Секреты экологичной колодки
«Зеленое» торможение
Прогресс – штука неоднозначная. Увы, при всех достижениях цивилизации это именно так… Например, чем комфортнее человеку, тем хуже природе. И автомобили играют здесь пусть не главную, но весьма заметную роль.
Эмиссия отработавших газов, утечки технических жидкостей, продукты износа узлов и деталей, автомойки и сервисные станции, построенные с нарушением санитарных норм, несовершенная утилизация, свалки автохлама… Все это ложится непосильным бременем на естественные «фильтры и регенераторы» нашей планеты.
А число «самобеглых колясок» растет фантастическими темпами. Ну как тут не ужесточать экологические требования? Естественно, под раздачу попадают и автокомпоненты, в том числе тормозные колодки.
Фрикционная накладка для современной тормозной колодки изготавливается из сложного композита. Он должен обеспечивать безопасность и комфорт, минимизировать износ контртела (диска или барабана) и побеждать в конкурентной борьбе на рынке. А тут еще экологичность навесили! И куда производителю податься?
Как это – куда? На рынок, разумеется. С огромным сейфом под семью замками. А в сейфе – секреты и патенты, патенты и секреты. Храниться-то они хранятся, но общие тенденции развития фрикционных рецептур проследить можно. Этим и займемся, но чуть позже.
А начнем с асбеста – вот его в рецептурах использовать точно нельзя. Или все же можно? Это вопрос… Но обо всем по порядку.
Асбест: казнить нельзя помиловать
Еще каких-нибудь 30 лет назад асбестовые волокна в тормозных колодках никого не волновали. Ну, пылят тормоза асбестом и пусть себе пылят. Зато тормозят хорошо и в изготовлении дешевы.
Ныне Правила ЕЭК ООН запрещают использование этого минерала в тормозных изделиях. Вспомним, как это было – борьба, запреты, апелляции, кампания в прессе… Для этого перенесемся в последние десятилетия прошлого века.
Жил да был асбест, уникальный природный минерал. Он служил человечеству верой и правдой более сотни лет. В строительстве его применяли для производства асбоцементных изделий, а в других отраслях – для выработки асбестового картона, тканей, фрикционных изделий, прокладок, набивок.
Все было прекрасно, пока в 70–80-х годах прошлого века асбест не объявили канцерогеном. Здесь требуется пояснение. Привычное слово «асбест» объединяет два типа силикатных волокон:
- серпентиновую группу (хризотиловый асбест);
- амфиболовую группу (крокидолит, родусит и др.).
В России распространен именно хризотил-асбест, в Канаде и Южной Африке – амфиболы.
Тут-то и разгорелась информационная война. Специалисты Института медицины труда РАМН заявили, что большинство зарубежных исследований проводилось с амфиболами. А это вам не хризотил! Волокна хризотиловой группы со временем выводятся из организма, а вот амфиболовой – накапливаются в нем. Значит, заявили наши ученые, родной хризотил-асбест менее вреден, чем амфиболы.
Оппоненты возражали: любой асбест при механическом воздействии расщепляется на тонкие волокна. В свою очередь, они распадаются на более тонкие, потом на тончайшие и т. д. Этот процесс называется фибрилляцией. Ее конечный продукт – полые трубки с внутренним диаметром 110–130 ангстрем и с наружным порядка 260 ангстрем. Иными словами, это наноиглы, напоминающие хирургические инструменты для генетических операций.
Если речь идет о шифере, асбестовом утеплителе, огнестойкой ткани, то асбест вреда не приносит, поскольку не расщепляется. А вот при торможении асбестовыми колодками процесс фибрилляции идет непрерывно. И наноиглы попадают в воздух, оседают в легких, пищеводе и других органах. И уж как они себя поведут, одному богу известно.
В итоге противники асбеста победили. Амфиболовые группы во многих странах объявили вне закона. Заодно запретили и хризотиловый асбест.
Понятно, что автомобилестроение в стороне не осталось. Отечественные производители, и прежде всего Волжский автозавод, не могли проигнорировать нововведения, поскольку оказались перед дилеммой: отказаться от экспорта – или от асбеста. Понятно, какой выбор они сделали.
Закончим исторический экскурс и вернемся в наше время. Говоря официальным языком, использование асбеста в тормозных колодках запрещено Правилами № 13, 78 и 90 ЕЭК ООН. Страны Евросоюза и сами асбестовых колодок не производят, и к себе такую продукцию не пропускают. Россия обязалась выполнять Правила еще в 1999 году. Dura lex, sed lex – закон суров, но это закон.
Правда, на внутреннем рынке асбестовые колодки на какое-то время остались. Но после того как Правила ЕЭК ООН вошли в состав Технического регламента «О безопасности колесных транспортных средств», асбест на российском рынке окончательно оказался под запретом. Это произошло 23 сентября 2010 года, когда Технический регламент вступил в действие.
И тут начались чудеса. У нас появился еще один документ – Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств». С 1 января 2015 года он действует на территории России, Белоруссии и Казахстана.
В основном он повторяет прежний регламент – российский. Кроме одного – Примечания под номером 10, пункт 6. Звучит оно так (читаем внимательно!): «В отношении колодок <…> поставляемых для послепродажного обслуживания транспортных средств, требования пункта 5.1.1.3 Правил ЕЭК ООН № 13, пункта 5.1.1.3 Правил ЕЭК ООН № 13Н, пункта 5.4 Правил ЕЭК ООН № 78, пункта 5.1 (d) Правил ЕЭК ООН № 90 применяются факультативно».
Ключевые слова – «применяются факультативно». А ведь эти пункты как раз говорят о запрете асбеста в тормозных изделиях! Получается, на территории Таможенного союза асбест в тормозах применять можно.
Вы что-нибудь поняли? Запрещен у нас асбест или не запрещен? По Правилам – да, запрещен; по Техническому регламенту – нет.
Знаете, господа разработчики регламентов, закон должен быть единым для всех. Хотите фрикционные накладки с асбестом? Добейтесь изменения Правил ЕЭК ООН, потребуйте легализации асбеста в тормозных изделиях. Так ведь нет. Это долго и хлопотно. Проще издать документ для внутреннего потребления поперек неугодных европейских Правил. И нарушать их на основании собственного регламента.
Что в сухом остатке? Сцена из театра абсурда. «Безасбестовый» производитель колодок успешно состязается на внешнем рынке с ведущими западными компаниями. Но сильно проигрывает по ценам на внутреннем рынке «асбествому» конкуренту.
У «асбестового» производителя все наоборот: он становится королем внутреннего рынка, но носа не смеет высунуть на внешний. Что ж, у каждого свой выбор и своя дорога…
Резюме по асбесту
Плюсы: Дешев в использовании, технологичен, создает прекрасную арматуру фрикционной накладки, имеет коэффициент трения 0,4 при требованиях от 0,35 до 0,45.
Минусы: Подвержен фибрилляции, признан канцерогеном, запрещен Правилами ЕЭК ООН, имеет неясный юридический статус в России, позволяет вести недобросовестную конкуренцию на внутреннем рынке путем демпинга.
Вердикт: Исключаем из рецептуры.
Non-copper
Сегодня понятие «экологическая колодка» расширилось. Ведущие производители автокомпонентов заявляют, что теперь они выпускают тормозные колодки без меди. И очень этим гордятся.
Правильно гордятся. Медь во фрикционных изделиях – тоже не подарок для окружающей среды. Чтобы не быть голословными, давайте разберемся в некоторых химико-технологических тонкостях.
В рецептуру фрикционной смеси, из которой формуют тормозные накладки, издавна вводили медь. А точнее, измельченную латунную или бронзовую стружку. Это было и хорошо, и плохо. Поначалу хорошему радовались, а о плохом не думали. Но потом все же задумались, жизнь заставила…
Что же в ней хорошего – в меди? Во-первых, она обладает отменной теплопроводностью. Вспомните: бабушки в деревнях всегда варили варенье в медных тазах – в них оно не пригорало. По той же причине медь прекрасно отводит тепло из зоны контакта фрикционной накладки с контртелом – тормозным диском или барабаном.
Во-вторых, медь весьма дружественна к контртелу. Являясь более мягкой, чем сталь или чугун, она помогает процессу приработки колодки, оберегая диски и барабаны от задиров.
Но как оказалось, это не главное! Ведущие ученые-трибологи И.В. Крагельский и А. В. Чичинадзе исследовали и описали так называемый эффект переноса, когда медь в условиях высоких скоростей и температур образует на трущихся поверхностях тончайшую пленку. Она как бы выравнивает и облагораживает эти поверхности и тем самым снижает износ пар трения. Применительно к дисковым тормозам это означает следующее: медь способствует частичному восстановлению диска, уменьшает его разнотолщинность, стабилизирует коэффициент трения.
А что в ней плохого – в той же меди? Во-первых, свинец! С него-то и начались гонения на медь в тормозных колодках. Ведь во фрикционную смесь шла не собственно медь (химически чистый металл), а всевозможный цветной лом, латунь и бронза. В том числе и бронза свинцовистая. А свинец и живая природа несовместимы – вспомните хотя бы запрет на использование этилированного бензина.
Во-вторых, медь сама по себе является тяжелым металлом. Попадая с продуктами износа накладки в окружающую среду, она окисляется, образуя оксид меди CuO. А тот охотно вступает в реакцию со слабыми кислотами, в частности, с сернистой кислотой H2SO3.
Откуда в окружающей среде сернистая кислота? А про выбросы промышленных предприятий забыли, про сернистый газ SO2, например? Про кислотные дожди, систематически выпадающие то тут, то там? Вот и реагирует оксид меди с кислотой, образуя соли, в частности – медный купорос CuSO4•5H2O. А тот не только с вредителями садов и огородов борется, но и человека угробить способен. Шутка ли – смертельная доза медного купороса для взрослого человека составляет от 8 до 30 граммов.
Так и попала «колодочная» медь в немилость к экологам – и поделом ей. Солям тяжелых металлов с человеком не по пути…
Резюме по меди
Плюсы: Отлично отводит тепло, бережет тормозные диски и барабаны, способствует приработке колодки, благодаря эффекту переноса способствует частичному восстановлению диска, стабилизирует коэффициент трения.
Минусы: Вторичное медное сырье содержит вредный для природы и человека свинец. Да и сама медь сама является тяжелым металлом. Попадая в окружающую среду, образует вредные оксиды и медный купорос.
Вердикт: Исключаем из рецептуры.
Они заменили асбест и медь
Основа основ колодки – это фрикционная смесь, композиция, из которой «выпекается» фрикционная накладка. Именно композиция обеспечивает эксплуатационные свойства детали. Например, коэффициент трения должен оставаться стабильным с ростом 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, пятые отводят тепло – список это можно продолжить.
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, скорее, маркетинговый прием, призванный 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. Ну прямо по русской пословице «За морем телушка – полушка, да дорог перевоз». Поэтому европейские фирмы напряглись и создали Semi Metallic – полуметаллические фрикционные композиции.
Почему «полуметаллические»? Никакого секрета: в них примерно половину объема фрикционной смеси (а точнее, от 40 до 65%) составляют стальные волокна. Но это не просто стружка! 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 могли их освоить – 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.
А в США действует строгие нормы на «черную пыль». Поэтому рецептуры Semi Metallic и Low Steel там хоть и применяют, но не жалуют – они пылят оксидами железа, образуя характерный черный налет на суппорте и колесе. А вот NAO ведут себя безупречно – никакой «черной пыли» от них нет.
Поэтому, скажем, для европейского Ford стальная шерсть в тормозных колодках допустима, а для американского Ford – нежелательна. Соответственно и колодки для него в Старом и Новом Свете должны быть разными. Для Европы – Semi Metallic или 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 так будет не всегда. Специалисты прочат колодкам из NAO-композиций большое будущее. Ведь они обладают более стабильными и прогнозируемыми характеристиками, чем их «железные» собратья. Кроме того, они обеспечивают постоянное ощущение педали, бережное отношение к диску, меньшую склонность к шуму и вибрации. Про отсутствие оксидов железа в продуктах износа мы уже говорили.
А теперь сравните
На с. 30–32 приводятся диаграммы со свойствами трех описанных композиций – Semi Metallic, Low Steel и NAO. Все характеристики оцениваются по условной шкале от 1 до 10 баллов. 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 больших температурах, но все же более низких, чем в HFT (см. следующий пункт);
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). В некоторых странах, например, в Америке, строго нормируется;
Life Time Pad – ресурс колодки;
Life Time Rotor – ресурс тормозного диска;
DTV – Disc Thickness Variation, разнотолщинность 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).
Если интересно, можете сами проанализировать достоинства и недостатки той или иной композиции – диаграммы наглядные, расшифровки есть. Но ясно одно: универсальной композиции пока не существует – слишком уж строги и противоречивы требования к тормозным колодкам. Разные страны и автомобиля, разные условия эксплуатации и законодательство. Так что работа над рецептурами продолжается.
Автор благодарит сотрудников АО «ТИИР» за консультации.
Фото «АБС-авто» и Federal-Mogul
