Что происходит с тормозным диском при торможении?

Как я уже говорил в предыдущем посте про сварку трением, тормозной диск при торможении разогревается до высоких температур. Сейчас покажу, что я вычитал из немецкого источника — диссертации, представленной в Техническом университете Дармштадта в 2009 году. В интернете очень много разрозненной информации, а этот источник мне понравился. Поскольку в Германии хорошо развита автомобильная промышленность и она славится знаменитыми марками, которые не нуждаются в представлении, научная база в этой отрасли, по-видимому, тоже серьёзная.

Итак, тормозной диск при торможении разогревается очень неравномерно. Спустя некоторое время после начала торможения на нём с определённой периодичностью возникают так называемые горячие точки (hot spots), в которых температура может достигать 800–1000 °C. На первом рисунке — изменение распределения температуры в диске в разные моменты времени от начала торможения (от 2 до 15 секунд). Горячие точки здесь — от розового до белого цвета, если судить по температурной шкале.

Мы знаем, что при нагреве металл расширяется, и в местах с наибольшей температурой он расширяется сильнее. Таким образом, возникает неравномерная деформация — в горячих точках металл сильно «плывёт», а рядом с ними практически не деформируется. Из-за этого диск меняет свою геометрию, его начинает «вести», и в итоге он искривляется, приобретая форму, как на втором рисунке.

В результате возникает низкочастотная вибрация — то, что мы ощущаем в руле, когда тормозим на больших скоростях. Если продолжать тормозить, когда уже возникли горячие точки и диск стал волнообразным, то в местах «вспученного» металла усиливается давление (он же там стал толще и сильнее давит на колодку), и температура растёт ещё сильнее, а значит, диск ещё больше деформируется в этих точках. Возникает порочный круг, который всё сильнее разогревает и деформирует диск. В науке это называется положительной обратной связью.

Почему же диск не портится долгое время?

Во-первых, деформация диска из-за термического расширения обратима: после остывания он практически полностью возвращает исходную форму. Во-вторых, отчётливые горячие точки и положительная обратная связь возникают при торможении со скоростей более 180 км/ч, что на практике встречается довольно редко. Вероятно, поэтому это, прежде всего, проблема спортивных автомобилей. На них ставят диски из более качественных материалов, устойчивых к термоударам, а также делают вентиляционные отверстия.

Кстати, в той работе выявлено, что уменьшение площади контакта диска с тормозной колодкой (пример исполнения на рисунке 3) снижает температуру в горячих точках. На графике рисунка 4 приведена зависимость температуры в каждой точке окружности диска. Видно, что при уменьшении площади контакта в 2 раза максимальная температура в горячих точках снижается тоже примерно вдвое. Правда, там всё сильно зависит ещё и от формы самой колодки, но в эти подробности вдаваться не будем.

Я заметил, что автомобильная тема многим интересна, поэтому, если вы узнали что-то новое из этого поста, — пересылайте другу. Так будет проще распространять знания.