Когда речь заходит об автомобильных тормозах, большинство уверено, что дисковые механизмы давно и безоговорочно победили барабанные. Мол, прогресс не остановить, а всё устаревшее должно уйти на свалку истории. Но если копнуть глубже, выясняется любопытная деталь: у старой доброй барабанной схемы до сих пор есть козырь, которого нет ни у одного дискового тормоза. И козырь этот настолько весомый, что производители продолжают прятать барабан внутри заднего диска почти на каждой современной машине.
Речь о способности выдавать большее замедление при том же усилии на педали, причём без какой-либо электроники. Именно это свойство заставляет инженеров мириться с архаичностью конструкции и встраивать её в задние ступицы даже там, где основную работу выполняют диски. Правда, сегодня это делается преимущественно ради стояночного тормоза, а не ради скорости остановки.
Рождение закрытой схемы
Современную компоновку барабанного тормоза мир увидел благодаря Луи Рено, оформившему патент в 1902 году. Годом ранее на автомобилях Maybach уже появлялись похожие, но более примитивные версии. До этого момента торможение осуществлялось лентой, обёрнутой вокруг вращающегося барабана, и ресурс такой ленты составлял всего 100–200 километров пробега. Конструкция Рено спрятала колодки внутрь барабана, и с тех пор принципиальных изменений в ней почти не произошло.
Мне всегда было интересно, как инженерная мысль начала прошлого века смогла создать решение, которое пережило столетие. Ведь работает барабанный тормоз, по сути, изнутри наружу. Внутри вращающегося вместе с колесом барабана установлены две колодки, а гидравлический цилиндр под давлением тормозной жидкости раздвигает их, прижимая к внутренней поверхности. Всё просто, но в этой простоте скрыт гениальный побочный эффект.
Эффект самоусиления — вот что делает барабан особенным. Вращение само подтягивает одну из колодок плотнее к поверхности, снижая необходимое усилие на педали. Водитель давит слабее, а замедление остаётся тем же. Плюс ко всему, закрытая конструкция защищает колодки от грязи, воды и дорожных реагентов, продлевая им жизнь. А ещё барабан легко соединяется с механическим тросом, поэтому его до сих пор используют под ручник даже на автомобилях с дисками по кругу.
Но у каждой медали есть обратная сторона. Закрытость, защищающая от грязи, точно так же не выпускает наружу тепло. Несколько резких остановок подряд — и металл барабана раскаляется до такой степени, что эффективность торможения резко падает. Это явление называют фейдингом, и именно оно стало главной причиной поиска альтернативных решений.
Открытая альтернатива
Дисковый тормоз запатентовали в том же 1902 году, но сделал это не Рено, а британец Фредерик Уильям Ланчестер. Его конструкция использовала медные накладки, которые жутко скрипели и изнашивались почти мгновенно. Из-за этого дисковые тормоза пролежали на полке почти полвека, пока в 1949 году американский Crosley Hot Shot не стал первым серийным автомобилем с дисками на всех четырёх колёсах. Массовый переход начался лишь в 1950–60-х, когда возросшие скорости и мощности заставили инженеров вернуться к идее Ланчестера, но уже с современными фрикционными материалами.
Устроен дисковый тормоз ровно наоборот — всё снаружи. Плоский металлический диск вращается в открытом пространстве, а суппорт с колодками сжимает его с обеих сторон, как прищепка. Открытость решает главную проблему барабана: набегающий поток воздуха обдувает диск, а вентиляционные каналы, перфорация и насечки помогают отводить тепло ещё быстрее. Фейдинг наступает позже и проявляется слабее.
Однако за открытость приходится платить. Диск и колодки принимают на себя всю грязь, воду и реагенты напрямую. На металле образуется тонкий слой коррозии, который потом даёт знакомую многим вибрацию педали при торможении. С теплом чугунный диск справляется куда лучше барабана, но и у него есть потолок. На треке или на действительно мощных суперкарах даже вентилируемый диск начинает сдавать под нагрузкой.
Я часто замечаю, что автомобилисты воспринимают дисковые тормоза как нечто безупречное. Но стоит проехаться по мокрой дороге или после зимы, как вибрация педали напоминает: у открытой схемы тоже есть свои слабости. И всё же для большинства ситуаций диск остаётся оптимальным компромиссом между ценой, эффективностью и теплоотводом.
Когда чугун перестаёт справляться
Первым серийным автомобилем с карбон-керамическими тормозами стал Porsche 911 GT2 2001 года, где их предложили как опцию под названием Porsche Ceramic Composite Brake. Углеродные композиты давно применялись в авиации и мотоспорте ради термостойкости, но плохо тормозили, пока диск не разогревался. Карбон-керамика должна была сохранить термостойкость и при этом работать уже на холодную.
Вместо чугуна такой диск сделан из композита на основе углеродного волокна, пропитанного карбидом кремния. Это принципиально другой материал, а не просто улучшенная версия чугуна. И у него есть два важных преимущества. Во-первых, он работает при температурах выше 1000 градусов Цельсия практически без потери эффективности. Фейдинг, главная проблема и барабана, и чугунного диска, здесь почти отсутствует даже при многократных экстремальных торможениях подряд.
Во-вторых, композит заметно легче чугуна того же размера. А поскольку это неподрессоренная масса, каждый сброшенный на тормозах килограмм напрямую улучшает управляемость и отзывчивость подвески. К тому же материал попросту не ржавеет. Но есть и минус, который практически перечёркивает массовое применение, — цена. Комплект таких тормозов на спорткар может обойтись в 9–10 тысяч евро сверх стоимости машины, и это не считая замены при серьёзном износе или сколе от удара о бордюр.
Трещины и сколы такой диск переносит куда болезненнее чугунного. А в обычной городской езде карбон-керамика попросту не успевает выйти на рабочую температуру, так что весь её смысл раскрывается только на треке или при постоянной динамичной езде. Это инструмент для энтузиастов, а не для ежедневных поездок за хлебом.
Возврат энергии вместо её сжигания
Сам принцип рекуперации — возврат энергии торможения в систему вместо того, чтобы просто сжечь её в тепло, — использовался на трамваях и электропоездах ещё в начале 20 века, задолго до появления электромобилей. А вот в массовый легковой автомобиль эта идея пришла только в 1997 году вместе с Toyota Prius, первым по-настоящему массовым серийным гибридом.
Здесь торможение вообще не начинается с трения колодки о диск. Электромотор, который обычно крутит колёса, при отпускании газа или лёгком нажатии на тормоз переключается в генераторный режим и вместо того, чтобы тратить энергию батареи, сам получает её от вращающихся колёс и отдаёт обратно. Механические тормоза подключаются только при резкой остановке, при почти полном заряде батареи, когда возвращать энергию уже некуда, либо на совсем малой скорости, где отдача от генераторного режима ослабевает.
Главный плюс здесь принципиально другого рода, чем у трёх предыдущих механизмов. Рекуперация решает не проблему перегрева или веса, а проблему потери энергии. Кинетическая энергия, которая на барабане, диске или карбон-керамике просто улетает в атмосферу нагретым металлом, тут возвращается в батарею и увеличивает запас хода. Заодно сами колодки и диски изнашиваются в разы медленнее, потому что в повседневной езде на них не приходится основная нагрузка, а вместе с этим падает и количество тормозной пыли.
Минус ощущается через саму педаль. Электронике приходится на лету смешивать генераторное торможение с механическим, и на ранних системах педаль получалась не самой линейной — то слишком резкой, то, наоборот, вялой в конце хода. К тому же рекуперация — это не замена тормозам, а надстройка над ними. Механические тормоза на машине всё равно обязаны стоять, потому что экстренная остановка или разряженная батарея быстро съедают весь эффект генераторного режима.
Четыре философии замедления
Четыре механизма — это четыре ответа на одну задачу: превратить кинетическую энергию во что-то безопасное. Только каждый упирался в свою стену. Барабан решал проблему усилия на педали ценой перегрева. Диск решал перегрев ценой открытости и коррозии. Карбон-керамика окончательно закрыла вопрос перегрева и веса ценой цены, в буквальном смысле слова. А рекуперация вообще сменила саму логику — вместо того чтобы просто гасить энергию, стала забирать её себе.
Я вижу в этой эволюции не столько конкуренцию технологий, сколько смену приоритетов. Сначала важнее всего было облегчить усилие водителя, потом — справиться с нагревом, затем — с весом и экстремальными нагрузками, а теперь — с эффективностью использования энергии. Каждое решение оставило свой след в современных автомобилях, и ни одно из них не исчезло полностью. Барабан до сих пор работает в ручниках, диск — на подавляющем большинстве машин, карбон-керамика — на спорткарах, а рекуперация — в каждом электромобиле и гибриде. В этом и заключается настоящий прогресс: не в замене старого новым, а в умении находить каждому механизму своё место.