Тормоз прогресса Тормоз прогресса Тормозные системы Тормозные системы

Среди автовладельцев много тех, кого не устраивает мощность мотора, топливная экономичность или комфорт подвески, а вот к тормозам претензии редки – работают и ладно. И все же находятся энтузиасты, дорабатывающие и тормоза: увеличенные диски, большие суппорта. Чего они хотят добиться? И вообще, в чем разница и на что влияет та или иная конструкция тормозов?

Текст: Карелов Олег.

Как ни странно на первый взгляд, но устройство и геометрические параметры тормозов почти не влияют на тормозной путь. Действительно, ведь замедление определяется сцеплением с дорогой, а от тормозов требуется лишь способность развить усилие, достаточное для блокировки колеса, чтобы замедление было на грани скольжения. А на это способны даже древние автомобили с барабанными тормозами.

Впрочем, всё это справедливо лишь до тех пор, пока температура тормозов держится в рамках допустимого. А выйдет ли она за эти рамки или нет, зависит от энергоемкости тормозов, то есть от их способности поглощать и рассеивать тепло, в которое в процессе трения переходит кинетическая энергия автомобиля. Если энергоемкости недостаточно, то температура тормозного диска или барабана начинает сильно расти, а коэффициент трения наоборот падать (для чугуна или стали, из которых изготовлены тормоза большинства машин, характерна именно такая зависимость). Соответственно, по мере нагрева на педаль тормоза придется давить все сильнее и сильнее, пока, в конце концов, усилий уже перестанет хватать, и тормозной путь начнет расти.

На мощных автомобилях один лишь тормозной диск может весить до 18кг, что составляет примерно две трети веса колеса (диск + покрышка). Разумеется, такой груз сказывается не только на плавности хода, но и на динамике.

Знакомая ситуация? Скорее всего, нет – подобные проявления в условиях обычной езды свидетельствуют об ошибках в проектировании тормозной системы, а потому редки. Но стоит выехать на гоночную трассу, как начинают сдаваться даже мощные с виду тормоза – именно здесь и проявляется разница.

Говоря о влиянии тормозов на характеристики автомобиля, нельзя не отметить и такой важный аспект, как неподрессоренные массы, которые во многом определяются именно весом тормозных механизмов. Об этом последнее время мало кто вспоминает, но мощные тормоза почти всегда оказываются еще и очень тяжелыми, из-за чего страдает плавность хода. Так что запас энергоемкости тормозов, выражающийся, как правило, в больших по размеру и массе тормозных дисках, не должен быть слишком большим – для неспортивной машины это просто неоправданно.

Типы тормозов

Итак, тормоза автомобилей бывают двух типов: барабанные и дисковые. Исторически первыми стали применяться барабанные тормоза, то есть такие, в которых полукруглые колодки изнутри распирают закрытый металлический цилиндр. В таком виде, лишь с небольшими изменениями, эти тормоза существуют уже более 100 лет. В чем же причина успеха?

Главное конструктивное преимущество барабанных тормозов – большая площадь поверхности колодок, которые прилегают к барабану почти на двух третях окружности. Отсюда, в частности, следует увеличенный ресурс самих колодок и отсутствие необходимости в высоком давлении в тормозной системе – некоторое время назад, примерно до 40-ых годов, это позволяло даже обходиться без усилителя тормозов. Сказывается здесь и эффект «самоусиления», когда под действием силы трения колодки слегка поворачиваются вокруг оси и еще сильнее прижимаются к вращающемуся барабану. Разумеется, сейчас эти хитрости уже неважны – усилитель тормозов давно стал неотъемлемой деталью, но вот большой ресурс колодок весьма кстати для недорогих машин. Именно поэтому барабанные тормоза до сих иногда применяются на задней оси, где в условиях постоянно летящей пыли из-под передних колес проявляется и еще одно их достоинство – лучшая защищенность от грязи, ускоряющей, как известно, износ тормозов.

Однако на передней оси, где загруженные в момент замедления колеса обладают наилучшим сцеплением с дорогой, а значит и тормозам приходится тяжелее всего, барабанные механизмы уже не встретишь. Причина – недостаточное охлаждение, поскольку внутренняя сторона барабана закрыта, и эффективно рассеивает тепло лишь внешняя часть. При этом компенсировать падение коэффициента трения повышением усилия прижима колодок можно лишь весьма ограниченно, ведь барабан имеет далеко не бесконечную прочность на разрыв.

Передние барабанные тормоза гоночного автомобиля Auto Union Typ C/D 1939 года. 6-литровый V16 мощностью 520 л.с. требовал очень выносливых тормозов.

Конечно, можно как-то пытаться найти выход. Вспоминаются, например, тормоза гоночных болидов 40-ых годов – огромные барабаны размером чуть ли не с колесо, вентиляционные отверстия с одной стороны и оребрение с другой. Сколько же они весили… Чтобы как-то уменьшить неподрессоренные массы инженеры даже пытались крепить барабаны внутри кузова, передавая тормозной момент через приводные валы. Сейчас, конечно, такого уже не встретишь – вес уменьшают, отливая барабан из сплава алюминия и запрессовывая в него чугунное кольцо, к которому прилегают колодки.

С дисковыми тормозами подобных проблем на порядок меньше: диск ничем не прикрыт, охлаждаемая площадь большая. Дополнительно, для лучшего охлаждения, диски делаются не сплошными, а вентилируемыми – фактически сдвоенными со специальными воздушными каналами посередине, играющими роль центробежного вентилятора. Перегреть такие тормоза – уже непростое дело. К тому же здесь практически нет проблем, связанных с прочностью, как в случае с барабанном, - давление колодок на диск почти не ограничено.

Однако есть и свои трудности, например, возможный перегрев тормозной жидкости. Небольшие по площади колодки сильно греются, и это тепло активно передается жидкости – если она закипит, давление в магистрали упадет, и педаль тормоза просто «провалится» без какого-либо эффекта. И хотя с современными жидкостями с температурой кипения более 250 оС такой сценарий уже маловероятен, при проектировании очень мощных автомобилей все же необходимо учитывать и это. Решение находят в увеличении размера колодок – иногда они обхватывают едва ли не треть диска! При этом для равномерного распределения прижимного усилия приходится применять и массивные многопоршневые суппорты.

По той же причине – малые размеры колодок - дисковые тормоза чаще барабанных нуждаются в смене колодок, а для работы им необходим мощный усилитель, развивающий высокое давление в тормозной магистрали. Впрочем, это разумная плата за эффективность и высокую активную безопасность.

Материалы

До сих пор мы исходили из того, что диски тормозов изготовлены из чугуна или стали. Но почему именно из них?

Оказывается, к материалу диска предъявляется много требований. Кроме очевидной прочности и высокого коэффициента трения это еще и стабильность характеристик при нагреве, высокая теплопроводность, большая теплоемкость, стойкость к тепловому удару вследствие быстрого и сильного нагрева, а так же низкая способность к адгезии, дабы пары трения не прилипали друг к другу. Среди металлов этим требованиям в некоторой степени отвечают отдельные сорта стали и чугуна. И все же падение коэффициента трения по мере нагрева и склонность к короблению ограничивают температуру таких тормозов на уровне 500оС.

Карбоновые тормоза болида Формулы-1. Несмотря на небольшой размер (диаметр колесных дисков в формуле всего 13 дюймов), эти тормоза обладают чудовищной выносливостью, замедляя автомобиль с 300 км/ч с перегрузкой более 5g! Карбоновый кожух с внутренней стороны – часть воздухозаборника, охлаждающего диск и суппорт.

Есть и более стойкие материалы. Например, керамические диски способны выдержать нагрев едва ли не до 1000оС, почти не снижая при этом коэффициент трения. А уж если вспомнить, что они в два раза легче стальных, не склонны к деформации при резкой смене температур и обладают ресурсом, исчисляющимся сотнями тысяч километров, то в перспективе этой технологии почти не сомневаешься. Но, увы, всё предопределила их огромная стоимость – в среднем разница с обычными тормозами составляет несколько тысяч евро! При такой цене керамические диски остаются уделом лишь избранных суперкаров, тем более что почувствовать преимущества таких тормозов можно лишь в гоночных условиях. Подтверждением тому служит проведенный недавно нами тест двух Porsche Panamera, где модель с керамическими дисками даже проиграла в замерах тормозного пути – всё решили более цепкие покрышки.

Нельзя не упомянуть и про карбоновые диски, получившие широкое распространение в автоспорте, особенно в Формуле-1. Их главные преимущества над керамическими – примерно в пять раз меньший вес, рост(!) коэффициента трения по мере нагрева и чуть большая предельная температура – около 1200оС. Однако диапазон рабочих температур у них уже – от 300 до 650 градусов. Если нагрев недостаточен, то коэффициент трения мал, и торможение неэффективно, если же температура повышена, то карбон быстро окисляется и изнашивается. Именно поэтому гонщики Формулы-1 всегда греют тормоза перед стартом гонки, а сами тормоза оснащены специальными воздухозаборниками, захватывающими воздух для охлаждения со скоростью до 400 литров в секунду! Но и этого иногда оказывается недостаточно, и тогда на долгих интенсивных торможениях мы видим, как из колес болидов летит черная карбоновая пыль разрушающихся от перегрева дисков. В общем, исключительно гоночная технология, неприменимая в условиях обычных езды.

Мы же вернемся к реальности и поговорим о колодках – не менее важной детали тормозов. В отличие от дисков, фрикционный материал колодки испытывает не столь разносторонние механические нагрузки (в основном это нагрузка на сдвиг и сжатие), а потому требования к прочности не столь высоки и для изготовления можно применять различные композитные материалы. В частности, используются составы, включающие в себя около десятка различных компонентов, каждый из которых отвечает за какое-либо свойство. Например, оксиды металлов повышают коэффициент трения и износостойкость, а графит предотвращает «схватывание». В качестве же армирующего компонента, основы, используют различные заменители асбеста (сам асбест ныне не применяется в связи с его канцерогенными свойствами). Все эти компоненты, взятые в определенной пропорции - в зависимости от требуемых характеристик - смешиваются с каким-либо связующим веществом (видом смолы или каучука), нагреваются и спрессовываются. На выходе – фрикционные накладки для колодок. В общем, в распоряжении инженеров есть масса рецептов и возможностей придания колодкам тех или иных свойств.

Заключение

Рост мощностей и всеобщее увлечение спортивностью привели к заметному прогрессу тормозов за последние 10-15 лет. Удивительно, но даже далекие от автоспорта автомобили способны выдержать продолжительную езду по гоночному треку – стойкость тормозов действительно достойна высших оценок. Конечно, бывают и исключения, но то единичные случаи, встречающиеся среди тяжелых кроссоверов и внедорожников большой мощности. Таким образом, можно с уверенностью сказать – в данной области инженеры уже добились максимума.

А что же дальше? По-видимому, в дальнейшем мы будем наблюдать обратное движение - тенденцию к уменьшению размеров тормозных механизмов. При этом снижение их энергоемкости будет компенсироваться ростом эффективности электрических тормозов, превращающих кинетическую энергию не в бесполезное тепло, а в электрический заряд аккумуляторов. Нечто подобное мы уже встречаем на гибридных автомобилях – так называемое рекуперативное торможение – но пока электромоторы не слишком мощны, а аккумуляторы не способны воспринимать длительный заряд большим током, чтобы такое торможение было эффективным – замедление еще невелико. Но это лишь дело времени.