Тормозная система легкового автомобиля. Тормозные диски

                  3.Тормозные диски 

      Казалось  бы, пустяковина – чугунная кругляшка. Хочешь нарастить мощь тормозов –  ставь диаметром побольше, вот  и вся недолга. Однако далеко не все  так просто. И насчет размеров, и  в плане конструкции самого диска, который, оказывается, не всегда должен быть сплошным, и даже круглость его – отнюдь не обязательное условие. Не говоря уже о том, что чугун – классика жанра.

        Представим, как работает дисковый  тормоз. Диск зажимается колодками,  словно в тиски. И колодки,  и диск нагреваются. В результате они раскаляются, а колодки в процессе трения начинают выделять газы. При повышенной температуре коэффициент трения снижается, а газы оказывают еще и своеобразный смазывающий эффект. При работе в дождь температура растет не столь быстро, зато водяная пленка на диске радикально уменьшает трение. Таким образом, разработчики тормозных систем сталкиваются с двумя основными проблемами: необходимостью отвода тепла от диска, а продуктов горения, воды и грязи – с его рабочих поверхностей.

      Вентилируемые диски появились на автомобилях практически сразу же после своих «сплошных» собратьев: внутри диска отливали спиралевидные каналы, в результате получали центробежный вентилятор, охлаждающий диск изнутри. Однако для мотоциклов это решение оказалось непригодным: уж больно тяжелой стала деталь, а значит, привет неподрессоренным и вращающимся массам. К тому же изготовление ее возможно только литьем из чугуна, что для мотоциклов нежелательно.

      Зато  мотоциклетные конструкторы (в начале 70-х мотофирмы, не доверяя никаким  сторонним поставщикам, сами делали тормоза) обошли автомобилистов в другом вопросе – отводе газов с поверхности. Для этого они использовали неглубокие спиралевидные канавки на поверхности диска, которые отчасти также обладали вентилирующим эффектом. Но самый серьезный шаг мотоциклисты предприняли в конце 70-х, предложив миру перфорированные диски. Конечно, охлаждались они хуже, чем диски с «внутренней вентиляцией», но разница компенсировалась тем, что на мотоциклах они находятся в набегающем потоке воздуха (позднее, при установке на автомобили, эту проблему решили установкой более мощных воздуховодов). Тем не менее оба преимущества привели к поголовному распространению таких дисков на мотоциклах и весьма широкому – на «заряженных» автомобилях: меньшая масса, минимальное снижение тормозных качеств в дождь (что существенно).

      Все не так просто: насверлили дырок (или  нафрезеровали прорезей) – и порядок? Ничего подобного. Перебрав с числом и расположением отверстий, можно  снизить прочность до недопустимых пределов. Опять же располагать дырки-прорези надо по спирали – для обеспечения вентилирующего эффекта (это позволяет отказаться от газоотводных канавок). А главное – диск «в сеточку» нагревается неравномерно, что может привести к его короблению. Проблему долгое время решали по наитию. Но с появлением у специалистов систем математического моделирования задача сильно облегчилась.

      Трение  снизилось, но ненамного. А при усилении тормозной системы тормозной  момент надо повысить, и зачастую кардинально. Способ только один – нарастить диаметр дисков. Но здесь ограничивающим фактором являются размеры колес. Именно это послужило одной из основных причин установки при тюнинге  17-21 дюймовых дисков на автомобили. Однако это не всегда возможно. Выход из положения нашли специалисты итальянской компании Braking – одного из крупнейших изготовителей тюнинговых тормозных систем для автомобилей и мотоциклов. Они вспомнили одну из ранних конструкций, опробованную в 1950-е на гоночных Jaguar: у них диск крепится не к ступице колеса, а к ободу, суппорт же захватывает диск изнутри. Такие «вывернутые наизнанку» тормоза сегодня поставляются пока только для двухколесных стритфайтеров, но уже готовится в содружестве с колесниками из OZ серия для тюнинга хот-хэтчей.

      В большинстве случаев диски для легковых автомобилей «точат» из чугуна. Последнее время конструкторы и технологи ищут альтернативные решения. Причина тому – явно выраженная склонность материала к короблению при частых интенсивных торможениях, а главное, при перепадах температуры. Более того, при попадании воды на раскаленный механизм (что не редкость, стоит только влететь в лужу после интенсивного «прохвата») диск может просто расколоться. Актуальна и проблема появления ржавчины на поверхности после длительной стоянки.

      Не  иначе как революцией назвали многие специалисты появление в автогонках конца 1970-х карбоновых тормозных дисков. Новый, только-только пришедший из аэрокосмической отрасли «на гражданку» материал обещал убить сразу несколько зайцев. Во-первых, углепластик легче чугуна, что позволяет резко снизить и неподрессоренные, и вращающиеся массы. Кроме того, он практически не подвержен короблению, а фрикционные свойства оказались выше, чем у «чермета». Одна беда: подобающим образом такие диски работают при температурах выше 200оС, что приемлемо для гоночных болидов, но противопоказано при обычной эксплуатации. Причем температурный диапазон довольно узок: при слишком высоких температурах диск может даже начать привариваться к колодкам, а это ведет к заклиниванию. Лишний раз подтверждается истина: не все, что приемлемо в гонках, хорошо на обычных дорогах.

      Дальнейшие  поиски новых материалов для дисков привели к использованию металлокерамики. Этот материал по эксплуатационным качествам  занимает промежуточное положение  между чугуном и карбоном; керамический диск также требует предварительного прогрева, но до меньших величин, чем карбоновый. На практике это означает: пара интенсивных замедлений на выезде из гаража и активный «пилотаж» в городе. Но без длительных остановок в пробках! Поэтому, если поставить «керамику» на машину для повседневной езды, то никакого эффекта вы не почувствуете, скорее наоборот. Так что «экзотические» материалы подходят больше для гонщиков. Тем более что и у чугунных дисков могут быть более чем неплохие характеристики, если не делать их сплошными, ровными и круглыми, а подойти к делу грамотно и творчески.

      Что же касается доработок тормозной  системы, то можно ограничиться установкой вентилируемых или перфорированных  дисков и улучшенных колодок. Правда, при более-менее серьезном увеличении мощности мотора этого будет недостаточно. И тут уже стоит обратить внимание на более эффективные суппорты, диски большего диаметра, более производительный главный тормозной цилиндр и вакуумный усилитель. Проще всего установить тормозную систему от более мощной модификации данной модели автомобиля. Но если он и так самый мощный в гамме, тут уже стоит обратить внимание на специальные тюнинговые или гоночные системы, с 4-, а то и 6-поршневыми суппортами, соответственно подбирая к ним колодки и диски.

      Прежде  чем существенно увеличить мощность двигателя, стоит подумать о том, как потом его остановить. Первое неписанное правило тюнинга: прежде чем заниматься мотором, займись  тормозами. При этом стоит вспомнить  высказывание одного из ведущих гонщиков «формулы-1»: «В конце концов выигрывает не тот, кто быстрее разгоняется, а тот, кто позже тормозит». Так что более мощные тормоза позволяют и больше разгоняться, и позже начинать тормозить. 

                  3.1 Новые системы тормозных дисков из керамического композитного материала Porsche Ceramic Composite Brake system (PCCB) 

       Если  рассмотреть 30-летнюю историю развития тормозной системы Porsche, то не вызывает удивления тот факт, что компания остается неоспоримым лидером в  этой области. Представление новой системы тормозных дисков из керамического композитного материала Porsche Ceramic Composite Brake system (PCCB) стал новым шагом в будущее автоиндустрии. Помимо того, что новый материал обеспечивает большую долговечность и выскоий коэффициент трения накладок при высоких температурах, он еще и значительно легче.

Совокупность  массы тормозного диска, колеса и шин серьезно влияет на управление автомобилем, и очевидно, что небольшой неподрессорный вес значительно облегчает вождение. При общих показателях небольшой вес означает улучшенный разгон и торможение, а также более быструю смену направления движения. Диски системы PCCB вдвое легче традиционных металлических дисков, "экономия" составляет 16,5 кг. Охлаждение является одним из наиболее важных аспектов функционирования тормозной системы. В случае если оперативно избавляться от высоких температур и удерживать тормозную жидкость от кипения, можно считать, что половина дела сделана. Спиральные каналы охлаждения, включающие угловые внутренние лопасти, направляющие холодный воздух к дискам, позволили снизить температуру на 40 градусов по Цельсию, а крестообразно просверленные диски снизили температуру еще на 60 градусов. Porsche запатентовал эту систему в 1967 году.

 Для большинства автопроизводителей технология "керамики" все еще остается "черной магией", и пока только Porsche и Mersedes-Benz используют ее в своем производстве, при чем Porsche, несомненно, лидирует. Силикон является составляющим компонентом, способствующем проведению тепла в кремниевом составе. Необходимо, чтобы силикон был равномерно распределен по всему диаметру диска, иначе дифференциальные коэффициенты расширения разрушат материал.

      Проект PCCB был предложен в 1995 году, и с  того времени Porsche по всему миру подыскивал профессионалов той области, в которой хотел достигнуть успеха. Абсолютно новая технология предполагала возникновение определенных проблемы, при этом Porsche требовал высокое качество плюс рентабельный производственный процесс. В конечном итоге была выбрана SGL Carbon, самая опытная в этой области компания, территориально недалеко расположенная от завода Porsche. Производство дисков очень кропотливый процесс, который занимает не один день. Основные материалы - специальное капроновое волокно и кремневый карбид.   Каждый крестообразно-просверленный диск изготовляется из двух половинок, которые затем в топливной печи соединяется в одно целое. Для производства прочных, устойчивых дисков необходим процесс "силиконизации", при котором диски обжигаются в высоковакуумной печи при температуре превышающей температуру плавления кремния, 1420 градусов по Цельсию. После охлаждения диск становится почти таким же твердым как бриллиант. Эта твердость делает керамические диски значительно более долговечными. Так, например, обычно, во время 24 часовых гонок LeMans, диски меняются минимум дважды, что естественно отражается на времени. По словам главы отдела по разработки тормозных систем Роланда Мартина, "комплект керамических дисков "продержится" в течение всех гонок". Замена дисков занимает от 2 до 3 минут, соответственно керамические диски сэкономят до 6 минут гоночного времени.          В настоящее время все так называемые технологические препятствия были успешно преодолены. Однако, результаты отразились на стоимости. Система PCCB для нового Porsche Turbo стоит 15,000 Немецких Марок. В ближайшее время будет представлен более экономичный комплект меньших по размеру дисков для моделей Porsche с традиционной аспирацией.  

                              Заключение

                  4. Тормоза. Прогноз на будущее. 
 

      Перфорированные диски и диски с канавками лучше самоочищаются от воды и грязи. Однако чтобы автомобиль вовсе не испытывал проблем с торможением в слякотную погоду, диск должен иметь не круглую, а звездообразную форму, что доказано и математическими расчетами, и исследованиями, и опытом эксплуатации автомобилей.  
 А сколько тормозных дисков должно обслуживать каждое колесо? Сейчас этот вопрос встал на повестку дня, так как появилась работоспособная конструкция тормозного механизма "пакетного" типа. Здесь на ступицу колеса посажены два диска, между которыми размещена специальная двусторонняя тормозная колодка, а "заведует" этим хозяйством лишь один суппорт. Разработчики уверяют, что эффективность пакетной конструкции пропорциональна количеству задействованных в ней дисков. Соперничать с таким результатом можно, только перенеся эксперименты с устройством тормозов в сферу новых материалов.

      Если  обычные тормоза с ростом температуры  теряют эффективность, то карбоновые, напротив, становятся "злее". Но именно по этой причине карбон, за исключением автоспорта, пожалуй, никогда не станет для тормозов панацеей даже несмотря на то, что этот материал легок - позволяет в три-четыре раза уменьшить массу тормозного диска, и практически не подвержен короблению. Чтобы карбоновые тормоза заработали как положено, их сначала необходимо прогреть. Чем сильнее, тем лучше. А эффективность холодного карбона - никакая. Чтобы быть уверенным, что на улице тормоза остановят машину перед препятствием, а не за ним, сначала надо сделать несколько кругов внутри двора, прогревая тормоза подобно гонщикам Formula 1.                     У металлокерамики схожие проблемы, но они не стоят так остро, как у карбона. Керамика тоже нуждается в разогреве, только "в кондицию" керамические тормоза приводятся уже после одного - двух торможений. Словом, для обычных условий эксплуатации керамика приспособлена лучше карбона. А дальше начинаются сплошные плюсы. Фрикционные свойства керамических дисков выше, чем чугунных, но при этом износ невелик. Разработчики уверяют, что керамика способна прослужить до замены порядка 250.000-300.000 км пробега. Опять-таки, керамика гораздо легче чугуна, что благотворно сказывается на всех показателях автомобиля, включая динамику - легкое колесо и раскрутить легче.  
 Стоимость керамических дисков хоть и ниже карбоновых, но такова, что даже если за 300.000 км на автомобиле придется сменить пять комплектов обычных дисков (а это самый пессимистичный прогноз), все равно затраченная на замену сумма покажется каплей в море по сравнению с 6000-7000 евро, в которые сегодня оценивается комплект керамики. Словом, керамические тормоза - дорогое удовольствие, и в обозримом будущем их использование ограничится лишь скоростными моделями, для которых по причине избытка мощности езда в режиме "резкий разгон-торможение" обычное дело, и тут без надежных тормозов, продолжающих исправно работать при нагреве свыше 1000оС, не обойтись. Сегодня керамическими тормозными дисками могут похвастать Mercedes-Benz SLR McLaren и CL55 AMG F1, Brabus E V12, Porsche 911 Turbo S, Audi A8 6.0 W12 и некоторые другие дорогущие машины.