Как бы странно это ни звучало, но тормозной путь автомобиля мало зависит от устройства тормозных механизмов – даже древние «барабаны» способны развить усилие, достаточное для блокировки колес. В чем же тогда смысл применения более совершенных тормозов?
Главным образом – в большей энергоемкости, то есть способности поглощать и рассеивать тепло, в которое в процессе трения переходит кинетическая энергия автомобиля. Если энергоемкости окажется недостаточно, температура тормозного диска или барабана начнет сильно расти, а коэффициент трения, наоборот, падать (для чугуна или стали, из которых изготовлены тормоза большинства машин, характерна именно такая зависимость). По мере нагрева на педаль тормоза придется давить все сильнее и сильнее, пока, в конце концов, усилий уже перестанет хватать и тормозной путь не начнет расти.
Знакомая ситуация? Скорее всего, нет – перегрев в условиях обычной езды свидетельствует об ошибках в проектировании тормозной системы, а потому бывает крайне редко. Но стоит выехать на гоночную трассу, как начинают сдаваться даже мощные с виду тормоза.
Очевидное решение – установка более массивных тормозов, обладающих большей теплоемкостью и теплоотдачей, но это влечет рост неподрессоренных масс. В спортивных автомобилях вес тормозных механизмов достигает аж двух третей веса колеса. При таких величинах страдает уже не только плавность хода, но и динамика. Вот и приходится инженерам искать способы избежать выбора между массой и энергоемкостью.
Тормоза автомобилей бывают двух типов: барабанные и дисковые. Исторически первыми стали применяться барабанные, в которых полукруглые колодки изнутри распирают закрытый металлический цилиндр. В таком виде, лишь с небольшими изменениями, они существуют уже более 100 лет.
Преимущества барабанных тормозов – это большая площадь поверхности колодок, которые прилегают к барабану почти на двух третях окружности, и их максимальная удаленность от оси вращения колеса. Отсюда, в частности, следует увеличенный ресурс самих колодок и отсутствие необходимости в высоком давлении в тормозной системе – момент силы трения и так достаточно велик. С учетом дополнительного эффекта «самоподжатия», когда под действием трения колодки слегка поворачиваются вокруг оси и еще сильнее прижимаются к вращающемуся барабану, это даже позволяло одно время обходиться без усилителя тормозов. Разумеется, сейчас эти хитрости уже неважны – усилитель давно стал стандартной деталью, но вот большой ресурс колодок по-прежнему востребован в классе недорогих автомобилей. Не случайно именно барабаны и по сей день встречаются на задней оси, где проявляется еще одно их достоинство – лучшая защищенность от грязи и пыли, летящей из-под передних колес.
Но на передней оси, где загруженные в момент замедления колеса позволяют реализовать больший тормозной момент, 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. То ли дело дисковые тормоза. Давление колодок на диск почти не ограничено, а сам диск ничем не прикрыт и отлично охлаждается со всех сторон. Кроме того, диски можно сделать не сплошными, а вентилируемыми – фактически сдвоенными со специальными воздушными каналами посередине, играющими роль центробежного вентилятора.
Правда, есть и свои трудности. Относительно небольшие по площади колодки сильно греются, и это тепло активно передается тормозной жидкости, – если она закипит, то образовавшийся пар частично вытеснит жидкость из магистрали и при очередном торможении педаль просто «провалится». С появлением гликолевых жидкостей, закипающих аж при 250°С, подобный сценарий стал маловероятен, но беда в том, что они гигроскопичны и с течением времени постепенно накапливают влагу из атмосферы, снижая точку кипения. Именно поэтому требуется их периодическая замена.
Нуждаются дисковые тормоза и в более мощном усилителе. Колодки в них расположены гораздо ближе к оси вращения колеса, и при прочих равных момент силы трения оказывается меньше, чем в барабанных тормозах. Из-за этого и приходится сильнее сжимать колодки. Достичь еще большей силы сжатия позволяют многопоршневые суппорты – развиваемого ими усилия хватает для остановки даже раскаленного докрасна диска. А если и этого мало? Тогда приходится искать другие 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 также 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 500°С.
Существуют и более стойкие материалы. Например, керамические диски способны выдержать нагрев едва ли не до 1000°С, почти не снижая при этом коэффициент трения. А если добавить, что они вдвое 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. Вот только их цена превышает стоимость обычных тормозов на несколько тысяч евро! А потому керамические диски остаются уделом лишь избранных суперкаров, тем более что ощутить их преимущества можно лишь в гоночных условиях.
Нельзя не упомянуть и о карбоновых дисках, получивших широкое распространение в автоспорте, особенно в Formula 1. Их главные преимущества над керамическими – примерно в пять раз меньший вес, рост (!) коэффициента трения по мере нагрева и чуть большая предельная температура – около 1200°С. 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 пилоты Formula 1 всегда греют тормоза перед стартом, а сами тормоза оснащены специальными воздухозаборниками, захватывающими воздух для охлаждения со скоростью до 400 л в секунду! Но и этого иногда оказывается недостаточно, и тогда на долгих интенсивных торможениях из колес болидов летит черная карбоновая пыль разрушающихся от перегрева дисков. В общем, технология, неприменимая в условиях обычных езды.
Гонка мощностей и всеобщее увлечение спортивностью привели к заметному прогрессу тормозов за последние 15 лет. Удивительно, но даже далекие от автоспорта автомобили способны выдержать продолжительную езду по гоночному треку – стойкость тормозов достойна высших оценок. Но что же дальше?
Очевидно, мы сможем 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 уже есть на гибридных автомобилях – так называемое рекуперативное торможение. Правда, пока электромоторы не слишком мощны, а аккумуляторы неспособны воспринимать длительный заряд большим током, чтобы такое торможение стало эффективным – замедление еще невелико. Но решение этой проблемы – дело времени.
