В 1952 году фирма GIRLING разработала и установила дисковый тормозной механизм на автомобиль-прототип гонок «Formula-1» V16 BRM. C тех пор дисковые тормоза начали победное шествие в автоспорте.
Рассмотрим, что входит в состав дискового тормоза современного спортивного автомобиля. Типичный комплект спортивного тормозного механизма представлен на рисунке.
Он включает три составляющие успеха эффективного торможения:
* тормозной диск
* суппорт
* тормозные колодки
Познакомимся подробней с каждым элементом дискового тормоза.
Тормозной диск.
Задачей тормозного диска является поглощение кинетической энергии движущегося автомобиля и рассеивание ее в окружающую среду, то есть - кинетическая энергия переходит в тепловую, а тепловая из диска уходит в окружающую среду, поэтому понятно, что в процессе торможения он нагревается, а при разгоне автомобиля происходит его охлаждение. Следовательно чем толще диск и чем больше его диаметр тем выше его теплоемкость тем больше энергии он в состоянии аккумулировать. Однако увеличение размеров тормозного диска приводит и к увеличению его веса, что повышает неподрессоренную массу автомобиля, и не рационально используется его толщина. Поэтому в автоспорте нашли применение вентилируемые тормозные диски. У них две шайбы соединены перемычками таким образом, что внутри него образуются каналы по которым циркулирует охлаждающий воздух, т.е. в процессе вращения колеса он работает как центробежный насос. Это решение приводит как к снижению массы диска, так и улучшению его теплоотдачи.
По форме каналов диски бывают :
- с прямолинейными каналами
- со спиралевидными каналами
- с хаотичными каналамиДва последних вида дисков значительно быстрее охлаждаются при вращении колеса с высокими скоростями. Спиралевидные диски за счет увеличения насосных свойств спиральных каналов по сравнению с прямолинейными, а хаотические за счет увеличения турбулизации (завихрения) движущегося внутри каналов воздуха, что увеличивает теплоотдачу и, следовательно, к скорость снижения температуры.
С целью снижения массы тормозного диска часто их делают составными . В этом случае чугунный ротор крепится к алюминиевому колоколу с помощью винтов.
Вентилируемые тормозные диски также нуждаются в статической балансировке, т.к. из-за наличия каналов распределить массу чугуна равномерно по периметру диска невозможно. Диски балансируются, как правило, путем механической выборки металла с наружного диаметра тяжёлой части диска. Особо это касается составных дисков. Если диск плохо отбалансирован то это может привести к вибрации колеса при движении с высокой скоростью, а также к снижению ресурса ступичного подшипника.
Теперь разберем какие физические процессы происходят в тормозных дисках в процессе торможений.
Диск нагревается, что приводит к нарушению формы его рабочей поверхности, ее короблению, следствием чего становится увеличение осевого биения 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 с колоколом П-образного сечения. При нагреве диск, напоминающий в разрезе шляпу, условно стремится вывернуться «наизнанку» за счет разницы длин наружного и внутреннего диаметра. 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. Чем диск массивней, тем меньше он склонен к термическим деформациям. С целью уменьшения вероятности коробления дисков их изготавливают, как правило, из легированного серого перлитного чугуна с мелкодисперсной структурой. Такой чугун имеет хороший коэффициент трения при работе в паре с тормозной колодкой и внутреннюю эластичность, в отличие от стали, которая более склонна к образованию т.н. прижогов и появлению термических трещин. Однако следует помнить, что серые чугуны склонны к отбелу, т.е. к местному, резкому увеличению твердости, что по мере эксплуатации приведет к тем же явлениям, что и коробление диска. Поэтому не следует после сильного нагрева диска сразу останавливаться на длительное время.
Часто можно встретить тормозные диски с перфорацией и канавками . В чем их достоинства? Т.к. диск работает в паре с тормозной колодкой, то при их нагреве в процессе торможения из колодки выделяются газы, так что их отвод крайне важен, особенно в тормозах, работающих в предельных режимах (газы могут создавать подобие воздушной подушки, что снижает эффективность торможения). Канавки и отверстия способствуют удалению воды, грязи, пыли и пр., что также направлено на повышение эффективности торможения в условиях дождя, снега и применения антиго- лоледных реагентов.
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, нагар превращается в смазку снижая тормозной момент. Канавки и шлицы срезают этот отработанный слой, обновляя колодку. Перфорация диска также позволяет увеличить темп его охлаждения и снижает вес тормозного диска. На спортивных дисках канавки и перфорацию выполняют направленными, поэтому нельзя путать диски для правого и левого колеса.
К недостаткам их применения относится более интенсивный износ колодок. Что касается перфорации, то следует помнить: сквозные отверстия приводят к ослаблению прочности конструкции ротора, т.к. они являются концентраторами напряжений и вокруг них начнут образовываться тепловые трещины. Такие диски боятся быстрых перепадов температуры, например, после сильного разогрева диска автомобиль попал в глубокую лужу.
Совершенствование тормозных дисков для автоспорта идет по пути изменения их конструкции, придающая им новые свойства, а также замена чугуна на более современные материалы.
К первому виду относятся тормозные диски разработанные фирмой «AP-Racing».
Его отличие в том, что чугунный ротор закреплен на колоколе не жестко, а при помощи металлических пластин (вспомните крепление нажимного диска к корзине сцепления). Такая конструкция снижает деформацию диска при высоких температурах и вероятность появления термических трещин.
Ко второму виду относятся керамические диски. В них ротор выполнен из керамического материала. Это дает снижение массы диска, повышает его ресурс, увеличивает эффективность торможения особенно при высоких температурах. К недостаткам этих дисков следует отнести их высокую стоимость, низкую эффективность при холодных тормозах, чувствительность к попаданию воды.
Наконец, вершиной конструкции тормозов для автоспорта является фрикционная пара из материала carbon-carbon, где карбоновая колодка трется по карбоновому диску. Такие диски на порядок легче чугунных, выдерживают температуры свыше 1000°С. Однако из-за их сверхвысокой стоимости широкого применения не получили.
Суппорт.
Типичный тормозной суппорт современного спортивного автомобиля представлен на рисунке.
Прежде чем разбирать особенности конструкции спортивного суппорта, ответим на вопрос, почему спортивные суппорта делают с жесткой (не плавающей скобой)? Так как современные спортивные автомобили способны проходить повороты с очень высокими скоростями, то центробежная сила может быть так велика, что она в состоянии вдвинуть поршень внутрь суппорта, что увеличит свободный ход педали тормоза (её провал). Также этот эффект приводит к подтормаживанию колес автомобиля внутри поворота, что снижает его устойчивость. На рисунке видно: суппорт состоит из двух половинок корпуса, соединенных между собой стяжными болтами. Внутри них находятся поршни.
Какими свойствами он должен обладать?
1. создать высокое зажимное усилие, необходимое для эффективного торможения.
2. иметь минимальную массу.
3. обладать максимальной жесткостью и прочностью.
Зажимное усилие, развиваемое скобой, пропорционально площади поршней, т.е. чем больше площадь, тем выше зажимное усилие развиваемое суппортом (скобой). Однако, увеличение площади поршня приводит к увеличению его диаметра, и следовательно к увеличению габаритных параметров скобы и её веса, поэтому спортивные скобы многопоршневые. Другим преимуществом многопоршневых скоб является более равномерное распределение удельных давлений на колодку т.е. она более равномерно прижимается к тормозному диску, что улучшает эффективность торможения. Поэтому количество поршней в спортивных скобах постоянно увеличивается и в настоящий момент их количество составляет 4,6 или 8. Часто один из поршней в суппорте меньше другого (других). Это делают также для более равномерного прижатия колодки к тормозному диску. Связано это с особенностью сил действующих в дисковом тормозном механизме.
Из схемы видно, что передний конец колодки (по ходу вращения колеса) прижимается несколько сильнее к диску, чем задний. Чтобы компенсировать этот эффект один из поршней делают меньшего диаметра. Чем длиннее колодка (по окружности диска) тем меньше вышеуказанный эффект, поэтому в 8-поршневых суппортах поршни, как правило, одинакового диаметра.
Остановимся теперь на конструкции поршневой группы. Она с момента создания дисковых тормозов практически не изменилась.
Вспомните устройство тормоза ВАЗ-2101 и Вы поймете, что отличий от современного дискового тормоза очень мало. Однако, они все-таки имеются:
1. В спортивных тормозах отсутствуют, как правило, грязезащитные чехлы, хотя они являются мощным средством защиты поверхностей поршня и цилиндра от коррозии, с учетом того, что тормозной механизм установлен в колесно-ступичном узле и подвержен негативному воздействию воды, пыли, соли и т.д. Однако, поскольку спортивные тормоза работают в условиях высоких или сверхвысоких температур обеспечить приемлемый ресурс работы пыльников очень сложно, даже применяя высокотемпературные марки резин. Ибо мощный поток тепла, идущий от тормозного диска через колодку приводит к быстрому старению резины и ее разрушению.
2. Отличие спортивных тормозов состоит в том, что очень часто поршни внутри скобы подпружинены , т.е. поршень слегка поджимает колодку к тормозному диску за счет установленной внутри цилиндра пружины. Таким образом, привод становится «беззазорным», что уменьшает время срабатывания с одной стороны, а с другой - уменьшает вероятность провала тормозной педали (увеличение свободного хода) с ростом температуры за счет коробления диска, увеличения сжимаемости колодки, появления центробежных сил. и т.д. В тех случаях, когда температуры в процессе гонок могут достигать 1000°С, внутрь поршня устанавливаются титановые вставки служащие теплоизолятором, что препятствует разрушению резиновых уплотнений и закипанию тормозной жидкости. Оригинальное решение по конструкции уплотнения нашли инженеры фирмы Ksportracing. Устройство поршневой группы в тормозах ksportracing. В этой конструкции вместо резинового уплотнительного кольца прямоугольного профиля вставленного в канавку, расположенную внутри корпуса скобы (См. конструкцию ВАЗ-2101), применены два кольца О-образного профиля, расположенные внутри поршня. Такая конструкция позволяет с одной стороны уменьшить осевые габариты скобы , т.е. несколько снизить массу, с другой - повысить надежность их работы за счет того, что резиновые уплотнения находятся дальше от источника температуры, чем в традиционной конструкции.
С целью снижения массы тормозные скобы, а также поршни изготавливают из высокопрочных алюминиевых сплавов. Характерной чертой спортивных суппортов является наличие пальцев, внутрь которых вставлены стяжные винты. Такая конструкция не только препятствует выпадению тормозных колодок при движении, но и повышает в целом жесткость скобы.
Совершенствование конструкций тормозных скоб идет за счет применения моноблочных суппортов .
Такая скоба является более жесткой, а также позволяет использовать диск большего диаметра
Тормозная колодка.
Тормозная колодка должна обеспечить высокий коэффициент трения (от его величины напрямую зависит эффективность торможения) во всем диапазоне скоростей, давлений в тормозном приводе и температур тормозного диска. Она состоит из металлического каркаса, к которому приформован фрикционный материал.
Несмотря на необходимость снижения массы тормозного механизма металлический каркас делают, как правило, массивным с целью более равномерного распределения давлений на фрикционный материал.
Фрикционный материал представляет собой сложную композицию, содержащую по 50 и более компонентов. Связано это со сложностью физико-химических процессов происходящих при торможении. Тормозная накладка должна обеспечить надежное торможение при температурах до 600…700°С. При этом она не должна разрушаться, обеспечивая необходимый ресурс, а также прочно держаться на металлическом каркасе. Также следует помнить, что с ростом температуры фрикционный материал становится более мягким, т.е. он сильнее сжимается. Сложность процессов происходящих в тормозном механизме в ходе чередующихся торможений иллюстрирует следующие графики:
На этом рисунке показано:
- красным цветом – изменение температуры тормозного диска;
- розовым цветом - температура в тормозной накладке;
- зеленым цветом - изменение температуры тормозной жидкости;
- голубым цветом - давление в тормозном приводе необходимое для поддержания постоянного замедления;
- синим цветом - изменение объема тормозной жидкости потребляемой тормозом вследствие повышения температуры.
Вследствие этих процессов различные компоненты тормозной накладки отвечают за различные ее свойства. Однако основой любого фрикционного материала являются наполнители, в качестве которых раньше использовали асбестовое волокно. Сегодня применения асбеста запрещено и его заменяют другими видами волокон, например, стальной шерстью, но она значительно повышает теплопроводность, что негативно скажется на работе всего тормоза и соответственно в спортивных колодках это недопустимо. Вследствие этого заменой асбесту является применение различного вида арамидных волокон. Наилучшими свойствами для этих целей обладает кевлар или другие виды углеродных волокон. Однако эти материалы очень дорогие и соответственно значительно удорожают стоимость спортивных колодок.
Применение термостойких материалов в тормозной накладке позволяет ей иметь стабильный коэффициент трения в широком диапазоне температур и давлений. Однако коэффициент трения все-таки, как правило, величина не постоянная, а динамическая. На рисунке показана типовая характеристика изменения коэффициента трения µ в зависимости от температуры t начала торможения.
Она показывает, что эффективность торможения снижается не только при высоких, но и при низких температурах, поэтому минимизации тормозного пути можно добиться только на прогретых тормозах. Также следует помнить, что стабилизация фрикционных свойств колодок происходит после как механической, так и термической приработки. Поэтому фирмы производители спортивных колодок, как правило, оговаривают особый режим приработки колодок с целью стабилизации их свойств. Для ускорения термической приработки при производстве колодок часто используют дополнительную технологическую операцию, которая называется термошок, при этом изготовленную тормозную колодку прижимают к горячей плите и выдерживают ее определенное время, за счет этого поверхностный слой накладки приобретает необходимые свойства. В случаях, когда при торможении температура может достигать 1000°С, и обычные колодки уже не в состоянии выдержать такие температуры применяют материалы типа carbon-сarbon.
Итоги
Из всего сказанного понятно, что «спортивная» езда для обеспечения надежного торможения автомобиля с любых скоростей требует более тщательного подхода к выбору компонентов тормозной системы, чем обычная по дорогам общего пользования. Однако достижение этой цели, как правило, ведет к повышению ее стоимости. И лидером в этом, как и прежде является «Формула I».
Информация взята с www.ksportracing.ru
:
?