Задачей тормозного диска является поглощение кинетической энергии движущегося автомобиля и рассеивание ее в окружающую среду, то есть - кинетическая энергия переходит в тепловую, а тепловая из диска уходит в окружающую среду, поэтому понятно, что в процессе торможения он нагревается, а при разгоне автомобиля происходит его охлаждение. Следовательно чем толще диск и чем больше его диаметр тем выше его теплоемкость тем больше энергии он в состоянии аккумулировать. Однако увеличение размеров тормозного диска приводит и к увеличению его веса, что повышает неподрессоренную массу автомобиля, и не рационально используется его толщина. Поэтому в автоспорте нашли применение вентилируемые тормозные диски. У них две шайбы соединены перемычками таким образом, что внутри него образуются каналы по которым циркулирует охлаждающий воздух, т.е. в процессе вращения колеса он работает как центробежный насос. Это решение приводит как к снижению массы диска, так и улучшению его теплоотдачи.
- с прямолинейными каналами
- со спиралевидными каналами
- с хаотичными каналами
Два последних вида дисков значительно быстрее охлаждаются при вращении колеса с высокими скоростями. Спиралевидные диски за счет увеличения насосных свойств спиральных каналов по сравнению с прямолинейными, а хаотические за счет увеличения турбулизации (завихрения) движущегося внутри каналов воздуха, что увеличивает теплоотдачу и, следовательно, к скорость снижения температуры.
С целью снижения массы тормозного диска часто их делают составными . В этом случае чугунный ротор крепится к алюминиевому колоколу с помощью винтов.
Вентилируемые тормозные диски также нуждаются в статической балансировке, т.к. из-за наличия каналов распределить массу чугуна равномерно по периметру диска невозможно. Диски балансируются, как правило, путем механической выборки металла с наружного диаметра тяжёлой части диска. Особо это касается составных дисков. Если диск плохо отбалансирован то это может привести к вибрации колеса при движении с высокой скоростью, а также к снижению ресурса ступичного подшипника.
Теперь разберем какие физические процессы происходят в тормозных дисках в процессе торможений.
Диск нагревается, что приводит к нарушению формы его рабочей поверхности, ее короблению, следствием чего становится увеличение осевого биения диска, передаваемое на руль и тормозную педаль. Для начала рассмотрим причину деформации диска под действием температуры.
Как правило, обычный тормозной диск представляет собой обод, выполненный в одно целое с колоколом П-образного сечения. При нагреве диск, напоминающий в разрезе шляпу, условно стремится вывернуться «наизнанку» за счет разницы длин наружного и внутреннего диаметра. У внутреннего она больше, следовательно, и линейное тепловое расширение также больше. Это приводит к тому, что у «шляпы» приподнимаются поля. Именно череда таких подъемов и опусканий при остывании и приводит к деформации диска. Чем диск массивней, тем меньше он склонен к термическим деформациям. С целью уменьшения вероятности коробления дисков их изготавливают, как правило, из легированного серого перлитного чугуна с мелкодисперсной структурой. Такой чугун имеет хороший коэффициент трения при работе в паре с тормозной колодкой и внутреннюю эластичность, в отличие от стали, которая более склонна к образованию т.н. прижогов и появлению термических трещин. Однако следует помнить, что серые чугуны склонны к отбелу, т.е. к местному, резкому увеличению твердости, что по мере эксплуатации приведет к тем же явлениям, что и коробление диска. Поэтому не следует после сильного нагрева диска сразу останавливаться на длительное время.
Часто можно встретить тормозные диски с перфорацией и канавками . В чем их достоинства? Т.к. диск работает в паре с тормозной колодкой, то при их нагреве в процессе торможения из колодки выделяются газы, так что их отвод крайне важен, особенно в тормозах, работающих в предельных режимах (газы могут создавать подобие воздушной подушки, что снижает эффективность торможения). Канавки и отверстия способствуют удалению воды, грязи, пыли и пр., что также направлено на повышение эффективности торможения в условиях дождя, снега и применения антиго- лоледных реагентов.
Автоспорт, с его повышенными нагрузками на тормоза потребовал эффективной очистки тормозных колодок. Дело в том, что при работе на больших нагрузках тормозные колодки очень быстро покрываются тонким слоем нагара – выгоревшего и отработанного фрикционного материала. Если его не снять принудительно, нагар превращается в смазку снижая тормозной момент. Канавки и шлицы срезают этот отработанный слой, обновляя колодку. Перфорация диска также позволяет увеличить темп его охлаждения и снижает вес тормозного диска. На спортивных дисках канавки и перфорацию выполняют направленными, поэтому нельзя путать диски для правого и левого колеса.
К недостаткам их применения относится более интенсивный износ колодок. Что касается перфорации, то следует помнить: сквозные отверстия приводят к ослаблению прочности конструкции ротора, т.к. они являются концентраторами напряжений и вокруг них начнут образовываться тепловые трещины. Такие диски боятся быстрых перепадов температуры, например, после сильного разогрева диска автомобиль попал в глубокую лужу.
Совершенствование тормозных дисков для автоспорта идет по пути изменения их конструкции, придающая им новые свойства, а также замена чугуна на более современные материалы.
К первому виду относятся тормозные диски разработанные фирмой «AP-Racing».
Его отличие в том, что чугунный ротор закреплен на колоколе не жестко, а при помощи металлических пластин (вспомните крепление нажимного диска к корзине сцепления). Такая конструкция снижает деформацию диска при высоких температурах и вероятность появления термических трещин.
Ко второму виду относятся керамические диски. В них ротор выполнен из керамического материала. Это дает снижение массы диска, повышает его ресурс, увеличивает эффективность торможения особенно при высоких температурах. К недостаткам этих дисков следует отнести их высокую стоимость, низкую эффективность при холодных тормозах, чувствительность к попаданию воды.
Наконец, вершиной конструкции тормозов для автоспорта является фрикционная пара из материала carbon-carbon, где карбоновая колодка трется по карбоновому диску. Такие диски на порядок легче чугунных, выдерживают температуры свыше 1000°С. Однако из-за их сверхвысокой стоимости широкого применения не получили.
Наконец, вершиной конструкции тормозов для автоспорта является фрикционная пара из материала carbon-carbon, где карбоновая колодка трется по карбоновому диску. Такие диски на порядок легче чугунных, выдерживают температуры свыше 1000°С. Однако из-за их сверхвысокой стоимости широкого применения не получили.
Классификация тормозных дисков
Тормозные диски обычно подразделяют на два вида:
- невентилируемые;
- вентилируемые.
Невентилируемые диски изготовлены из сплошной пластины, на которую может быть нанесена перфорация и насечки, или слоты.
Вентилируемые тормозные диски состоят из пары пластин, между которыми имеются полости. Здесь также могут присутствовать насечки и перфорация.
Перфорированные тормозные диски могут быть изготовлены как методом сквозной перфорации, так и методом заглубленной, или глухой, перфорации.
Сквозная перфорация отличается высокой эффективностью в вопросе охлаждения рабочей поверхности диска и отвода газов вместе с продуктами выгорания. Однако этот подход снижает прочностные характеристики диска.
Заглубленная перфорация отличается от сквозного варианта тем, что диск сверлят не насквозь. Это позволяет снизить вероятность растрескивания диска и, вместе с тем, эффективно отводить образовавшиеся в результате работы газы от пятна контакта.
По типу конструкции тормозные диски можно классифицировать на составные и цельные.
Цельные диски изготавливаются из одной металлической заготовки, после чего обрабатываются до рабочей формы.
Составные диски включают в себя ступицу, изготовленную из сплава алюминия, и чугунное кольцо, которое произведено из легированной стали. Эти детали скрепляются между собой болтами. Такое крепление исключает произвольное раскручивание.
Выбирая лучшие тормозные диски, следует помнить, что составные диски обладают более технологичной и легкой конструкцией, которая надежно защищена от деформационных процессов. Здесь наблюдается более совершенный отвод тепла за счет использования алюминиевого сплава.
Составные диски гораздо экономичнее цельных моделей, потому что при необходимости можно заменить только кольцо, что значительно снижает стоимость ремонта.
