Безасбестовое торможение
Фрикционная накладка для современной тормозной колодки изготавливается из сложного композита. Он должен обеспечивать безопасность и комфорт, минимизировать износ контртела (диска или барабана) и быть экологичным. А еще – побеждать в конкурентной борьбе на рынке. Поэтому производители колодок хранят секреты своих технологий под семью замками. Но общие тенденции развития фрикционных материалов разглядеть можно.
От веса не зависит
Зависит ли тормозной путь от веса автомобиля? Спорим, что многие скажут «да»? В то время как правильный ответ – «нет, не зависит».
Давайте рассуждать. Пусть автомобиль имеет массу m и скорость движения V. И вот водитель изо всех сил жмет на тормоз. Тогда кинетическая энергия автомобиля переходит в работу трения:
где F – приведенная сила трения, учитывающая трение колодок о диск (или барабан) и взаимодействие шин с дорожным полотном; S – тормозной путь. Для горизонтального участка сила F – mgk, где g – ускорение свободного падения, k – приведенный коэффициент трения, учитывающий, в том числе, сцепление шин с дорогой.
В результате исходное уравнение примет вид:
Разделив обе части уравнения на m, получим:
Ну вот, оказывается масса, а следовательно, и вес автомобиля, никакой роли тут не играют... Кстати, особо любопытные могут заглянуть в автомобильные справочники НИИАТ и посмотреть формулу тормозного пути на его страницах. Принципиально она не отличается от нашей: массы автомобиля в ней нет.
Эта задача подробно описана в прекрасных статьях Александра Каминского под общим заголовком «Зависит ли тормозной путь от массы авто?». Опубликованы они здесь: http://www.kaminsky.su/own/blog/242-fizika-tormozhenija. Посмотрите, очень интересно.
Но мы писали об этом раньше, в «АБС-авто» № 1/1999, а также в солидном журнале «Физика в школе» № 5/1987. Поэтом имеем полное право говорить от своего имени.
На что же влияет масса при торможении? На усилие, приложенное к педали тормоза, на рост температуры колодок, дисков и шин. Ведь чем больше кинетическая энергия в левой части уравнения, тем больше приведенная сила трения в правой его части. И тем больше работы нужно совершить, чтобы остановить автомобиль. Эта работа возлагается на тормозные колодки и шины. Вот и поговорим о колодках, способных «взять вес» и при этом не сгореть и не разрушиться.
Они заменили асбест
Основа основ колодки – это фрикционная смесь, композиция, из которой «выпекается» тормозная накладка. Именно композиция обеспечивает эксплуатационные свойства детали. Например, коэффициент трения должен оставаться стабильным при росте температуры. За это отвечают определенные ингредиенты. Другие составляющие обеспечивают износостойкость. Третьи выполняют роль арматуры в полимерной основе (ее еще называют матрицей), четвертые борются с шумом – список это можно продолжить.
Честно признаем: в свое время асбестовая колодка была не так уж плоха. Термостойкий, прекрасно расщепляющийся на волокна, асбест будто самой природой создан для фрикционных изделий. Он служил отличной арматурой и обеспечивал требуемую эффективность торможения. Да и коэффициент трения у него подходящий – 0,4. При том, что у большинства колодок он лежит в диапазоне 0,35-0,45.
После известного запрета на использование асбеста производителям пришлось искать эффективные заменители. Сегодня самая «простая» рецептура фрикционной смеси насчитывает 10, 15 и более ингредиентов, каждый из которых решает собственную задачу. И над их комбинациями день и ночь ломают головы лучшие научно-исследовательские подразделения компаний, выпускающих тормозные изделия.
Производители колодок сегодня применяют три вида фрикционных материалов:
• полуметаллические (Semi Metallic);
• с низким содержанием стали (Low Steel); • неасбестовые органические NAO (Non-Asbestos Organic).
Здесь необходимо пояснение.
Безасбестовыми являются все три группы. Термин Non-Asbestos в аббревиатуре NAO – это маркетинговый прием, стремление подчеркнуть экологичность рецептуры. А теперь – подробнее.
Semi Metallic
Первые безасбестовые колодки появились во второй половине прошлого века в Европе. Это легко объяснимо: залежи асбеста далеко, надо его импортировать, а это немалые расходы. Поэтому европейские фирмы напряглись и создали Semi Metallic – полуметаллические фрикционные композиции.
Почему «полуметаллические»? Никакого секрета: в них примерно половину объема фрикционной смеси (40-65%) составляют стальные волокна. Получают волокна так: берут стальную проволоку и на специальном станке счесывают тончайшие полоски. Затем рубят их и вводят в композицию.
Чем привлекательны Semi Metallic? Они термостойкие, с хорошо армированной матрицей. Обеспечивают требуемые эксплуатационные характеристики, прекрасно отводят тепло.
А плохи они шумностью при высоких скоростях и агрессивностью к тормозному диску. Да и теплопроводность выходит боком: при нагреве до 500-700°С возможно закипание тормозной жидкости. Все же теплопроводность должна быть оптимальной, а не просто «низкой» или «высокой».
В СССР полуметаллические рецептуры не применялись. И не потому, что наши специалисты не могли их создать – просто стальное волокно было стратегическим сырьем и в автомобильную отрасль не поставлялось. Но нет худа без добра: в поисках заменителя наши разработчики создали композиции из других волокон – базальтовых, углеродных и полиарамидных. И тем самым опередили время. Сегодня это пригодилось.
Low Steel
Со временем на Западе стали отказываться от полуметаллических рецептур в пользу Low Steel – малометаллических композиций. Они тоже содержали стальные волокна, но в меньших количествах – от 20 до 30%.
Разумеется, рецептура усложнилась. Задачи эффективности торможения, стабильности коэффициента трения, восстанавливаемости и т.д. теперь решали другие ингредиенты, – в частности, хитрые комбинации минеральных волокон. У каждой фирмы они были свои, хранимые как зеница ока.
В результате уменьшилась шумность, повысился ресурс тормозных дисков, стабилизировался отвод тепла, снизилось металлическое пыление колодок, улучшилась восстанавливаемость после нагрева, термомеханическая стойкость и другие качества.
NAO-материалы
Но самые интересные и перспективные композиции – это Non-Asbestos Organics. Те самые NAO. Главное отличие этих материалов в следующем: в них нет стального волокна. Вообще нет. Задачи, возложенные на него в рецептурах Semi Metallic и Low Steel, решают другие ингредиенты – керамика и комбинации альтернативных волокон. Тоже, разумеется, засекреченные.
Как они появились на свет, эти NAO? Их родина Азия, а точнее, Япония. Причем Япония, нацеленная на североамериканский рынок – недаром она поставляет туда огромные партии автомобилей.
В США применяли Semi Metallic, пока не ввели строгие нормы на «черную» пыль на колесе. Сегодня «железные» рецептуры там не жалуют – они пылят оксидами железа. А вот NAO ведут себя безупречно – никакой «черной» пыли от них нет.
Поэтому колодки для одного и того же автомобиля в Старом и Новом Свете будут разными. Для Европы – Low Steel, для Америки – NAO.
А нельзя ли поставлять колодки NAO в Европу? Нельзя, и вот почему. Американцы во главу угла ставит комфортность и чистоту, а европейцы – эффективность. Вспомните: в Германии скорость на автобанах не ограничена. Значит, нужны соответствующие тормоза. А комфортные NAO проигрывают по эффективности композициям Semi Metallic и Low Steel.
Но специалисты прочат колодкам из NAO-композиций большое будущее. Ведь они обладают более стабильными и прогнозируемыми характеристиками, чем «железные» собратья, обеспечивая постоянное ощущение педали, бережное отношение к диску, меньшую склонность к шуму и вибрации. NAO-колодки для задних осей стремительных «европейцев» созданы, не за горами решение и для более ответственных передних осей.
А вы сравните...
Выше приводятся диаграммы, сравнивающие три описанные рецептуры – Semi Metallic, Low Steel и NAO. Все характеристики оцениваются по условной шкале от 1 до 10 баллов.
Можете сами проанализировать достоинства и недостатки той или иной композиции. А мы поможем с расшифровкой критериев оценки.
Итак:
Fade – частые прерывистые торможения, имитация спуска по горному серпантину;
AMS – тест журнала «Auto Motor und Sport» на эффективность торможения (в частности, оценка стабильности тормозного момента) при высоких температурах, но более низких, чем в HFT (см.);
HFT – High Friction Temperature, тест на эффективность торможения при экстремальных температурах, доходящих до 700°С;
Integrity – прочность соединения колодки с каркасом (тест «на отрыв от каркаса» при усилии вдоль радиуса диска), а также прочность самого фрикционного материала при тангенциальном воздействии;
Hot Wear – износостойкость в нагретом состоянии (часть так называемых блоковых испытаний);
Hot Judder – устойчивость к вибрациям в нагретом состоянии;
Wheel Dust – отсутствие налета продуктов износа на колесе и суппорте (прежде всего – оксидов железа). Чем меньше налет, тем выше балл;
Life Time Pad – ресурс колодки;
Life Time Rotor – ресурс тормозного диска;
DTV – Disc Thickness Variation, разно-толщинность диска, вызывающая «холодную вибрацию». Чем выше балл, тем она меньше;
Squeal – «визг» тормозов, высокочастотный показатель акустического комфорта;
Creep Groan – «скрип» тормозов, низкочастотный показатель акустического комфорта;
MPU – Metal Pick Up, тест по выявлению частиц металла на рабочей поверхности колодки. Вызывают шумы, повышенный износ и другие неприятности. Чем выше балл, тем лучше;
µ level – коэффициент трения (в данном случае его условный уровень для сравнения).
Non-copper
Понятие «экологическая колодка» сегодня расширилось. Вслед за асбестом вне закона объявлена медь. Значит, ее надо тоже надо исключать из рецептуры.
Что в ней хорошего – в меди? Во-первых, она обладает отличной теплопроводностью. Во-вторых, дружественна к контртелу. Являясь более мягкой, чем сталь или чугун, она способствует приработке колодки, оберегая диски от задиров. В-третьих, благодаря эффекту переноса медь способствует частичному восстановлению диска, уменьшает его разнотол-щинность и стабилизирует коэффициент трения.
А что в ней плохого? Прежде всего свинец. Во фрикционную смесь идет не химически чистый металл, а цветной лом, латунь и бронза. В том числе и свинцовистая. А свинец для живой природы губителен. Кроме того, медь является тяжелым металлом. Попадая с продуктами износа в окружающую среду, она образует вредные оксиды и медный купорос – прекрасное средство для борьбы с садовыми вредителями. К сожалению, заодно он губит и прочую флору и фауну.
В США уже действует запрет на медь во фрикционных накладках. Европейские производители автомобилей следуют примеру заокеанских коллег. А компании, выпускающие фрикционные изделия, подбирают новые ингредиенты смеси, способные заменить медь – и по теплопроводности, и по приработке, и по прочим «медным» функциям. Какие именно – опять секрет.
Такие вот «блюда», готовят сегодня на мировой «фрикционной кухне». Читатель спросит: а что же керамические тормоза? О них мы расскажем в одном из ближайших номеров. Автор благодарит сотрудников ОАО «ТИИР» и компании Federal-Mogul за консультации
В статье использованы материалы «АБС-авто»
1. «Тормоза медные для здоровья вредные», № 11/2012, с. 20-21. 2. «Их тяжкая работа», № 7/2013, с. 50-53. 3. «Фрикционные тайны», № 11/2013, с. 46-48.
