Диаметр, вентиляция и композиты: эволюция дисковых тормозов

Дисковые тормоза давно вытеснили все остальные варианты тормозных механизмов, и только редкие барабанные еще пытаются что-то им противопоставить на бюджетных легковушках и тяжелой технике. Но со временем сами дисковые тормоза стали разнообразнее: менялись материалы и устройство дисков и суппортов, равно как и размеры. Что же, попробуем разобраться в их эволюции. И в ее смысле.

Коротко о плюсах дисков

Своим успехом дисковые тормозные механизмы обязаны двум факторам. Во-первых, простоте создания большого усилия – сжимать чугунный диск можно очень сильно, и он не согнется, не сломается и не потеряет своих характеристик. А раз усилие сжатия велико, то и тормозная мощность будет ограничена только прочностью суппорта и тепловой нагрузкой на сам диск.

Во-вторых, собственно, хорошей способностью к восприятию этой самой тепловой нагрузки, или, другими словами, хорошими способностями к охлаждению. Пока диск вращается, он создает непрерывный поток воздуха на своей поверхности, эффективно удаляющий тепло и продукты износа.

Помимо двух этих основных факторов, нашлось и множество второстепенных вроде простоты создания авторегулировки тормозов, точности и «прозрачности» усилий, малой массы тормозного механизма, удобства компоновки со ступицей, простоты обслуживания и прочих. Хотя без первых двух они были бы не столь важны.

А первые два фактора можно охарактеризовать в сумме одним словом – это «мощность». Именно мощность тормозных механизмов при малой массе стала тем, что сделало их успешными. Это способствовало созданию все более и более мощных тормозов, способных без ухудшения характеристик переносить многочисленные торможения с большой скорости.

Зачем нужно усложнять диск?

На первом этапе усовершенствования дисковых тормозов постарались улучшить в первую очередь именно способность к охлаждению, чтобы дополнительно снизить риск перегрева при затяжных или частых торможениях. В дальнейшем именно желание увеличить тепловую мощность тормозов будет толкать конструкторов все к новым и новым решениям.

Диск нельзя нагревать бесконечно – материалы банально теряют прочность, колодки «горят», уплотнения суппорта разрушаются, в общем, греть диски ради большей теплоотдачи нельзя, нужно «держать» температуру и охлаждать.

Вентиляция

Обеспечить лучшее охлаждение диску можно двумя путями: либо увеличивая его площадь (об этом чуть позже), либо введя вентиляцию. За счет создания внутренних радиальных каналов внутри диска площадь охлаждения увеличилась в пять-шесть раз, и во столько же раз увеличилась мощность.

Еще немного увеличить площадь охлаждения позволяет перфорация, и она же чуть улучшает очистку диска при прижатии колодок. К сожалению, усложнение конструкции диска дальше маловероятно и ограничено теплопроводностью чугуна. По сути, почти все современные тормозные механизмы выполнены именно по этой схеме: передние – практически всегда вентилируемые, но без перфорации – она ослабляет диск, снижает его ресурс и применяется нечасто.

Увеличение диаметра

Теперь вернемся к размерам. Увеличивая диаметр диска, мы решаем две проблемы. Во-первых, при этом возрастает площадь охлаждения, а во-вторых – тормозной момент и одновременно скорость вращения диска в зоне трения колодок. Тормозная мощность «размазывается» по площади, уменьшается нагрев. Появляется возможность уменьшить давление прижатия колодок, а значит, снижаются требования к фрикционным материалам и повышается удобство пользования тормозами.

Путь увеличения площади хороший, если бы не одна проблема: внешний диаметр диска всегда ограничен размером колеса. Примерно до 19 дюймов увеличение диаметра колесного диска еще может быть оправдано улучшением управляемости, но дальше гигантомания идет во вред. Прежде всего – из-за того, что критически вырастает неподрессоренная масса, страдает комфорт и, как ни странно, управляемость автомобиля. Да и слишком большой диск быстрее коробится. Эту проблему можно было бы решить утолщением диска, но тогда вырастет масса, а она, как мы поняли, и так уже велика... Но конструкторская мысль нашла выход из положения.

Составные диски

По сути, рабочей зоной тормозных колодок является только внешний край тормозного диска. Использовать всю его площадь просто не нужно – тормозное усилие зависит не от площади контакта колодок. При увеличении площади улучшается модуляция и уменьшается износ накладок, но площадь можно сохранить, увеличив только «длину» колодки, а не ее «высоту». Это значит, что вместо большого и тяжелого сплошного диска можно использовать лишь сравнительно тонкое кольцо максимального диаметра.

Конструктивно проблему можно было решить двумя способами. Традиционный заключается в том, что можно выполнить центральную часть тормозного диска из легкого сплава и прикрепить к ней чугунное кольцо, по которому будут работать колодки.

Второй вариант – прикрепить чугунное кольцо к легкосплавному колесному центру изнутри. Соответственно, и тормозной суппорт тогда будет охватывать тормозное кольцо изнутри, а не снаружи. Второе решение не очень-то прижилось, разве что владельцы ЗАЗ Таврия помнят сей конструктив, да знатоки железнодорожной техники вспомнят локомотивы с подобными тормозными механизмами.

А вот более классическая конструкция диска с легкосплавным центром завоевала мир гоночных и спортивных автомобилей. Составные тормозные диски позволяют экономить по несколько килограмм массы на каждом колесе и к тому же дешевле в эксплуатации – внутренняя сложная легкосплавная часть зачастую не требует замены, меняется лишь простое по конфигурации наружное кольцо из чугуна или другого материала с похожими свойствами.

Плавающие диски

Следующим логичным шагом по пути улучшения стало создание «плавающих» тормозных дисков. Не бойтесь, ни о каком водяном охлаждении речи не пойдет, впрыск воды остается для дисковых тормозов крайне экзотической технологией. Суть куда проще: крепление центральной части такого составного тормозного диска позволяет внешней чугунной части при расширении немного сдвигаться. Тем самым уменьшаются нагрузки, которые возникают из-за разницы в коэффициенте расширения у разных металлов и разнице температур между центральной частью и тормозным кольцом.

А раз нет риска коробления, то можно допустить прогрев диска до большей температуры без риска критического перегрева. Кроме того, улучшаются условия прилегания колодок, и тормоза заработают в полную силу при большей нагрузке. Такой диск может иметь мощность на все 20–30% выше, чем у «жесткой» конструкции, при незначительном, в общем-то, усложнении.

Композитные материалы

При создании составных дисков открылось еще одно направление в развитии тормозных механизмов. Увеличить теплоотдачу можно еще и повышением температуры тормозов, но тогда придется заменить на что-то, умеющее работать при температурах под тысячу градусов. Кандидаты нашлись быстро: в первую очередь это биметаллические диски, металлокерамика и углеволокно.

Биметаллические диски позволяли получить выигрыш в массе, но по совокупности характеристик не получили выигрыша в сравнении с поверхностно упрочненным чугуном, так что эта тюнинговая экзотика почти не встречается. А вот материалы на основе углерод-углеродной, керамической и метал-керамической матрицы прижились, несмотря на очень высокую цену относительно чугуна.

Причин сразу несколько. Во-первых, по сравнению с чугуном композитные материалы имеют в несколько раз меньшую плотность, а значит, на 50-75 % снижается масса диска. Рабочая температура выше 1 100 градусов для них не является проблемой, причем температура поверхности может доходить до 1 400 градусов, поэтому теплоотдача вырастает примерно в полтора-два раза в сравнении с чугуном.

Во-вторых, волокнистые композиты на основе SiC-матрицы обладают очень высокой износостойкостью – такие диски практически «вечные», даже если учитывать особенности эксплуатации в гоночных автомобилях. Чаще всего они выходят из строя не из-за износа поверхности, а из-за разрушения точек крепления и расслоений, свойственных композитам.

В-третьих, у композитных дисков полностью отсутствуют «прихватывания» – точки локального изменения поверхности диска под воздействием высокой температуры и материала колодок.

Именно такие диски можно сделать наибольшего размера, к тому же вдвое увеличив мощность тормозных механизмов. Так почему же композитные материалы до сих пор не вытеснили чугун? Минусы проявились тоже достаточно быстро. Высокая стоимость является очевидным недостатком, но по сути сильно зависит от технологии производства, при появлении массового спроса в автомобилестроении шансы на ее снижение довольно велики. Сами материалы, на самом деле, не столь дороги.

Но помимо цены есть еще два существенных минуса. Во-первых, это плохая модуляция работы тормозов – углерод более «скользкий» и колодки начинают эффективно работать по нему только при большой температуре и большом усилии. В «горячем» состоянии диск работает отлично, а вот пока температура диска и колодок низкая, эффективность тормозов тоже ниже, чем у чугунных. Соответственно, дозировать тормозное усилие сложнее.

Во-вторых, тормозное усилие на композитных дисках часто имеет склонность к небольшим колебаниям из-за неоднородности поверхности и ошибок мехобработки диска, которые не устраняются сами со временем, как это происходит с чугуном.

В-третьих, это низкая механическая прочность композита и уязвимость его торцевой части при ударах. А ведь именно торцевая поверхность оказывается нагружена тормозным моментом со стороны крепления диска. Стало быть, приходится применять сложные меры для предотвращения растрескивания и использовать неоптимальные размеры креплений.

Многодисковость

Многодисковые тормозные механизмы в автомобилестроении не прижились – тут в почете строго однодисковые конструкции. Зато на самолетах многодисковые фрикционные тормоза используются давно и довольно успешно. Наличие дополнительных дисков позволяет увеличить площадь простого тормозного диска, не увеличивая размера колеса, которое он затормаживает. Зато сильно возрастает масса и трудоемкость обслуживания. Серьезным минусом для машин оказалась и склонность к неполному растормаживанию у таких механизмов. Если для самолета это мелочи, то на автомобиле на счету каждый лишний ватт.

Усложнение суппорта

Как известно, суппорт – это второй важнейший узел дискового тормозного механизма – при помощи своих цилиндров он прижимает колодки к дискам. Его история развития, как ни странно, оказалась гораздо менее насыщенной, чем у диска.

Изначальная конструкция дискового тормоза предусматривала два тормозных цилиндра, по одному на каждую колодку. Она была несколько массивна, но зато максимально проста в исполнении.

Очень быстро нашли способ упростить конструкцию: оставили один гидроцилиндр, а скобу сделали «плавающей». Опять же, термин не имеет никакого отношения к жидкостям, просто в такой конструкции тормозной цилиндр толкает «свою» колодку от себя и тянет в противоположную сторону скобу, в которой закреплен. К этой скобе, в свою очередь, прикреплена вторая тормозная колодка, и она просто прижимается к диску с другой стороны. Такая конструкция получается немного легче, но главное, она гораздо компактнее, что оставляет больше свободы конструкторам.

С ростом диаметра дисков проявился такой дефект, как перекос колодок относительно тормозного диска. Если колодка работает только одной стороной, то снижается эффективность торможения, возникают локальные перегревы диска, да и сами колодки изнашиваются значительно быстрее.

Точно уравнять усилие по всей поверхности двух колодок оказалось возможным с помощью усложнения гидравлики. Конструкторы просто увеличили количество цилиндров суппорта – теперь на колодку давил не один и не два цилиндра, а четыре или шесть. Разумеется, во всех цилиндрах давление одинаковое, а значит, никаких перекосов колодки просто не может возникнуть. И чем больше площадь колодки, ее «длина» и «высота», тем важнее обеспечить равномерный прижим. И тем сложнее приходится делать суппорт.

А вот увеличение числа суппортов на один тормозной диск ради повышения эффективности не пригодилось, зато такая конструкция приглянулась тем, кто больше всего на свете ценит надежность тормозов. На престижных лимузинах вроде Роллс-Ройсов или наших ЗиЛах каждый тормозной диск имеет два суппорта от двух независимых систем торможения. На всякий случай, вдруг чего…