В автомобильном спорте дисковые тормоза стали активно применяться с 1952 года, после того как на первый гоночный автомобиль V16 BRM фирмой GIRLING был разработан и установлен дисковый тормозной механизм.
Состав дисковых тормозов современного спортивного автомобиля включает тормозной диск, суппорт и тормозные колодки.
Тормозной диск.
Суть работы тормозного диска сводится к тому, что во время движения автомобиля тормозной диск поглощает кинетическую энергию и рассеивает наружу в виде тепловой. При торможении происходит нагревание диска, а при разгоне автомобиля он охлаждается. Чем больше размеры тормозного диска, тем больше энергии он может поглотить, тем выше его теплоемкость. При увеличении размеров тормозного диска увеличивается его вес в целом, а это повышает неподрессоренную массу автомобиля. Для решения этой задачи в автоспорте используют вентилируемые тормозные диски. Две шайбы вентилируемых дисков, соединяясь, образуют внутри них каналы для циркуляции охлаждающего воздуха. Таким образом, теплоотдача диска улучшается, а его масса снижается.
По форме каналов диски бывают с прямолинейными каналами, со спиралевидными каналами и с хаотичными каналами.
Охлаждение дисков со спиралевидными и хаотичными каналами происходит интенсивнее при высоких скоростях. По сравнению с прямолинейными, спиралевидные каналы имеют более усиленные насосные свойства. Хаотические каналы имеют увеличенную турбулизацию воздуха внутри каналов. Как следствие, теплоотдача увеличивается, и температура снижается быстрее.
Для уменьшения массы тормозного диска его нередко изготавливают составным — к алюминиевому колоколу винтами прикрепляют чугунный ротор.
Вентилируемые тормозные диски имеют каналы, из-за которых очень сложно распределить чугун по площади диска. При балансировке дисков производят механическую выборку металла тяжелой части диска снаружи. При некачественной балансировке может появиться вибрация при высоких скоростях, а ресурс ступичного подшипника может снизиться.
Физические процессы в тормозных дисках при торможении. Рабочая поверхность диска из-за нагревания может подвергнуться короблению, в результате осевое биение диска, передаваемое на руль и тормозную педаль, увеличивается.
Деформация тормозного диска возникает в результате многократного нагревания и охлаждения диска, в результате которых обод диска изгибается по краям. Термические деформации возникают чаще в массивных тормозных дисках. Тормозные диски HPB изготавливаются из легированногочугуна марки FC30, с добавками (Cr, Ni, Mo), по технологии предварительной термообработки заготовок, имитирующей условия предельных термонагрузок. Эта технология позволяет выявить большую часть возможных неравномерных статических напряжений в материале, проявляющихся в виде изменения заданной геометрии — коробления диска, сводя к минимуму возможность появления данного негативного процесса в готовом продукте. Тормозные диски HPB имеют увеличеную толщину, это поднимает теплоёмкость и увеличивает устойчивость к нарушению геометрии (короблениям) при больших нагрузках. Улучшает охлаждение, за счёт повышения площади обдуваемой поверхности внутренних каналов вентиляции диска.
Направленные каналы вентиляции, по сравнению с традиционной прямой конструкцией, значительно повышают интенсивность прокачки воздуха по ним, улучшая теплоотдачу. Спиральная конструкция каналов более равномерно распределяет механические напряжения в диске, увеличивая ресурс и уменьшая вероятность образования трещин.
Алюминиевый центр тормозного диска, снижает вес, улучшает теплоотвод, уменьшает термические напряжения в диске. Термическое напряжение в диске вызывается разницей температур диск-центральная часть, алюминиевый центр компенсирует эту разницу коэффициентов расширения материалов.
Проточки на рабочих поверхностях диска помогают отводить из зоны контакта колодки мелкие частицы износа и газовую фракцию( продукт разложения связующих смол, входящих в состав фрикционного материала тормозной колодки, эффект появляющийся при высоких температурах и приводящий к резкому падению коэффициента трения). Проточка, работая как газоотводный канал, предотвращает снижение эффективности торможения и расширяет границы режима работы колодок.
Кроме своих основных функций, поскольку глубина проточки составляет 1мм., она служит отличным визуальным индикатором предельного износа диска.
Перфорация диска, выполняя все те же функции по газоотводу, что и проточки, увеличивает площадь обдуваемой поверхности диска, улучшая охлаждение. При круглогодичной эксплуатации улучшает очистку диска от влаги и грязи.
В случае использования «плавающей конструкции» диска, рекомендуемой для применения в режимах предельных нагрузок (на гоночном треке), позволяет полностью снять термо-напряжения относительно центральной части и предотвратить передачу избыточного тепла на ступичный подшипник. Обеспечивая нормальную работу и увеличенный ресурс этих деталей в самых жёстких условиях.
Суппорт.
Тормозной суппорт современного спортивного автомобиля изображен на рисунке.
Состав суппорта включает две половины корпуса, которые соединяют стяжные болты, а также размещенные внутри них поршни.
Характерные черты хорошего суппорта:
- Эффективное торможение благодаря высокому зажимному усилию.
- Небольшая масса.
- Высокая жесткость и прочность.
Скоба развивает зажимное усилие прямо пропорционально площади поршней. Чем больше площадь поршня, тем больше его диаметр и габариты скобы и ее вес, поэтому спортивные скобы многопоршневые. Многопоршневые скобы более равномерно распределяют удельное давление на колодку, благодаря чему эффективность торможения повышается. На сегодняшний день в спортивных скобах 4, 6 или 8 поршней.
Конструкция поршневой группы имеет свои особенности. Так, например, спортивные тормоза не имеют грязезащитных чехлов из-за работы в условиях предельно высоких температур. Другой особенностью является то, что в спортивных тормозах практически «беззазорный» привод, благодаря чему уменьшается время срабатывания и увеличение свободного хода тормозной педали.
Тормозная колодка.
Суть работы тормозной колодки сводится к обеспечению высокого коэффициента трения при торможении на любой скорости. Состав включает металлический каркас и фрикционный материал.
Чтобы давления распределялись на фрикционный материал равномерно, металлический каркас, как правило, довольно массивный.
Фрикционный материал содержит несколько десятков компонентов. Тормозная накладка должна быть термоустойчивой, прочной и обеспецивать эффективность торможения при температурах 600-700 С.
Разные компоненты тормозной накладки отвечают за разные ее свойства. В остнове любого фрикционного материала лежат наполнители. В настоящее время это разновидности арамидных волокон.
На эффективность торможения негативно влияют как высокие, так и низкие температуры, так что уменьшения тормозного пути можно достичь только на прогретых тормозах.
Тщательный выбор компонентов тормозной системы обеспечивает их надежность и эффективность торможения как при обычной езде, так и при езде на гонках.