Недавно в одном из наших обзоров мы рассматривали сильные и слабые стороны керамических тормозных колодок. Тем не менее, керамические материалы также могут использоваться в производстве тормозных дисков. Фактически, эти диски многослойные, но это не является ключевым моментом. Главное – действительно ли они настолько эффективны, чтобы оправдать высокую цену, достигающую иногда 500 тысяч рублей, 800 тысяч или даже миллиона? Являются ли такие затраты обоснованными, или можно найти более доступную альтернативу?
Идея использования тормозных дисков возникла больше столетия назад как замена барабанным механизмам. В 1902 году Уильям Ланчестер представил конструкцию, напоминающую современные велосипедные дисковые тормоза. Хотя изобретение показало себя неплохо, применяемый металл – в основном медь – издавал сильный скрип. Более того, он сильно нагревался, что вызывало быстрое закипание тормозных жидкостей, основанных на спиртах и маслах, которые использовались в то время. Из-за этих проблем внедрение дисковых тормозов на автомобили было отложено до середины XX века.
К началу 1950-х годов мощность двигателей легковых автомобилей значительно возросла, а конструкция подвески и рулевого управления стала более сложной. Это позволяло развивать большую скорость, но барабанные тормоза уже не справлялись с такими нагрузками. Именно тогда инженеры вновь обратились к дисковым тормозам. Хотя эксперименты с ними велись постоянно, создание действительно работоспособной и простой конструкции так и не удалось. Однако благодаря упорной работе компания British Girling разработала качественные дисковые тормоза современного типа. Впервые они были установлены на дорогом и быстром автомобиле Jaguar C-Type.
Несмотря на перспективность новой разработки, у нее также имелись недостатки. Например, при несовместимости колодок и дисков новые тормоза скрипели так же, как и более ранние модели. Кроме того, сопрягаемые детали изнашивались быстрее по сравнению с барабанными тормозами. Именно поэтому последние до сих пор остаются актуальными и встречаются на недорогих автомобилях с невысокой мощностью.
Несмотря на развитие альтернативных технологий, барабанные тормозные механизмы продолжают активно использоваться на грузовых автомобилях. Ограничением для увеличения размеров дисковых тормозов являются габариты колеса, поскольку размеры дисков и колодок, необходимых для эффективного торможения, не могут быть неограниченно увеличены. В то же время, в барабанных системах расширение ширины колодки и внутренней поверхности барабана – задача более простая, при этом размер колеса не является существенным фактором. Привлекательной особенностью таких решений является их относительно низкая стоимость.
Первые тормозные диски изготавливались из цельного куска чугуна. Для автомобилей того времени этого было достаточно, однако с увеличением мощности двигателей и ростом максимальной скорости возникла новая проблема: необходимость более эффективного замедления. Тормоза перестали справляться при перегреве колодок и дисков.
Решением стало создание вентилируемых тормозных дисков – между двумя рабочими поверхностями появился воздушный зазор, соединенный изогнутыми перемычками для улучшения охлаждения. Но вскоре возникла новая сложность: засорение сопрягаемых плоскостей продуктами износа. Для решения этой проблемы на рабочей поверхности стали делать отверстия, обеспечивающие удаление твердых частиц и газов, образующихся при нагреве колодок. Позднее начали применять проточки – прорези на рабочей поверхности диска для той же цели.
Казалось бы, совершенство достигнуто, но для гоночных автомобилей, особенно в Формуле 1, этого было недостаточно. Интенсивные циклы нагрева и охлаждения приводили к деформации тормозных дисков, что ухудшало качество торможения. Кроме того, увеличение габаритов диска для повышения эффективности вело к росту неподрессоренных масс и затрудняло размещение механизма на оси.
В качестве первого шага к решению проблемы был предложен вариант изготовления составных тормозных дисков. Использование металлов с различными температурными коэффициентами позволило сохранить габариты тормозных механизмов в пределах разумного и минимизировать увеличение их массы. Внешний слой, как и ранее, изготавливался из чугуна, обладающего достаточной твердостью и стабильностью при работе, а внутренний – из легкого сплава, чаще всего алюминия. Одним из видов таких составных дисков являются плавающие тормозные диски, характеризующиеся отсутствием жесткой связи между их частями.
Однако со временем и этот подход оказался ограниченным. Возможности традиционных металлов были практически исчерпаны, что потребовало поиска новых материалов. Первые композитные тормозные диски, включающие керамические частицы, усиленные углеволокном, были разработаны инженерами Alstom для высокоскоростных поездов TGV в 1988 году. При этом изначально они не предназначались для автомобильной промышленности. Производство таких дисков осуществлялось по технологии CMC (Ceramic Matrix Composites), предполагающей соединение армирующих волокон с керамической матрицей.
Данная технология продемонстрировала высокую эффективность на железнодорожном транспорте и вскоре была применена в автомобилестроении. Уже через год компания Porsche представила первую модель, оснащенную керамическими тормозными дисками – 911 Turbo S. Первоначально эта опция предлагалась за дополнительную плату. В течение 1990-х годов модели престижных марок стали комплектоваться керамическими тормозными дисками в стандартной конфигурации. Тем не менее, такие тормоза так и не получили широкого распространения, и даже спустя десятилетия они устанавливаются далеко не на все дорогие автомобили, зачастую доступные только за доплатой.
Керамические тормозные системы обладают рядом преимуществ по сравнению с композитными аналогами, включая способность сохранять эффективность торможения при повышенных рабочих температурах, снижение веса до 50% при тех же габаритах, увеличенный срок службы и стабильность характеристик в течение всего периода эксплуатации. Дополнительно, они характеризуются полной устойчивостью к коррозии.
В настоящее время производство керамических тормозных дисков осуществляется по технологии CCM (Carbon Ceramic Matrix), с использованием композиционного материала на основе углерода и керамики. В качестве основы выступают армирующие волокна, обычно углеродное волокно, которое смешивается с различными полимерами, такими как полиамид, полиэтиленимин или полиакриламид. Полученная смесь подвергается высокотемпературному обжигу в форме на протяжении нескольких часов, что приводит к формированию полимерной матрицы вокруг волокон. После охлаждения заготовки поверхность обрабатывается на станках с числовым программным управлением, одновременно создаются необходимые отверстия. Затем тормозной диск нагревают до 1000 градусов и выдерживают при этой температуре в течение суток, после чего температуру повышают еще на 500 градусов и добавляют мелкодисперсный порошок кремния для взаимодействия с углеродными остатками. Завершается процесс финальной обработкой диска; некоторые модели проходят дополнительную полировку.
Технологический цикл изготовления керамического тормозного диска достаточно продолжительный и включает в себя множество этапов, что обуславливает его высокую стоимость – один из наиболее существенных недостатков. К небольшим ограничениям можно также отнести хрупкость: такие диски чувствительны к ударам. При этом механические повреждения не всегда очевидны сразу и могут проявиться только в процессе эксплуатации, поэтому требуется бережное обращение с керамическими тормозными дисками.
Примечательно, что наряду с традиционными барабанными тормозами, используемыми на грузовых автомобилях, там все чаще встречаются карбоновые тормозные диски. Да, это дорогостоящее решение, но в определенных условиях оно оказывается оправданным. Например, при эксплуатации большегрузов в гористой местности: керамические тормоза способны длительное время выдерживать высокие температуры при движении по протяженным спускам. В любом случае, стоимость самого грузовика и перевозимого груза значительно превышает цену даже таких дорогих компонентов.
В текущий момент производство керамических тормозных дисков осуществляют ограниченное число предприятий. К их числу относятся Brembo, Carbon Ceramics Ltd и SGL Carbon. Несмотря на то, что каждая из этих компаний применяет собственные методики и составы при создании керамических дисков, общие черты в их производстве присутствуют. В силу значительной стоимости, данный вид тормозных дисков пока не получил широкого распространения среди автомобилистов. Это контрастирует с керамическими колодками, которые можно приобрести по относительно доступным ценам для многих марок автомобилей.
