Кевлар, карбон и все, все, все

С точки зрения физики современный автомобиль, наверное, одно из самых противоречивых устройств, созданных человеком. Посудите сами: на протяжении более ста лет тысячи людей разрабатывают диаметрально противоположные по смыслу устройства, которые объединяются в автомобиле. Так, например, задача двигателя — преобразовывать тепловую энергию сгорания во вращение коленчатого вала, и чем меньше этого тепла уйдет в атмосферу, тем эффективней будет сам двигатель. Другое дело тормоза. Их задача — по-глотить кинетическую энергию несущегося куска железа. До недавнего времени единственно верным способом было преобразование этой энергии в тепловую с помощью трения.

Конструкция тормозных механизмов постоянно претерпевает изменения, направленные на достижение высокой эффективности торможения, сохранение стабильности замедления независимо от температуры тормозной колодки или диска, высокого ресурса и комфорта.

НАГРЕВ РЕШАЕТ ВСЕ

Выполнить эти условия непросто и в тепличных условиях, что уж говорить об обстановке, в которой трудятся автомобильные тормоза. Контрастный душ из воды, грязи, а зимой из соли и реагентов, большие перепады температуры окружающей среды — влияние этих факторов на эффективность и прогнозируемость торможения носит только негативный характер. Тем не менее главной проблемой становится нагрев самих механизмов в процессе торможения, ведь количество тепла, выделяющегося при замедлении, просто огромно!

Усугубляет нагрев фрикционной пары и односторонний отвод тепла в тело тормозного диска или барабана. Тормозная колодка не должна пропускать через себя тепло, иначе из-за чрезмерного нагрева может закипеть тормозная жидкость, и тогда эффективность торможения будет стремиться к нулю. Диск же, в свою очередь, тоже не должен допускать чрезмерного нагрева ступицы, иначе узел быстро придет в негодность.

Существует один выход: отдавать тепло непосредственно в атмосферу. В современных автомобилях между двумя поверхностями тормозных дисков находятся радиальные воздушные каналы, благодаря которым теплоотвод существенно улучшился. Иногда эти каналы имеют спиралеобразную форму и играют роль центробежного вентилятора. На спортивных автомобилях зачастую не хватает даже такого решения, и тогда на болиды устанавливают дефлекторы, направляющие поток воздуха непосредственно на тормозные механизмы.

Компания DELPHI предложила свой вариант кардинального решения проблемы в системе Maximum Torque Brake. По замыслу разработчиков на одном колесе автомобиля должен трудиться не один, а два тормозных диска. Идея следующая: на ступице находятся два плавающих тормозных диска, которые обслуживаются одним суппортом. Тормозных колодок в такой системе три, две колодки имеют вполне привычный вид, а третья работает одновременно двумя поверхностями, так как находится между тормозными дисками. Таким образом, суще-ственно увеличивается эффективность торможения, да и нагреваются такие диски меньше из-за снижения нагрузки. Еще из плюсов стоит отметить ослабление нажима на педаль и хорошее охлаждение дисков. Остается дождаться, когда разработка пойдет в серию. А когда это случится, не известно.

В БОРЬБЕ ЗА ГРАММЫ И МЕТРЫ

Несмотря на ухищрения конструкторов, на серийных автомобилях проблема перегрева до конца не решена. Поэтому почти вся ответственность перекладывается на фрикционный материал: как тормозного диска, так и колодки.

Если говорить о тормозных дисках, то до недавнего времени практически 100% автомобильных тормозных дисков были изготовлены из чугуна. Некоторый консерватизм обусловлен сбалансированностью таких качеств, как коэффициент трения, износостойкость, теплоемкость и т.д. Хотя консерватизмом это назвать тоже нельзя: сплавы чугуна постоянно усовершенствуются для достижения более высоких характеристик. Но все равно существенных изменений можно было добиться только с вводом принципиально новых материалов.

Как водится, пионером, открывшим новое направление развития, стал автоспорт, а точнее Формула-1. Бешеные скорости, нагрузки и борьба за каждый грамм открыли карбону дорогу к автомобилям. В конце 70?х годов на болидах Формулы-1 впервые стал применяться карбон в качестве материала тормозных дисков. Преодолев период роста, карбоновые тормоза оставили своих металлических коллег далеко позади. Посудите сами: вес тормозного диска из карбона на порядок меньше металлического, коэффициент трения на порядок выше, а рабочий диапазон, ограничивающийся на обычных тормозах 500—600? С, здесь простирается далеко за отметку в 1000? С.?Тем не менее путь к обычным дорожным автомобилям таким тормозам пока заказан, и связано это с недостатками углеродных замедлителей (конечно, куда же без них!). Стоимость ком-плекта карбоновых тормозов может достигать стоимости нового автомобиля малого класса, а нормально работать они начинают только после хорошего прогрева: до этого коэффициент трения тормозов даже ниже обычных! Нельзя забывать и об удобстве управления замедлением: если с традиционными тормозами все просто и понятно, то здесь контролировать замедление архисложно. Фактически в обычных условиях карбоновые тормоза будут аналогом переключателя «ехать/стоять».

Более радужные перспективы в автомобилестроении имеют композитные керамиче-ские тормоза. Они не имеют такого ошеломляющего коэффициента трения, как карбоновые, но обладают целым рядом преимуществ. Во-первых, все тот же вес, например, керамического тормозного диска PORSCHE 911 в два раза легче обычного, значит, меньше и неподрессоренные массы, а следовательно, и нагрузка на подвеску. Уменьшается и так называемый гироскопический эффект, когда вращающееся с большой скоростью тело сопротивляется смене направления вращения. Коэффициент трения таких тормозов не падает с ростом температуры и одновременно обеспечивает хорошее замедление в холодном состоянии. Срок службы керамических тормозов в несколько раз выше, чем у обычных, но их цена способна поднять волосы на голове даже обеспеченных автомобилистов.

Увлекшись рассказом о дисках, мы чуть было не забыли рассказать о тормозных колодках, от свойств которых в наибольшей степени зависит эффективность торможения. Недаром во фрикционном материале даже самых обычных колодок для отечественных автомобилей насчитывается более 20 компонентов, смешанных по определенной рецептуре. А подбором рецептур еще с советских времен у нас в стране занимаются несколько научно-исследовательских институтов.

Технология изготовления колодок и проста, и сложна одновременно. Сначала приготовляется смесь для выпекания фрикционной накладки. У каждого производителя своя рецептура, и от оптимального подбора компонентов во многом зависят свойства конечного продукта. В состав смеси входят до двух десятков составляющих, поэтому после тщательного перемешивания смесь должна выстояться около суток, для того чтобы прошли необходимые химические реакции между компонентами. Затем смесь засыпается в формы, и происходит прессование. Следует отметить, что существует два вида прессования — горячее и холодное. При холодном прессовании стоимость конечного продукта ниже, а производительность выше, но при использовании горячего прессования улучшаются эксплутационные свойства изделия.

Прессование производится на основу с нанесенным слоем клея (температурного застывания). Если в техпроцессе используется метод холодного прессования, то затем полученные полуфабрикаты помещаются в печь для окончательного спекания. Следующими этапами является шлифовка рабочей поверхности и выходной контроль.

Долгое время в качестве основы фрикционного материала тормозных колодок применялся асбест, рабочие свойства которого позволяли сделать эффективную и недорогую колодку с высоким ресурсом. Но в какой-то момент этот материал в Западной Европе запретили, руководствуясь требованиями якобы экологического характера. Истинные причины этого мы раскрывать не будем, но мнения, что запрет введен только заботой о собственном кармане, придерживаются многие специалисты. Так или и иначе сейчас асбест у производителей не в почете, и каждый пытается заменить этот армирующий компонент своим.

В бюджетных колодках производители используют смесь органических и неорганических волокон, балансируя между коэффициентом трения, изностойкостью и конечной ценой колодки. Если речь идет о дорогих колодках, хотя и предназначенных для дорожных автомобилей, то производители могут включать гранулы мягких металлов и искусственного графита, кевларовых и карбоновых волокон, таким образом увеличивая термостабильность фрикционного материала.

В любом случае исследования и испытания не прекращаются ни на минуту, и в скором времени мы будем свидетелями появления новых материалов, позволяющих надолго забыть о периодической замене колодок и дисков, низкой эффективности торможения с писком. Свежую струю внесут электромобили и гибридные авто, превращающие при торможении энергию движения в электричество (рекуперация). С появлением мотор-колес тормозные диски будут крепиться не к ступице, а к внутреннему ободу диска, что также повысит эффективность торможения. А нам остается ждать этого светлого будущего…

Главной проблемой тормозной системы становится нагрев механизмов в процессе торможения, ведь количество тепла, выделяющегося при замедлении, просто огромно!

В состав смеси, из которой изготавливаются колодки, входят до двух десятков составляющих.