От скольжения тектонических плит до меда в пчелиных ульях - преобразование кинетической энергии в тепловую посредством трения является универсальным процессом, происходящим на протяжении тысячелетий. Но только после того, как мы поняли, что его можно использовать в своих интересах при зажигании огня, он стал полезен нам как биологическому виду.
Трение широко используется в автомобильном мире, где оно как полезно, так и не очень. Самым крупным генератором трения в автомобиле является тормозная система.
До последних нескольких десятилетий в тормозных системах автоспорта в качестве фрикционной среды использовались исключительно чугунные диски. Он дешев, имеет хорошую долговечность и хорошие тепловые характеристики, что делает его идеальным для большинства применений.
Традиционно тормозные диски для дорожных автомобилей и автоспорта изготавливались из серого чугуна, отличающегося от стандартного чугуна тем, что он содержит около трех процентов углерода по весу, а также повышенное содержание серы и марганца. Это придает ему некоторые полезные свойства.
Микроструктура серого чугуна наделяет его рядом полезных свойств. Он обладает относительно высокой теплопроводностью, хорошо сопротивляется термической усталости и имеет лучшие антикоррозионные свойства, чем многие другие черные сплавы. Он также имеет более высокую твердость, что делает его более износостойким.
Железо во всех формах имеет относительно высокую тепловую массу (или теплоемкость в терминах химии), что означает, что для повышения его температуры требуется много энергии, что снижает скорость повышения температуры при каждом торможении. После нагревания оно обладает высокой теплопроводностью, что означает, что оно будет относительно легко передавать тепло в воздух за счет конвекции.
Температура поверхности
При разгоне 800-килограммового болида Формулы-1 с 280км/ч до 60 км/ч всего за несколько секунд в тормозной системе рассеивается около 2900 кДж кинетической энергии в виде тепла. Для сравнения, это примерно равно теплу, выделяемому обычным чайником, если его оставить включенным на 20 минут.
Конечно, здесь четыре тормозных диска, но этой энергии достаточно, чтобы в экстремальных случаях температура поверхности превышала 1000 градусов Цельсия. Это выводит чугунные системы далеко за пределы их комфортного температурного диапазона, который составляет около 750C при использовании современных материалов.
Проблема поглощения энергии в таких масштабах с помощью чугунных дисков заключается в изменении свойств материала и его теплового расширения. Эти температуры достаточно близки к температуре плавления чугуна 1200C, этого достаточно чтобы свойства материала изменились, он стал пластичным и уменьшилась его твердость, что приводит к ускоренному износу.
Традиционно именно колодки ограничивали верхний диапазон температур этих систем и выходили из строя первыми, но за последнее десятилетие материал колодок усовершенствовался настолько, что эти температуры больше не являются проблемой, и ограничивающим фактором становятся сами диски.
"Даже в своем нормальном температурном диапазоне 400-750 градусов Цельсия железные диски значительно изменяют свои размеры, и нам приходится проектировать зазоры в суппортах", - объясняет Гэрри Уайзман, главный инженер автоспортивных проектов компании Alcon, производителя тормозов.
"Типичным признаком перегретой колодки является падение коэффициента трения, поэтому водителю приходится создавать большее давление в системе. При таких повышенных температурах износ, как правило, увеличивается, а также повышается риск "конусного износа", когда колодки изнашиваются в форме клина".
В автоспорте вес тормозной системы особенно важен из-за ее вклада в неподрессоренную массу. Этот показатель оказывает большое влияние на характеристики шин, что в мире, где следят за весом, делает его решающей целью для улучшения.
Скорость вращения
Тормозные диски уникальны среди тормозных компонентов тем, что они также обладают скоростью вращения. Из физики вращательной инерции вы сможете оценить динамическое влияние этого фактора на торможение и разгон, где необходимость преодолевать эту инерцию несколько снижает угловое ускорение колеса. Еще один недостаток, связанный с чугуном. Это очень плотный материал.
Тормозные суппорты не имеют ограничений по износостойкости и не подвергаются воздействию таких высоких температур из-за их изоляции от поверхностей трения. Поэтому производители суппортов могут использовать цветные сплавы для снижения веса и оптимизации характеристик.
"Суппорты в основном изготавливаются из алюминиевых сплавов. Если позволяют бюджет и нормы, используется алюминиево-литиевый сплав, который имеет немного меньшую плотность и большую жесткость, чем обычный алюминий, что позволяет нам оптимизировать конструкцию в еще большей степени", - отмечает Уайзман.
Появление карбона
Но когда в середине 1970-х годов в Формуле-1 появилась технология углеродных тормозов, это стало еще одним заметным достижением благодаря связи автоспорта с авиацией. Технология была заимствована из аэрокосмической промышленности - если быть точным, из Concorde - и адаптирована для гонок.
Сегодня типы тормозных систем, ассоциирующиеся с супервысокопроизводительными гонками, такими как F1, LMP1, DTM (обратите внимание на тенденцию к высокой аэродинамике), представляют собой карбон-углеродные системы, основанные на карбоновых волокнах, удерживаемых в матрице из атомов углерода. Они значительно отличаются от углеродно-керамической технологии, традиционно применяемой в высокопроизводительных дорожных автомобилях.
Внедрение карбон-углеродной технологии принесло двойную выгоду: легкий вес и способность выдерживать очень высокие рабочие температуры, не выходя из строя так, как это делают железные системы, что позволило совершить скачок в эффективности торможения за счет способности выдерживать гораздо более высокие затраты энергии.
Добавьте к этому гораздо более твердые поверхности трения карбон-углеродных систем и, как следствие, более низкую скорость износа, что снижает требования к обслуживанию и временные штрафы, которые они влекут за собой, и они становятся очень привлекательными, особенно для гонок на выносливость.
Конечно, они также очень дороги.
Процесс производства этих систем сильно отличается от заливки однородного расплавленного металла в литейную форму. Производство карбон-углеродных дисков и колодок включает в себя месяцы, множество длительных температурных циклов при четырехзначных температурах и пятизначные цены.
"Длительность производства может быть немного затруднительной, если вы ждете проверки изменений, поэтому это может добавить некоторую сложность в разработку", - отмечает Джейсон Карпентер, инженер по треку и поддержке продукции AP Racing. "Временами вам может понадобиться изучить различные варианты конструкции, что означает необходимость параллельного производства всех вариантов деталей. Обойти это невозможно, это долгий процесс".
"Вы можете играть с конструкцией и ориентацией волокон. Например, трехмерная укладка волокон обеспечивает определенный уровень теплопроводности в определенных направлениях, в то время как более двухмерная конструкция может обеспечить большую согласованность в поведении материала. Существуют различные цели в зависимости от конкретного применения, поэтому у вас есть свобода в выборе специализации карбон-углеродного материала для конкретного применения'.
Индивидуальные колодки
Тормозные колодки в таких системах изготавливаются из того же материала, что и диск, но их точная конструкция - это еще одна область свободы дизайна, которая может быть использована для настройки производительности системы.
"Например, можно изменить пару трения и сочетать двухмерный диск с трехмерной конструкцией колодок", - продолжает Карпентер. "Это означает, что материал накладок может иметь часть волокон, ориентированных по оси y автомобиля (слева направо через осевую линию), что увеличивает теплопроводность в этом направлении и способствует отводу тепла от поверхностей трения".
Карбон-углеродные диски все еще нуждаются в креплении к металлическому тормозному колпаку для обеспечения прочности, но, тем не менее, их вес составляет около одной четверти от веса их железных аналогов. Это может составить огромный процент неподрессоренной массы, позволяя в некоторых случаях сэкономить до 10 кг на колесо.
Коэффициент трения между колодкой и диском как для железных, так и для карбон-углеродных систем не очень высок по большинству стандартов и составляет примерно 0,5. Это означает, что на каждый Ньютон сжимающей силы, приложенной между диском и колодкой, вы получите 0,5 Н тормозного усилия. Затем сила умножается на радиус диска, чтобы получить тормозной момент.
Для сравнения, коэффициент трения (CoF) между гоночной шиной и поверхностью трека колеблется на уровне примерно 1,5.
Получение постоянной характеристики CoF во всем температурном диапазоне системы гораздо более желательно, чем достижение максимального пика CoF, особенно когда приоритетом является долговечность и максимальный срок службы системы.
"В настоящее время основным моментом для разработки колодок является постоянство коэффициента трения в широком диапазоне температур. Фрикционные характеристики при остановке - это область, которой также уделяется большое внимание, поскольку именно этого хотят водители для уверенного торможения", - отмечает Виземан.
"Для водителей важно начальное схватывание, а также относительно плоский профиль по мере нагревания, хотя иногда есть преимущества у материалов колодок с дигрессивной структурой, которые теряют трение по мере нагревания колодки. Это может быть полезно на задней оси, особенно когда автомобиль замедляется и теряет прижимную силу. Это означает, что задние колеса менее склонны к блокировке при падении скорости".
Ощущения водителя - важный момент, и в целом карбон-углеродная технология сияет в плане повторяемости и согласованности. Карбон-углерод - очень жесткий материал, поэтому в дисках и колодках происходит меньше сжатия энергии, что является потерей энергии. Это создает очень жесткую педаль тормоза.
Верхний предел
Конечно, с трением приходит и температура, поэтому, хотя верхний предел рабочей температуры карбон-углеродных дисков намного выше, чем у железных систем, технология все же имеет свой предел.
Когда температура приближается к 1000 градусов Цельсия, диски и колодки начинают химически окисляться в процессе, известном как термическое разложение.
С точки зрения химии, атомы углерода вступают в химическую реакцию с атомами кислорода в окружающем воздухе, что приводит к потере электронов и изменению механических свойств материала. Это изменение можно объективно измерить через уменьшение веса.
Многим из вас знакомо зрелище болидов Формулы-1 со шлейфами черной пыли, вылетающими из-под колес после длительного пребывания в хвосте другого болида. Это перегретый фрикционный материал, который срывается при торможении. Не стоит делать это долго!
Короткие скачки высокой температуры не так уж вредны для системы с точки зрения износа, поскольку окисление - это кумулятивное явление. Более важна средняя температура системы в течение гонки.
"Как правило, вы можете легко определить степень окисления материала диска, просто взглянув на него", - добавляет Карпентер. "Чистый, здоровый диск визуально весьма характерен, поэтому есть вещи, на которые следует обратить внимание как на признаки повышенной температуры фрикционных материалов - например, более блестящее покрытие или полосатость по радиусу. Свидетельства пористости вызывают наибольшее беспокойство и указывают на то, что есть что исследовать в настройках. Тип трассы и/или торможения может также повлиять на то, как проявляется это повреждение".
В большинстве случаев окислительные повреждения можно восстановить, сняв пораженный материал с поверхности диска. Часто он проникает на глубину всего 1-2 мм, оставляя достаточно материала для восстановления и позволяя повторно использовать диск или колодку без проблем.
"Я сталкивался со случаями, когда каналы охлаждения тормозов были заклеены скотчем во время установки, и скотч не был удален перед заездом на полной скорости", - вспоминает Карпентер. "После возвращения в боксы вся система была пережарена. Диски, проводка, тормозные барабаны - все это подверглось воздействию очень высоких температур и получило множество повреждений".
Большинство проблем с карбон-углеродными тормозными системами связано с выходом температуры за пределы диапазона, поэтому команды относятся к этому достаточно ответственно и знают об опасности.
Таким образом, диски, суппорты и колодки получают достаточное количество свежего воздуха через воздуховоды. В F1 самые высокие требования к рассеиванию энергии в автоспорте, поэтому диски могут иметь до 1400 охлаждающих отверстий, простирающихся от внутреннего радиуса к внешнему. Это позволяет максимально увеличить площадь поверхности, доступной для теплообмена. При таком подходе воздух прокачивается через диск при его вращении, поглощая тепло по пути.
Нижний предел
Между зонами торможения температура падает на целых 700 градусов Цельсия, что представляет собой прекрасный переход к другому тепловому явлению, уникальному для карбон-углеродных систем - их минимальному температурному пределу.
В сегодняшнюю эпоху гонок на выносливость, когда необходимо управлять топливом и рекуперацией гибридной энергии, часто можно видеть, как команды применяют некоторые режимы проката, или периоды, когда водители немного ослабляют торможение. Однако это может оказаться сложной проблемой с точки зрения теплового режима.
"Если температура в карбон-углеродных системах опускается ниже 300-400 градусов Цельсия, коэффициент трения падает буквально до половины от нормальных условий эксплуатации, до 0,2. Это действительно может быть очень резкий градиент. Это проблема, которой не страдают железные системы", - отмечает Виземан.
Это не только создает проблемы с точки зрения тормозной мощности и может затруднить возврат тепла в систему, но если одна ось выпадает из температурного окна раньше другой, это может резко изменить тормозной баланс. В условиях гонки это может быть очень трудно восстановить.
Аналогичным образом, прогрев должен проводиться структурированно, чтобы предотвратить достижение температуры одной оси раньше другой.
Управление температурой
Управление температурой сосредоточено не только на диске и колодках. Суппорты также являются частью уравнения, поскольку они чувствительны к теплу из-за близости к тормозной жидкости и используемых полимерных уплотнений поршней.
Конструкция суппорта оптимизирована для минимизации теплопередачи в жидкость, поэтому объем жидкости в суппорте поддерживается как можно меньшим, а для регулирования системы используются различные каналы.
"Температурные градиенты в суппортах и близко не такие, как на дисках и колодках", - говорит Карпентер. "За время остановки фрикционные поверхности могут нагреться на 500 градусов Цельсия, в то время как в суппорте температура увеличится всего на 50 градусов Цельсия. В этом смысле они достаточно изолированы и остаются в диапазоне примерно 150-200 градусов Цельсия в верхней части. Это важно для защиты тормозной жидкости и предотвращения выхода уплотнений поршня за пределы своих возможностей. Но другой аспект заключается в том, что жесткость педали может начать ухудшаться, если жидкость и суппорт перегреваются".
Поэтому терморегулирование имеет решающее значение для гонок с карбон-углеродными системами, и много энергии и ресурсов тратится на поиск оптимального температурного окна для обеспечения производительности и долговечности. При правильном подходе даже современные "железные" системы могут продержаться без замены дисков и колодок в течение всего времени такой сложной гонки, как "24 часа Ле-Мана". Раньше такая роскошь была доступна только карбон-углеродным системам.
Уайзман: "Управление температурой во всей системе очень важно. Главное - понять свой фрикционный пакет и определить наилучшее рабочее окно, а затем поддерживать его на протяжении всей гонки. Быть быстрым и последовательным на протяжении всей гонки - вот что действительно важно. Именно это сделало наши тормоза на Aston Martin такими успешными на 24-й гонке Ле-Мана 2020 года".
Тем не менее, детали изнашиваются в ходе соревнований. Карбон-углеродные системы теряют до 10 мм материала диска в гонках на выносливость, и чуть меньше - в спринтерских гонках. Учитывая, что в таких соревнованиях, как Ле-Ман, они могут проехать более 5000 км, эти показатели износа на самом деле довольно низкие.
За пределами цилиндра двигателя внутреннего сгорания нет более суровой среды для деталей. Под воздействием экстремального тепла, вибрации, напряжения и зажимных сил тормоза должны работать снова и снова без возможности отказа.
В условиях необходимости создания легких, прочных и надежных систем, материаловеды, химики и производители тормозов заслуживают похвалы за их тонкость в понимании граничных условий и разработке компонентов для безупречной работы в них.
Следующие разработки
Поскольку электрический / гибридный автоспорт применяется во все большем количестве чемпионатов, а рекуперативное торможение также добавляется в этот микс, условия теперь меняются.
Поскольку тормозное усилие ограничено трением шин, а часть тормозного усилия в этих чемпионатах обеспечивается электродвигателями (MGU-K), требования к фрикционной тормозной системе становятся менее жесткими.
Эффективное и надежное торможение в таких случаях может быть реализовано только с помощью систем brake-by-wire (BBW), которые отсоединяют педаль водителя от главного тормозного цилиндра и вместо этого используют электрическое управление для включения фрикционного торможения на задней оси, позволяя конструктивно объединить его с системами рекуперативного торможения.
"В наших системах Формулы E способность к рекуперативному торможению является ключевым фактором для управления относительным вкладом каждой системы. У нас есть целевой интерфейс давления, поэтому, основываясь на возможности рекуперации в любой конкретный момент, система управления автомобиля выполняет сложный расчет для определения оставшегося тормозного момента, требуемого от фрикционных тормозов. Затем эта информация передается в систему торможения по проводам", - комментирует Саймон Золлитш, руководитель направления автоспорта в LSP Innovative Automotive Systems. "Чтобы в будущем иметь возможность предоставлять технологию BBW другим гоночным сериям без высоких затрат, наше следующее поколение BBW имеет функциональность для выполнения этих расчетов управления рекуперацией на борту, устраняя сложность программного обеспечения из рабочей нагрузки команды".
Максимальное использование рекуперативного торможения для максимально эффективной гонки означает, что меньше энергии уходит на фрикционную тормозную систему. Это, конечно, позволяет создавать более компактные, компактные и легкие тормозные системы, но открывает ли это дверь для более низкоэффективных технологий фрикционного торможения?
Карбон-керамическая технология уже много лет присутствует на высокопроизводительных дорожных автомобилях. Она менее надежна с термической точки зрения, но зато дешевле и менее энергоемка в производстве, что обеспечивает меньший углеродный след. Поэтому в Формуле-1, в условиях повышенного внимания к вопросам экологичности и соответствия дорожным условиям, ей начинают уделять определенное внимание.
"У нас есть большой опыт применения карбон-керамических систем на быстрых дорожных автомобилях, но, на мой взгляд, на данный момент эта технология еще не подходит для автоспорта. Она слишком ограничена с точки зрения энергии, которую она может принять", - утверждает Дэвид Хэмблин, управляющий директор AP Racing. "Это очень хорошая технология, но она еще не готова для F1, если не сделать огромный шаг назад по сравнению с тем, что есть сейчас".
Карбон-керамическая технология торможения страдает от деградации так же, как и карбон-углеродные системы, хотя и через несколько иной процесс и, что очень важно, при более низкой температуре.
"В своем нынешнем состоянии карбон-керамические тормозные системы значительно тяжелее. Конечно, легче, чем железо, но все же намного тяжелее, чем карбон-углерод", - добавляет Хэмблин.
Тем не менее, учитывая постоянно растущее давление на автоспорт высокого уровня, требующее оставаться на уровне технологий дорожных автомобилей и разрабатывать экологически чистые решения, нет никаких сомнений в том, что в ближайшие годы будут увеличены и продолжены исследования и разработки как углеродно-керамических систем, так и систем BBW.
Автоспорт снова и снова доказывает, что при наличии правильной мотивации можно создать очень необычные и креативные инженерные решения. В этой среде тормозные технологии точно не стоят на месте. Каламбур.
