Фрикційна накладка для сучасної гальмівної колодки виготовляється зі складного композиту. Він повинен забезпечувати безпеку і комфорт, мінімізувати знос контртіла (диска або барабана) і бути екологічним. А ще - перемагати в конкурентній боротьбі на ринку. Тому виробники колодок зберігають секрети своїх технологій під сімома замками. Але загальні тенденції розвитку фрикційних матеріалів розгледіти можна.
Від ваги не залежить
Чи залежить гальмівний шлях від ваги автомобіля? Сперечаємося, що багато хто скаже «так»? У той час як правильна відповідь - «ні, не залежить».
Давайте міркувати. Нехай автомобіль має масу m і швидкість руху V. І ось водій щосили тисне на гальмо. Тоді кінетична енергія автомобіля переходить в роботу тертя:
де F - приведена сила тертя, що враховує тертя колодок про диск (або барабан) і взаємодія шин з дорожнім полотном; S - гальмівний шлях. Для горизонтальної ділянки сила F - mgk, де g - прискорення вільного падіння, k - наведений коефіцієнт тертя, що враховує, в тому числі, зчеплення шин з дорогою.
В результаті вихідне рівняння прийме вид:
Розділивши обидві частини рівняння на m, отримаємо:
Ну ось, виявляється маса, а отже, і вага автомобіля, ніякої ролі тут не грають. До речі, особливо цікаві можуть заглянути в автомобільні довідники НИИАТ і подивитися формулу гальмівного шляху на його сторінках. Принципово вона не відрізняється від нашої: маси автомобіля в ній немає.
На що ж впливає маса при гальмуванні? На зусилля, яке до педалі гальма, на зростання температури колодок, дисків і шин. Адже чим більше кінетична енергія в лівій частині рівняння, тим більше наведена сила тертя в правій його частині. І тим більше роботи потрібно зробити, щоб зупинити автомобіль. Ця робота покладається на гальмівні колодки і шини. Ось і поговоримо про колодках, здатних «взяти вагу» і при цьому не згоріти і не руйнуватися.
Вони замінили азбест
Основа основ колодки - це фрикційна суміш, композиція, з якою «випікається» гальмівна накладка. Саме композиція забезпечує експлуатаційні властивості деталі. Наприклад, коефіцієнт тертя повинен залишатися стабільним при зростанні температури. За це відповідають певні інгредієнти. Інші складові забезпечують зносостійкість. Треті виконують роль арматури в полімерній основі (її ще називають матрицею), четверті борються з шумом - список це можна продовжити.
Чесно визнаємо: свого часу азбестова колодка була не так вже й страшна. Термостійкий, прекрасно розщеплюється на волокна, азбест ніби самою природою створений для фрикційних виробів. Він служив відмінною арматурою і забезпечував необхідну ефективність гальмування. Та й коефіцієнт тертя стоїть там невеличкий - 0,4. При тому, що у більшості колодок він лежить в діапазоні 0,35-0,45.
Після відомого заборони на використання азбесту виробникам довелося шукати ефективні замінники. Сьогодні сама «проста» рецептура фрикційної суміші налічує 10, 15 і більше інгредієнтів, кожен з яких вирішує власне завдання. І над їх комбінаціями день і ніч ламають голови кращі науково-дослідницькі підрозділи компаній, що випускають гальмівні вироби.
Виробники колодок сьогодні застосовують три види фрикційних матеріалів:
• напівметалеві (Semi Metallic);
Тут необхідне пояснення.
Безасбестового є всі три групи. Термін Non-Asbestos в абревіатурі NAO - це маркетинговий прийом, прагнення підкреслити екологічність рецептури. А тепер - докладніше.
Semi Metallic
Перші безазбестові колодки з'явилися в другій половині минулого століття в Європі. Це легко пояснити: поклади азбесту далеко, треба його імпортувати, а це чималі витрати. Тому європейські фірми напружилися і створили Semi Metallic - напівметалеві фрикційні композиції.
Чому «напівметалеві»? Ніякого секрету: в них приблизно половину обсягу фрикційної суміші (40-65%) складають сталеві волокна. Отримують волокна так: беруть сталевий дріт і на спеціальному верстаті зчісують найтонші смужки. Потім рубають їх і вводять в композицію.
Чим привабливі Semi Metallic? Вони термостійкі, з добре армованої матрицею. Забезпечують необхідні експлуатаційні характеристики, прекрасно відводять тепло.
А погані вони гучністю при високих швидкостях і агресивністю до гальмівного диску. Та й теплопровідність виходить боком: при нагріванні до 500-700 ° С можливе закипання гальмівної рідини. Все ж теплопровідність повинна бути оптимальною, а не просто «низькою» або «високою».
В СРСР напівметалеві рецептури не застосовувалися. І не тому, що наші фахівці не могли їх створити - просто сталеве волокно було стратегічною сировиною і в автомобільну галузь не поставлялося. Але немає лиха без добра: в пошуках замінника наші розробники створили композиції з інших волокон - базальтових, вуглецевих і поліарамідних. І тим самим випередили час. Сьогодні це стало в нагоді.
Згодом на Заході стали відмовлятися від напівметалевих рецептур на користь Low Steel - малометалліческіх композицій. Вони теж містили сталеві волокна, але в менших кількостях - від 20 до 30%.
Зрозуміло, рецептура ускладнилася. Завдання ефективності гальмування, стабільності коефіцієнта тертя, восстанавливаемости і т.д. тепер вирішували інші інгредієнти, - зокрема, хитрі комбінації мінеральних волокон. У кожної фірми вони були свої, збережені як зіниця ока.
В результаті зменшилася гучність, підвищився ресурс гальмівних дисків, стабілізувався відведення тепла, знизилося металеве запилювання колодок, покращилася відновлюваність після нагрівання, термомеханическая стійкість і інші якості.
NAO-матеріали
Але найцікавіші і перспективні композиції - це Non-Asbestos Organics. Ті самі NAO. Головна відмінність цих матеріалів в наступному: в них немає сталевого волокна. Взагалі ні. Завдання, покладені на нього в рецептурах Semi Metallic і Low Steel, вирішують інші інгредієнти - кераміка і комбінації альтернативних волокон. Теж, зрозуміло, засекречені.
Як вони з'явилися на світ, ці NAO? Їхня батьківщина Азія, а точніше, Японія. Причому Японія, націлена на північноамериканський ринок - недарма вона поставляє туди величезні партії автомобілів.
У США застосовували Semi Metallic, поки не ввели суворі норми на «чорну» пил на колесі. Сьогодні «залізні» рецептури там не люблять - вони порошать оксидами заліза. А ось NAO поводяться бездоганно - ніякої «чорної» пилу від них немає.
Тому колодки для одного і того ж автомобіля в Старому і Новому Світі будуть різними. Для Європи - Low Steel, для Америки - NAO.
А чи не можна поставляти колодки NAO в Європу? Не можна, і ось чому. Американці на перше місце ставить комфортність і чистоту, а європейці - ефективність. Згадайте: у Німеччині швидкість на автобанах не обмежена. Значить, потрібні відповідні гальма. А комфортні NAO програють по ефективності композиціям Semi Metallic і Low Steel.
Але фахівці пророкують колодкам з NAO-композицій велике майбутнє. Адже вони мають більш стабільними і прогнозованими характеристиками, ніж «залізні» побратими, забезпечуючи постійне відчуття педалі, дбайливе ставлення до диску, меншу схильність до шуму і вібрації. NAO-колодки для задніх осей стрімких «європейців» створені, не за горами рішення і для більш відповідальних передніх осей.
А ви порівняйте.
Вище наводяться діаграми, які порівнюють три описані рецептури - Semi Metallic, Low Steel і NAO. Всі характеристики оцінюються за умовною шкалою від 1 до 10 балів.
Можете самі проаналізувати переваги і недоліки тієї чи іншої композиції. А ми допоможемо з розшифровкою критеріїв оцінки.
Fade - часті переривчасті гальмування, імітація спуску по гірському серпантину;
AMS - тест журналу «Auto Motor und Sport» на ефективність гальмування (зокрема, оцінка стабільності гальмівного моменту) при високих температурах, але більш низьких, ніж в HFT (див.);
HFT - High Friction Temperature, тест на ефективність гальмування при екстремальних температурах, що доходять до 700 ° С;
Integrity - міцність з'єднання колодки з каркасом (тест «на відрив від каркаса» при зусиллі уздовж радіуса диска), а також міцність самого фрикційного матеріалу при тангенціальному впливі;
Hot Wear - зносостійкість в нагрітому стані (частина так званих блокових випробувань);
Hot Judder - стійкість до вібрацій в нагрітому стані;
Wheel Dust - відсутність нальоту продуктів зносу на колесі і супорті (перш за все - оксидів заліза). Чим менше наліт, тим вище бал;
Life Time Pad - ресурс колодки;
Life Time Rotor - ресурс гальмівного диска;
DTV - Disc Thickness Variation. різно-товщина диска, що викликає «холодну вібрацію». Чим вище бал, тим вона менше;
Squeal - «вереск» гальм, високочастотний показник акустичного комфорту;
Creep Groan - «скрип» гальм, низькочастотний показник акустичного комфорту;
MPU - Metal Pick Up. тест по виявленню частинок металу на робочій поверхні колодки. Викликають шуми, підвищений знос і інші неприємності. Чим вище бал, тим краще;
μ level - коефіцієнт тертя (в даному випадку його умовний рівень для порівняння).
Non-copper
Поняття «екологічна колодка» сьогодні розширилося. Слідом за азбестом поза законом оголошена мідь. Значить, її треба теж треба виключати з рецептури.
Що в ній хорошого - в міді? По-перше, вона має відмінну теплопровідність. По-друге, дружня до контртіло. Будучи більш м'якою, ніж сталь або чавун, вона сприяє приробітку колодки, оберігаючи диски від задирів. По-третє, завдяки ефекту переносу мідь сприяє частковому відновленню диска, зменшує його разнотол-щінность і стабілізує коефіцієнт тертя.
А що в ній поганого? Перш за все свинець. У фрикционную суміш йде не хімічно чистий метал, а кольоровий брухт, латунь і бронза. У тому числі і свинцюваті. А свинець для живої природи згубний. Крім того, мідь є важким металом. Потрапляючи з продуктами зносу в навколишнє середовище, вона утворює шкідливі оксиди і мідний купорос - прекрасний засіб для боротьби з садовими шкідниками. На жаль, заодно він губить і іншу флору і фауну.
У США вже діє заборона на мідь у фрикційних накладках. Європейські виробники автомобілів наслідують приклад заокеанських колег. А компанії, що випускають фрикційні вироби, підбирають нові інгредієнти суміші, здатні замінити мідь - і по теплопровідності, і по заробляння, і по іншим «мідним» функцій. Які саме - знову секрет.