Тормозной диск.

Задачей тормозного диска является поглощение кинетической энергии движущегося автомобиля и рассеивание ее в окружающую среду, то есть - кинетическая энергия переходит в тепловую, а тепловая из диска уходит в окружающую среду, поэтому понятно, что в процессе торможения он нагревается, а при разгоне автомобиля происходит его охлаждение.
Следовательно чем толще диск и чем больше его диаметр тем выше его теплоемкость тем больше энергии он в состоянии аккумулировать. Однако увеличение размеров тормозного диска приводит и к увеличению его веса, что повышает неподрессоренную массу автомобиля, и не рационально используется его толщина. Поэтому в автоспорте нашли применение вентилируемые тормозные диски. У них две шайбы соединены перемычками таким образом, что внутри него образуются каналы по которым циркулирует охлаждающий воздух, т.е. в процессе вращения колеса он работает как центробежный насос. Это решение приводит как к снижению массы диска, так и улучшению его теплоотдачи.
=с прямолинейными каналами
=со спиралевидными каналами
=с хаотичными каналами
Два последних вида дисков значительно быстрее охлаждаются при вращении колеса с высокими скоростями. Спиралевидные диски за счет увеличения насосных свойств спиральных каналов по сравнению с прямолинейными, а хаотические за счет увеличения турбулизации (завихрения) движущегося внутри каналов воздуха, что увеличивает теплоотдачу и, следовательно, к скорость снижения температуры.
С целью снижения массы тормозного диска часто их делают составными . В этом случае чугунный ротор крепится к алюминиевому колоколу с помощью винтов.
Вентилируемые тормозные диски также нуждаются в статической балансировке, т.к. из-за наличия каналов распределить массу чугуна равномерно по периметру диска невозможно. Диски балансируются, как правило, путем механической выборки металла с наружного диаметра тяжёлой части диска. Особо это касается составных дисков. Если диск плохо отбалансирован то это может привести к вибрации колеса при движении с высокой скоростью, а также к снижению ресурса ступичного подшипника.
Теперь разберем какие физические процессы происходят в тормозных дисках в процессе торможений.
Диск нагревается, что приводит к нарушению формы его рабочей поверхности, ее короблению, следствием чего становится увеличение осевого биения диска, передаваемое на руль и тормозную педаль. Для начала рассмотрим причину деформации диска под действием температуры.
Как правило, обычный тормозной диск представляет собой обод, выполненный в одно целое с колоколом П-образного сечения. При нагреве диск, напоминающий в разрезе шляпу, условно стремится вывернуться «наизнанку» за счет разницы длин наружного и внутреннего диаметра. У внутреннего она больше, следовательно, и линейное тепловое расширение также больше. Это приводит к тому, что у «шляпы» приподнимаются поля. Именно череда таких подъемов и опусканий при остывании и приводит к деформации диска. Чем диск массивней, тем меньше он склонен к термическим деформациям. С целью уменьшения вероятности коробления дисков их изготавливают, как правило, из легированного серого перлитного чугуна с мелкодисперсной структурой. Такой чугун имеет хороший коэффициент трения при работе в паре с тормозной колодкой и внутреннюю эластичность, в отличие от стали, которая более склонна к образованию т.н. прижогов и появлению термических трещин. Однако следует помнить, что серые чугуны склонны к отбелу, т.е. к местному, резкому увеличению твердости, что по мере эксплуатации приведет к тем же явлениям, что и коробление диска. Поэтому не следует после сильного нагрева диска сразу останавливаться на длительное время.
Часто можно встретить тормозные диски с перфорацией и канавками . В чем их достоинства? Т.к. диск работает в паре с тормозной колодкой, то при их нагреве в процессе торможения из колодки выделяются газы, так что их отвод крайне важен, особенно в тормозах, работающих в предельных режимах (газы могут создавать подобие воздушной подушки, что снижает эффективность торможения). Канавки и отверстия способствуют удалению воды, грязи, пыли и пр., что также направлено на повышение эффективности торможения в условиях дождя, снега и применения антиго- лоледных реагентов.
Автоспорт, с его повышенными нагрузками на тормоза потребовал эффективной очистки тормозных колодок. Дело в том, что при работе на больших нагрузках тормозные колодки очень быстро покрываются тонким слоем нагара – выгоревшего и отработанного фрикционного материала. Если его не снять принудительно, нагар превращается в смазку снижая тормозной момент. Канавки и шлицы срезают этот отработанный слой, обновляя колодку. Перфорация диска также позволяет увеличить темп его охлаждения и снижает вес тормозного диска. На спортивных дисках канавки и перфорацию выполняют направленными, поэтому нельзя путать диски для правого и левого колеса.
К недостаткам их применения относится более интенсивный износ колодок. Что касается перфорации, то следует помнить: сквозные отверстия приводят к ослаблению прочности конструкции ротора, т.к. они являются концентраторами напряжений и вокруг них начнут образовываться тепловые трещины. Такие диски боятся быстрых перепадов температуры, например, после сильного разогрева диска автомобиль попал в глубокую лужу.
Совершенствование тормозных дисков для автоспорта идет по пути изменения их конструкции, придающая им новые свойства, а также замена чугуна на более современные материалы.
К первому виду относятся тормозные диски разработанные фирмой «AP-Racing».
Его отличие в том, что чугунный ротор закреплен на колоколе не жестко, а при помощи металлических пластин (вспомните крепление нажимного диска к корзине сцепления). Такая конструкция снижает деформацию диска при высоких температурах и вероятность появления термических трещин.
Ко второму виду относятся керамические диски. В них ротор выполнен из керамического материала. Это дает снижение массы диска, повышает его ресурс, увеличивает эффективность торможения особенно при высоких температурах. К недостаткам этих дисков следует отнести их высокую стоимость, низкую эффективность при холодных тормозах, чувствительность к попаданию воды.
Наконец, вершиной конструкции тормозов для автоспорта является фрикционная пара из материала carbon-carbon, где карбоновая колодка трется по карбоновому диску. Такие диски на порядок легче чугунных, выдерживают температуры свыше 1000°С. Однако из-за их сверхвысокой стоимости широкого применения не получили.
Наконец, вершиной конструкции тормозов для автоспорта является фрикционная пара из материала carbon-carbon, где карбоновая колодка трется по карбоновому диску. Такие диски на порядок легче чугунных, выдерживают температуры свыше 1000°С. Однако из-за их сверхвысокой стоимости широкого применения не получили.