Тормозные диски. Часть 1, конструкция

Когда вы нажимаете на педаль тормоза, кинетическая энергия многотонного движущегося автомобиля за доли секунды превращается в тепло. И одну из главных ролей в этом процессе играет тормозной диск. Казалось бы, простая чугунная «шайба», но, если разобраться – сложное высокоточное изделие, которому приходится работать в экстремальных условиях. От его конструкции, применяемого материала и точности изготовления зависит порой не только эффективность торможения, но и человеческая жизнь.

Немного о конструкции

Основная задача диска - обеспечить стабильное трение в паре с колодками, одновременно отводя огромное количество тепла. Если диск перегреется, его может «повести», возможно появление микротрещин или, что ещё хуже, разрушение. Поэтому инженеры разработали несколько принципиально разных типов конструкции, каждый из которых решает свою задачу.

Начнём с самых простых - цельных (невентилируемых) дисков. Это сплошной металлический «блин» без внутренних каналов. Еще лет тридцать назад такие были распространены повсеместно. А сегодня их удел — задняя ось бюджетных малолитражек и механизм стояночного тормоза. Скорости выросли и при активной езде невентилируемые диски быстро перегреваются, поэтому на передней оси или мощных авто их уже не встретишь.

Гораздо более совершенны современные вентилируемые диски. Они состоят из двух рабочих «шайб», соединённых перемычками - рёбрами. Между ними образуется полость, через которую при вращении прогоняется воздух. Форма этих рёбер бывает разной. Самые простые - прямые радиальные. Но куда лучше работают изогнутые «турбинные» ребра: они работают как центробежный вентилятор, активно прогоняя воздух от центра к краям, что повышает эффективность охлаждения на 15–20 %. В очень быстрых спортивных машинах применяют столбиковые рёбра (пилларс) - множество мелких цилиндрических стоек, которые обеспечивают равномерное охлаждение всей поверхности и минимизируют возможные термические напряжения.

Отдельная история - диски с насечками и перфорацией. Сквозные отверстия (перфорация) помогают выводить газы, образующиеся при нагреве колодок, и удалять влагу в начале торможения, но они же становятся концентраторами напряжений - именно от этих отверстий часто расходятся трещины при перегреве. Поэтому такие диски требуют использования специальных, легированных сплавов. Канавки на рабочей поверхности предназначены для очистки поверхности колодок от стекловидной плёнки для стабилизации трения. Самые дорогие комбинированные варианты сочетают и перфорацию, и риски, но их применение из-за довольно высокой цены оправдано только в премиум-сегменте.

Для автомобильных гонок и тяжёлых высокоскоростных серийных авто созданы плавающие (составные) диски. Здесь центральная ступица (часто алюминиевая) и внешнее чугунное фрикционное кольцо соединены не жёстко, а через бронзовые втулки-пальцы. Смысл такого усложнения конструкции прост: при нагреве внешняя часть расширяется быстрее внутренней, и в монолитном диске это ведёт к короблению. В плавающей конструкции кольцо может свободно расширяться относительно ступицы, оставаясь идеально плоским. Это, характерное для спорта решение, постепенно проникает на гражданские авто.

От чугуна до композита

В подавляющем большинстве автомобилей для производства тормозных дисков используются серые чугуны с высоким содержанием углерода европейских марки GG20 и GG25 (российские аналоги СЧ20 и СЧ25, китайские – HT200 и HT250), а для нагруженных систем – GGV (российский СЧ25Н или СЧ30, китайский HT250‑HC) с содержанием углерода 3,2–4,0 %. 

Почему именно чугун, а не сталь? В его структуре присутствуют пластинчатые включения графита, которые действуют как твёрдая смазка: они снижают пиковое трение, предотвращают задиры и эффективно гасят вибрации, делая торможение более тихим. К тому же чугун лучше противостоит появлению тепловых трещин. Однако и здесь есть нюанс: для повышения жаропрочности в сплав добавляют молибден, хром и никель. Хром (до 0,3–0,5%) увеличивает износостойкость, но его избыток может спровоцировать коррозионное растрескивание, поэтому состав строго балансируют.

Для тяжёлых внедорожников и электромобилей, где тормозам приходится работать с повышенной нагрузкой, всё чаще применяют чугун с вермикулярным графитом (CGI) — он в полтора-два раза прочнее обычного серого чугуна и, при этом, обладает приемлемой теплопроводностью.

Альтернатива чугуну - карбон-керамические диски (ССМ). Это уже не металл, а композит из углеродного волокна и карбида кремния. Они весят в два-три раза меньше стали, выдерживают лютый нагрев и отличаются завидной износостойкостью. Правда, у них есть особенность: холодные они тормозят из рук вон плохо, поэтому требуют предварительного прогрева. А еще стоят. Как чугунный мост. Область применения – топовые гоночные серии и гиперкары.

Также встречаются диски из алюмоматричных композитов (Al-MMC). Они легкие, но они хуже отводят тепло и имеют более низкую температуру плавления, поэтому широкого распространения не получили.

Микроны решают всё

Тормозной диск - это не просто чугунная отливка. Он должен соответствовать жёстким допускам, чтобы обеспечить комфорт торможения и безопасность. Самый коварный враг - вариация толщины диска (DTV). Если в разных точках окружности толщина дотличается более чем на 0,010–0,015 мм (для штатных дисков), при торможении возникнет пульсация педали - та самая неприятная вибрация, которую многие ошибочно приписывают «кривым колодкам». Для вторичного рынка допуск чуть шире — до 0,020 мм, но ответственный производители стремятся к минимальным значениям.

Не менее важен параметр осевого биения (LRO) - отклонение рабочей поверхности от идеальной плоскости вращения. Допустимое значение — не более 0,05 мм, а для премиум-автомобилей — 0,03 мм. Превышение этого порога тоже приводит к толчкам на педали и неравномерному износу колодок.

Шероховатость рабочей поверхности тоже строго регламентирована. Она должна иметь параметр Ra в диапазоне 1,5–3,5 мкм. Слишком гладкий диск (менее 1,0 мкм) не позволит колодкам притереться, и тормозной путь увеличится. Слишком шероховатый вызовет аускоренный износ колодок и шум при торможении. Посадочное место под ступицу обрабатывается с допуском H7 (очень высокий уровень точности) - центральное отверстие центрируется с зазором +0,03…+0,05 мм относительно оси колеса - это исключает биение на ходу.

Каждый диск несёт гравировку минимальной допустимой толщины (Min Th). Уменьшение толщины при износе всего на 2–3 мм уже критично: диск перегревается, теряет жёсткость и может разрушиться. Поэтому регулярная проверка толщины и, при необходимости, замена дисков — не прихоть, а необходимость.

Термостойкость и коррозия

Диск должен выдерживать многократные циклы резкого нагрева и охлаждения без образования макротрещин. Представьте: при экстренном торможении со 120 км/ч до нуля температура поверхности взлетает на 600 °C всего за три секунды, а затем быстро падает. Такие термоудары - главная причина усталостных разрушений. Именно поэтому после литья диски обязательно проходят отжиг для снятия внутренних напряжений.

Коррозия тоже не дремлет. Рабочая поверхность остаётся незащищённой, но ступицу и рёбра покрывают цинк-ламельными составами (например, Geomet) или порошковой эпоксидной краской. Это предотвращает появление ржавчины при хранении и эксплуатации и, в дальнейшем, обеспечивает легкий демонтаж диски – он не прикипает к ступице.

В следующей части мы расскажем о технологии производства тормозных дисков.