Конструкция дисков.
Самые распространенные на сегодняшний день автомобильные тормозные системы – дисковые тормоза. Из этого следует, что главным элементом тормоза такого типа является тормозной диск, к которому прикладывается усилие исполнительного механизма. Поскольку существующие автомобильные тормоза используют трение в качестве основного принципа действия, между диском и тормозным механизмом находится колодка, покрытая слоем фрикционного материала.
Как известно, росту эффективности любых тормозов препятствует температура в паре трения. Чем интенсивнее автомобиль тормозит, тем больше выделяется тепла и тем больше нагреваются детали тормозного механизма. Для обычной тормозной колодки это приводит к потере фрикционных свойств за счет снижения коэффициента трения. Можно пойти дальше и обнаружить, что тепло от колодки передается не только воздуху, но и собственно исполнительному тормозному механизму – скобе (суппорту), нагретые поршни которой бывают способны довести тормозную жидкость до кипения. Это может привести к образованию пузырьков воздуха в жидкости и, как следствие, потере ею упругих свойств и «провалу» тормозной педали. Естественно, ни о какой эффективности не может быть и речи, остановиться бы, перевести дух и подумать, что можно сделать. Самым логичным будет повысить температуру кипения тормозной жидкости и сделать колодки, способные не снижать коэффициент трения с ростом температуры. Именно так и поступили конструкторы тормозных систем, и сейчас есть колодки, работающие в диапазоне от 200 градусов и выше. Однако тема колодок и жидкостей еще дождется своего часа, а что же происходит с дисками?
Диск также нагревается, что приводит к нарушению формы его рабочей поверхности, ее короблению, следствием чего становится осевое биение диска, передаваемое на руль и тормозную педаль. Для начала рассмотрим причину деформации диска под действием температуры. Как правило, обычный тормозной диск представляет собой обод, выполненный в одно целое со ступицей П-образного сечения. При нагреве диск, напоминающий в разрезе шляпу, условно стремится вывернуться «наизнанку» за счет разницы длин наружного и внутреннего контуров. У внутреннего она больше, следовательно, и линейное тепловое расширение также больше. Это приводит к тому, что у «шляпы» приподнимаются поля. Именно череда таких подъемов и опусканий при остывании и приводит к деформации диска. Чтобы уменьшить такой эффект, у дисков в местах соединений обода со ступицей с наружной стороны делаются галтели или проводятся другие мероприятия, увеличивающие длину наружного контура. А что, если сделать диск более массивным, тогда он уж точно не покоробится. Хорошая идея, только вообразите, какая будет неподрессоренная масса у такого автомобиля, а наличие дополнительного маховика на каждом колесе сделает торможение проблематичным, добавив еще необходимость «гасить» их инерцию. К тому же проблема рассеивания тепла осталась. Так на сцену вышел диск с внутренней вентиляцией или просто вентилируемый. Он сразу позволил повысить эффективность торможения за счет более благоприятных температурных режимов паре трения. У вентилируемого диска существенно увеличена поверхность, с которой он отдает тепло окружающей среде. А если подвести дополнительный охлаждающий воздух к тормозному диску, то о перегреве тормозов можно даже забыть. Вентилируемый тормозной диск также уменьшает температурную нагрузку на ступичный подшипник.
Увеличению поверхности рассеивания тепла способствует и перфорация дисков, при которой обод насчитывает не один десяток сквозных отверстий с зенковкой. Проделанные по всей рабочей плоскости диска сквозные отверстия снижают вес диска, способствуют более эффективному снижению его температуры при работе (что снижает риск коробления), удаляют газы, образующиеся при трении колодок о диск. Также перфорация не допускает «всплытия» тормозной колодки при попадании воды на рабочую поверхность диска в дождь или при проезде через лужи. Оказавшаяся на пути колодки вода выдавливается внутрь диска, откуда она выбрасывается наружу под действием центробежной силы. Вот здесь и кроется опасность для перфорированных дисков. Попавшая вода на раскаленный иногда тормозной диск может вызвать катастрофические последствия для его целостности, он может потрескаться и даже лопнуть. Отверстия станут дополнительными концентраторами напряжений и начальными точками этих самых трещин. Поэтому заявления о повышенной эффективности перфорированных дисков часто следует рассматривать как рекламный ход. Однако встречаются серийные автомобили, у которых такие диски стоят и хорошо себя чувствуют за все время эксплуатации, подвергаясь замене только по причине износа. Такую картину можно наблюдать, в частности, на автомобилях Ferrari и Porsche. Все дело в том, что диаметр отверстий не велик, их расположение сочетается с конфигурацией внутренних лопаток диска, а сам диск, как правило толстостенный и большого диаметра. Это снижает риск образования трещин, однако более правильным решением являются канавки на рабочей поверхности диска. Кроме воды, канавки отводят газообразные продукты “жизнедеятельности” колодки и продукты износа. Канавки бывают направленными в зависимости от вращения диска или симметричными, что позволяет ставить диск на левую и правую стороны автомобиля. Это относится и к лопаткам внутри диска. Обычный вентилируемый диск имеет радиально расположенные лопатки, что делает левый и правый тормозные диски одинаковыми, но существуют диски с наклоненными лопатками для лучшего удаления разогретого воздуха. При этом левый диск является зеркальной копией правого и наоборот. Указав все эти достоинства канавок, нельзя не сказать и о том, зачем они изначально были разработаны. Опять же, автоспорт с его повышенными нагрузками на тормоза потребовал эффективной очистки тормозных колодок. Дело в том, что при работе на больших нагрузках тормозные колодки очень быстро покрываются тонким слоем нагара – выгоревшего и отработанного фрикционного материала. Если его не снять принудительно, колодка превращается в скользкую лыжу. Канавки, шлицы практически срезают этот отработанный слой, обновляя колодку. Это позволяет поддерживать работоспособность колодок на протяжении всей гонки. Учитывая все вышесказанное, можно считать, что для обычных городских автомобилей тормозные диски со шлицами, конечно, являются предметом гордости владельца, но одновременно причиной более частой смены тормозных колодок.
Теперь мы добрались до высшей лиги тормозных дисков - вентилируемых сборных. Конечно, бывают и цельные диски с направленными лопатками, но их не так много. Это объясняется необходимостью иметь сложные оснастки для левого и правого диска, на что не каждый производитель может пойти. В результате диск с одной стороны выбрасывает воздух наружу, а с другой – захватывает его и пытается выдавить из центра внутрь колесной арки. Разборные диски изначально делятся на левые и правые и имеют крепежный фланец для ступицы, которая делается, как правило, из высококачественного авиационного алюминия. Такая конструкция позволяет еще больше рассеивать тепла, что благоприятно сказывается на эффективности тормозов и теплонагруженности подшипников ступицы. Понятно, что такой диск более легкий, чем его цельный аналог. Здесь тоже присутствуют подводные камни. Самый опасный – разница коэффициентов термической деформации материалов диска и ступицы. Для решения этой проблемы делают прорези на ступице, но самым эффективным способом борьбы с этим явлением можно назвать так называемые плавающие диски. Их суть – отсутствие жесткой связи между диском и ступицей, при этом диск может двигаться относительно ступицы обычно в осевом направлении в пределах нескольких десятых долей миллиметра. Плавающие диски обладают существенным недостатком – они боятся грязи, которая может лишить их подвижности, поэтому они главным образом применяются в кольцевом автоспорте.
Материал дисков.
Чаще всего тормозные диски изготовляют из чугуна. Популярность этого материала объясняется хорошими фрикционными свойствами и невысокой стоимостью производства. Наряду с этими преимуществами, чугун имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают его использование в некоторых типах транспортных средств – спортивных машинах и мотоциклах. При регулярных интенсивных торможениях, вызывающих значительное повышение температуры (400 С и выше), возможно коробление диска, а если на его перегретую в таких режимах поверхность попадает вода, например, из лужи, чугунный диск покрывается сетью трещин и иногда даже рассыпается. Кроме того, такие диски очень тяжелые, и после длительных стоянок их рабочая поверхность покрывается коркой ржавчины. Чтобы избежать этих недостатков, диски, в большей степени мотоциклетные и значительно реже автомобильные, начали делать из «нержавейки». Более слабые фрикционные свойства этого материала компенсировали увеличением диаметра дисков и их рабочей поверхности. Для изготовления этой ответственной детали тормозной системы используют и обычную сталь, которая, как и «нержавейка», не столь чувствительна к перепадам температур и обладает несколько худшими фрикционными свойствами, чем чугун.
В 70-е годы на спортивные машины начали устанавливать тормозные диски из углепластика – карбоновые. 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. Карбоновые диски не коробятся, а снижение неподрессоренных и вращающихся масс положительно сказывается на ходовых качествах автомобиля. Тем не менее путь к обычным дорожным автомобилям таким тормозам пока заказан. Стоимость комплекта 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 сверхсложно. Фактически в обычных условиях карбоновые тормоза будут аналогом переключателя «ехать/стоять».
Более радужные перспективы в автомобилестроении имеют керамические тормоза. Они не имеют такого ошеломляющего коэффициента трения, как карбоновые, но обладают целым рядом преимуществ. У керамики гораздо больше возможностей, чем у металла или различных композитов. Этот материал отличается отличной устойчивостью к высоким температурам, высокой стойкостью к коррозии и износу, небольшой удельной массой и высокой прочностью. Но это еще не все. Керамические тормозные диски, в сравнению аналогичным деталями из серого чугуна легче на 50%. 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. Кроме того, применение керамики позволяет увеличить на 25% коэффициент трения, а заодно резко повысить эффективность торможения в горячем состоянии. Еще одно преимущество – невероятная долговечность. Керамические диски обычно не требуют замены на протяжении 300 000 км. К сожалению, есть и недостатки. Во-первых, холодные керамические диски хуже останавливают машину, чем холодные тормозные диски из металла. Во-вторых, керамика плохо работает при очень низких температурах. В третьих, такие диски при работе неприятно скрипят. И, наконец, в четвертых, цена у них ну просто непомерная.
Самые распространенные на сегодняшний день автомобильные тормозные системы – дисковые тормоза. Из этого следует, что главным элементом тормоза такого типа является тормозной диск, к которому прикладывается усилие исполнительного механизма. Поскольку существующие автомобильные тормоза используют трение в качестве основного принципа действия, между диском и тормозным механизмом находится колодка, покрытая слоем фрикционного материала.
Как известно, росту эффективности любых тормозов препятствует температура в паре трения. Чем интенсивнее автомобиль тормозит, тем больше выделяется тепла и тем больше нагреваются детали тормозного механизма. Для обычной тормозной колодки это приводит к потере фрикционных свойств за счет снижения коэффициента трения. Можно пойти дальше и обнаружить, что тепло от колодки передается не только воздуху, но и собственно исполнительному тормозному механизму – скобе (суппорту), нагретые поршни которой бывают способны довести тормозную жидкость до кипения. Это может привести к образованию пузырьков воздуха в жидкости и, как следствие, потере ею упругих свойств и «провалу» тормозной педали. Естественно, ни о какой эффективности не может быть и речи, остановиться бы, перевести дух и подумать, что можно сделать. Самым логичным будет повысить температуру кипения тормозной жидкости и сделать колодки, способные не снижать коэффициент трения с ростом температуры. Именно так и поступили конструкторы тормозных систем, и сейчас есть колодки, работающие в диапазоне от 200 градусов и выше. Однако тема колодок и жидкостей еще дождется своего часа, а что же происходит с дисками?
Диск также нагревается, что приводит к нарушению формы его рабочей поверхности, ее короблению, следствием чего становится осевое биение диска, передаваемое на руль и тормозную педаль. Для начала рассмотрим причину деформации диска под действием температуры. Как правило, обычный тормозной диск представляет собой обод, выполненный в одно целое со ступицей П-образного сечения. При нагреве диск, напоминающий в разрезе шляпу, условно стремится вывернуться «наизнанку» за счет разницы длин наружного и внутреннего контуров. У внутреннего она больше, следовательно, и линейное тепловое расширение также больше. Это приводит к тому, что у «шляпы» приподнимаются поля. Именно череда таких подъемов и опусканий при остывании и приводит к деформации диска. Чтобы уменьшить такой эффект, у дисков в местах соединений обода со ступицей с наружной стороны делаются галтели или проводятся другие мероприятия, увеличивающие длину наружного контура. А что, если сделать диск более массивным, тогда он уж точно не покоробится. Хорошая идея, только вообразите, какая будет неподрессоренная масса у такого автомобиля, а наличие дополнительного маховика на каждом колесе сделает торможение проблематичным, добавив еще необходимость «гасить» их инерцию. К тому же проблема рассеивания тепла осталась. Так на сцену вышел диск с внутренней вентиляцией или просто вентилируемый. Он сразу позволил повысить эффективность торможения за счет более благоприятных температурных режимов паре трения. У вентилируемого диска существенно увеличена поверхность, с которой он отдает тепло окружающей среде. А если подвести дополнительный охлаждающий воздух к тормозному диску, то о перегреве тормозов можно даже забыть. Вентилируемый тормозной диск также уменьшает температурную нагрузку на ступичный подшипник.
Увеличению поверхности рассеивания тепла способствует и перфорация дисков, при которой обод насчитывает не один десяток сквозных отверстий с зенковкой. Проделанные по всей рабочей плоскости диска сквозные отверстия снижают вес диска, способствуют более эффективному снижению его температуры при работе (что снижает риск коробления), удаляют газы, образующиеся при трении колодок о диск. Также перфорация не допускает «всплытия» тормозной колодки при попадании воды на рабочую поверхность диска в дождь или при проезде через лужи. Оказавшаяся на пути колодки вода выдавливается внутрь диска, откуда она выбрасывается наружу под действием центробежной силы. Вот здесь и кроется опасность для перфорированных дисков. Попавшая вода на раскаленный иногда тормозной диск может вызвать катастрофические последствия для его целостности, он может потрескаться и даже лопнуть. Отверстия станут дополнительными концентраторами напряжений и начальными точками этих самых трещин. Поэтому заявления о повышенной эффективности перфорированных дисков часто следует рассматривать как рекламный ход. Однако встречаются серийные автомобили, у которых такие диски стоят и хорошо себя чувствуют за все время эксплуатации, подвергаясь замене только по причине износа. Такую картину можно наблюдать, в частности, на автомобилях Ferrari и Porsche. Все дело в том, что диаметр отверстий не велик, их расположение сочетается с конфигурацией внутренних лопаток диска, а сам диск, как правило толстостенный и большого диаметра. Это снижает риск образования трещин, однако более правильным решением являются канавки на рабочей поверхности диска. Кроме воды, канавки отводят газообразные продукты “жизнедеятельности” колодки и продукты износа. Канавки бывают направленными в зависимости от вращения диска или симметричными, что позволяет ставить диск на левую и правую стороны автомобиля. Это относится и к лопаткам внутри диска. Обычный вентилируемый диск имеет радиально расположенные лопатки, что делает левый и правый тормозные диски одинаковыми, но существуют диски с наклоненными лопатками для лучшего удаления разогретого воздуха. При этом левый диск является зеркальной копией правого и наоборот. Указав все эти достоинства канавок, нельзя не сказать и о том, зачем они изначально были разработаны. Опять же, автоспорт с его повышенными нагрузками на тормоза потребовал эффективной очистки тормозных колодок. Дело в том, что при работе на больших нагрузках тормозные колодки очень быстро покрываются тонким слоем нагара – выгоревшего и отработанного фрикционного материала. Если его не снять принудительно, колодка превращается в скользкую лыжу. Канавки, шлицы практически срезают этот отработанный слой, обновляя колодку. Это позволяет поддерживать работоспособность колодок на протяжении всей гонки. Учитывая все вышесказанное, можно считать, что для обычных городских автомобилей тормозные диски со шлицами, конечно, являются предметом гордости владельца, но одновременно причиной более частой смены тормозных колодок.
Теперь мы добрались до высшей лиги тормозных дисков - вентилируемых сборных. Конечно, бывают и цельные диски с направленными лопатками, но их не так много. Это объясняется необходимостью иметь сложные оснастки для левого и правого диска, на что не каждый производитель может пойти. В результате диск с одной стороны выбрасывает воздух наружу, а с другой – захватывает его и пытается выдавить из центра внутрь колесной арки. Разборные диски изначально делятся на левые и правые и имеют крепежный фланец для ступицы, которая делается, как правило, из высококачественного авиационного алюминия. Такая конструкция позволяет еще больше рассеивать тепла, что благоприятно сказывается на эффективности тормозов и теплонагруженности подшипников ступицы. Понятно, что такой диск более легкий, чем его цельный аналог. Здесь тоже присутствуют подводные камни. Самый опасный – разница коэффициентов термической деформации материалов диска и ступицы. Для решения этой проблемы делают прорези на ступице, но самым эффективным способом борьбы с этим явлением можно назвать так называемые плавающие диски. Их суть – отсутствие жесткой связи между диском и ступицей, при этом диск может двигаться относительно ступицы обычно в осевом направлении в пределах нескольких десятых долей миллиметра. Плавающие диски обладают существенным недостатком – они боятся грязи, которая может лишить их подвижности, поэтому они главным образом применяются в кольцевом автоспорте.
Материал дисков.
Чаще всего тормозные диски изготовляют из чугуна. Популярность этого материала объясняется хорошими фрикционными свойствами и невысокой стоимостью производства. Наряду с этими преимуществами, чугун имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают его использование в некоторых типах транспортных средств – спортивных машинах и мотоциклах. При регулярных интенсивных торможениях, вызывающих значительное повышение температуры (400 С и выше), возможно коробление диска, а если на его перегретую в таких режимах поверхность попадает вода, например, из лужи, чугунный диск покрывается сетью трещин и иногда даже рассыпается. Кроме того, такие диски очень тяжелые, и после длительных стоянок их рабочая поверхность покрывается коркой ржавчины. Чтобы избежать этих недостатков, диски, в большей степени мотоциклетные и значительно реже автомобильные, начали делать из «нержавейки». Более слабые фрикционные свойства этого материала компенсировали увеличением диаметра дисков и их рабочей поверхности. Для изготовления этой ответственной детали тормозной системы используют и обычную сталь, которая, как и «нержавейка», не столь чувствительна к перепадам температур и обладает несколько худшими фрикционными свойствами, чем чугун.
В 70-е годы на спортивные машины начали устанавливать тормозные диски из углепластика – карбоновые. 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. Карбоновые диски не коробятся, а снижение неподрессоренных и вращающихся масс положительно сказывается на ходовых качествах автомобиля. Тем не менее путь к обычным дорожным автомобилям таким тормозам пока заказан. Стоимость комплекта 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 сверхсложно. Фактически в обычных условиях карбоновые тормоза будут аналогом переключателя «ехать/стоять».
