Физика нагрева тормозов
Чем больше вес тормозных дисков — тем лучше они держат нагрев. Если значение веса для вас кажется сомнительным, — вспомните эксперимент, который каждый день проводите дома: полный чайник воды будет нагреваться до кипения гораздо дольше, чем наполовину пустой. Да, на практике торможения всё сложнее, ибо многое зависит качества материалов, наличия/отсутствия термообработки и даже конструкции тормозных дисков. Однако если при расчетах исходить из мысли, что все тормозные диски одного говна (или благородных металлов), то можно сделать определенные выводы.
Тп = ((Кд-Кп)/(417*Вд))+Тв
Кд = (Ва*v2^2)/2
Кп = (Ва*v1^2)/2
Тп — температура тормозных дисков после торможения (°С)
Тв — температура тормозных дисков до торможения (°С)
Кд — кинетическая энергия до торможения (Дж)
Кп — кинетическая энергия после торможения (Дж)
Ва — вес автомобиля (кг)
Вд — вес тормозных дисков (общий) (кг)
v1 — скорость автомобиля до торможения (м/с)
v2 — скорость автомобиля после торможения (м/с)
417 — некое значение, связанное с материалом дисков, примерно одинаково у всех
Пример вычисления:
Масса моего пустого Subaru Forester SH = 1580 кг.
Возьмем торможение со 150 до 50 км/ч при температуре 25°С.
Вес тормозных дисков 4pot WRX = 24 кг.
Кд=(1580*41.66^2)/2=1371088 Дж
Кп=(1580*13.88^2)/2=152197 Дж
ТП(24кг)=((1371088-152197)/(417*24))+25=147°C
Сравним температуру тормозных дисков весом 24 и 44кг на разных скоростях.
График позволяет придти к следующим выводам:
*чем тяжелее тормозные диски, тем сложнее их нагреть;
*температура тормозных дисков имеет нелинейную зависимость от скорости;
*чем выше скорость, тем критичнее становится значение массы тормозных дисков;
*существенной разница в нагреве тормозных дисков становится после 160 км/ч.
Теперь сопоставим эти тормоза после нескольких повторяющихся торможений, когда тормозные диски еще не успели остыть, только теперь будем считать торможение со 100 до 0 км/ч. Во избежание загромождения расчетами пишу только конечные результаты из калькулятора.
Для перевода км/ч в м/с нужно (х*1000)/3600, где х — значение скорости в км/ч.
Пример расчета температуры после повторного торможения:
ТП(1е торможение)=((1371088-152197)/(417*24))+25=147°C
ТП(2е торможение)=((1371088-152197)/(417*24))+147=172°C
Усредненные гражданские колодки выдерживают 400-450°С.
Разумеется, сравнение приблизительное и трактуется как: «Вы за мгновение разогнались до 100 и ваши тормоза совсем не успели остыть», однако разница полностью соответствует тому, что показали мои полевые испытания: тормозные диски на 4pot WRX очень быстро перегреваются в сравнении с Outback 3.6. Если у первых «шаг» составляет
60°С, то у вторых всего 25-30. Конечно, вы не набираете сотню за секунду, на это уходит время, ваши тормозные диски при этом успевают немного остыть, поэтому температура будет расти дольше, но порядок чисел более чем очевиден и подтверждается практикой.
В жизни размеры тормозов имеют еще более весомое значение, поскольку чем больше тормозные диски, тем больше у них площадь соприкосновения с воздухом. Поэтому большие тормоза не только меньше греются, но и лучше охлаждаются. К сожалению, я не знаю формулы для привязки к температуре, но подтверждение зависимости мы встречаем каждый день: зимой в рамках одного здания в аудиториях с большими окнами намного холоднее. Отсюда же вылезает преимущество тормозных дисков с вентиляцией (обычно речь идет о задних): у них не только площадь соприкосновения с воздухом в 2 раза больше, но и происходит принудительное вытеснение горячих газов турбулентностью, образуемой каналами охлаждения.
ЗНАЧИМОСТЬ КАЧЕСТВА ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК
На ресурсе АвтоДела было проведено всестороннее исследование поведения тормозных колодок, нас интересует зависимость коэффициента трения колодок от их температуры. На графике видно, что в целом бюджетные колодки при нагреве свыше 150°С имеют линейную потерю в коэффициенте трения.
При повышении температуры со 150 до 350°С коэффициент трения падает примерно на 20%. Теперь, используя мой волшебный калькулятор, посмотрим, как это скажется на тормозном моменте. Возьмем в пример передние 4pot WRX. Коэффициент трения понизим с 0.53 до 0.39 (коричневая линия, потери 26%).
Т(150°С, μ 0.53)=3595 Нм
Т(350°С, μ 0.39)=2917 Нм
Потери тормозного момента при нагреве колодок до 350°С составили 18.5%. Тормозной момент (сила, останавливающая автомобиль) имеет линейную зависимость от коэффициента трения — вы будете терять тормозной момент с каждой секундой торможения сверх 150°С. Ощущения не из приятных.
Хорошие производители наносят на колодки информацию о коэффициенте трения (μ).
Он обозначается двумя буквами: первая — μ на холодную; вторая — μ на горячую.
C = до 0.15
D= 0.15 до 0.25
E= 0.25 до 0.35
F= 0.35 до 0.45
G= 0.45 до 0.55
H= более 0.55
Например:
FE — при нагреве теряют свою эффективность. Типичные бюджетные колодки.
FF — хорошо схватывают во всем диапазоне работы. Хорошие гражданские колодки.
GF — холодными работают лучше, чем горячими. Злые гражданские колодки.
FG — горячими работают лучше, чем холодными. Околоспортивные колодки.
Колодки одних и тех же производителей, одной и той же серии имеют разные коэффициенты в зависимости от модели автомобиля. Например, Textar для Subaru имеют коэффициенты GG, а для Lexus LS430 — FE. ATE бывают FF, GF, а иногда и вовсе не указываются. Поэтому бренд не гарантия и коэффициенты надо смотреть в каждом конкретном случае. Разумеется, нужно остерегаться подделок.
Даже если колодки хорошо схватывают во всём диапазоне работы, нагрева тормозного диска это не отменяет. Бюджетные колодки и диски держат максимум 450°С, потом они не только перестают работать, но и разрушаются. Дорогие колодки (например до 700°С) не панацея, поскольку бюджетный тормозной диск будет греться штатно, с соответствующими последствиями — потери в торможении и обоюдное разрушение расходников. Поскольку любое слабое звено разрушает сильное, я считаю, что нет смысла заморачиваться либо дорогими колодками, либо дорогими дисками — для городской езды на оптимальных по размеру/весу тормозах достаточно бюджетных тормозных дисков с хорошими гражданскими колодками стандартного диапазона температур, но с хорошими коэффициентами трения (FF). Для боевых заездов, разумеется, нужны большие и дорогие тормоза.
КОГДА НУЖНЫ ДОРОГИЕ РАСХОДНИКИ
Тормоза 4pot WRX на пустом Forester SH:
ТП(4pot WRX, (180->60)=((1975000-219444)/(417*24))+25=200°C
ТП(4pot WRX, (180->60)*2)=((1975000-219444)/(417*24))+200=375°C
ТП(4pot WRX, (180->60)*3)=((1975000-219444)/(417*24))+375=550°C
1 торможение 180->60км/ч — потеря тормозного момента 10%;
2 торможение 180->60км/ч — потеря тормозного момента 20%;
3 торможение 180->60км/ч — перегрев, риск порчи расходников.
Тормоза Outback 3.6 на пустом Forester SH:
ТП(OBK 3.6, (180->60)=((1975000-219444)/(417*44))+25=120°C
ТП(OBK 3.6, (180->60)*2)=((1975000-219444)/(417*44))+120=215°C
ТП(OBK 3.6, (180->60)*3)=((1975000-219444)/(417*44))+215=310°C
ТП(OBK 3.6, (180->60)*4)=((1975000-219444)/(417*44))+310=405°C
ТП(OBK 3.6, (180->60)*5)=((1975000-219444)/(417*44))+405=500°C
1 торможение 180->60км/ч — выход на пик эффективности торможения;
2 торможение 180->60км/ч — потеря тормозного момента 10%;
3 торможение 180->60км/ч — потеря тормозного момента 15%;
4 торможение 180->60км/ч — потеря тормозного момента 25%;
5 торможение 180->60км/ч — перегрев, риск порчи расходников.
Цифры говорят сами за себя: для боевых заездов даже больших бюджетных тормозов не хватит (даже Brembo STi). Ведь в ходе гонок нужно не только не потерять тормоза, но и держать температуру дисков не больше 260°С.
Часто можно встретить возражение любителей 4pot WRX: «На дорогих дисках и колодках тормозят божественно» — мне неясно, зачем покупать убогие, малюсенькие и притом дорогие тормоза, когда можно взять суппорты больше, мощнее и дешевле, причем тюненые компоненты на все размеры стоят одинаково. Для упоротых и неверующих скину пару ссылок, могу еще сотню:
Овощеводам обзаводиться дорогостоящими компонентами на больших тормозах нет смысла: в типичном городе нет скоростей 180, а пока они разгоняются даже до 120, большие тормоза уже успевают остыть. Другое дело, если вам принципиально хочется, чтобы тормоза всегда резко схватывали.
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТНОГО ДИАПАЗОНА НА НАГРЕВ ТОРМОЗОВ
Сложнее всего не остановиться до 0 км/ч, а начать гасить высокую скорость. Парадокс: если замедляться не до 0, а до 60 км/ч, то тормоза выдержат всего на ОДНО торможение больше.
Это объясняется тем, что с ростом скорости увеличивается кинетическая энергия автомобиля, основная часть которой гасится именно в начале торможения. Для 44-килограммовых тормозных дисков 180 км/ч является разумным пределом, с 200 начинаются проблемы, а на 220 лучше не рисковать. 24-килограммовым 4pot WRX тут делать вообще нечего.
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ И МАССЫ НА КИНЕТИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
Кинетическая энергия автомобиля — эта та сила, которую необходимо рассеивать в виде тепла, чтобы остановить автомобиль. Так сказать, природный враг наших тормозов.
Каждые 200 кг веса увеличивают кинетическую энергию автомобиля примерно на 10%.
Кинетическая энергия автомобиля с увеличением скорости растет нелинейно.
Графики наглядно показывают следующее:
*основная часть кинетической энергии гасится в самом начале;
*чем выше скорость, тем больше энергии необходимо загасить на один и тот же шаг.
Рассмотрим на примере торможения автомобиля массой 2000 кг с 220 до 0 км/ч:
220->200 — 648 кДж;
200->180 — 586 кДж;
180->160 — 525 кДж;
160->140 — 463 кДж;
140->120 — 401 кДж;
120->100 — 340 кДж;
и т.д.
При торможении с 220 до 100 км/ч гасится 80% всей энергии (648+586+525+463+401+340 кДж).
Последние 100 км/ч берут на себя всего 20% (278+216+154+67+26 кДж).
Что сложнее: оттормозиться с 200 до 100 или со 180 до 60?
200->100=3086-771=2315 кДж
180->60=2500-277=2223 кДж
Ответ: примерно одинаково.
ВЛИЯНИЕ МАССЫ АВТОМОБИЛЯ НА НАГРЕВ ТОРМОЗОВ
ТП(масса 1320, 24кг, 160->60)=136->247->358>469->580°C
ТП(масса 1580, 24кг, 160->60)=158->291->424->557°C
ТП(масса 2000, 24кг, 160->60)=194->363->532°C
ТП(масса 1320, 44кг, 160->60)=86->147->208->269->330->391->452°C
ТП(масса 1580, 44кг, 160->60)=98->171->244->317->390->463°C
ТП(масса 2000, 44кг, 160->60)=117->209->301->393->485->577°C
Одни и те же тормоза на более тяжелой машине будут работать под повышенной нагрузкой — там, где на легкой достаточно было бы выжать педаль на 2/3, на тяжелой придется давить её в пол. Lexus LS430 и Subaru Tribeca весят под 2 тонны, маленькие легкие тормоза там ничего не могут, даже «убогий сток» 316мм в диаметре. Учтите, что 1580 кг это масса пустого Forester SH — с пассажирами и барахлом в багажнике вы прилично прибавите в весе, поэтому тормоза кончаться у вас будут быстрее. Напротив, для легкого SG 316мм тормоза почти всегда будут за глаза.
ТОРМОЗНОЙ МОМЕНТ И НАГРЕВ
В предыдущей статье я много писал о тормозном моменте, образуемом конструкцией суппорта, параметрами тормозного диска и удачностью подбора расходников, даже составил калькулятор. Силой, останавливающей машину, является тормозной момент. Данные, которые вы можете получить в калькуляторе тормозного момента — всего лишь его номинальное значение. С момента, когда вы начали движение на автомобиле, вы не можете повлиять на тормозной момент конструкцией суппорта, параметрами тормозного диска и даже компонентами — ваш выбор сделан. Вопрос в том, насколько стабильным (приближенным к номинальному) будет тормозной момент в конкретной дорожной ситуации. Главным врагом вашего значения тормозного момента являются сцепление с дорогой (это зависит от погоды, условий, места) и нагрев тормозов (это зависит от вашего выбора). Если у вас большие бюджетные тормоза, то на треке значение вашего тормозного момента будет таять на глазах. Если у вас тяжелая машина на маленьких, но дорогих тормозах, то на треке вы выбросите кучу денег на ветер. Покупайте колодки со стабильным значением коэффициента трения. Для уверенной езды по городу ставьте тормоза размера, соответствующему массе и динамичности вашего авто. Для трека на тяжелой машине или частых остановках на высоких скоростях ставьте большие и дорогие тормоза. Но главное — включайте голову, сопоставляйте свои желания с условиями и возможностями.
Выводы:
1) Теплоемкость тормозов имеет линейную зависимость от их веса.
2) Чем больше диаметр тормозных дисков, тем они лучше охлаждаются.
3) Тормозной момент имеет линейную зависимость от коэффициента трения.
4) Желательно подбирать колодки с оптимальным μ во всём рабочем диапазоне.
5) Никакие размеры тормозов не спасут от потребности в боевых расходниках на треке.
6) Сложнее всего не останавливаться до 0, а начинать это делать на высоких скоростях.
7) Самый большой нагрев тормозов идет в начале торможения.
8) Каждые 100 кг веса увеличивают термальную нагрузку на тормоза примерно на 10%.
9) Целесообразность возни с маленькими тормозами отсутствует в принципе.
Греются тормозные диски: как исправить?
Нормально работающие, исправные тормоза – они как огнетушитель. Мы их не замечаем, и не помним о них. Потом, вдруг, не дай Бог, происходит аварийная ситуация или необходимо экстренное торможение, и мы с удивлением, преходящим в панику, понимаем, что в автомобиле неисправные тормоза.
Высокая температура – норма работы тормозного диска
Поэтому, чтобы не предстать перед фактом ДТП во всей его красе, необходимо систематически самостоятельно производить диагностику тормозной системы: проверка уровня тормозной жидкости, соответствие тормозных колодок требованиям производителя и толщине тормозных дисков.
Факторов, приводящих к неисправности тормозной системы, вернее отдельных ее элементов, много. Давайте обратим внимание на перегрев тормозных дисков.
Чтобы вы понимали, о чем идет речь. К материалу тормозного диска предъявляются высокие требования, и в первую очередь – это прочность, высокий коэффициент трения и стабильные характеристики при нагреве, высокая теплопроводность, стойкость к резкому тепловому удару, низкая способность к адгезии.
Да, это все о нем – о тормозном диске серийного автомобиля. Ведь его рабочая температура доходит до 200-300 градусов С. Поэтому основным материалом для тормозных дисков серийного автомобиля являются: сталь или чугун. Есть керамические тормозные диски со способностью нагрева почти до 1000 градусов, не склонные к деформации, карбоновые тормозные диски. Но, к серийному производству они пока неприменимы из-за высокой стоимости.
Важно! Перегрев тормозных дисков сводит к нулю эффективность тормозов, так как тормозные колодки в этом случае идут по тормозному диску «как по маслу».
Почему происходит перегрев тормозных дисков
Естественно-эксплуатационная причина. Трение – это основный принцип работы тормозной системы автомобиля, который в ближайшем будущем вряд ли измениться. В работе тормозной системы участвуют: тормозные диски и тормозные колодки. Процесс нагрева тормозного диска происходит в доли секунды во время торможения, а вот остывание затягивается.
С учетом того, что 80% времени мы движемся в городском цикле, то греются тормозные диски постоянно. А если ваш стиль движения является излишне агрессивным: разгон-торможение, то перегрев тормозных дисков вам стабильно обеспечен.
Неисправность тормозного механизма. Это менее распространенная причина, которая обеспечивает перегрев тормозных дисков. Ведь, если вы заинтересованы в своем безопасном движении, самостоятельная диагностика тормозной системы: проверка уровня тормозной жидкости, проверка исправности и толщины тормозных дисков и замена тормозных колодок – вами осуществляется систематически.
Тем не менее, нужно знать, что причинами перегрева тормозных дисков может послужить следующее:
- толщина тормозных колодок ниже минимально допустимой, как правило, перегрев тормозных дисков происходит при злоупотреблении владельца количеством проточек тормозных дисков ;
- тормозной диск покороблен;
- качество тормозных колодок оставляет желать лучшего;
- задние тормоза барабанного типа. Здесь всё просто. Более низкая эффективность барабанных тормозов приводит к тому, что основная нагрузка при торможении ложится на передние дисковые тормоза, поэтому и происходит перегрев тормозных дисков установленных на передней оси.
Как не допустить и исправить перегрев тормозных дисков
Исходя из перечисленных причин того, почему традиционно греются тормозные диски, соответственно применяем и способы устранения перегрева. Своевременная замена тормозных дисков и тормозных колодок, установка качественных тормозных колодок и тормозных дисков, желательно применение на обеих осях дисковых тормозов, контролировать соответствие толщины тормозного диска установленным параметрам.
Информация к размышлению для автовладельцев
Постарайтесь, особенно в летнее время, избегать мойки автомобиля сразу же после движения. Греются тормозные диски мгновенно, а вот остывают чуть дольше, поэтому подъехав на мойку, дайте дискам время, чтобы остыть. Таким образом, вы сохраните тормозной диск от деформации. Ведь все помним школьный курс физики: резкий температурный удар нагрев-охлаждение приводит к деформации. Тормозной диск не исключение.
Сталь, как основной материал, из которого изготовлен тормозной диск, желтеет при t – 150-280 градусов С; синеет – при 300 – 450 градусов; чернеет – 450-500 градусов. Поэтому, визуальная диагностика состояния тормозных дисков поможет вам избежать неприятностей во время движения.
Удачи вам во время движения, и не допускайте перегрева тормозных дисков своего авто.
До какой температуры могут нагреться дисковые тормоза: проверяем на родстере Honda
Разобраться в этом вопросе поможет родстер Honda S2000 с задними дисковыми тормозами и термальная камера Flir T1K. Заднюю часть автомобиля приподняли на домкратах, чтобы запустить мотор и набрав обороты, на первой передаче постепенно затягивать рычаг стояночного тормоза, измеряя с помощью тепловизора количество тепла, выделяемое задними тормозными механизмами. В качестве контрольных точек выбраны пять позиций дискового тормозного механизма.
Точка 1 — это передний край тормозной колодки, точка 2 — тормозной диск перед колодкой, точка 3 — тормозной диск после прохождения через суппорт, точка 4 — ступица колеса и, наконец, точка 5 — задняя часть тормозной колодки. Даже при свободном вращении тормозного диска сверхчувствительная инфракрасная камера выявляет небольшие искривления диска на основе разницы температур. Разумеется, при срабатывании стояночного тормоза температура диска начинает повышаться.
Тормозной диск после суппорта становится немного горячее, а в целом температура поверхности достигает 138 °C. В обычном «гражданском» режиме вождения температура дисков и колодок вряд ли когда-нибудь превысит 200 °C, но на гоночной трассе механизмы могут запросто нагреваться и до 500 °C. Тормозная жидкость также может нагреваться, поэтому она рассчитана на температуру кипения свыше 200 °C.
Впрочем, со временем температура кипения может стать значительно ниже, поскольку жидкость поглощает влагу. Даже после того, как тормозные диски нагрелись свыше 100 °C, тормозная магистраль остаётся довольно прохладной. Также довольно интересно, что колёсные диски автомобиля могут работать как своеобразные радиаторы и рассеивать тепло от тормозных механизмов в атмосферу.