Brakes

From GT86 | BRZ wiki
Revision as of 15:33, 6 November 2025 by Efnez (talk | contribs) (→‎Ссылки)
(diff) ← Older revision | Latest revision (diff) | Newer revision → (diff)
Jump to navigation Jump to search

Тормозные системы и их модернизация

Авторы: Стивен Руис, руководитель инженерной группы, и Кэрол Смит, инженер-консультант, компания StopTech LLC

Практически любой автомобиль способен остановиться с высокой скорости один раз, при условии, что шины и тормоза работают идеально. Однако тормозные системы большинства «гражданских» машин, пикапов и даже некоторых «заряженных» автомобилей не предназначены для интенсивных или спортивных режимов эксплуатации, таких как активное прохождение поворотов, скоростное торможение или буксировка. Основная проблема — недостаточная теплоемкость и теплоотдача тормозных дисков и суппортов, что приводит к быстрому нагреву и, как следствие, к ухудшению эффективности.

Кроме того, у стоковых компонентов зачастую недостаточная конструктивная жесткость, что снижает эффективность передачи усилия и может привести к нежелательному деформированию или растрескиванию. Большинство заводских тормозных систем ориентированы на комфорт и тихую работу, а не на экстремальные условия эксплуатации. Поэтому при спортивном или динамичном вождении появляется необходимость в модернизации.

Что нужно учитывать при выборе высокопроизводительной тормозной системы Производительность и безопасность — основные параметры, от которых зависит эффективность и надежность. Легкость установки — важный фактор при самостоятельной модернизации. Стоимость — вариант эконом-класса или действительно серьёзное инженерное решение. При выборе системы важно учитывать следующие аспекты:

Тормоза лишь замедляют — шины останавливают.

Тормозной путь зависит не только от тормозных колодок и дисков, но и от состояния и типа шин. Высококлассные шины с хорошим сцеплением могут существенно снизить тормозной путь, а использование некачественных шин сведет эффективность любой тормозной системы к минимуму.

Тепловая энергия и рассеивание тепла

При торможении часть кинетической энергии превращается в тепло, которое нужно эффективно рассеивать.

Например, чтобы остановить автомобиль массой 1,5 тонны со скорости 160 км/ч за 8 секунд, на одно колесо приходится энергия порядка 30600 калорий (128 КДж) в секунду. Тормозной диск поглощает около 80% этой энергии, и его конструкция должна обеспечивать как теплоемкость (чтобы не деформироваться и не трескаться при длительных торможениях), так и теплоотдачу (к вентиляции, излучению, конвекции).

Конструкция и материал тормозных дисков

В официальных гонках используются диски с высокопроизводительными конструкциями, такими как отверстия или насечки, что увеличивают тепловую отдачу и вентиляцию. Современные разработки идут в сторону использования перфорированных или ребристых дисков, а также дисков с насечками, которые обеспечивают эффективность без дополнительных слабых мест, связанных с перфорацией.

Теплоемкость и теплоотдача

Чем больше площадь поверхности на диске при одинаковой массе, тем быстрее он сможет рассеивать тепло. Также важна вентиляция — наличие каналов и отверстий для интенсивного воздушного охлаждения.

Материалы и инновационные решения

Титановый поршень в суппорте значительно снижает тепловой контакт между тормозной колодкой и жидкостью, что позволяет снизить вероятность закипания тормозной жидкости и повысить стабильность работы системы при экстремальных нагрузках.

Физика тормозной системы

Перед тем как перейти к дальнейшим рассуждениям, обратимся к физике процесса и рассмотрим основные определения.

Коэффициент механического усиления педали

Человек не может прямо давить на главный цилиндр с силой, достаточной для остановки автомобиля. Поэтому педаль тормоза устроена так, чтобы увеличивать усилие, прикладываемое водителем. Коэффициент механического усиления педали – это отношение расстояний от точки крепления педали до центра площадки и до штока главного цилиндра. В большинстве случаев его значение лежит в пределах от 4:1 до 9:1. Чем выше коэффициент, тем больше увеличивается сила давления на педаль и, соответственно, ход педали увеличивается.

Давление в тормозной магистрали

Это гидравлическая сила, которая заставляет систему работать при нажатии педали. Давление измеряется в кг/см² (Бар) и определяется как отношение силы, умноженной на коэффициент усиления, к площади сечения главного цилиндра. При одинаковой силе давления в системе большее давление будет в системе с меньшим сечением цилиндра. Типичные значения давления для остановки автомобиля варьируют от 55 до 137 Бар.

Сила зажима суппорта

Это сила, прикладываемая поршнями суппорта к тормозному диску. Она рассчитывается как произведение давления в магистрали на общую площадь поршней. В числовом выражении: сила зажима (Н) давление (кг/см²) × площадь поршней (см²). Увеличение площади колодок не влияет на силу зажима, однако увеличивает расход тормозной жидкости, что важно учитывать при проектировании систем.

Тормозной момент

Это основной параметр, отвечающий за тормозную эффективность. Тормозной момент определяется как произведение эффективного радиуса диска на силу зажима, умноженную на коэффициент трения, делённый на 12. Величина тормозного момента на одном колесе показывает, насколько эффективно система способна создать крутящий момент для замедления автомобиля. Обычно тормозной момент передних колёс превышает крутящий момент, развиваемый двигателем, что позволяет сохранить стабильность при торможении.

Выводы из физических характеристик тормозной системы

Увеличение давления Для повышения давления в системе можно использовать более длинный рычаг педали или уменьшить диаметр главного цилиндра, однако это увеличит ход педали.

Усиление зажима

Сила зажима увеличивается либо за счёт повышения давления, либо за счёт увеличения диаметра поршней в суппортах. Размер колодок не влияет на силу зажима. Увеличение диаметра поршня приведёт к увеличению хода педали.

Максимальный тормозной момент

Достигается за счёт увеличения эффективного радиуса диска, площади поршней, давления в системе или коэффициента трения. Размер колодок влияет на их износ и теплоотдачу, но не напрямую на тормозной момент.

Распределение тормозных усилий между осями

Большинство автомобилей проектируются так, чтобы основной тормозной момент приходился на передние колёса. Причины этого – динамика загрузки колес при замедлении и возможность управлять автомобилем во время экстренного торможения.

Причины распределения тормозных усилий

  • Вес смещается на переднюю ось при торможении.
  • Блокировка задних колёс ухудшает управляемость, а блокировка передних возможна лишь при высокой нагрузке – она необходима для эффективного торможения.
  • В гоночных автомобилях обычно до 60% тормозного усилия приходятся на передние колёса, а аэродинамика обеспечивает дополнительную прижимную силу задней части.

Ограничительные клапаны давления заднего контура Ограничивают давление в задних тормозных контурах, чтобы избежать блокировки задних колёс при интенсивном торможении. Эти клапаны позволяют регулировать распределение усилий и сохранять управляемость автомобиля.

Технические аспекты тормозных систем

Жесткость педали и дозирование тормозного усилия

Мозг и тело человека воспринимают изменение приложенной силы точнее, чем перемещение. Вот почему штурвалы современных истребителей имеют очень маленький ход. Педаль тормоза твердостью должна напоминать кирпич. Это ощущение зависит от следующих факторов:

1) Тормозные шланги: оптимальной жесткости педали невозможно добиться со стоковыми гибкими резинотканевыми шлангами - они расширяются под давлением, уменьшая жесткость педали и одновременно увеличивая ход педали и время реакции тормозной системы. При модернизации тормозной системы следует первым делом заменить гибкие стоковые шланги на тефлоновые в оплетке из нержавеющей стали. При этом убедитесь, что они подходят к вашему случаю, и сертифицированы для USDOT. Заявление о наличии сертификата DOT должно Вас насторожить - DOT ничего не сертифицирует. Производители подтверждают, что их продукция соответствует требованиям DOT, а поставщики могут заказывать исследования в лабораториях утвержденных DOT. Заменяйте все шланги одновременно. Из-за расширения, стоковые шланги передают тормозное усилие на суппорты с задержкой. Замена только передних шлангов приведет к возникновению сдвига между срабатыванием тормозов спереди и сзади и может даже повлиять на логику срабатывания системы ABS.

2) Диаметры главного цилиндра и поршней в суппортах: сдвоенный главный тормозной цилиндр с регулировкой распределения усилия между контурами отлично зарекомендовал себя на гоночных трассах. Но установка его на обычный автомобиль для дорог общего пользования не несет практического смысла. При выборе системы на замену стоковой убедитесь, что цилиндры в суппортах соответствуют характеристикам всей системы.

3) Биение и неравномерный износ дисков: водитель в состоянии почувствовать как биение диска на более чем 0.006" и неравномерный износ превышающий 0.001", так и налипание материала от перегретых колодок. Биение может быть вызвано недостатками конструкции лопаток или соединения с центральной частью, неправильным монтажом, перегревом или комбинацией вышеперечисленных факторов.

4) Жесткость суппортов и их установки: прижимное усилие стремится развести противоположные края суппорта, что приводит к увеличению хода педали и неравномерному износу колодок. Единственный выход - правильная конструкция и подбор материалов; невозможно исправить "мягкие" суппорта. И даже самый жесткий суппорт окажется неэффективным при недостаточно жесткой установке.

5) Разбалансированнные диски или покрышки: невозможно дозировать тормозное усилие на вибрирующем колесе. Диаметр дисков, по сравнению с колесами, невелик, но они тоже должны быть отбалансированы. Установка балансировочных грузиков привела бы к ухудшению воздушных потоков, поэтому лучше удалять излишки материала с тяжелой стороны. Значительное смещение центровки при литье, выраженное в разнице толщины рабочих поверхностей, приведет к неустранимому дисбалансу.

6) Характеристики схватывания и распускания колодок: для эффективного дозирования тормозного усилия колодки должны схватывать сразу же при нажатии педали и распускаться как только педаль отпущена. Это целиком зависит от выбора колодок. Как правило, использование разных по составу колодок спереди и сзади не приводит ни к чему хорошему, и уж точно не стоит ставить назад колодки которые лучше схватывают или имеют больший коэффициент трения.

Ослабевание тормозов

Продолжительная повышенная нагрузка на тормоза может привести к "ослабеванию" тормозной системы.

Различают два вида ослабевания: 1) Отказ колодок. Когда температура в зоне контакта колодки и диска превышает рабочие значения, колодка начинает терять свои фрикционные свойства, отчасти благодаря испарению связывающих компонентов из материала колодки. Ослабевание также может быть вызвано преобразованием энергии в самой колодке. В большинстве случаев это влечет сплавление материалов колодки и диска - с мнгновенным последующим разрывом связей, высвобождающим энергию в виде тепла. Этот механизм работает в довольно широком диапазоне температур, но при его превышении начинает давать сбои. Педаль остается жесткой, но машина не замедляется. Первый признак - характерный неприятный запах, при появлении которого следует снизить интенсивность торможения

2) Закипание тормозной жидкости. Когда жидкость в суппортах закипает, в ней образуются пузырьки. Поскольку газы в этих пузырьках, в отличие от жидкости, хорошо сжимаются, педаль тормоза становится "мягкой" и ее ход увеличивается. Вы, скорее всего, сможете остановить машину, прокачивая педаль, но об эффективном дозировании тормозного усилия не идет и речи. Это постепенный процесс, сопровождающийся рядом заметных симптомов. В обоих случаях можно добиться временного улучшения, если обратить внимание на предупреждающие симптомы и снизить интенсивность торможения, чтобы дать тормозам остыть. Вообще же, признак качественного материала колодок - быстрое восстановление свойств. Перегретую тормозную жидкость следует заменить при первой же возможности. Колодки, которые были серьёзно перегреты, следует проверить на предмет спекания поверхности; также стоит проверить, не осталось ли материала колодок на тормозных дисках. В качестве постоянного решения, в порядке возрастания стоимости, выступают апгрейд жидкости, апгрейд колодок и увеличение притока воздуха к компонентам (включая суппорта). Во многих случаях одно или несколько из вышеперечисленных действий - все что требуется.

Неравномерный износ колодок

Как и в случаях с ухудшением тормозных усилий, можно выделить несколько разновидностей неравномерного износа - радиальный и продольный.

1) Если суппорт недостаточно жесткий и "раскрывается" при срабатывании тормозов и повышенных температурах, наружный край колодки (расположенный дальше от центра диска) будет стираться быстрее, и наружные края колодок будут сближаться, если смотреть с торца диска. Это называется "радиальным износом".

2) Задняя часть колодки в некотором роде "всплывает" на газах и частицах, образующихся при трении о диск передней части колодки. Передняя часть, таким образом, нагревается больше и изнашивается быстрее - это можно заметить, если смотреть на нее сверху. Такой износ называется продольным. Разница в тепле, вырабатываемом передней и задней ачстью колодки не зависит от конструкции суппортов и колодок. Поэтому, все гоночные и большинство заряженных суппортов имеют поршни диференцированного диаметра. Большинство серьезных колодок имеет ещё и фаску на переднем крае.

3) На очень толстых колодках, например, используемых для длительных гонок, продольный износ возникает из-за того, что колодку буквально разворачивает под углом к диску при распускании тормозов. Вследствие контакта диска с колодкой, возникающая сила трения подталкивает её передний край в направлении вращения диска. Одновременно, заднюю часть колодки прижимает к её посадочному месту в суппорте, что приводит к ещё более плотному контакту передней части колодки с диском. Эта ситуация наиболее выражена на новых толстых колодках, когда поверхность соприкосновения колодки с диском отстоит далеко от основания колодки и вектор силы, действующей в направлении вращения колодки, больше.

4) Неравномерный износ также можно наблюдать в случаях когда рабочая поверхность диска жестко крепится к центральной части, или они составляют единое целое. Износ будет больше с наружного края внешней колодки и внутреннего края внутренней колодки. Это связано с тем, что при перегреве такого диска проиходит тепловое расширение. Поскольку диск жестко присоединен к центральной части (как правило, это наружная пластина), разность сил заставляет его выгибаться в форме конуса, основанием наружу (см. также "Плавающие диски"). При такой деформации диска, колодки неравномерно рпижимаются к нему при торможении, или даже их края остаются все время прижатыми, вызывая ещё больший перегрев и сопутствующий ему износ.

Воздушное охлаждение

Огромное избыточное тепло, вырабатываемого во время торможения должно рассеиваться в окружающий воздух.

В большинстве спортивных (и\или грузовых) современных автомобилей используются несколько разновидностей "вентилируемых" тормозных дисков, в которых воздух, входящий через отверстие от ступицы прокачивается через вентилляционные каналы внутренней части тормозного диска благодаря вращению диска. Самая лучшая на сегодняшний день конструкция - диски с "наклоненными лопатки", была изначально разработана для победившего в LeMan 1966 года Ford GT 40. В этой конструкции внутренние лопатки (каналы) изогнуты таким образом, что бы образовать эффективную крыльчатку. Кроме того, они предотвращают искривление тормозного диска и противостоят распространению по диску трещин, вызванных тепловой нагрузкой. (P.S. о конструкции дисков в т.ч. подробнее см.тут http://avtonov.info/dicol.php , прим.пер.) Лабораторные тесты инновационных дисков STOPTECH c 48 лопатками показали увеличение воздушного потока на удивительные 61% по сравнению с некоторыми стоковыми дисками,и на 10-15% по сравнению с гоночными дисками такого же размера. Это недорогая, но очень стабильная замена, в среднем на 15% холоднее стоковых дисков и на 7% холоднее гоночных.

Титановые поршни

Поршни из титана в суппортах отлично изолируют тормозную жидкость от теплообмена с горячими тормозными колодками. К сожалению, нельзя просто заменить ими стоковые. Проектирование и изготовление поршней - сложная инженерная задача. При изменении материала поршня нужно учесть разницу коэффициентов теплового расширения старого и нового материалов. Нужно также выбрать правильную марку титана. Способ обработки и покрытие поверхности должны подходить к используемым уплотнительным кольцам. Если канавка под уплотнительное кольцо сделана в поршне, она должна быть такой же, как и у стокового поршня. Интересно, что практически во всех серьёзных гоночных автомобилях используются титановые поршни с антипригарным покрытием, которое меняет их исходный матово-серебристый цвет на золотой. При всем том, титановые вставки установленные в стоковый поршнень обеспечат примерно 70% теплоизоляции за малую толику цены, и при этом не надо будет разбирать суппорт, рискуя его повредить.

Перфорированные диски и диски с насечками

Долгое время для гонок использовали в основном перфорированные тормозные диски. На это было две причины: отверстия обеспечивают отвод газов и частиц образующихся в "горячей зоне" торможения, а края отверстий дают колодкам дополнительный "зацеп". К сожалению, отверстия также уменьшают теплоемкость диска и служат концентратором напряжений, уменьшая срок его службы. Современный уровень развития материалов отодвинул перфорацию в прошлое. Большинство современных гоночных дисков имеет расходящиеся насечки, или канавки, которые выполняют ту же роль, что и перфорация, не привнося связанных с ней недостатков.

Площадь колодок

Мы убедились, что тормозное усилие напрямую зависит от площади поршней, давления в тормозной системе, коэффициента трения и эффективных диаметров и не зависит от площади колодок. Вместе с тем, форма и площадь колодок важны по следующим причинам:

1) Межсервисный пробег. Поскольку колодки стираются, увеличение их площади увеличивает время между заменами. На многих стоковых колодках делают фаску по краям, что слегка уменьшает время их жизни, но сокращает шум, вибрацию и неравномерный износ. В некоторых комплектах внутренняя и внешняя колодки даже имеют разную форму: внутренняя короче в направлении вращения, но шире в радиальном направлении, чем внешняя из соображений компоновки.

2) Распределение тепла по большей поверхности и объёму. Правда, большая колодка закрывает большую площадь диска, мешая отводу тепла и охлаждению поверхности диска, что может свести на нет все преимущества размера колодки.

3) Геометрия. Взаимная скорость диска и колодки выше у наружного края диска, поэтому в ряде случаев ширину колодки уменьшают к центру диска. Это способствует равномерному распределению температуры и прижимной силы по поверхности колодки.

Увеличение диаметра тормозных дисков

Проблема с увеличением диаметра тормозных дисков заключается в том, что производитель уже использовал ступицу максимального размера, который помещается внутрь колеса. Обычно установка тормозных дисков большего диаметра требует и увеличения диаметра колес. Помимо расходов, это влечет и изменение геометрии подвески. Такие характеристики подвески, как развал и трение качения, рассчитаны на шины c определенной высотой и жесткостью боковины. Увеличение диаметра колеса означает уменьшение высоты боковины и, следовательно, ухудшает совместимость шины. В предельных случаях, это влияет на поворачиваемость и может даже привести к ухудшению сцепления при торможении за счет быстрого износа края протектора при интенсивном торможении. Современное развитие технологий привело к появлению модных шин с ультра-низкой боковиной. Но они не означают наилучшей проиводительности - чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на высоту боковины шин в Формуле 1 и Инди.

Плавающие тормозные диски

Все металлы расширяются при нагревании. Литые металлические диски при интенсивном торможении могут увеличиваться в диаметре до 2 мм. Если диск цельный и не может расширяться в радиальном направлении, его рабочая поверхность начинает выгибаться в форме конуса. При этом ухудшаются распределение температуры, тормозного усилия от колодок и ощущения на педали тормоза. "Заряженные" и гоночные тормозные диски имеют отдельную, обычно алюминиевую, ступичную часть. Способ крепления подразумевает возможность свободного расширения с минимальным отклонением от плоскости вращения. Ступичная часть должна быть изготовлена из закаленного и отпущенного алюминия марки 7075 или 2024, а не из алюминиевого проката или марки 6061. (очень ценная информация - прим. пер.)

Выводы

Апгрейд колодок и тормозной жидкости и/или повышение давления позволит решить проблемы стоковой тормозной системы с минимальными вложениями. Замена стоковых резиновых шлангов на тефлоновые в оплетке из нержавеющей стали повысит возможность управлять тормозным усилием за умеренную цену. Перед тем как принять решение об апгрейде, убедитесь что компоненты, которые вы планируете приобрести подходят к вашей ситуации. Не стесняйтесь задавать вопросы и убедитесь, что вы получаете на них обоснованные технические ответы.

1) Диски должны иметь изогнутые вентиляционные каналы, а также лучшую теплоемкость и вентиляцию по сравнению со стоковыми. В противном случае, вы не получите стоящих результатов.Опирайтесь на данные тестов, а не на рекламные заявления. [Про балансировку не стал переводить: Discs should be mill balanced to less than 0.75 ounce-inch (54 g-cm), run out should be less than 0.002" (0.051 mm) and thickness variation should be less than 0.0007" (0.018 mm). On race applications these tolerance are typically reduced to .25 ounce-inch, 0.0005" and 0.0001" respectively.]

2) Суппорты должны быть устойчивы к повышенным температурам. Опять же, смотрите на результы лабораторных испытаний, а не на заявления производителя. Суппорты должны быть выровнены в плоскости вращения ступицы.

3) Многопоршневые суппорты должны иметь поршни дифференцированного диаметра для равномерного износа колодок. Диаметр поршней должен быть согласован с размером главного тормозного цилиндра.

4) В идеале, установка новых компонентов не должна требовать переделки ступицы и рычагов.

5) Пропорция тормозного усилия спереди/сзади должна соответствовать динамике конкретного автомобиля.

Рекомендации

1) Для улучшения торможения выбирите правильно ШИНЫ. Ваша тормозная система не лучше ваших шин и подвески. Лучшее вложение, с которого стоит начать: ХОРОШИЕ ШИНЫ + ХОРОШИЕ АММОРТИЗАТОРЫ

2) Правильный распределение тормозного усилия имеет решаеющее значение для торможения по прямой. Оптимальное распределение тормозного усилия когда усилие на поперечных парах равно. Другими словами: сумма усилия на переднем левом и заднем правом равна сумме на переднем правом и заднем левом.

3) Если чувствуете запах горелых тормозов, или педаль обмякла - сбавьте темпы торможения.

4) Используйте тормозную жидкость сохраняющую характеристики хотя бы до 550 градусов, без кремний-содержащих соединений, и убидетесь что ваша тормозная система хорошо прокачана. При более активном торможении прокачивайте тормозную систему периодически. Тормозная жидкость гигроскопична по своей природе, поэтому при любой "возможности" абсорбирует в себя воду. 1% примесь воды ДРАМАТИЧЕСКИ сдвигает точку кипения жидкости, кроме того вызывает коррозию внутри системы. Меняйте полностью тормозную жидкость 1 раз в год, и чаще, если любите тормозить "в пол".

Ссылки

Retrieved from "https://gt86.me/index.php?title=Brakes&oldid=1144"