Если оценивать автомобиль с точки зрения физики, то его можно считать самым противоречивым изобретением человечества. Ведь если задуматься, люди уже на протяжении более сотни лет объединяют в автомобиле устройства, обладающие диаметрально противоположными свойствами. Например, задача двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии в кинетическую, причем, эффективность мотора будет тем выше, чем меньше тепла будет потеряно. Если же рассмотреть тормозную систему, то ее предназначение – поглощать кинетическую энергию несущего элемента. Как известно, единственный способ преобразования кинетической энергии в тепловую до недавних пор заключался в трении.

Тормозные механизмы автомобиля постоянно совершенствуются для достижения максимальной эффективности торможения при сохранении стабильных показателей замедления вне зависимости от температуры.

Все зависит от нагрева

Выполнить все эти условия достаточно трудно даже в лабораторных условиях, не говоря уж о реальной обстановке, в которой приходится работать тормозам. Совокупность таких факторов, как влага, грязь, перепады температур, различные агрессивные реагенты, не лучшим образом сказывается на прогнозируемости и эффективности торможения. Как бы то ни было, наиболее важным является именно вопрос нагрева трущихся элементов тормозной системы.

Усугублению ситуации способствует также односторонний нагрев фрикционной пары, т. е. тепло может отводиться лишь в сторону барабана или диска, поскольку нагрев тормозной колодки приведет к закипанию тормозной жидкости и неэффективности системы в целом. Кроме того, тормозной диск не может отдавать тепло ступице, иначе данный узел попросту придет в негодность из-за частого нагрева.

Единственный выход в данной ситуации – это отвод тепла в атмосферу. Тормоза современных автомобилей устроены таким образом, что диски имеют между двумя поверхностями радиально расположенные воздушные каналы, которые значительно улучшают теплоотвод. Нередко каналы выполнены в спиралеобразной форме, выступая в качестве вентилятора. В автоспорте, например, даже этого недостаточно, поэтому болиды оснащаются специальными дефлекторами, которые направляют поток воздуха на тормозную пару.

Специалисты известного производителя тормозных систем Delphi предложили собственный вариант решения проблемы, установив на колесо да тормозных диска вместо одного. Весь замысел заключается в том, чтобы на ступице присутствовали два плавающих диска, обслуживаемых тремя тормозными колодками, две из которых вполне стандартные, а третья – обладает двумя рабочими поверхностями, находясь между дисками. Как результат, эффективность торможения значительно увеличивается, а степень нагрева снижается.

Граммы и миллиметры

Вопреки стараниям ведущих конструкторов мира, автопроизводители не сумели до конца решить проблему с перегревом тормозов на серийных автомобилях. Поэтому на сегодняшний день все надежды возлагаются на фрикционный материал тормозной пары.

Что касается тормозных дисков, то не так давно практически все они изготавливались из чугуна, что было весьма оправдано стабильностью таких важных качеств, как коэффициент трения, теплоемкость, устойчивость к износу и т. д. Но нельзя в полной мере утверждать, что такой подход консервативен, ведь чугунные сплавы находили в процессе постоянного совершенствования. Хотя, действительно качественно новых показателей можно было достичь, лишь избрав принципиально новые материалы.

Традиционно в роли пионера тормозных технологий выступил автомобильный спорт, где высокие скорости и колоссальные нагрузки на тормоза открыли дорогу карбону. Карбоновые тормоза оказались гораздо производительнее своих металлических аналогов. Так, вес карбона значительно ниже, нежели у металла, а коэффициент трения – гораздо выше, мало того, диапазон рабочих температур данного материала вдвое выше. Однако применение карбоновых тормозов для серийных авто не целесообразно по причине высокой себестоимости, да и для достижения хорошего коэффициента трения таких тормозов их следует хорошенько прогревать. Кроме того, о прогнозируемости замедления в данном случае даже речи быть не может, что связано со сложностью контроля этого процесса.

В роли отличной альтернативы как традиционному материалу, так и карбону выступили керамические тормоза. Действительно, по сравнению с карбоновыми, такие тормоза не обладают таким высоким коэффициентом трения, зато у них есть целый перечень других преимуществ. Прежде всего, это небольшой вес, который практически вдвое меньший, нежели у стандартных тормозов, что благотворно сказывается на уменьшении неподрессоренных масс, следовательно, на состоянии подвески автомобиля. Коэффициент трения керамики обладает широким диапазоном рабочих температур, демонстрируя отличные показатели как при холодном торможении, так и при нагреве тормозов.

Как бы то ни было, исследования в данной области не прекращаются никогда и вполне возможно, что вскоре нам будут представлены такие материалы, которые позволят надолго забыть о необходимости периодической замены тормозных дисков и колодок, а также о скрежете и малоэффективном торможении. Доказательство тому новая технология рекуперации энергии, применяемая на электромобилях и гибридных авто, когда кинетическая энергия при торможении преобразуется в электричество.