Фрикционнные тайны

Проследим эволюцию колодки дискового тормоза – детали «длиною в жизнь». Ложного пафоса в этой метафоре нет: никудышная колодка калечит и убивает, хорошая – делает поездку безопасной и комфортной.

Элементарно, Ватсон?..

Если рассказывать о технологии колодки популярно, всё выглядит легко и просто. А что? Приготовил фрикционную смесь, темную массу в виде тяжелого порошка. Вот вам будущая фрикционная накладка. Вырубил из стального листа фигурную пластину – вот каркас колодки. Обработал его «дробеструйкой» для упрочнения поверхности и пущей адгезии к накладке, нанес адгезионное покрытие, поместил каркас с фрикционной смесью в прессформу – и в печь ее, в печь! И получилась колодка.

Куда уж проще... Только вот «простая» рецептура фрикционной смеси включает десять, пятнадцать и более ингредиентов, каждый из которых решает собственную задачу. И над их комбинациями день и ночь ломают головы лучшие научно-исследовательские подразделения компаний, выпускающих те самые колодки.

Вот об их трудах и поговорим. А заодно вспомним достижения российских ученых и технологов. Как и в прежних статьях по тормозной тематике, моими консультантами будут специалисты ОАО «ТИИР» – ведущего российского предприятия по выпуску фрикционных изделий.

Изысканные рецепты

В основе фрикционной смеси лежит термостойкая матрица из высокопрочных полимерных связующих. Матрица сама по себе сложная штука: в ее состав входят фенолформальдегидные смолы резольного и новолачного типа, отвердители, каучуковые, латексные и другие компоненты. В будущей накладке матрица «всему голова» – именно в нее вводят функциональные добавки, определяющие эксплуатационные характеристики колодки.

Что за добавки? Наполнители для получения нужного коэффициента трения и обеспечения его стабильности. Ингредиенты для повышения износостойкости. Армирующие компоненты для упрочнения полимерной матрицы. Этот «скелет» будущей накладки выполняется из комбинаций различных волокон – каких именно, узнаем ниже. А пока заметим: фрикционные композиции, надежно работающие в широком диапазоне температур, скоростей и давлений, можно получить только при скрупулезном комплексном подходе. И только в специализированной лаборатории.

Мы за стабильность

Надежно работающие композиции – это не пустой звук. Например, коэффициент трения колодки должен оставаться стабильным при росте температуры. К сожалению, так бывает не всегда.

В Испытательном центре «ТИИР» протестировали обычные «рыночные» колодки из ближ-

него зарубежья. И что оказалось? В холодном состоянии они еще тормозили, но, разогревшись до 500°С, превратились из фрикционных деталей в... антифрикционные. И такие результаты не единичны. Сколько протоколов о ДТП с записью «Не справился с управлением» породили антифрикционные «колодки»?

Для справки: антифрикционными считаются изделия, коэффициент трения у которых меньше 0,2. В то время как у колодки для усредненного легкового автомобиля он лежит в диапазоне 0,35-0,45.

Однако неправильно думать, что чем больше коэффициент трения, тем лучше. Излишне эффективные тормоза будут провоцировать «прихватывание» колодок. Если на машине нет ABS, это приведет к юзу. А если есть, она будет срабатывать при малейшем нажатии на тормозную педаль.

Хотите все время тормозить «с трясучкой» на руле? Нет, конечно. Лучше купить «правильные» колодки, у которых величина коэффициента трения и его стабильность отвечают требованиям производителя автомобиля.

Asbestos-free

Не так давно на большей части земного шара при изготовлении колодок использовали асбест. Это уникальный минерал, будто самой природой созданный для фрикционных изделий. Термостойкий, прекрасно расщепляющийся на волокна, он служил отличной арматурой и обеспечивал эффективность торможения.

«Еще бы, – говорил мне Юрий Варфоломеевич Морозов, главный инженер одного из заводов АТИ (ныне, увы, покойный), – еще бы ему не обеспечивать, если у него природный коэффициент трения 0,4».

СССР тут был в особом положении – как-никак на его территории расположены самые богатые месторождения асбеста. Несколько меньшими природными запасами обладают Канада и Южная Африка. И вот в 1970-1980-х годах асбест признали канцерогеном.

В этом месте сделаем небольшое отступление по терминологии. Привычное слово «асбест» объединяет различные виды силикатных волокон: серпентиновую группу (хризо-тил-асбест) и амфиболовую (крокидолит, роду-сит и др.). Хризотиловые залежи находятся в нашей стране, а вот амфиболовые – за рубежом.

Так вот: война с асбестом началась именно с амфиболовой группы. Но вскоре признали вред и хризотила. В 80-е годы прошлого века в Западной Европе ввели табу на применение асбеста в тормозных узлах. Любого асбеста, без разделения на группы. Запрет этот четко прописан в Правилах ЕЭК ООН. Dura lex, sed lex – закон суров, но это закон.

Отечественные автозаводы, и прежде всего ВАЗ, оказались перед дилеммой: отказаться от экспорта – или от асбеста. Понятно, какой выбор они сделали.

Что оставалось производителям колодок? Правильно, срочно осваивать безасбестовые технологии. И лидером здесь оказался «ТИИР» – ведь его специалисты уже давно и успешно занимались поиском заменителей асбеста. А с апреля 2004 года территория предприятия стала полностью свободна от асбестового сырья – в отличие от других наших заводов, и поныне выпускающих как асбестовые, так и безасбестовые колодки.

Но вернемся к рецептурам. Какие же альтернативы есть у асбеста?

Полуметаллические композиции

Первые безасбестовые колодки появились во второй половине прошлого века в Европе. Это легко объяснимо: залежи асбеста далеко, надо его импортировать, а «за морем телушка – полушка, да дорог перевоз». Поэтому европейские фирмы использовали так называемые полуметаллические фрикционные композиции, по-английски Semi Metallic.

Что значит «полуметаллические»? А то, что примерно половину (40-65%) объема фрикционной смеси составляли стальные волокна, называемые еще «стальной шерстью» или «стальной ватой».

Получают стальное волокно так: берут стальную проволоку диаметром 3 мм и на специальном станке счесывают с нее тончайшие полоски. Затем их особым образом рубят и вводят в композицию. Лидерами по производству колодок Semi Metallic были фирмы Textar и Ferodo.

Чем привлекательны полуметаллические композиции? Они термостойкие, с хорошо армированной матрицей. Обеспечивают требуемые эксплуатационные характеристики, прекрасно отводят тепло.

А чем плохи? Шумностью при высоких скоростях и агрессивностью к тормозному диску. Да и прекрасная теплопроводность выходит боком: при нагреве до 500-700°С возможно закипание тормозной жидкости. Все же теплопроводность должна быть не просто высокой, а оптимальной.

Применялись ли полуметаллические рецептуры в СССР? Нет, не но не потому, что мы не сумели их освоить. Причина в другом: стальные волокна являлись стратегическим сырьем и для массового автомобилестроения были недоступны. Поэтому ученые «ТИИР» (тогда еще ВНИИАТИ), работая над безасбестовыми колодками, искали заменители стальным волокнам. И они их нашли, создав композицию из других волокон – базальтовых, углеродных, полиарамидных...

Далее мы увидим, что это был опережающий шаг – колодки без асбеста и без металла. А сейчас назовем шифры этих материалов: ТИИР 109 08-8 для ВАЗа и ТИИР 407-28 для АЗЛК. Датируется эта технологическая победа далеким 1987 годом.

Малометаллические композиции

Со временем на Западе стали отказываться от полуметаллических рецептур в пользу других композиций – малометаллических, по-английски Low Steel. 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 помогали решать другие ингредиенты, – в частности, хитрые комбинации минеральных волокон. У каждой фирмы они были свои, хранимые под семью замками. В результате уменьшилась шумность, повысился ресурс тормозных дисков, стабилизировался отвод тепла, снизилось металлическое пыление колодок.

А что наши специалисты – смогли они сделать малометаллические колодки? Да, смогли, причем одновременно с зарубежными коллегами. К тому времени стальные волокна стали доступны, а комбинации минеральных волокон разработаны и освоены в производстве. Так на свет появился безасбестовый фрикционный материал ТИИР 240. Тот самый, знаменитый. Созданный для ВАЗ 2110, принятый на конвейерную комплектацию и выпускаемый до сих пор.

Колодки из 240-й композиции стали первым поколением отечественных безасбестовых колодок, запущенных в крупносерийное производство. Тольяттинский автогигант особо отметил их высокую эффективность, большой ресурс, отличную восстанавливаемость после нагрева, термомеханическую стойкость и другие качества.

NAO-материалы

Есть на мировой «фрикционной кухне» еще одно «блюдо». Имя ему NAO. Расшифровывается просто: Non-asbestos Organics. По-русски – неасбестовые органические материалы.

Главное их отличие в следующем: в NAO-композициях нет стального волокна. Вообще нет. Задачи, возложенные на это волокно в полуметаллических и малометаллических рецептурах, решают другие ингредиенты – керамика и комбинации альтернативных волокон. Тоже, разумеется, засекреченные. Как же они появились на свет, эти NAO?

Ответ прост: их родина Азия, а точнее, Япония. Причем Япония, нацеленная на североамериканский рынок – недаром она поставляет туда гигантские партии своих автомобилей. А в США действуют очень строгие нормы на «черную» пыль на колесе. Поэтому рецептуры Semi Metallic и даже Low Steel там не жалуют – все же пылят они железом, ох, пылят... А вот NAO в этом отношении безупречны – нет от них «черной» пыли, и все тут.

Поэтому одни и те же колодки, для одного и того же автомобиля в Европе и Америке будут... разными. Для Старого Света Semi Metallic или Low Steel, а для Нового – NAO.

А разве нельзя поставлять колодки NAO в Европу? Нельзя, и вот почему. Американцы во главу угла ставят комфортность и чистоту, а европейцы – эффективность. Вспомните: в той же Германии скорость на автобанах не ограничена. Значит, нужны соответствующие тормоза. А комфортные NAO проигрывают в эффективности композициям со стальным волокном.

Однако так будет не всегда. Специалисты прочат колодкам из NAO-композиций большое будущее. Ведь они обладают более стабильными и прогнозируемыми характеристиками, чем их «железные» собратья.

А существуют ли отечественные колодки из NAO-материалов? Да, в портфолио «ТИИР» есть такие изделия. Пока это опытные образцы, но придет время, и они выйдут «на большую дорогу». И тогда мы расскажем о них подробнее.

Без меди

Сегодня понятие «экологическая колодка» расширилось. Ведущие производители автокомпонентов заявляют, что они выпускают тормозные колодки без меди, поскольку этот металл наносит вред окружающей среде.

Что в ней хорошего – в меди? Во-первых, она обладает отменной теплопроводностью. Во-вторых, дружественна к контртелу. Являясь более мягкой, чем сталь или чугун, она помогает процессу приработки колодки, оберегая диски от задиров. В-третьих, благодаря эффекту переноса медь способствует частичному восстановлению диска, уменьшает его разнотолщинность и стабилизирует коэффициент трения.

А что в ней плохого? Прежде всего свинец! Ведь во фрикционную смесь шел не химически чистый металл, а всевозможный цветной лом, латунь и бронза. В том числе и бронза свинцовистая. А свинец и живая природа несовместимы.

Кроме того, медь сама по себе является тяжелым металлом. Попадая с продуктами износа накладки в окружающую среду, она окисляется. Образуются вредные оксиды и медный купорос – отличное средство для борьбы с садовыми вредителями. А заодно и с прочей флорой и фауной.

Так что молодцы зарубежные фирмы, исключающие медь из фрикционных композиций. И наши тоже молодцы. Только вот у наших «увольнение» меди случилось раньше и как-то между делом.

Причина банальна: в конце 1990-х годов резко подорожали цветные металлы. И специалистам «ТИИР» пришлось подбирать заменители, обеспечивающие теплопроводность, сохранность диска, приработку и прочие «медные» функции. Заменители подобрали, используя базальтовые и углеродные волокна. Потом освоили в производстве.

Первенцем в новом семействе стал фрикционный материал ТИИР 260. Его «жизненное кредо» – без асбеста, без меди! То же можно сказать о новейшей разработке ТИИР 295. Колодки из этого материала предназначены для автомобилей Lada Granta и Lada Kalina.

О сжимаемости, шуме и термоударе

Над чем еще работают создатели колодок дискового тормоза? Остановимся на трех важных задачах.

Задача первая – получение материалов с повышенной сжимаемостью. Благодаря «мягкости» они способствуют снижению шумообра-зования в тормозной системе, делают торможение более комфортным, плавным. Однако ход педали при этом возрастает, а вот эффективность торможения снижаться не должна. Поэтому разработчики оптимизируют фрикционные свойства накладки, согласуя их с показателями сжимаемости.

Разумеется, для определения сжимаемости необходимо специальное оборудование. И оно есть в арсенале каждого уважающего себя производителя колодок – в том числе и в лаборатории «ТИИР». Это стенд Honeywell.

Задача вторая – борьба с шумом при торможении. Его «убивают» тремя способами: за счет рецептуры и сжимаемости – раз; нанесением на колодку особой мастики – два; размещением на каркасе специальных пластин – три. Специалисты «ТИИР» применяют все три способа, а также их комбинации. В частности, колодки, поставляемые на конвейер АВТОВАЗа, имеют покрытие из противошумной мастики и пластину, сдвигающую частотную магнитуду колодки.

И задача третья – упразднение приработки колодок к диску. Коэффициент трения должен становиться стабильным сразу же, при первом торможении! Для этого поверхность накладки подвергают термоудару. У нас эту операцию еще называют «прижог», за рубежом – «скорчинг».

Выполняют термоудар разными способами – в частности, путем контакта со специальной плитой, разогретой до 500°С или методом инфракрасного нагрева. В результате поверхность накладки обретает структуру поработавшего слоя со стабильными фрикционными характеристиками.

Любопытно, что в нашей стране термоудар применяли еще в 70-х годах прошлого века для колодок правительственного лимузина ЗИЛ 4105. И были эти колодки... да, марки «ТИИР». Что поделаешь – это факт, а факты вещь упрямая.

Таким образом, мы видим, что наши производители могут выпускать автокомпоненты мирового уровня. А в некоторых случаях и опережать европейских коллег. Лишнее подтверждение тому – поставки колодок «ТИИР» в OEM и OES ряда мировых автопроизводителей, о чем мы уже писали. Надеемся, список достижений российских специалистов на этом не закончится.

• Юрий Буцкий