Прикладная трибология
 

Какой бы современной ни была тормозная система автомобиля, ее эффективность сильно зависит от свойств фрикционного материала колодок.

Есть такая наука — трибология. Она исследует процессы трения, свойства различных фрикционных материалов и особенности их работы во всевозможных средах и условиях. Накопленные знания используются при создании тормозных колодок. Собственно говоря, без трибологии не было бы тормозов.

ТОЧКА ОТСЧЕТА
Фрикционных смесей сегодня существует великое множество. А началось все с открытия асбеста. Изучив его свойства, человек понял, что это созданное матушкой природой вещество обладает качествами идеального фрикционного материала: отменной теплостойкостью, износостойкостью, требуемым коэффициентом трения.
Мало того, асбест армирует колодку и великолепно впитывает связующее. Последний компонент, как следует из названия, служит исключительно для связки ингредиентов фрикционной композиции. Раньше в качестве связующего звена, впрочем как и сегодня, использовались фенолформальдегидная смола, каучук или их смесь. Чтобы придать конструкции дополнительную жесткость и плотность, в материал добавили наполнитель — барит. Так появилась на свет самая простая и в то же время весьма эффективная фрикционная композиция, которую после некоторых доработок до сих пор используют для изготовления тормозных колодок тормозов небольших самолетов (материал называется ретинакс). Потом кому-то пришла в голову шальная мысль запретить асбест! Мол, вреден он, вызывает всякие нехорошие болезни, экологию губит. Не будем вдаваться в полемику, вопрос этот весьма спорный. Недаром он периодически поднимается учеными на международных слетах трибологов в г. Ярославле. Мнения гуру полярны. Но одно неоспоримо: природные залежи асбеста есть только в двух местах земного шара, и одно из них в России. Напрашивается вывод: дабы не покупать дорогое сырье, производители тормозных колодок Европы, Америки и Японии надавили на своих законодателей, и те запретили использование асбеста. Просто и гениально. Тем паче что в трибологических лабораториях ярых противников асбеста к тому времени были разработаны многокомпонентные заменители природного минерала.

КАЖДОМУ СВОЕ
В руках трибологов сегодня находится примерно 300-500 ингредиентов, из которых можно сложить бесчисленное множество фрикционных смесей. Все, что требуется автостроителям, — выдать техзадание на разработку. Приоритеты расставляются так. „Гражданским" машинам необходим материал, обеспечивающий максимальный комфорт: отсутствие скрипов и писков, мягкое и безударное соприкосновение диска и колодки. Композитные фрикционные материалы колодок спортивных автомобилей обязаны стабильно работать при больших тепловых и механических нагрузках, сохраняя при этом высокий коэффициент трения. Понятное дело, параметр износа спортивных фрикционных накладок и „истирания" ими тормозного диска главенствующего значения не имеет, так как на долгую жизнь эта пара трения не рассчитана. Однако не будем забегать вперед и начнем с простого.
Чем же отличаются „гражданские" колодки от спортивных? Во-первых, подбором используемых в производстве компонентов. Так, обычные фрикционные смеси в большинстве случаев имеют органическое происхождение, вследствие чего не могут долго работать при высоких температурах. Порог в 700 градусов Цельсия для них критический. Такую большую температуру „гражданские" терпят очень непродолжительное время. Стоит их перегреть, и тормозные свойства материалов начнут падать, а сами компоненты выгорать.
Спору нет. для обычной эксплуатации, к примеру, в городе с частыми торможениями (колодка разогревается до 250-300 градусов), они подходят идеально. Если же автомобиль эксплуатируется в жестком режиме, когда пик тепловой нагрузки может взлетать до 800 градусов, фрикционные накладки колодок обязаны содержать металлокерамику. Не стоит думать, что стойкие к температуре колодки нужны только скоростным иномаркам. Тюнингованные „Жигули" еще более нуждаются в хороших тормозах. Посмотрите на фото. Вы не ошиблись, перед вами тормозные колодки ВАЗ-2101, которые практически целиком состоят из металла: 80% — порошок металлов определенного состава, 10% — наполнитель и остальное — прочие элементы. Изготовлены они методом порошковой металлургии. Суть проста. Ингредиенты в виде порошков определенного помола засыпаются в специальную форму и спекаются при высокой температуре в электропечи. Процесс выпечки и выдерживания колодки в „духовке" довольно длительный и может занимать целые сутки! Недаром каждая колодочка стоит около 5 долларов! Но у металлических колодок есть существенный недостаток. Благодаря высокой теплопроводности (металл как никак) тепловая энергия, возникающая в процессе трения, передается тормозному цилиндру и, соответственно, тормозной жидкости. Последняя, даже самая современная и дорогая может закипеть, и тормоза просто исчезнут! Именно поэтому тормозная колодка должна разрабатываться под конкретный тормозной узел со строго заданными характеристиками и
применяемыми при его изготовлении материалами. Любая самодеятельность может привести к печальным последствиям.
Теперь понятно, почему тюнинг тормозов предусматривает модернизацию системы в целом, а не отдельно взятого ее элемента. Фирмы, которые дорожат своим именем, предлагают диск, скобу и колодки комплектом! Все должно быть
испытано, проверено, сертифицировано. Однако не стоит думать, что современные колодки не спортивного назначения полностью исключают применение в них металла. Некоторые „гражданские" образцы приближаются к классу полуметаллических. В состав их композита входят фенолформальдегидная смола и каучук, кокс, графит, барит и до 50% металла. Причем металл это не только железо, но и латунь, алюминий, свинец, цинк, их сплавы и композиции в виде порошка, песка, чешуек, бляшек, стружки, шерсти, солей, кусочков.
Верхом же совершенства являются композиты, созданные на основе углеродных волокон. Технология их получения очень дорога. Ведь чтобы превратить вискозу в углеродное волокно, необходимы высокие температуры при полном отсутствии воздуха (окислителя) и сложное оборудование ценой в сотни тысяч долларов. Причем из углеродных композитов изготавливаются и тормозные диски. Как показывает практика Формулы 1 и авиации, тормозные узлы, в которых используются углеродные волокна, сохраняют работоспособность и стабильность свойств при нагреве до 1000 градусов! Понятное дело, простому тюнеру такое золото не по зубам.

СИЛА ТРЕНИЯ
Теперь пришло время поговорить о таком понятии, как коэффициент трения колодок. Варьируется он введением в состав фрикционной смеси специального наполнителя — абразивов. Примерная градация коэффициентов трения выглядит следующим образом: 0,3 — низкий 0,3-0,35 — средний и 0,4-0,5 — высокий. Принято считать, что чем он выше, тем лучше. Спору нет, эффективность тормозов напрямую зависит от этого параметра, однако чем выше коэффициент трения, тем быстрее колеса заблокируются и перейдут на юз, что опасно. А чем больше в колодке абразива, тем интенсивнее она „грызет" тормозной диск. Существует негласное правило: если диск изнашивается, значит, тормоза работают. И потом, тормозной момент сильно зависит от усилия прижатия колодки к . тормозному диску. Следовательно, при создании фрикционного материала необходимо учитывать площадь трения и характеристики „усиливающих" добавок. Недаром коэффициент трения выбирает конструктор тормозной системы автомобиля, а не триболог. Задача последнего — грамотно подобрать компоненты смеси. Причем новая накладка обязательно испытывается в паре с тормозным диском определенных геометрических размеров (диаметр, толщина и т. д.) и изготовленным из конкретного материала. Здесь нет мелочей. Коэффициент трения одной и той же колодки по разным материалам различен. Недаром методики испытаний сертифицированы, а лабораторное оборудование аттестовано.
Мало того, эффективность тормозов зависит не только от правильности выбора коэффициента трения, но и от его постоянства вне зависимости от условий работы колодки. Торможение обязано быть равномерным во всем температурном диапазоне. Многие наверняка слышали о таком явлении, как эффект утренней росы. Суть его в пониженном коэффициенте трения холодной колодки. Однако гораздо более важной проблемой является его уменьшение при росте температуры в паре диск/ колодка. И здесь начинается деление колодок на обычные и гоночные, промежуточное положение между которыми занимают тормозные колодки для тюнинга. Понятно, что перед началом торможения „холодные" колодки каждой из перечисленных групп находятся в равных стартовых условиях, обеспечивая примерно одинаковую интенсивность торможения, за исключением, пожалуй, легендарных колодок Carbon Metallic фирмы Performance Friction, работающих с 200 градусов. Далее с ростом температуры „гражданские" колодки начинают терять эффективность, которая восстанавливается после прекращения торможения, что происходит каждый день в жизни рядового автомобилиста. На это, то есть на серию средних по длительности и интенсивности торможений, они и рассчитаны.
А если за рулем автомобиля любитель быстрой и динамичной езды со знакопеременным ускорением, то обычные колодки в таком случае не смогут избежать сильного нагрева, и тормозные свойства машины станут хуже. Поэтому возникает необходимость применения специальных колодок, способных держать требуемый для эффективного торможения коэффициент трения при высокой температуре. На сегодняшний день многие производители тормозных колодок имеют в ассортименте изделия, рассчитанные на более интенсивное торможение (цена за комплект может доходить до 200 долларов). При этом существуют колодки, у которых с ростом температуры коэффициент трения увеличивается. Понятное дело, каждый производитель тормозных фрикционных материалов имеет свои тщательно оберегаемые разработки и секретов не раскрывает.

ДВИЖЕНИЕ ВПЕРЕД
Все течет, меняется, совершенствуется и развивается. Фрикционные смеси не исключение. Самое печальное, что в угоду экологии под запрет попадают все новые и новые материалы, без которых производство тормозных колодок весьма проблематично. Так, угроза репрессии нависла над медью. Причем вариантов замены этого материала никто пока не предлагает. Как говорится, вы трибологии, значит, вам и шевелить мозгами! Как ни странно, реального прорыва в тормозном вопросе пока не предвидится. Все материалы известны. Новостей следует ожидать от технологов, но свою работу и исследования они держат за семью печатями. Продолжается борьба со скрипом и визгом тормозов, которые порождают высокочастотные вибрации. Как показывает практика, простым нанесением на обратную сторону металлического основания колодки различных материалов вопрос не решается. Ни один производитель „противошумок" не дает 100% успеха. Мало того, сейчас появились дополнительные стандарты, которые носят пока рекомендательный характер. К примеру, материалы колодок подвергаются проверке на сжимаемость, набухание в растворах солей (антигололедные средства), масле и тормозной жидкости, топливе. Как показывает практика, фрикционные свойства колодки от пребывания в агрессивной среде могут изменяться, а значит, работы трибологам прибавилось

Эта статья была опубликована 18 September 2004 г..
Число отзывов: 0