Кто придумал современные тормозные диски и почему их долго не использовали в автомобилях?
Сегодня дисковые тормоза применяются в рельсовом транспорте (поезда и трамваи), авиации (в шасси самолетов), бронетехнике и автомобилях. Однако их путь в автопроме был «сложен и тернист». Долгое время автомобили обходились барабанными тормозами. И лишь развитие автоспорта с его высокими скоростями привело к внедрению и совершенствованию дисковой системы. При этом инженеры использовали опыт применения дисковых тормозов в самолетах, бронеавтомобилях и даже танках.
Скрип колеса
Впервые автомобильные дисковые тормоза появились более 100 лет тому назад. 1 декабря 1902 года британский инженер, изобретатель и предприниматель Фредерик Уильям Ланчестер получил патент No. 26,407 на их изобретение. Основанная им вместе с братьями фирма Lanchester Engine Company занималась выпуском автомобилей собственной разработки, а с началом Первой мировой войны производила броневики, которые поставлялись в том числе в Российскую империю.
Идея Фредерика Ланчестера была простой в своей гениальности: прижимать тормозные колодки не к внутренней поверхности барабана, как в барабанных тормозах, а к плоскому вращающемуся вместе с колесом диску. При этом колодки выполнялись из меди, а диски, как и в наши дни, – из чугуна. Быстро выяснилось, что медные колодки жутко скрипели при торможении и быстро изнашивались, а сам диск забивался грязью и пылью и терял эффективность.
Так что для тихоходных автомобилей начала столетия барабанные тормоза оставались вполне уместным решением. Тем не менее, дисковые тормоза начали успешно применяться на железнодорожных поездах, самолетах и танках еще до и во время Второй мировой войны. В автопроме тормозная система с дисками стала распространяться ближе к середине ХХ века, прежде всего на автомобилях, участвовавших в гонках на скорость.
Заокеанские эксперименты
В США в роли первопроходца выступила небольшая фирма по выпуску микролитражек – Crosley. В 1946 она представила первые американские автомобили, оснащенные дисковыми тормозами суппортного типа на всех четырех колесах. На миниатюрный родстер Crosley Hot Shot 1950 года была установлена малоподходящая для него тормозная система Goodyear с вентилируемым ротором, взятая с самолетного шасси. В условиях климата северной части страны она была подвержена коррозии и заеданию. Так что обычно в ходе эксплуатации ее меняли на более привычные барабанные тормоза.
Более серьезно данной темой в Штатах занялась корпорация Chrysler. В 1949 году она презентовала модель лимузина Crown Imperial с дисковыми тормозами на всех четырех колесах, но без суппортов. Система была разработана компанией Ausco по патентам изобретателя Х.Л. Ламберта и впервые испытана на автомобиле Plymouth 1939 года. В отличие от тормозного диска с суппортом, использовались два разжимных диска, которые терлись о внутреннюю поверхность чугунного тормозного барабана, служившего корпусом тормоза.
При первом контакте диска с фрикционной поверхностью небольшие шарики, вставленные в овальные отверстия, ведущие к тормозной поверхности, выталкивались вверх по этим отверстиям, раздвигая диски и заставляя их создавать трение о внутреннюю поверхность барабана. Фактически систему Ausco можно считать одной из вариаций барабанных тормозов, причем, хотя она была эффективней обычных барабанов Chrysler, но имела заметно более высокую стоимость.
Автогонки – это наше «все»!
В Европе прогрессу в развитии дисковых тормозов способствовали популярные там автомобильные соревнования. В 1953 году британская команда Jaguar одержала победу в гонке «24 часа Ле-Мана» на спорткаре C-Type с дисковыми тормозами фирмы Dunlop. Они показали свое превосходство над барабанными тормозами в условиях многократного торможения на высоких скоростях за один круг.
Не дремали конкуренты и из других европейских стран. В 1954 году в итальянскую компанию Alfa Romeo был приглашен новый дизайнер и инженер – Рудольф Хрушка. Ранее он работал в компаниях Magirusи Porsche, где принимал участие в разработке автомобиля Kdf-Wagen и танка «Тигр». На последнем еще в период Второй мировой войны были установлены дисковые тормоза.
После прихода Хрушки в Alfa Romeo была выпущена модель Giulietta. Мощности ее двигателя в 90 л. с. было достаточно для того, чтобы разогнать автомобиль до 165 км/час. И если серийные машины имели на всех колесах гидравлические барабанные тормоза, то разработанная для автосоревнований модель Alfa Romeo Giulietta SZ (Sprint Zagato) с облегченным кузовом из алюминия и более мощным двигателем – уже дисковые.
Автогонки 1950-60-х годов обострили проблему перегрева дисков при торможении. И в 1954 году инженеры Alfa Romeo внедрили вентиляцию дисков для отвода тепла. Ранее такие диски находили применение в составе шасси самолетов с их более высокими скоростями.
Так как цельнометаллический диск не справлялся с тепловыми нагрузками на горных серпантинах, его разделили на две фрикционные поверхности, соединенные радиальными перемычками (лопатками). При вращении колеса эти лопатки работают как крыльчатка центробежного насоса, засасывая холодный воздух из центра диска и выбрасывая его наружу. Создается мощный поток воздуха, который эффективно отводит тепло изнутри.
В 1960-х годах примеру Alfa Romeo последовали коллеги из все той же компании Porsche. В 1965 году они установили вентилируемые тормозные диски на гоночный автомобиль Porsche 906-8 Bergspyder (продавался под маркой Carrera), а затем – уже на все колеса легендарной серийной модели 911S. Как выяснилось в ходе эксплуатации спорткаров, вентилируемый диск рассеивает тепло на 20-30% эффективней, чем цельный диск такого же размера. Поэтому к середине 1970-х он стал стандартом для передних тормозов большинства европейских автопроизводителей: на переднюю ось приходится до 70% тормозного усилия.
По мере увеличения мощности двигателей гоночных спорткаров, росли скорости и нагрузки на тормоза. Это привело к необходимости дальнейшей доработки дисковых тормозов. К 1978 году немецкие инженеры уже устанавливали на обе оси Porsche 930 (Porsche 911 Turbo) перфорированные тормозные диски (спереди с съемной ступицей) и четырехпоршневыми суппортами.
Зачем нужны перфорация и насечки на исках? Все не так просто
На самом деле, модернизация тормозных дисков была вызвана не только необходимостью отвода тепла. Изначально сквозные отверстия (перфорация), как и проточки на поверхности (насечки) – канавки глубиной 2-3 мм решали на гоночных треках две задачи:
1. Отвод газов. Использовавшиеся тогда фрикционные материалы тормозных колодок на основе асбеста и смол при сильном нагреве выделяли газ, который создавал «воздушную подушку» между колодкой и диском, снижая эффективность торможения.
2. Очистка поверхности. Вода, пыль и продукты износа колодок ухудшают контакт с диском. Острые грани отверстий и насечек соскабливают этот слой, поддерживая поверхность колодки в рабочем состоянии.
Современные безасбестовые колодки почти не выделяют газа. Тем не менее, перфорация и насечки по-прежнему выполняют полезные функции:
· Сквозные отверстия отводят воду с поверхности диска, обеспечивая уверенное первое торможение в дождь, а также обеспечивают дополнительные «кромки зацепления» для колодки. Также перфорация уменьшает вес диска на 5-10%. При этом каждое отверстие – это концентратор напряжений, вокруг которого со временем могут образовываться микротрещины, особенно при циклах резкого нагрева и охлаждения. При экстремальных нагрузках срок службы перфорированного диска меньше на 30-40%, а колодок – на 15-20%.
· Насечки не только отводят воду и грязь, но и обновляют поверхность колодки, предотвращая ее «остекление». В отличие от перфорации, они не создают зон концентрации напряжений и не склонны к растрескиванию. Насечки сохраняют 95% прочности диска и могут быть восстановлены при проточке. Однако они служат причиной ускоренного износа колодок и возникновения специфичного жужжания при торможении.
Вдобавок к этим нюансам, есть объективные особенности производства таких дисков, которые ограничивают их применение в основном премиальными и/или скоростными моделями авто. Процесс перфорации тормозных дисков требует высочайшей точности. Отверстия диаметром 5-8 мм сверлятся под углом 30-45° к поверхности диска по сложной схеме, обеспечивающей равномерное распределение нагрузки.
Критически важные параметры:
· Диаметр отверстий – слишком большие ослабляют диск, слишком маленькие не дают эффекта.
· Плотность перфорации – оптимально 60-80 отверстий на диск диаметром 300 мм.
· Обработка кромок – фаски и полировка предотвращают образование трещин.
Попытка объединить преимущества обеих технологий привела к появлению вентилируемых дисков с перфорацией рабочих поверхностей. Например, такие диски устанавливаются на спортивные версии серийных автомобилей известных немецких брендов: BMW M-серии, Mercedes-AMG, Audi RS.
Особенности конструкции:
· Перфорация выполняется только на внешних поверхностях.
· Отверстия не проходят насквозь через вентиляционные каналы.
· Применяются специальные высокопрочные сплавы с добавлением молибдена и хрома.
«Пошли в серию»
На этом фоне вечной гонки за скоростными рекордами остается вопрос: а что же с серийными автомобилями для массового потребителя? Как давно и широко на них используются дисковые тормоза, в том числе с вентиляцией и перфорацией? По мнению большинства историков мирового автопрома, первым автомобилем, в котором в рамках массового производства были использованы современные автомобильные дисковые тормоза с суппортом, стал в 1955 году французский Citroën DS.
Это без преувеличения легендарный автомобиль с узнаваемым дизайном и массой технологических новшеств, который оставил яркий след в истории техники. Не зря его название можно перевести с французского языка как «богиня» (из-за созвучия аббревиатуры DS со словом déesse). Тормозные диски в нем были установлены рядом с коробкой передач и приводились в действие центральной гидравлической системой. За 20 лет было продано около полутора миллионов таких машин с дисковой тормозной системой.
Первым «семейным автомобилем», у которого все тормоза были дисковыми, стал итальянский FIAT 124, тогда как его предшественник FIAT 1500 имел еще задние барабанные тормоза. Очень интересная история была связана с адаптацией этой модели в СССР при запуске производства знаменитой «копейки» - ВАЗ-2101 в начале 1970-х годов.
Как известно, итальянский прототип подвергся серьезной модернизации под советские условия эксплуатации. В том числе дисковые тормоза на задней оси были заменены на барабанные. При этом пришлось дорабатывать тормоза на передней оси ВАЗ-2101: на них появились огромные двухпоршневые суппорты.
Любители советского автопрома до сих пор спорят, зачем это было сделано. Одна из версий: для удешевления конструкции, так как барабанные тормоза стоили в два-три раза дешевле дисковых. Другое возможное объяснение: для адаптации автомобиля к передвижению по сельским грунтовым дорогам.
Сейчас похожая ситуация складывается с необходимостью адаптации под российские условия китайских автомобилей, особенно внедорожников, например, таких как Tank 300 или 500. Хотя не фиксируется жалоб российских владельцев на их тормозную систему, проблема быстрого износа колодок и дисков на китайских автомобилях хорошо известна автомеханикам на СТО. Поэтому после пробега около 10 000 км в условиях отечественного бездорожья рекомендуется производить замену на вентилируемые диски OEM-качества из серого чугуна со специальным составом, например, бренда AVTOPRIBOR.
Интересные факты
Кто такой Бендикс?
В наши дни обгонная муфта в автомобиле носит название «бендикс». Это деталь стартерной системы, которая обеспечивает передачу крутящего момента от электродвигателя стартера к маховику ДВС при запуске и предотвращает передачу обратного момента от запущенного двигателя к стартеру. Название дано в честь американского изобретателя и предпринимателя – Винсента Бендикса, который разработал и запатентовал этот компонент еще в 1910 году.
Его деятельность также была связана с тормозными системами. В 1922 году отец Бендикса, священник методистской церкви Янн Бенгтссон погиб под колесами автомобиля, который вовремя не смог затормозить. В память об отце и для предотвращения таких случаев в будущем Винсент, изменивший шведскую фамилию на американский манер, основал компанию по выпуску тормозных систем Bendix Brake Company и выкупил у французского инженера Анри Перро права на конструкцию тормозного барабана/колодки. В 1960-х годах компания Бендикса добилась больших успехов в производстве автомобильных тормозов, представив дисковые тормоза с фиксированным суппортом и систему Duo-Servo (фактически стала мировым стандартом для барабанных тормозов).
Нет предела совершенству
Даже современные вентилируемые и перфорированные диски могут подвергаться доработкам и улучшениям. Главный недостаток дисковых тормозов в сравнении с барабанными – их больший вес. Конструкторы снижают массу за счет использования вместо специального серого чугуна более легкие алюминиевые сплавы и углеродные композиты.
Также в дело вступает так называемая оптимизация топологии. Она позволяет снизить массу тормозной системы без ущерба для ее эффективности. В рабочей зоне диска температура при торможении может доходить до 550°C. Но при этом другие части диска за счет отвода тепла через проточки и отверстия не испытывают столь высокого нагрева и в то же время не несут большой функциональной нагрузки. Соответственно из этих зон можно удалить материал, не ухудшив рабочие характеристики.
Например, вес одного диска может составлять 6,89 кг, или 27 кг для четырех дисков на одном автомобиле. Эту массу можно уменьшить на 14% с сохранением имеющихся результатов работы диска по температуре и деформации. Однако из-за производственных ограничений реальное уменьшение массы возможно лишь на 11%. Таким образом, после модификации конструкции вес диска с проточками и отверстиями можно уменьшить на 750 г до 6,15 кг, то есть в общей сложности для всего автомобиля на 3 кг.
Также читайте в нашем блоге на Drive2:
Автомобильные тормозные диски AVTOPRIBOR
Автомобильные тормозные колодки AVTOPRIBOR
Что на самом деле происходит при нажатии на педаль тормоза?
Почему тормозные колодки рассыпаются в труху: разбираем механику разрушения фрикционного материала
Фрикцион тормозных колодок: какой бывает и как выбрать «правильный» тип
История одной педали: эволюция автомобильных тормозов за 100 лет