Тормозные барабаны: от серого чугуна до биметалла

Тормозной барабан — важный элемент тормозной системы. От того, из чего он сделан, зависит эффективность торможения и безопасность автомобиля. В этой статье подробно разберем, какие материалы используются в производстве, их плюсы и минусы, а также кратко расскажем про современные технологии изготовления.

СЕРЫЙ ЧУГУН: ОСНОВА ОСНОВ

В 95% случаев тормозные барабаны изготавливают из чугуна, и самый популярный представитель этого семейства — серый чугун. Его химический состав включает 2–4% углерода. Углерод в этом сплаве присутствует в виде пластинчатого графита, что и определяет характерный серый цвет излома.

Почему производители выбирают именно этот материал?

• Высокий коэффициент трения - чугун отлично «сочетается» с фрикционными накладками, обеспечивая стабильное и предсказуемое замедление.
• Демпфирование - материал эффективно гасит вибрации, возникающие при трении колодок о барабан, что снижает риск появления противного «визга».
• Износостойкость - графит в структуре играет роль твердой смазки, уменьшая износ как самого барабана, так и колодок.
• Теплоемкость - чугун способен поглощать и аккумулировать большое количество тепловой энергии без резкого перегрева рабочей зоны.
• Экономичность - относительно низкая стоимость и простота литья делают серый чугун незаменимым для массового производства.

Недостатки: материал тяжелый, подвержен коррозии и может трескаться при резком термическом ударе, например, при въезде в глубокую лужу после интенсивного торможения.

ЛЕГИРОВАННЫЙ ЧУГУН: РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕГРЕВА

Чтобы повысить эксплуатационные характеристики, в состав чугуна вводят легирующие элементы: хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo) и ванадий (V). Легирование не просто улучшает свойства, а кардинально меняет поведение металла под нагрузкой. Такие барабаны:

• обладают повышенной жаропрочностью и термостойкостью, выдерживая экстремальные температуры без образования микротрещин;
• имеют увеличенный предел прочности, что критично для тяжелых грузовиков.

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ БАРАБАНЫ

Там, где требуется максимальное снижение массы и борьба с перегревом, применяется технология «биметалл» (чугун с алюминиевой «рубашкой»). Это сложная конструкция, состоящая из двух частей. Рабочая часть (гильза): изготавливается из легированного чугуна. Она обеспечивает необходимое фрикционное взаимодействие с колодками. Наружная часть (обечайка) отливается из алюминиевого сплава и часто имеет развитые ребра охлаждения. Соединение этих двух частей выполняется методом литья под давлением (алюминий заливается вокруг чугунной гильзы) или запрессовкой.

Преимущества биметалла:

• Улучшенное охлаждение - алюминий имеет высокую теплопроводность, а ребра увеличивают площадь теплоотдачи. Такой барабан остывает в 2–3 раза быстрее классического чугунного.
• Снижение веса - алюминиевая часть значительно легче чугунной, что уменьшает неподрессоренные массы автомобиля.

Недостатки: высокая стоимость и сложность производства, а также риск расслоения компонентов при экстремальных нагрузках.

АРМИРОВАННЫЕ БАРАБАНЫ: БОЛЬШЕ ПРОЧНОСТИ

Армированные тормозные барабаны — это гибридная конструкция, в которой сочетаются два разных материала: стальная наружная оболочка и чугунная рабочая поверхность. Такая архитектура решает главные проблемы цельнолитых чугунных барабанов — их склонность к растрескиванию при перегреве и большой вес. Наружная стальная оболочка (steel shell) — обеспечивает жёсткость и защиту от растрескивания, а внутренняя рабочая поверхность из высоколегированного чугуна — отвечает за фрикционные свойства, теплоотвод и износостойкость. Такие барабаны — это решение для тяжёлых условий эксплуатации. Они применяются в тяжелой, строительной и специальной технике.

СТАЛЬНЫЕ БАРАБАНЫ: ТАКОГО НАМ НЕ НАДО

На рынке иногда встречаются стальные тормозные барабаны. Чаще всего это дешевые запасные части или специфические решения для легких прицепов. Сталь легче чугуна, но значительно уступает ему по фрикционным свойствам. Она имеет низкий коэффициент трения, хуже гасит вибрации (что приводит к появлению шума), быстрее изнашивается и склонна к короблению (деформации) при перегреве. Использование таких барабанов на легковых автомобилях не рекомендуется.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ: РЕБРА И ОКНА

Изготовить качественный тормозной барабан сложнее, чем сковородку. Современные барабаны могут иметь сложную геометрию. Ребра охлаждения увеличивают площадь поверхности для отвода тепла.

В конструкции открытых барабанов есть «окна» - сквозные проемы для лучшего охлаждения. Они обеспечивают лучшую вентиляцию и более стойки к перегреву, но при этом барабаны теряют защиту от грязи и воды, что может снизить ресурс колодок в сложных условиях эксплуатации.

Часто окна комбинируются с ребрами для лучшего охлаждения.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА: ОТ ЛИТЬЯ ДО БАЛАНСИРОВКИ

Производство тормозного барабана — достаточно сложный процесс, включающий несколько обязательных этапов. Начнем с литья. Здесь могут использоваться разные технологии:

• Литьё в песчано-глинистые формы - самый простой, но не слишком эффективный способ для производства цельнолитых чугунных барабанов. Он недорогой и позволяет получать барабаны сложной формы с рёбрами и окнами. Минус - невысокая точность, большой объем последующей механической обработки.
• Литьё в кокиль. Кокиль — это металлическая форма многоразового использования. Её изготавливают из чугуна или стали, и в неё заливают расплав. За счёт высокой теплопроводности металлической формы отливка кристаллизуется быстрее и получается более плотной, с лучшей структурой металла. Эту технологию порой используют при производстве биметаллических барабанов. Внутрь кокиля устанавливают чугунную или стальную втулку, а затем заливают алюминиевый сплав. Главная проблема при таком способе — прочность сцепления двух металлов. Её регулируют температурой: если втулку подогреть до 100–380°C, заделка получается надёжнее. Преимущества метода: высокая точность, хорошая чистота поверхности, экономия металла (меньше припусков на обработку). 
• Центробежное литьё используют в основном для биметаллических барабанов. Суть метода простая: форму раскручивают на центробежной машине с горизонтальной осью вращения, и расплавленный металл под действием центробежной силы равномерно распределяется по стенкам. Центробежное литьё даёт плотный металл с минимумом пор, а главное — обеспечивает надёжную «сварку» двух разных материалов. 
• Литьё под давлением - высокопроизводительный автоматизированный метод. Расплавленный металл под высоким давлением подают в пресс-форму. Для тормозных барабанов его используют не часто. По такой технологии делают, например, армированные барабаны.

Далее отливка подвергается отжигу. Эта процедура снимает внутренние напряжения, которые возникают при кристаллизации металла, предотвращая появление трещин в будущем.

Потом заготовка проходит токарную обработку. Это обеспечивает:

• точность геометрии рабочей поверхности;
• соосность посадочных мест и рабочей поверхности;
• балансировку барабана (статическую и динамическую);
• заданную шероховатость поверхности.

На некоторых моделях применяется поверхностное упрочнение - азотирование или другие методы термической обработки для повышения износостойкости рабочей поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбор материала тормозного барабана напрямую влияет на безопасность. Для большинства массовых автомобилей оптимален серый чугун — он надежен, дешев и долговечен. Для тяжелых условий эксплуатации (горная местность, буксировка прицепа, активный стиль вождения) предпочтительнее легированный чугун или биметаллические конструкции. Армированные барабаны – для профессионального использования. Стальные, несмотря на низкую цену, стоит рассматривать лишь как временное решение из-за худших тормозных характеристик.