Gaznaauto Сайт про автомобили
Ви напевно не раз читали про суперкруті гоночні корчі з композитними вентильованими шестипоршневими шестипоршневими 18-дюймовими дисковими гальмами по колу. Загалом зрозуміло, що перерахування цих регалій говорить про здатність дуже швидко й ефективно гальмувати. Ну а в деталях?
Дискові гальма давно витіснили всі інші варіанти гальмівних механізмів, і тільки рідкісні барабанні ще намагаються щось їм протиставити на бюджетних легковиках і важкій техніці. Але з часом самі дискові гальма стали різноманітнішими: змінювалися матеріали і пристрій дисків і супортів, так само як і розміри. Що ж, спробуємо розібратися в їхній еволюції. І в її сенсі.
Коротко про плюси дисків
Своїм успіхом дискові гальмівні механізми зобов’язані двом факторам. По-перше, простоті створення великого зусилля — стискати чавунний диск можна дуже сильно, і він не зігнеться, не зламається і не втратить своїх характеристик. А раз зусилля стиснення велике, то і гальмівна потужність буде обмежена тільки міцністю супорта і тепловим навантаженням на сам диск.
По-друге, власне, гарною здатністю до сприйняття цього самого теплового навантаження, або, іншими словами, хорошими здібностями до охолодження. Поки диск обертається, він створює безперервний потік повітря на своїй поверхні, що ефективно видаляє тепло і продукти зносу.
Крім двох цих основних чинників, знайшлося і безліч другорядних на кшталт простоти створення авторегулювання гальм, точності і «прозорості» зусиль, малої маси гальмівного механізму, зручності компонування з маточиною, простоти обслуговування та інших. Хоча без перших двох вони були б не настільки важливі.
А перші два фактори можна охарактеризувати в сумі одним словом — це «потужність». Саме потужність гальмівних механізмів за малої маси стала тим, що зробило їх успішними. Це сприяло створенню все більш і більш потужних гальм, здатних без погіршення характеристик переносити численні гальмування з великої швидкості.
Навіщо потрібно ускладнювати диск?
На першому етапі вдосконалення дискових гальм постаралися поліпшити насамперед саме здатність до охолодження, щоб додатково знизити ризик перегріву під час затяжних або частих гальмувань. Надалі саме бажання збільшити теплову потужність гальм штовхатиме конструкторів все до нових і нових рішень.
Диск не можна нагрівати нескінченно — матеріали банально втрачають міцність, колодки «горять», ущільнення супорта руйнуються, загалом гріти диски заради більшої тепловіддачі не можна, потрібно «тримати» температуру і охолоджувати.
Вентиляція
Забезпечити краще охолодження диску можна двома шляхами: або збільшуючи його площу (про це трохи пізніше), або ввівши вентиляцію. Завдяки створенню внутрішніх радіальних каналів усередині диска площа охолодження збільшилася в п’ять-шість разів, і в стільки ж разів збільшилася потужність.
Ще трохи збільшити площу охолодження дає змогу перфорація, і вона ж трохи покращує очищення диска під час притиснення колодок. На жаль, ускладнення конструкції диска далі малоймовірне й обмежене теплопровідністю чавуну. По суті, майже всі сучасні гальмівні механізми виконані саме за цією схемою: передні — практично завжди вентильовані, але без перфорації — вона послаблює диск, знижує його ресурс і застосовується нечасто.
Збільшення діаметра
Тепер повернемося до розмірів. Збільшуючи діаметр диска, ми вирішуємо дві проблеми. По-перше, при цьому зростає площа охолодження, а по-друге — гальмівний момент і одночасно швидкість обертання диска в зоні тертя колодок. Гальмівна потужність «розмазується» по площі, зменшується нагрів. З’являється можливість зменшити тиск притиснення колодок, а отже, знижуються вимоги до фрикційних матеріалів і підвищується зручність користування гальмами.
Шлях збільшення площі хороший, якби не одна проблема: зовнішній діаметр диска завжди обмежений розміром колеса. Приблизно до 19 дюймів збільшення діаметра колісного диска ще може бути виправдано поліпшенням керованості, але далі гігантоманія йде на шкоду. Насамперед — через те, що критично зростає безпружинна маса, страждає комфорт і, як не дивно, керованість автомобіля. Та й занадто великий диск швидше жолобиться. Цю проблему можна було б розв’язати потовщенням диска, але тоді зросте маса, а вона, як ми зрозуміли, і так уже велика. Але конструкторська думка знайшла вихід з положення.
Складові диски
По суті, робочою зоною гальмівних колодок є тільки зовнішній край гальмівного диска. Використовувати всю його площу просто не потрібно — гальмівне зусилля залежить не від площі контакту колодок. При збільшенні площі поліпшується модуляція і зменшується знос накладок, але площу можна зберегти, збільшивши тільки «довжину» колодки, а не її «висоту». Це означає, що замість великого і важкого суцільного диска можна використовувати лише порівняно тонке кільце максимального діаметра.
Конструктивно проблему можна було вирішити двома способами. Традиційний полягає в тому, що можна виконати центральну частину гальмівного диска з легкого сплаву і прикріпити до неї чавунне кільце, по якому працюватимуть колодки.
Другий варіант — прикріпити чавунне кільце до легкосплавного колісного центру зсередини. Відповідно, і гальмівний супорт тоді охоплюватиме гальмівне кільце зсередини, а не зовні. Друге рішення не дуже-то прижилося, хіба що власники ЗАЗ Таврія пам’ятають цей конструктив, та знавці залізничної техніки згадають локомотиви з подібними гальмівними механізмами.
А ось більш класична конструкція диска з легкосплавним центром завоювала світ гоночних і спортивних автомобілів. Складові гальмівні диски дають змогу заощаджувати по кілька кілограмів маси на кожному колесі і до того ж дешевші в експлуатації — внутрішня складна легкосплавна частина часто не потребує заміни, змінюється лише просте за конфігурацією зовнішнє кільце з чавуну або іншого матеріалу зі схожими властивостями.
Плаваючі диски
Наступним логічним кроком на шляху поліпшення стало створення «плаваючих» гальмівних дисків. Не бійтеся, ні про яке водяне охолодження мови не піде, впорскування води залишається для дискових гальм вкрай екзотичною технологією. Суть значно простіша: кріплення центральної частини такого складеного гальмівного диска дає змогу зовнішній чавунній частині під час розширення трохи зсуватися. Тим самим зменшуються навантаження, які виникають через різницю в коефіцієнті розширення у різних металів і різницю температур між центральною частиною і гальмівним кільцем.
А раз немає ризику викривлення, то можна допустити прогрівання диска до більшої температури без ризику критичного перегріву. Крім того, поліпшуються умови прилягання колодок, і гальма запрацюють на повну силу при більшому навантаженні. Такий диск може мати потужність на всі 20-30% вищу, ніж у «жорсткої» конструкції, за незначного, загалом-то, ускладнення.
Композитні матеріали
Під час створення складових дисків відкрився ще один напрямок у розвитку гальмівних механізмів. Збільшити тепловіддачу можна ще й підвищенням температури гальм, але тоді доведеться замінити на щось, що вміє працювати за температур під тисячу градусів. Кандидати знайшлися швидко: насамперед це біметалеві диски, металокераміка і вуглеволокно.
Біметалеві диски давали змогу отримати виграш у масі, але за сукупністю характеристик не отримали виграшу порівняно з поверхнево зміцненим чавуном, тож ця тюнінгова екзотика майже не зустрічається. А ось матеріали на основі вуглець-вуглецевої, керамічної та метал-керамічної матриці прижилися, незважаючи на дуже високу ціну щодо чавуну.
Причин одразу кілька. По-перше, порівняно з чавуном композитні матеріали мають у кілька разів меншу щільність, а отже, на 50-75 % знижується маса диска. Робоча температура вище 1 100 градусів для них не є проблемою, причому температура поверхні може доходити до 1 400 градусів, тож тепловіддача зростає приблизно в півтора-два рази, як порівняти з чавуном.
По-друге, волокнисті композити на основі SiC-матриці мають дуже високу зносостійкість — такі диски практично «вічні», навіть якщо враховувати особливості експлуатації в гоночних автомобілях. Найчастіше вони виходять з ладу не через зношування поверхні, а через руйнування точок кріплення і розшарування, властивих композитам.
По-третє, у композитних дисків повністю відсутні «прихоплювання» — точки локальної зміни поверхні диска під впливом високої температури і матеріалу колодок.
Саме такі диски можна зробити найбільшого розміру, до того ж удвічі збільшивши потужність гальмівних механізмів. То чому ж композитні матеріали досі не витіснили чавун? Мінуси проявилися теж досить швидко. Висока вартість є очевидним недоліком, але, по суті, сильно залежить від технології виробництва, за появи масового попиту в автомобілебудуванні шанси на її зниження досить великі. Самі матеріали, насправді, не настільки дорогі.
Але крім ціни є ще два суттєвих мінуси. По-перше, це погана модуляція роботи гальм — вуглець більш «слизький» і колодки починають ефективно працювати на ньому тільки при великій температурі і великому зусиллі. У «гарячому» стані диск працює відмінно, а ось поки температура диска і колодок низька, ефективність гальм теж нижча, ніж у чавунних. Відповідно, дозувати гальмівне зусилля складніше.
По-друге, гальмівне зусилля на композитних дисках часто має схильність до невеликих коливань через неоднорідність поверхні та помилки мехобробки диска, які не усуваються самі згодом, як це відбувається з чавуном.
По-третє, це низька механічна міцність композиту і вразливість його торцевої частини при ударах. Але ж саме торцева поверхня виявляється навантаженою гальмівним моментом з боку кріплення диска. Отже, доводиться застосовувати складні заходи для запобігання розтріскування і використовувати неоптимальні розміри кріплень.
Багатодисковість
Багатодискові гальмівні механізми в автомобілебудуванні не прижилися — тут у пошані строго однодискові конструкції. Зате на літаках багатодискові фрикційні гальма використовуються давно і досить успішно. Наявність додаткових дисків дає змогу збільшити площу простого гальмівного диска, не збільшуючи розміру колеса, яке він загальмовує. Зате сильно зростає маса і трудомісткість обслуговування. Серйозним мінусом для машин виявилася і схильність до неповного розгальмовування у таких механізмів. Якщо для літака це дрібниці, то на автомобілі на рахунку кожен зайвий ват.
Ускладнення супорта
Як відомо, супорт — це другий найважливіший вузол дискового гальмівного механізму — за допомогою своїх циліндрів він притискає колодки до дисків. Його історія розвитку, як не дивно, виявилася набагато менш насиченою, ніж у диска.
Початкова конструкція дискового гальма передбачала два гальмівні циліндри, по одному на кожну колодку. Вона була дещо масивна, але зате максимально проста у виконанні.
Дуже швидко знайшли спосіб спростити конструкцію: залишили один гідроциліндр, а скобу зробили «плаваючою». Знову ж таки, термін не має жодного стосунку до рідин, просто в такій конструкції гальмівний циліндр штовхає «свою» колодку від себе і тягне в протилежний бік скобу, в якій закріплений. До цієї скоби, своєю чергою, прикріплена друга гальмівна колодка, і вона просто притискається до диска з іншого боку. Така конструкція виходить трохи легшою, але головне, вона набагато компактніша, що залишає більше свободи конструкторам.
Зі зростанням діаметра дисків проявився такий дефект, як перекіс колодок щодо гальмівного диска. Якщо колодка працює тільки однією стороною, то знижується ефективність гальмування, виникають локальні перегріви диска, та й самі колодки зношуються значно швидше.
А ось збільшення кількості супортів на один гальмівний диск заради підвищення ефективності не стало в нагоді, зате така конструкція сподобалася тим, хто найбільше на світі цінує надійність гальм. На престижних лімузинах на кшталт Роллс-Ройсів або наших ЗіЛів кожен гальмівний диск має два супорти від двох незалежних систем гальмування. Про всяк випадок, раптом чого…
