VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

КЕРАМИЧЕСКИЕ ТОРМОЗНЫЕ ДИСКИ

Скорость один из наиболее важных показателей современного автомобиля. С ростом технологий нас уже совсем не удивляет порог в 300 -400 км/ч. При таких высоких скоростях вопрос обеспечения безопасности следует ставить на первое место, т.е. требуется надежная тормозная система, которая способна выдерживать максимальные нагрузки и при этом быстро прекращать движение.

Самая распространенная на сегодняшний день тормозная система – дисковая, главным элементом такой системы является тормозной диск, к которому прикладывается усилие исполнительного механизма. В существующих автомобильных тормозных системах эффект торможения осуществляется путем снижения крутящего момента колес за счет трения элементов тормозных механизмов (тормозной диск и фрикционная накладка тормозной колодки). [1]

Главной опасностью отказа тормозной системы является перегрев. Пар, образующийся в результате трения, препятствует росту эффективности тормозной силы. Чем интенсивнее автомобиль тормозит, тем больше выделяется тепла и тем больше нагреваются детали тормозного механизма. Это ведет к потере фрикционных свойств тормозной колодки из-за снижения коэффициента трения. Если рассмотреть систему детальнее, то можно обнаружить, что тепло от колодки передается не только воздуху, но и к исполнительному тормозному механизму – суппорту, нагретые поршни которого способны довести тормозную жидкость до кипения, что способствует образованию пузырьков воздуха в жидкости и, как следствие, потере ею упругих свойств и «провалу» тормозной педали. При перегреве тормозного диска происходит нарушение формы его поверхности (деформация), следствием чего является биение диска, передаваемое на рулевое колесо и педаль тормоза, а также существенное удлинение тормозного пути автомобиля. [1]

Как сказано выше, тормозные диски являются элементом дисковой тормозной системы, наиболее подверженным термическим нагрузкам. Поэтому к материалу для их производства предъявляются специальные требования - высокая термостойкость, сопротивляемость деформациям и истиранию.

Наиболее распространенным материалом, из которого изготавливают тормозные диски, является чугун. Это объясняется тем, что чугун обладает хорошими фрикционными свойствами и невысокой стоимостью производства. Но, при этом чугун имеет ряд недостатков. У чугунного тормозного диска низкий порог максимальной температуры (500-600^о С), что при интенсивном торможении может привести к значительному нагреву тормозного диска, и к его короблению. Так же, если при высокой температуре на диск попадет вода, то он может треснуть. Кроме того, диски из чугуна очень тяжелые, это приведет к утяжелению автомобиля. Также, при длительном простое автомобиля на чугунных тормозных дисках образуется коррозия. [2]

В 70-е годы появились тормозные диски из углепластика – карбоновые, которые устанавливались только на спортивные машины формулы-1. И только в 90-е годы компания Ferrari впервые установила карбоновые тормоза на свой автомобиль. Карбоновые тормоза намного эффективнее обычных чугунных тормозов. Тормозной диск из карбона весит на порядок меньше металлического тормозного диска. Коэффициент трения на порядок выше, а рабочий диапазон температур 1200-1400^оC. Карбоновые диски не коробятся, а снижение неподрессоренных и вращающихся масс положительно сказывается на ходовых качествах автомобиля. Однако карбоновые тормозные диски слишком дорогие и недолговечные. Одного комплекта тормозных дисков хватает на 100-150 тыс. км. пробега. Нормально работать они начинают только после хорошего прогрева до этого коэффициент трения тормозов даже ниже обычных. [2]

Совершенно новая и более усовершенствованная система – это керамические тормозные диски. Изготавливаются такие диски из карборунда (карбида кремния). Этот же материал используется на челноках, которые проходят через плотные слои атмосферы, температура трения о которую достигает 1650^оС. [3]

На самом деле, первые попытки создания и испытания керамических тормозных дисков берут начало ещё в 1980-е годы. Они должны были прийти на смену асбестовым тормозным дискам, которые сильно пылили и быстро изнашивались. Большой вклад в развитие керамических тормозов внесла компания «Akebono». Результатом долгих исследований и множества тестов «Akebono» стали керамические безасбестовые тормозные колодки, которые отвечали требованиям по эффективности торможения, шуму, вибрации и выбросу пыли.[1] И только в 2004 году компания «brembo», на основе исследований «Akebono» выпустила первый керамический тормозной диск. Чуть позже технология была применена на гоночных автомобилях. Испытание «керамики» прошло успешно. Керамический тормозной диск оказался очень термоустойчив и, в отличие от карбоновых дисков, имел меньшую изнашиваемость. С тех пор «керамика» завоевала популярность у водителей дорогих и роскошных спортивных машин.[3] В последние годы ведущие мировые производители внедряют в свои автомобили (правда, пока что только в виде дополнительной опции) тормозные диски с керамическими компонентами. Так, например, немецкий концерн Audi в 2008 году начал оснащать керамическими тормозными дисками свою модель RS8. Керамические тормозные диски Audi изготавливаются из керамики, армированной углеродным волокном. Такой композитный материал, так называемый, композитная керамика содержит в качестве основного рабочего вещества очень твёрдый и стойкий к истиранию карбид кремния. Он армирован углеродными волокнами, эффективно принимающими на себя возникающие в материале напряжения. Срок службы такого тормозного диска в 4 раза больше стального, высокая стойкость керамических дисков к истиранию значительно увеличивает их срок службы. Экстремальная жесткость поверхности композитной керамики делает ее нечувствительной к различным солям и неуязвимой для коррозии. [4]

Выделим основные преимущества и недостатки керамических тормозных дисков. У керамики гораздо больше возможностей, чем у металла или различных композитов. Керамические тормозные диски отличаются своей стабильной работой в широком диапазоне температур. А это означает, что различные погодные условия будут несущественно влиять на работу разогретого до нужной температуры тормозного диска. В отличие от дисков из металла керамический диск не коробится даже при интенсивном режиме работы. Кроме того, «керамика» характеризуется минимальным выбросом пыли и за счет этого не снижают тормозных характеристик автомобиля. Керамические тормозные диски, по сравнению с аналогичными деталями из серого чугуна легче на 50%. Тормозная керамическая система может уменьшить массу автомобиля на 20 килограмм, а это значит, что уменьшится неподрессоренная масса и нагрузка на подвеску.[2] Применение керамических тормозных дисков позволяет увеличить на 25% коэффициент трения, и повысить эффективность торможения в нагретом до высоких температур состоянии. Еще одно преимущество –долговечность. Керамические диски обычно не требуют замены на протяжении 300 000 км. Недостатками керамических тормозных дисков является то, что керамический тормозной диск плохо работает в холодном состоянии. Холодные керамические диски хуже останавливают машину, даже чем холодные тормозные диски из металла. [1]

На графике показано, что керамические тормозные диски хуже работают при низких температурах (t^o,C) по сравнению с металлическими дисками, однако они имеют более ровный график коэффициента трения (К(т))в разном диапазоне температур. Для некоторых производителей, температура в 400^оС является рабочей.Ещё одним недостатком является то, что некоторые керамические диски издают неприятный скрип при работе, но этот дефект удалось убрать за счет добавления в состав дисков различных металлических примесей. Самым большим недостатком является цена керамической тормозной системы. За счет применения новых и очень дорогостоящих материалов керамическая тормозная система обойдется водителю примерно в стоимость автомобиля среднего класса.[1]

Очевидно, что керамические тормозные диски в ближайшее время не станут применяться на автомобилях массового производства. Однако на спортивных автомобилях с максимальной скоростью 300-400 км/ч они необходимы. Керамические тормозные диски способны существенно сократить тормозной путь автомобиля и, тем самым, спасти человеческие жизни.

Список используемой литературы:

1. Электронный ресурс: http://www.avtonov.svoi.info/dicol.htm

2. Электронный ресурсhttp://cartopics.ru/posts/keramicheskie-tormoza-texnologiya-izgotovleniya-i-preimushhestva.html

3. Электронный ресурс: http://www.vipskrip.ru/?p=5443

4. Электронный ресурс: http://www.audi.ru/ru/brand/ru/tools/advice/glossary/ceramic_brakes.html

Код для цитирования: Скопировать