Тормоза придумали трусы?

28.08.2011г на сайте появилась коротенькая заметка в которой Виталий Петров скромно комментирует итоги ГП Бельгии.
Приятно что комментарии к этому сообщению, за редким исключением, вполне объективны и профессиональны.
Напомню что в гонке, примерно с середины дистанции у Петрова появились серьезные проблемы с тормозами. Как выяснилось из последующих интервью, на машине отсутствовали температурные датчики на передних тормозах, повышение температуры не было замечено своевременно, что и привело к их перегреву, падению эффективности и отказу, а как следствие развороту на последних кругах гонки.

Для непосвященного человека темный лес. Температурные датчики на тормозах, взрывы тормозов, отказы, устройство и настройки, что на что влияет. Одни вопросы. Постараюсь обо всем по порядку. Кому интересно вникайте.


Зачем автомобилю тормозная система, которую якобы придумали трусы. Немного странный вопрос, да. Конечно, чтобы снизить скорость, остановиться, надежно удерживать машину на месте. Но не все так просто. В Формуле-1 тормоза ценят по их способности… увеличивать скорость!

“И не напоминайте мне о тормозах! Они только мешают управлять гоночной машиной”, – говаривал, бывало, замечательный пилот 20–30-х годов Тацио Нуволари. Итальянец, действительно, старался нажимать на педаль тормоза как можно реже, входя в поворот на огромной скорости и ювелирно точными движениями рулевого колеса и педали “газа” посылая машину по одному ему известной траектории. Впрочем, и все его коллеги, даже те, кто не был столь искусен или отважен, предпочитали именно такой способ снижения скорости. Дело в том, что часто и резко тормозить на гоночных автомобилях даже 40–50-х годов было порой смертельно опасно.

Тогда использовались барабанные или, как их еще называют, колодочные механизмы. В такой конструкции усилие замедления создает колодка, прижимающаяся к внутренней поверхности полого барабана. Проблема в том, как лучше охладить систему. Ведь при трении возникает тепло, так что, строго говоря, остановка или замедление автомобиля – это преобразование его кинетической энергии движения в тепловую.

Чем больше на трассе поворотов, чем чаще пилоту приходится нажимать на педаль, тем выше температура трущихся деталей – колодки и барабана. Отсюда – многочисленные беды. Металл барабана с нагревом расширяется, а значит, расположенной внутри колодке придется пройти больший путь до соприкосновения с его поверхностью. А значит, увеличится (причем, внезапно, во время гонки!) ход педали. Нагреваясь все больше и больше, барабан начинает коробиться, терять форму, металл пойдет волнами, потом потрескается, искрошится. Тормозные накладки же (часть колодки, которая непосредственно взаимодействует с барабаном), выполненные из материалов на основе асбеста и обладающие высокими фрикционными свойствами, в свою очередь нагреваются и разрушаются, засоряя рабочую поверхность обугленными летучими соединениями из состава искусственных смол, использованных при их изготовлении.

Дальше – больше. Расплавленная смазка из подшипника ступицы колеса центробежной силой выжимается на внутреннюю поверхность барабана. Все увеличивающийся нагрев может заставить закипеть тормозную жидкость в гидроприводе. И если жидкость сжать нельзя, то пар – пожалуйста! И педаль тормоза, к ужасу пилота, вдруг “проваливается” в самый неподходящий момент.
Разумеется, конструкторы боролись с этими недостатками всеми доступными средствами. Жизненно важно было, во-первых, снизить насколько возможно количество образующегося тепла. И, во-вторых, обеспечить наилучшее охлаждение. Для этого инженеры Alfa Romeo и Ferrari на первых автомобилях Ф-1 использовали барабаны очень большого размера, чтобы увеличить площадь трущихся поверхностей. Так внутренний диаметр тормозных барабанов Ferrari 375 составлял 35 см. Позднее Lancia и Mercedes-Benz предложили увеличить ширину барабанов.

Их отливали как можно более массивными, с несколькими расположенными по окружности ребрами и просверливали в корпусе множество вентиляционных отверстий. Но здоровенный цилиндр, прикрепленный к колесу, значительно увеличивал неподрессоренные массы, серьезно влияя на управляемость машины. А в дождь внутрь тормозного барабана проникала вода. Как только колодки начинали высыхать, они проявляли склонность к заклиниванию. Заклинивший тормоз, заблокированное колесо на мокрой, скользкой трассе – это смертельно опасно.

Инженеры Mercedes-Benz в 1954 году пытались решить проблему, вынеся тормоза из колес внутрь кузова. Но под обтекателем охлаждение только ухудшилось. Пилотов “серебряных стрел” специально инструктировали перед стартом – пользоваться тормозами предельно осторожно, пока они постепенно не прогреются до рабочей температуры. В противном случае внезапный нагрев мог разрушить и барабан из легкого сплава, и стальные колодки. И тогда – заклинивание тормоза, блокирование колеса, нарушение управляемости, утрата контроля над машиной, авария.

Что же делать? Некоторые даже предлагали использовать “воздушный тормоз” – широкую плоскость, которая служит чем-то вроде парашюта. Такая конструкция применялась на спортивно-гоночных автомобилях Mercedes-Benz. Но до Формулы-1 не дошла: выяснилось, что эффективно работает такая “печная заслонка” лишь на скоростях 110–240 км/ч, а при меньших – практически бесполезна. И тогда конструкторы Ф-1 обратили свой взор на небо.

В 1923 году мотоцикл Douglas, финишировавший первым в традиционной гонке “Турист Трофи” на острове Мэн, был оснащен необычным тормозом. Скоба с тормозными накладками охватывала металлический диск; при торможении поршеньки прижимали к нему накладки, колесо останавливалось.

Поначалу такая конструкция не приглянулась автостроителям – слишком хрупкая и ненадежная, решили они. Зато заинтересовала производителей самолетов, которым важны были мощность и малая масса дисковых тормозов. Но кризис барабанов заставил и создателей гоночных машин вспомнить о находке более чем четвертьвековой давности. Так зимой 1951–1952 годов на испытательной трассе появился BRM Type 15, в создании которого участвовали инженеры авиационного отделения Rolls-Royce, с дисковыми тормозами Girling.

Теоретически диски казались панацеей от всех бед. Ведь их поверхность постоянно охлаждается встречным потоком воздуха, следовательно, износ таких тормозов меньше, чем у самых лучших барабанных. Площадь трущихся поверхностей в системе диск/скоба значительно больше, чем в барабане соответствующего размера, а значит, возрастает мощность или снижается давление в гидросистеме привода и усилие на педали. Воду и мелкие песчинки, грязь, смазку и прочее срывает с поверхности диска центробежная сила или счищает передний край скобы. При нагревании диск расширяется радиально, практически не изменяя хода педали и сохраняя эффективность системы после многократного и интенсивного использования. В дисковых тормозах нет серво-эффекта (самоусиления), присущего лучшим конструкциям двухколодочных барабанных тормозов. А значит, они обеспечивают гонщику исключительно плавное и прогрессивное чувство тормозной педали, ее пропорциональный отклик. По сравнению с барабаном диски изначально гораздо более точны и легче поддаются контролю со стороны водителя. И, наконец, легкие и компактные, диски уменьшают неподрессоренные массы, улучшая управляемость машины и снижая лобовую площадь, увеличивая скорость как при прохождении поворотов, так и на прямой.

Правда, на практике реализовать все эти плюсы удалось не скоро. Хотя уже в 1953 году машина c такими тормозами выиграла 24-часовую гонку в Ле-Мане, лишь через два года диски праздновали первую победу в Ф-1. В октябре 1955 года Connaught B под управлением Тони Брукса выиграл Большой Приз Сиракуз. Гонка эта не входила в зачет чемпионата мира, а соперниками английской машины были лишь Maserati 250F.

В ответ итальянские инженеры выжали максимум из традиционной конструкции. Тормозные барабаны так называемого биметаллического типа, с чрезвычайно развитой поверхностью охлаждения, буквально ощетинившиеся многочисленными ребрами и лопатками, просверленные множеством отверстий, в 1956–1958 годах успешно отражали атаки приверженцев дисков. Но когда Vanwall, оснащенный дисковыми тормозами Goodyear, в 1958 году выиграл только что учрежденный Кубок конструкторов, Энцо Феррари окончательно отказался от барабанов и колодок. Так что в 1959 году устаревшие и ни на что уже не претендовавшие Maserati 250F остались единственными машинами Ф-1, оснащенными такими тормозами.

В первой половине 60-х, когда действовала “1,5-литровая” Формула-1, улучшившиеся сцепные свойства шин, увеличившаяся эффективность и надежность фрикционных материалов, а также – что очень важно – более отточенная и смелая техника пилотирования позволили гонщикам использовать тормоза гораздо в большем диапазоне, чем каких-нибудь десять лет назад. Но сама конструкция оставалась неизменной – остановить довольно легкий и не столь мощный автомобиль с двигателем рабочим объемом 1500 куб. см не представляло особого труда. Все изменилось, когда Ф-1 стала трехлитровой.

Когда масса, мощность и скорость машин возросли, увеличилась и их кинетическая энергия. Соответственно, тормоза больше нагревались. Рецепты от этой болезни были давно опробованы на барабанах – увеличение размеров, улучшение охлаждения, новые материалы. Диаметр и толщина дисков все увеличивались, вскоре они стали настолько массивными, что некоторые конструкторы по примеру коллег из Mercedes-Benz вынесли механизмы из колес внутрь кузова, стремясь уменьшить неподрессоренные массы. Но как только диски спрятали под обтекатель, возникла старая проблема перегрева. Внутри них сверлили многочисленные отверстия, чтобы увеличить поверхность соприкосновения с воздухом, придумывали всевозможные воздуховоды для охлаждения. Вентиляция снижает температуру тормозных накладок, достигающую 700 °С, на 60–70° – весьма существенно, ибо уменьшение температуры на 50° увеличивает срок службы накладок вдвое. Но этого было мало. К тому же диски большого диаметра затрудняли изготовление кузова благоприятной обтекаемой формы. Вот тогда-то, в 70-е годы, сначала в конструкции накладок, а вскоре и в самих дисках появился новый космический материал – углеволоконный композит.

Легкий, прочный, необыкновенно износостойкий, с прекрасными фрикционными качествами, он быстро покорил Формулу-1. Углеволоконные диски не теряли своей эффективности при интенсивном многократном торможении, их рабочая температура была много выше прежних, изготовленных из чугуна или мягкой стали с хромовым покрытием. Тормозной путь автомобиля Ф-1 заметно сократился – ведь мощные и надежные тормоза позволяли нажимать на педаль в самый последний момент с уверенностью, что скорость в 300 км/ч и более будет погашена в считанные мгновения.

Однако и у этих чудо-тормозов нашлись слабые стороны. Причем, сугубо субъективного свойства. Во-первых, углеволокно значительно дороже чугуна. Во-вторых, в несколько раз возросшая эффективность обернулась огромными нагрузками на пилотов. Во время Гран При Сан-Марино 1997 года телеметрия в боксах Williams показала, что Хайнц-Харальд Френтцен испытывает при торможении отрицательное ускорение в 5,99 g. То есть на тело гонщика действует шестикратная перегрузка. А ведь при ускорении в автомобиле Формулы-1 можно получить не больше 2 g, максимальные боковые перегрузки не более чем в 3,5 раза превышают силу земного притяжения. Помимо того, усилие на педали Williams достигает 150 кг, а давление в гидроприводе превышает 84 кг на квадратный сантиметр. “Попробуйте в каждом торможении нажимать на педаль с усилием в 150 кг! – сказал тогда журналистам товарищ Френтцена по команде Жак Вильнев. – И так на протяжении полутора-двух часов. Вы поймете, что такое Гран При Формулы-1”.

Ко всему прочему, многие решили, что углеволоконные диски сделали чемпионат мира… скучным. Да, да, именно в уменьшившемся тормозном пути видят причину столь малого количества обгонов, к примеру, руководители FIA. И они готовы запретить новейшие тормозные системы, лишь бы сделать Ф-1 более зрелищной. Развитие в этом смысле идет по спирали, Федерация в своем «творчестве» использует хорошо забытые старые приемы.



Казалось бы, абсурд. Зачем делать гоночный автомобиль заведомо менее надежным и быстрым, более трудным в управлении и опасным? Но, как сказал однажды трехкратный чемпион мира Айртон Сенна: “Вся беда чиновников FIA в том, что им не приходится сидеть за рулем машин Формулы-1”. Сначала, в 1993 году, вне закона были поставлены все типы антиблокировочных систем и усилителей (что, как вы понимаете, отнюдь не облегчило работу пилотов во время гонки!). Затем, в 1997 году, предполагалось запретить углеволоконные диски, но от идеи пришлось отказаться. “Слишком трудно проверить качество материалов”, – жаловался президент FIA Макс Мосли. К тому же испытанные Williams еще в 1995 году чугунные диски в сочетании с новейшей конструкцией скоб дали невероятные результаты – чугун не хуже углеволокна, только чуть менее износостоек.

Поэтому с 1998г тормозные скобы должны быть изготовлены исключительно из алюминия. До сих пор их делали из необыкновенно дорогого алюминиево-бериллиевого сплава или из так называемого монометаллического матричного композита (ММК), в котором алюминий усилен карбидом кремния. Такие скобы были на 20% легче и на 30% жестче обычных.

Под угрозой запрета оказалась электронная система изменения баланса тормозного усилия между передней и задней осями и Кнопка такой системы расположена на руле, и в ходе гонки пилот может регулировать распределение тормозного усилия, если вдруг обнаружит (ему могут сообщить это по радио из боксов, увидев результаты телеметрии), что увеличился износ дисков соответствующих колес. О необыкновенной важности такой системы, еще, разумеется, и не подозревая о ее существовании, писал в 1954 году специалист Lockheed Айвен Уоллер в предисловии к учебнику по тормозам: “Максимум, чего можно добиться от тормозов, достигается таким распределением тормозного усилия, чтобы каждое из четырех колес находилось точно на грани блокировки”. При этом система электронного баланса постоянно находится под контролем пилота, а потому не попадает под “санкции” FIA, запретившей в Ф-1 “руководящую” электронику. Но даже если электронный баланс, как и углеволокно, и другие сверхсовременные материалы и технологии, запретят, усилия чиновников Федерации вряд ли увенчаются успехом. Как сказал технический директор Williams Патрик Хед, “алюминиевые скобы 1998 года мягче, поэтому трудно подать на них такое же усилие без увеличения хода педали. Но я не сомневаюсь, что довольно скоро мы найдем выход из положения”.

Что же касается мастерства пилотов, которое якобы нивелируют “чудо-тормоза”, сокращая до минимума тормозной путь и устраняя возможность обгона, то стоит вспомнить историю семилетней давности. В 1993 году Дэмон Хилл никак не мог взять в толк, почему он проигрывает по времени круга своему товарищу по Williams Алену Просту. Ведь француз начинал торможение раньше, а значит должен был потратить на проезд поворота на несколько мгновений больше! Оказалось, что Прост хоть и тормозит раньше, но нажимает на педаль чуть легче и открывает “газ” раньше своего коллеги. И проходит поворот быстрее.

За шесть десятилетий, прошедших с тех пор как на гоночных трассах блистал Маэстро Нуволари, отношение пилотов к тормозам в корне изменилось. Из ненадежных, непредсказуемых, порой смертельно опасных, эти механизмы превратились в дорогое, сложное и точное средство увеличения скорости машины.

В сезоне 2011 появилось одно очень интересное приспособление. Служит оно для поддержания рабочей температуры тормозов во время обслуживания машины в боксах, во время практик и квалификациях. Придумали эту вещь в РБР, и она как и все гениальное проста до безобразия.
После того, как машина вывешана на домкратах и с нее сняты колеса, механик, одев термоперчатки, надевает на ступицу разогретую металлическую болванку. Она и не дает быстро остыть тормозному диску, а при выезде на трассу, пилот тратит меньше времени и резины для приведения тормозов рабочий температурный режим.

Ко всему этому, теперь нужно добавить появление на машинах КЕРС. О устройстве и работе этой системы уже много написано, и не стоит забывать что она оказывает очень большое влияние на распределение тормозных усилий и требует серьезных изменений в методике настроек на гонку тормозной системы.

Кстати о настройках. Никто не желает просветить народ о принципах и методиках настройки болидов. Имеется в виду тормозные балансы, развесовка, подвеска???

Добавлю еще несколько интересных фактов, о тормозной системе и ее охлаждении.


Ник Честер, один из ведущих инженеров команды Renault рассказывает об эффективности охлаждения тормозных систем болидов и о том, как охлаждение может повысить надежность тормозных дисков.
Когда был введен запрет на дозаправку, многие эксперты опасались, что самым серьезным нагрузкам подвергнутся тормозные системы болидов. Полный бак топлива приводит к увеличению массы болида на 150 кг, и чтобы остановить столь тяжелую машину, требуется большое количество энергии. И казалось, что современные тормоза не справятся с такими нагрузками.
Однако, после первого этапа сезона в Бахрейне, команда Renault была одной из тех, кто остался доволен своими решениями относительно надежности тормозов. Главный гоночный инженер команды Ален Пермэйн даже сказал, что износ тормозов на болиде R30 был меньше, чем на машине R29 в 2009-м году. «Ребята на заводе отлично поработали, найдя оптимальное решение для тормозной системы», – сказал он. – «В гонке с тормозами не было никаких проблем».

Каким же образом удалось достичь этого? Никаких изменений в тормозных дисках не было, поскольку регламент в этой части остался неизменным и толщина дисков ограничена 28 мм. Чтобы повысить долговечность тормозов, была проведена работа над материалами, из которых изготавливаются диски. Но главным преобразованием стало повышение эффективности охлаждения тормозов.
«Мы провели массу исследований, чтобы определить дополнительные требования к тормозной системе. В результате мы вычислили, что через тормоза будет проходить на 10 процентов больше энергии, чем в прошлом году», – сказал Ник Честер, один из менеджеров команды Renault. – «Таким образом, мы получили представление о требованиях к системе охлаждения тормозов, а точнее, к вентиляционным каналам».

Действительно, поддержание оптимального температурного баланса тормозных дисков является залогом надежной работы тормозной системы, потому что степень износа напрямую зависит от температуры. Однако, эта зависимость нелинейная, и степень износа резко увеличивается, когда температура диска превышает 600 градусов Цельсия. Таким образом, вентиляционные каналы должны поддерживать температурный баланс тормозных дисков в районе 500 – 600 градусов Цельсия на протяжении всей гонки.
«В этом году эффективность вентиляционных каналов играет более важную роль», – объясняет Честер. – «Мы проектировали свои решения, опираясь в основном на данные, полученные с помощью средств CFD (вычислительной гидродинамики). И по сравнению с прошлым годом сейчас через тормозную систему проходит гораздо больше воздуха. Важным является не только диаметр входного отверстия вентиляционного канала, но и то, как воздушный поток достигает рычагов подвески и тормозных дисков и как он покидает эту зону. От этого зависит объем воздуха, проходящего через систему, а соответственно, и эффективность охлаждения. Судя по работе тормозов в Бахрейне, можно сказать, что мы неплохо подготовились ко всем этапам этого сезона».

Как и любая деталь болида, вентиляционные каналы тормозов постоянно модернизируются, поскольку они оказывают существенное влияние на эффективность аэродинамики машины. «В этом году мы запланировали ряд модернизаций наших вентиляционных каналов тормозной системы», – добавил Честер. – «Некоторые трассы не так жестоки по отношению к тормозам, а значит, мы сможем уделить меньше внимания охлаждению и сосредоточимся на том, чтобы повысить прижимную силу болида с помощью этих каналов».