Новые тенденции развития тормозных систем

Мы сейчас живем в очень интересное время, когда конструкция транспортных средств стремительно развивается, то, что было актуально пять лет назад, сегодня уже безнадежно устарело, а вместе с самим автомобилем меняется и конструкция его систем. Тормоза – важнейший элемент безопасности машины, и поэтому неудивительно, что им разработчики уделяют повышенное внимание, и в настоящее время тормозные системы – один из самых динамично развивающихся сегментов рынка автокомпонентов.

На электромобилях значение тормозной системы ниже, чем на транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания, поскольку скорость можно снижать за счет рекуперации, но общая доля таких машин в мировом автомобильном парке меньше 1%, а в России это и вовсе экзотика. Поэтому сегодня мы рассмотрим тормозные системы современных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и с гибридной силовой установкой, такие транспортные средства будут составлять основу мирового автомобильного парка еще в течение как минимум нескольких десятилетий. Для таких транспортных средств требования к тормозным системам в последнее время существенно ужесточились. Связано это в основном с тремя факторами. Во-первых, автомобили с гибридной силовой установкой, которые с каждым годом получают все более широкое распространение, тяжелее обычных, следовательно, для остановки им требуются более эффективные тормоза. Во-вторых, в развитых странах мира большинство современных автомобилей оснащаются системами автоматического торможения, у которых также повышенные требования к тормозным системам, которые должны обеспечивать эффективное замедление в любых климатических и дорожных условиях. В-третьих, для экономии топлива и снижения вредных выбросов в современных автомобилях все чаще используется режим «накат», при котором при сбросе «газа» двигатель отключается. На таких машинах установлена отдельная 48-вольтовая система электрооборудования, стартер и генератор здесь объединены в один узел. Здесь не только усилитель руля электрический, но и усилитель тормозов, что позволяет безопасно управлять автомобилем даже с выключенным двигателем. Такая схема уже реализована на дорогих моделях Audi: A6, A8, Q7, Q8. В ближайшие два года аналогичные системы появятся на других европейских автомобилях премиальных брендов, а затем уже настанет черед массового сегмента, поскольку 48-вольтовые микрогибридные системы недорогие в производстве, их стоимость не превышает нескольких процентов от цены самого автомобиля. Но если при движении в режиме «накат» возникает необходимость в экстренном торможении, то нагрузка на тормоза многократно возрастает, ведь двигатель уже не может здесь помочь. Поэтому для таких автомобилей требуются более эффективные тормоза. Вообще, здесь мы имеем дело с одним из главных противоречий нашего времени. Для безопасности элементы тормозной системы должны быть более эффективными и, соответственно, массивными и тяжелыми. Но лишний вес приводит к ухудшению управляемости и плавности хода и, самое главное, ведет к увеличению вредных выбросов. Поэтому разработчикам тормозных систем приходится идти на компромисс, и все это на фоне ограниченного бюджета, поскольку автопроизводители требуют от поставщиков компонентов постоянного снижения стоимости комплектующих.

Одним из методов повышения эффективности тормозов при одновременном снижении веса является применение легких и при этом жаропрочных материалов. Таких как, например, углерод-керамические диски, они легкие и полностью решают проблемы с перегревом, но их стоимость такова, что они используются только на дорогих спортивных автомобилях, да и то, как правило, в качестве опции.

Поэтому для массовой продукции применяются более доступные технологии и материалы. Для снижения веса тормозных дисков все чаще используются алюминиевые сплавы вместо чугуна. Однако алюминиевые детали не способны выдерживать большие тепловые нагрузки. Поэтому на скоростных автомобилях, например BMW, применяют композитные, двухсоставные диски из алюминия и чугуна, которые легче дисков, сделанных из однородного материала. Благодаря использованию алюминия вес тормозного диска уменьшается на 15–20 процентов, в результате чего снижается неподреcсоренная масса. Помимо улучшения ходовых качеств, более легкий тормозной диск способствует также снижению расхода топлива и вредных выбросов.

Значительный выигрыш в весе дает использование новых технологий при производстве дисков. Например, один из ведущих разработчиков и производителей тормозных систем – Brembo создал уникальную технологию производства композитных дисков. Стальной корпус ступичной части производят в результате процесса прессования и затем помещают в литейную форму, до введения жидкого чугуна, который отливают при температуре 1400 градусов Цельсия. Далее происходит соединение с тормозной поверхностью, в результате этого процесса чугун затвердевает вокруг специальных стальных зубьев на ступице. Композитные тормозные диски, изготовленные по такой технологии, обладают рядом преимуществ. Они менее подвержены термомеханическим деформациям, легче примерно на 15% по сравнению с чугунными деталями аналогичного размера.

Помимо снижения веса одна из основных задач, которую приходится решать разработчикам тормозной системы, – обеспечение эффективного охлаждения тормозов. Ведь для торможения требуется энергия, многократно превышающая мощность двигателя. При торможении кинетическая энергия превращается в тепловую, тормозной диск может раскалиться до 800 градусов Цельсия. При перегреве не только снижается эффективность тормозов, но и до пожара недалеко. Поэтому конструкторы применяют различные технологии, чтобы улучшить вентиляцию тормозных дисков.

Перфорация и насечки на тормозных дисках позволяют улучшить охлаждение компонентов тормозной системы, они позволяют убрать газовую подушку и перегретый слой пограничный слой тормозных накладок. Также перфорация снижает риск коробления диска при резком перепаде температур, например, когда после интенсивного торможения на диск попадает вода. Кроме этого, отверстия способствуют очищению верхнего слоя колодки от опасных отложений, а также предотвращают образование налета из железосодержащего материала, появляющегося на фрикционном материале колодки от износа тормозного диска. Перфорация позволяет рассеивать тонкий слой воды, который может накапливаться на тормозной поверхности, что обеспечивает высокую эффективность торможения на мокрой дороге. Теоретически благодаря перфорации можно было бы и снизить вес диска, но на практике этого не происходит. Перфорированные диски, как правило, даже тяжелее обычных, это связано с тем, что рассчитаны они на более высокие нагрузки, предназначены прежде всего для скоростных автомобилей с жесткими требованиями к тормозам.

Одно из интересных решений, которое использует компания Brembo, – технология столбчатой вентиляции, она обеспечивает высокую эффективность охлаждения и позволяет на 40% повысить срок службы изделия по сравнению с обычным диском. Кроме этого, данная технология позволяет уменьшить вероятность распространения трещин, что повышает безопасность.

Также для отведения тепла от компонентов тормозной системы в конструкции автомобиля используются различные направляющие щитки и воздуховоды, на большинстве современных машин вентилируемые не только передние, но и задние тормоза.

Но как бы ни были хороши тормозные диски, эффективно они могут работать только с качественными тормозными колодками. А вот с этим как раз все очень и очень непросто! Дело в том, что даже в странах Евросоюза их качество почти никак не регламентируется!

Европейский стандарт ECE R90 регламентирует контроль только по шести пунктам, в то время как ведущие производители тестируют тормозные колодки по 20–30 параметрам, а сами испытания более жесткие. Такая лазейка в законодательстве позволяет недобросовестным производителям совершенно легально поставлять на рынок некачественную и опасную продукцию. Такие поставщики в составе фрикционной смеси используют, как правило, 3–4 компонента, в то время как ведущие производители применяют от 15 до 40. Дешевые тормозные колодки не только не способны обеспечить эффективное замедление и отличаются малым сроком службы, но и могут испортить тормозные диски, при нагреве у них фрикционный материал плавится и намазывается на диск, после чего он становится непригодным для дальнейшего использования.

Для безопасности большое значение имеет состав связующего материала тормозных колодок, у бюджетных производителей это дешевые фенол-альдегидные полимеры, которые не выдерживают высоких температур, в качественных изделиях применяются термостойкие полимеры, армированные крезолом или бором.

Разработчики тормозных систем и автопроизводители используют внутренние тесты для испытания тормозных колодок. Такие как, например, тест по методике Porsche, включающий 25 торможений подряд.  

Однако далеко не все даже ведущие производители тормозных систем проводят холодные тесты тормозных колодок. А ведь в России это основной режим работы для автомобилей, эксплуатирующихся в городских условиях с короткими ежедневными пробегами.

Лишь немногие производители, такие как Brembo, могут себе позволить при   производстве тормозных колодок применение технологии «скорчинг» (термическая обработка поверхности), что позволяет свести к минимуму процесс приработки. Если этого не делать, то новые тормозные колодки при пробеге до 300–500 км не смогут работать эффективно, для выхода на оптимальные параметры необходимо выполнить несколько десятков циклов торможений. При этом у аккуратного водителя, избегающего резких торможений, такие тормозные колодки так и не достигнут максимальной эффективности и в критической ситуации могут подвести.

На задней оси бюджетных автомобилей до сих пор широко используются барабанные тормоза. Причина – благодаря большой рабочей поверхности они отличаются высокой износостойкостью, также они лучше защищены от грязи. При спокойной езде срок службы барабанных тормозов достаточно велик. Однако эффективность у них существенно ниже, чем у дисковых тормозов, особенно это заметно при эксплуатации автомобиля с полной нагрузкой. Также у автомобилей с задними барабанными тормозами передние дисковые изнашиваются быстрее, поскольку на них приходится большая нагрузка. Вообще, если раньше передние тормозные колодки изнашивались значительно быстрее задних, то сегодня наблюдается обратная ситуация: на автомобилях, оснащенных системой стабилизации ESP, задние колодки нередко служат даже меньше, чем передние.       

В значительной степени эффективность тормозной системы зависит от типа фрикционных материалов, которые применяются при изготовлении тормозных колодок. В настоящие время распространены два основных типа.

Как существуют разные школы автомобилестроения, так и требования к тормозным колодкам в разных странах отличаются. Плюс свою лепту вносят экологи, вводя запреты на те или иные материалы, зачастую необоснованные. Так, сначала в опалу попал асбест, в результате отказа от него ресурс тормозных колодок значительно снизился, затем настал черед меди. В странах Западной Европы прежде всего ценится высокая эффективность торможения, в том числе и в экстремальных условиях. В Северной Америке и Азии повышенное внимание уделяется комфорту, долговечности и экологичности.

В европейских странах широко распространены фрикционные материалы с низким содержанием стали (Low Steel). Преимущества у данного типа следующие: высокая температурная и скоростная стабильность, хорошая информативность педали тормоза, очень высокая прочность, колодки хорошо очищают тормозной диск от ржавчины, низкая себестоимость. Недостатки: ограниченный срок службы, повышенный износ тормозных дисков, при работе выделяется большое количество тормозной пыли, из-за чего их очень не любят экологи.

В настоящее время в азиатских странах и Северной Америке получили широкое распространение тормозные колодки, выполненные из органического фрикционного материала, так называемого NAO, стальное волокно в них отсутствует. Основные преимущества: низкий уровень шума, высокая долговечность колодок и диска, материал не способствует образованию разнотолщинности тормозного диска, очень низкий уровень пыли. До недавнего времени у них был один существенный недостаток – высокая цена, однако в последнее время в связи с увеличением объема производства таких тормозных колодок их себестоимость удалось существенно снизить, и сейчас они сопоставимы по цене с колодками типа Low Steel. Еще один недостаток – колодки из органического фрикционного материала хуже выдерживают циклы горячего торможения, также они плохо очищают тормозной диск от ржавчины.

В России распространены оба типа тормозных колодок, японские и корейские автопроизводители предпочитают колодки типа NAO, европейские – Low Steel.

В каком направлении будут дальше развиваться тормозные системы, сказать сложно. Похоже, экология становится не менее приоритетной, чем безопасность. По крайней мере на автомобилях массового сегмента эффективность тормозных систем в ближайшее время вряд ли удастся существенно повысить. А вопросы безопасности будут решать путем введения различных электронных ограничителей и ассистентов водителя. Для перспективных электромобилей разрабатываются тормозные диски из алюминиевых сплавов. Скорее всего, они не смогут работать столь эффективно, как чугунные или композитные, но зато значительно легче. Однако на вторичном рынке обычные дисковые и барабанные тормоза еще долго будут доминировать.