие угольники заставляют поток менять направление; тот же поворот, взятый плавным изгибом большого радиуса, обходится дешевле. Тройники делят поток, и одна из ветвей наполняется позже другой. Быстроразъёмные соединения облегчают монтаж, но их внутренний механизм сужает сечение. Смятые трубки и неровно обрезанные концы снаружи выглядят целыми, но сужают сечение либо оставляют заусенец, создающий потоку постоянную помеху.

Общая черта всех этих пунктов в том, что ни один из них не выглядит неисправностью: они проходят проверку на герметичность, держат давление, на вид опрятны. Их влияние проявляется только по оси времени и остаётся невидимым, пока эту ось не измерят.

Почему ускорительный клапан сокращает задержку?

Ускорительный клапан — это аппаратное воплощение принципа «большое расстояние и большой объём не должны встречаться», и с точки зрения тайминга он делает ровно одну работу: разделяет управляющий сигнал и питающий воздух. Тонкая управляющая магистраль, выходящая из-под кабины, идёт длинным путём до задней части машины, но наполняет лишь малый управляющий объём ускорительного клапана; этот объём наполняется быстро. Как только клапан воспринял сигнал, он передаёт воздух из стоящего рядом ресивера в камеры по короткому и толстому пути. Камера больше не ждёт воздуха с другого конца машины.

Выигрыш возникает в двух местах. При нажатии время нарастания сокращается, потому что большой объём камеры питается по короткому и широкому пути. При растормаживании выигрыш ещё заметнее: вместо того чтобы гнать воздух из камеры обратно по длинной магистрали, ускорительный клапан выпускает его в атмосферу прямо на месте. Тем самым путь выпуска оказывается даже короче пути наполнения, и отпускание тормозов ускоряется.

У ускорительных клапанов есть порог открытия, и в некоторых применениях он выбирается разным, чтобы настроить взаимный тайминг осей. Поэтому замена ускорительного клапана на другой, с иной характеристикой, по логике «делает ту же работу», нарушает не баланс усилий, а баланс тайминга. Место клапана в контуре и то, как магистрали соединены между собой, — отдельная тема; для неё можно обратиться к руководству Схема пневматической тормозной системы: как её читать.

Что добавляет длина магистрали полуприцепа к отклику задних осей?

Если рассматривать тягач сам по себе, длины магистралей ограничены длиной рамы. При сцепке с полуприцепом в контур добавляется совершенно новый слой длины, и он обычно длиннее собственных магистралей тягача. Тормоза полуприцепа вступают в работу не одновременно с тормозами тягача, а после того, как этот добавленный путь пройден.

Слои, добавляющие свою долю ко времени, идут по порядку так: кран тягача, формирующий управление полуприцепом, длина магистралей на самом тягаче, соединительные головки и гибкие шланги между машинами, клапанная схема на входе полуприцепа и магистрали, идущие к камерам вдоль рамы полуприцепа. На длинном полуприцепе сумма этой цепочки может кратно превышать магистраль тягача от кабины до задней оси. Собственная ускорительная схема полуприцепа для того и существует, чтобы поглотить влияние этой длины; когда она выведена из работы или замедлена, тормоза полуприцепа опаздывают заметно.

На практике самое слабое звено — зона гибких соединений. Постаревший шланг с вспученной внутренней поверхностью снаружи выглядит целым, но сечение у него уже сужено; когда фильтры в соединительных головках набирают грязь, расход падает; перетёртый или чрезмерно перегнутый шланг даёт тот же результат. Ничего из перечисленного не даёт утечки; всё это только ест время.

Почему важна согласованность тайминга между тягачом и полуприцепом?

В автопоезде тормоза не схватывают одновременно; всегда одни вступают в работу раньше других. Важно не отсутствие этой разницы, а то, чтобы она оставалась внутри приемлемой полосы. При выходе за полосу возникают две картины, и обе нежелательны.

Если тормоза полуприцепа опаздывают, какое-то время замедление берёт на себя только тягач. Полуприцеп подталкивает сзади, нагрузка на заднюю ось тягача растёт, баланс сил между осями нарушается, а на скользком покрытии или в повороте растёт риск потери устойчивости. Кроме того, тормозное оборудование тягача делает больше своей доли работы, поэтому изнашивается и греется быстрее. То, что накладки постоянно заканчиваются на стороне тягача, чаще всего не проблема материала, а проблема тайминга.

В обратной картине, когда тормоза полуприцепа вступают в работу заметно раньше или резче, полуприцеп тянет автопоезд назад; накладки и шины полуприцепа нагружаются сверх меры, а при малой загрузке растёт склонность колёс к блокированию. Общий признак обеих картин — необъяснимое расхождение ресурса накладок между двумя машинами, работающими по одинаковому профилю задач.

Согласованность тайминга оценивается в ходе сертификации по определённой полосе совместимости; числовые границы этой полосы зависят от класса машины и полуприцепа, поэтому цифра здесь не приводится. Принцип, который следует держать в голове в эксплуатации, таков: тайминг — это свойство не отдельно взятого тягача, а автопоезда как целого, и он может нарушиться даже тогда, когда обе стороны обслужены правильно по отдельности. Когда тягач с электронным управлением работает с полностью пневматически управляемым полуприцепом, полуприцеп наследует естественную задержку пневматической управляющей магистрали; это не неисправность, а различие архитектур, однако разницу оно увеличивает.

Как электрический сигнал EBS сокращает пневматическое запаздывание?

Вклад электронной тормозной системы в тайминг укладывается в одну фразу: сигнал теперь движется не наполняя, а передаваясь. Перемещение педали превращается в электрическую величину и по проводу доходит до модулей на осях. Поскольку для движения электрического сигнала не нужно наполнять никакой объём, задержка на управляющей стороне практически исчезает. А так как основная часть времени запаздывания рождается именно в управляющей ветви, самое заметное сокращение полного времени срабатывания приходит отсюда.

Второй вклад — компоновка: модули расположены близко к осям, поэтому воздух, наполняющий камеру, подаётся по короткому и широкому пути. Третий вклад — выравнивание: система умеет управлять естественной разницей задержек между осями и, срабатывая раньше на отстающей оси, сближает тормоза автопоезда между собой.

При этом нужно подчеркнуть два момента. Первый: пневматическая управляющая магистраль никуда не исчезает; при обрыве на электрической стороне система возвращается к пневматическому управлению, и тайминг приближается к таймингу машины без электроники. Второй и более важный: электронное управление не касается механической половины цепочки. Объём камеры всё так же будет наполняться, шток всё так же пройдёт свой путь, зазоры всё так же сложатся. Тормоз со сбитой регулировкой на машине с электронным управлением тоже схватывает поздно.

Связь между временем наполнения камеры и ходом штока

Тормозная камера — самый большой объём в конце временной цепочки, и объём этот не постоянен. Чем длиннее путь, который проходит шток, тем больше объём, который надо наполнить до рождения усилия. Зависимость прямая: с ростом хода нужно и больше воздуха, и больше времени, чтобы этот воздух перетёк. Итог — та самая картина, которую водитель описывает словами «педаль стала глубже» или «тормоз схватывает поздно».

Это объясняет, почему регулировка — вопрос не только силы. На тормозе со сбитой регулировкой происходят сразу две потери: усилие падает, потому что вырабатывается в менее выгодном положении механики, а момент рождения усилия сдвигается позже, потому что наполняется больший объём. Если на одной оси одна сторона отрегулирована, а другая нет, два колеса схватывают в разные моменты и с разной интенсивностью; это прямой дисбаланс оси.

Типоразмер камеры — часть того же уравнения: камера с большей эффективной площадью даёт больше усилия, но и наполняемый объём у неё больше, и по той же питающей ветви она наполняется медленнее. Установка камер разного типоразмера на два колеса одной оси — одна из самых очевидных причин искусственного дисбаланса.

Приведённые в таблице влияния служат качественным сравнением; ни одно из них не является порогом или критерием приёмки.

Влияют ли мороз и высота над уровнем моря на время срабатывания?

Короткий ответ — да, но в ином порядке, чем принято ожидать. Влияние холода приходит двумя путями, и порядок их значимости чаще всего представляют себе наоборот.

Затвердевание материалов. Диафрагмы, уплотнения и эластомерные элементы внутри клапанов при низкой температуре твердеют; усилие, нужное для их перемещения, растёт. Это несколько поднимает пороги открытия клапанов и добавляет небольшую долю ко времени запаздывания. Смазка в механике на морозе тоже густеет, и выборка зазоров занимает чуть больше времени.

Замерзание влаги в сужениях. Это влияние самое сильное, и причина у него не физическая, а эксплуатационная. Влага, переносимая контуром, конденсируется в местах сужения сечения; при падении температуры там образуется лёд, и без того узкий проход закрывается почти полностью. В таком контуре время срабатывания в тепле нормальное, а в мороз заметно удлиняется. Для тормоза, который по утрам работает вяло, а по мере прогрева дня приходит в норму, это самое типичное объяснение. Управление влагой и подготовка к зиме — отдельная тема, разобранная в руководстве Пневматические тормозные системы: принцип работы, обслуживание и советы по безопасности.

Что касается высоты над уровнем моря, влияние здесь двустороннее и по величине ограниченное. С высотой падает давление окружающей среды; выпуск воздуха из камеры в атмосферу несколько облегчается, но одновременно меняются перепад давления, на котором работает система, и плотность воздуха. На практике нет надёжного основания утверждать, что машина срабатывает заметно позже только из-за высоты; высоту следует искать не в начале, а в самом конце диагностического списка.

Как наблюдать время срабатывания в условиях мастерской?

Числовое измерение времени срабатывания требует определённой методики, подходящих точек отбора давления и калиброванного оборудования; это работа аккредитованного измерения. Тем не менее в мастерской можно вести наблюдения, основанные на сравнении, не называя никаких числовых порогов. Суть метода такова: вместо поиска абсолютного времени смотреть, действительно ли два события, которые должны происходить одновременно, происходят одновременно.

1. Наблюдайте обе стороны одной оси вместе. После надёжной фиксации машины при медленном нажатии на педаль отслеживается начало движения штоков с двух сторон; если одна сторона трогается заметно позже, там есть задержка от регулировки, магистрали или клапана.
2. Отслеживайте очерёдность между передом и задом. Отставание задней оси от передней может быть частью конструкции; но если разница заметно больше, чем на исправном образце той же модели, её нужно исследовать.
3. Сравните тягач и полуприцеп при одном и том же нажатии. Если движение на стороне полуприцепа начинается существенно позже, чем на тягаче, задержка сидит в магистрали полуприцепа либо в его собственной клапанной схеме.
4. Отдельно наблюдайте отпускание. После отпускания педали отслеживается возврат штоков; если одна сторона возвращается позже или возвращается не полностью, путь выпуска в этом контуре ограничен.
5. Слушайте звук. Длительность звука наполнения камеры и характер звука выпуска при сравнении двух сторон делают разницу слышимой. Само по себе это не доказательство; оно лишь показывает, куда смотреть.
6. Сравнивайте внутри парка. Машины-близнецы той же модели, той же комплектации и схожего профиля задач — самый надёжный ориентир. Если одна машина ведёт себя заметно иначе, чем её близнецы, причина в самой машине.

Эти наблюдения не выносят решения о приёмке или отказе; они лишь показывают потребность в измерении. Правило, которое здесь следует держать: задержка видна при сравнении и невидима при взгляде на одну машину в отрыве.

Что означает задержка в пересчёте на тормозной путь?

Почему время срабатывания является величиной безопасности, становится понятно при переводе его в расстояние. Полный остановочный путь складывается из трёх частей: путь, пройденный до того, как водитель распознал опасность и нажал на педаль; путь, пройденный до того, как система создала тормозное усилие; и путь, пройденный машиной при замедлении до полной остановки после появления усилия. На протяжении средней части машина практически не замедляется; всё это время скорость сохраняется целиком.

Приведённая ниже таблица не содержит никаких утверждений о задержке какой-либо тормозной системы; она показывает только арифметику перевода скорости в расстояние. Путь, проходимый машиной за секунду, находится делением её скорости в километрах в час на 3,6.

Смысл таблицы прост: разницы, кажущиеся крохотными по оси времени, по оси расстояния измеряются длинами кузова. Более того, это расстояние нельзя отыграть назад увеличением тормозного усилия, потому что потеря вызвана не тем, что усилия не хватило, а тем, что оно ещё не родилось.

Поэтому при планировании обслуживания тайминг нужно воспринимать так же серьёзно, как и силу. Способ ускорить отклик контура — не установка более мощной детали; это укорочение пути, сохранение сечения, отказ от наращивания объёма и поддержание механических зазоров в пределах регулировки. VADEN рассматривает компоненты, которые производит для пневматических тормозных систем большегрузного транспорта, именно в такой целостности: правильно подобранная и правильно установленная деталь не только создаёт усилие, но и удерживает время отклика системы внутри расчётной полосы. Все объяснения здесь носят характер понятийного ориентира; для значений, привязанных к конкретной машине, и для границ приёмки определяющим является актуальное руководство по обслуживанию завода-изготовителя.

Чтобы увидеть всё семейство клапанов контура с их задачами и типичными признаками неисправностей, наше руководство тормозные клапаны грузовика разбирает каждый клапан отдельно.

Если удобнее проследить соединение контуров по наглядной схеме, руководство схема пневматической тормозной системы проходит магистраль контур за контуром.

Категория товара: Тормозная Система

Основное руководство: Пневматические тормозные системы грузовиков: принцип работы, словарь компонентов и руководство по неисправностям

Что требуют нормативы в отношении времени срабатывания и торможения?

Время срабатывания не оставлено на усмотрение — это предельное значение при сертификации типа. В Европе Правила ЕЭК ООН (UNECE) № 13 ограничивают рабочий тормоз 0,6 секунды с момента воздействия на орган управления до достижения тормозной камерой 75% асимптотического давления. В США федеральный стандарт пневматических тормозов FMVSS 121 (49 CFR 571.121) задаёт собственные требования к времени срабатывания и растормаживания и к ресиверам, а тормозную эффективность, которую тяжёлый автомобиль должен фактически обеспечивать на дороге, отдельно определяет 49 CFR 393.52. Система, реагирующая с запозданием, съедает запас, который эти нормы призваны гарантировать, — поэтому задержка является величиной безопасности и соответствия, а не комфорта. Считайте значение 0,6 секунды нормативным потолком и всегда сверяйте действующие пределы с актуальным нормативом и сервисными данными изготовителя автомобиля.

В странах Евразийского экономического союза действует технический регламент Таможенного союза ТР ТС 018/2011 «О безопасности колёсных транспортных средств», устанавливающий требования к тормозным системам. На Украине этот регламент не применяется: там действует постановление Кабинета Министров Украины № 137 от 30.01.2012 об обязательном техническом контроле.