Тормоза (Страница 52 из 164)

Силой, за счет которой и движется, и тормозит велосипед, является сила трения. Тем, кто не верит, можно посоветовать прокатиться зимой по голому (а лучше ещё и мокрому) льду без шипов – все станет понятно.
При расчете силы нажатия тормоза за основу берется сила сцепления колеса с дорожным покрытием. Она определяется произведением нагрузки на колесо и коэффициента трения между покрышкой и дорОгой. Для сухого асфальта этот коэффициент составляет 0,7…0,8. В отдельных случаях может даже превышать единицу, но в расчетах обычно это не используется, в связи с редкостью этих условий.

                                        Fs=Fм × ks

Итак, силу сцепления колеса с дорогой мы определили. Про перераспределение усилий между передним и задним колесами пока не вспоминаем – позже к этому вернемся.
Сила сцепления приложена к наружной поверхности покрышки. Момент этой силы на колесе определяется произведением силы на радиус качения. Этот радиус меньше наружного радиуса колеса в свободном состоянии на величину прогиба покрышки под рабочей нагрузкой. Для предварительного расчета можно этот прогиб не учитывать, поскольку эта величина не постоянная. Просто в конце расчета можно ввести поправочный коэффициент в конечный результат.

Для предотвращения юза и обеспечения максимально эффективного торможения, тормозной момент на колесе должен быть примерно на 5…10% меньше момента от максимально возможной силы сцепления.

                                                  0,95Fs×Rs = Fт×Rт

В реальности же в большинство современных велосипедных тормозов заложен избыточный тормозной момент. Это и позволяет сделать на велосипеде «оверруль» на сухом асфальте.
Дале определяем величину тормозной силы на колодках тормоза. Поскольку точки приложения силы сцепления и тормозной силы не совпадают, расчет удобнее вести через моменты сил. Для этого нужно определить радиус приложения силы нажатия тормозных колодок. Этот радиус можно просто измерить, если тип тормоза уже определен. Для ободных тормозов это будет середина тормозной дорожки обода, для дисковых – радиус на 7…10 мм меньше наружного радиуса диска, для барабанных – радиус барабана. Сложнее рассчитать этот радиус для роллерных тормозов с коническими колодками, но и тут можно взять за основу середину тормозного конуса. Погрешность будет невелика.
Величина тормозной силы будет определяться удвоенным произведением силы нажатия тормозной колодки на коэффициент трения тормозной колодки о поверхность трения. Почему удвоенный? Колодок две. И даже если одна неподвижная, сила реакции опоры создает тормозную силу.

                                                     Fт = 2Fк × k тр

Коэффициент трения тормозных колодок, с которыми мне приходится работать составляет от 0,28 в статике до 0,32…0,45 в динамике. Для материала «Феродо», используемого для автомобильных тормозных колодок, значения коэффициента трения укладываются в этот диапазон. Для колодок клещевых тормозов это значение будет, скорее всего, 0,3...0,35. Для дисковых немного поменьше, в связи с более высокой твердостью фрикционного материала. Но необходимо учитывать, что современные фрикционные материалы весьма разнообразны и специализированы под различные типы тормозов и условий эксплуатации. Однозначно определить коэффициент трения не удастся. Обратите внимание, что в расчетах отсутствует такой параметр, как площадь тормозной накладки. Дело в том, что влияние площади тормозной накладки на силу торможения минимально. Для предварительных расчетов ее не учитывают. Но нужно учесть величину удельного давления на тормозную накладку (колодку). Это нужно для того, чтобы фрикционный материал не разрушался под действием усилия нажатия на колодку. Величина удельного давления не должна превышать предельно допустимое значение для применяемого фрикционного материала.
Следовательно, чтобы создать требуемую тормозную силу, нам нужно обеспечить силу нажатия в 2,5…4 раза большую, чем величина требуемой тормозной силы. За счет чего? Сила пальцев рук у человека невысока (спортсмены не в счет – велосипед рассчитан на «среднестатистического» человека). Только за счет передаточного отношения привода тормозов.  Тут нас ожидает еще один подводный камень – ход тормозной ручки. Длина пальцев руки не позволит увеличить ход ручки более чем до четырех-пяти сантиметров (на тормозных ручках для вибрейков по внешней кромке рукоятки до упора в грипсы получается около 70 мм). А отсюда следует, что увеличить передаточное отношение возможно только за счет уменьшения хода тормозных колодок. Что мы и имеем в дисковых тормозах – зазоры между диском и тормозными колодками минимальны.
Усилие нажатия тормозных колодок определяется по формуле:

                        Fк=Fр × i
Где
Fр – усилие на тормозной рукоятке;
i – передаточное отношение привода тормозного механизма

Если взять для примера колесо на ободе 700С (посадочный диаметр 622 мм), то при условии 80% нагрузки от веса (условно принят общий вес 100кг) и сил торможения на переднее колесо и ободном тормозе необходимо обеспечить силу нажатия примерно 240 кг. Если мы имеем тормоз типа «вибрейк», у которого передаточное отношение привода составляет около 10, то мы должны нажать на ручку тормоза с силой около 24 кгс для того, чтобы полностью реализовать тормозную силу.
А вот для клещевого тормоза, у которого передаточное отношение около пяти – шести, силу нужно уже 45-48 кгс… А это уже немало. И не всем по силам. Необходимо заметить, что в этом расчете не учитывается КПД привода тормоза в связи с тем, что этот параметр может существенно отличаться у разных типов привода. К примеру, несмазанный клещевой тормоз с  закисшим тросиком  может уменьшить расчетную силу нажатия на 30…40%.
В дисковом тормозе с ротором диаметром 160 мм сила нажатия (и, соответственно, передаточное отношение) вырастет в пять раз, соответственно уменьшению радиуса трения. Если принять ход тормозной ручки в 50 мм, то зазор суммарный зазор между диском и колодками должен быть менее миллиметра. Отсюда и вытекают повышенные требования к позиционированию калипера относительно диска.
Как определить величину передаточного отношения привода тормозного механизма?  Для вибрейков и клещевых тормозов можно измерить длину плеч тормозной рукоятки, собственно рычагов тормоза и произвести простейшие арифметические вычисления. Для справки – передаточные числа при вычислении общего передаточного числа перемножаются, а не суммируются.  И еще один нюанс таких измерений – плечи рычагов нужно вычислять с учетом векторов  сил, действующих  на этом рычаге, или, опять же, через моменты сил.
Для барабанных, дисковых, роллерных этот номер не пройдет, расчет будет куда сложнее – в этих механизмах используются кулачки и клиновые поверхности. В этом случае измеряем суммарный зазор между тормозными колодками и поверхностью трения и ход тормозной ручки, необходимый для выбора этого зазора. Поделив величину хода ручки на зазор, получаем передаточное отношение.
И еще одно важное замечание – если кому-то захочется измерить реальную силу нажатия колодки, и он разместит динамометр между колодками, то динамометр покажет усилие ОДНОЙ колодки.
По вышеприведенным формулам можно произвести оценочный или предварительный расчет тормозов. Полный расчет неизмеримо сложнее, да и вряд ли кому он понадобиться. В полном расчете дополнительно учитываются изменения коэффициентов трения в зависимости от скорости движения и КПД механизма.
P.S. Если в изложении что то неясно (некоторые моменты могут быть упущены вследствие их «аксиомности» для тормозников), задавайте вопросы, разберем подробнее.
P.P.S. И еще прошу прощения за возможные ошибки в формулах — не совсем точно идет передача символов при копировании.