Як працюватиме гальмівна система в майбутніх легкових автомобілях?

Потужна гальмівна система – одна з найважливіших технологій в автомобілі. Пропонуємо огляд технологій та перспективи розвитку гальм у найближчому майбутньому.

Без ефективної гальмівної системи неможливо задовольнити вимоги безпеки та динаміки сучасних автомобілів, тим більше, що системи контролю динаміки руху, такі як ESP або системи допомоги при екстреному гальмуванні, також залежать від безпечної роботи механічних фрикційних гальм.

На гальмівний шлях, як величину уповільнення автомобіля, впливають різні фактори:

• Коефіцієнт статичного тертя μ між шинами та дорожнім покриттям.
• Розподіл ваги між передньою та задньою віссю.
• Висота центру ваги та колісна база автомобіля.
• Розподіл ефективної гальмівної сили між осями.
• Швидкість і сила натискання на педаль гальма.
• Ефективність роботи гальмівної системи та
• Механічний стан гальмівної системи.

Гальмівні системи повинні виконувати свою функцію навіть після нагрівання внаслідок екстремальних навантажень, таких як спуск з гірських перевалів, експлуатація причепа та багаторазове гальмування на високих швидкостях. За таких навантажень нагрівання гальмівного диска і гальмівної рідини призводить до зміни коефіцієнта тертя і товщини диска, а за несприятливих обставин – до сильного нагрівання гальмівної рідини.

Зміна коефіцієнта тертя, яку часто називають затуханням, призводить до зниження ефективності гальмування і, відповідно, до збільшення гальмівного шляху, якщо водій не в змозі компенсувати зниження ефективності гальмування сильним натисканням на педаль гальма.

Щоб запобігти зменшенню гальмівного ефекту, встановлюються гальмівні диски з внутрішньою вентиляцією та максимально можливим діаметром. Таким чином, нагріванню фрикційних пар, пов’язаному з тертям, можна протидіяти за допомогою оптимальної подачі повітря з розсіюванням тепла гальмування на диску та супорті.

Тертя та знос

Гальмівні диски та гальмівні колодки є важкими робочими конячками в автомобілях. При силі натискання на педаль 140 ньютонів контактний тиск гальмівних колодок на диск становить приблизно 20 кН, тобто близько двох тонн: в екстремальних випадках під час гальмування диск нагрівається до більш ніж 750° C.

Якщо температура підвищується через тертя до такої міри, атоми або молекули вириваються зі своїх твердих зв’язків. Іншими словами, це призводить до зносу гальмівного диска. Особливо в зонах мікроконтакту швидко виникають дуже високі температури, які за несприятливих обставин досягають температури плавлення ураженого металу. Такі «гарячі точки» вказують на металургійні зміни в гальмівному диску.

Крім того, стирання відбувається під час контакту між двома партнерами по тертю – диском/гальмівним барабаном і гальмівною колодкою. Цей знос складається із заліза (FE) та вуглецю (C). Зокрема, гальмівні колодки, які широко використовуються в Європі, мають вищий коефіцієнт тертя при високих температурах компонентів, але призводять до більшого абразивного зносу.

Євро 7 і частинки

Із запланованою директивою Євро 7, яка, як очікується, буде введена в дію наприкінці 2026 року, набудуть чинності нові граничні значення. Граничне значення для твердих частинок від стирання гальм не повинно перевищувати значення 3 мг/км для чисто електричних транспортних засобів і 7 мг/км для всіх інших типів приводів. З 2030 року нижнє значення 3 мг/км буде застосовуватися до всіх типів транспортних засобів. Згідно з сучасними дослідженнями, викиди від гальм становлять близько 30 % усіх твердих частинок у міському дорожньому русі.

Тверді частинки (РМ 10) визначаються як пил з розміром частинок менше 10 мікрометрів (мкм). PM 2.5 відноситься до твердих частинок з розміром частинок менше 2,5 мкм. PM 2.5 є причиною більшості захворювань, спричинених твердими частинками. Ще дрібнішими є частинки ультрадисперсного пилу (менше 0,1 мкм). Чим менші частинки, тим більший ризик проникнення твердих частинок в альвеоли легенів, звідки вони потрапляють у кров і поширюються по всьому організму.

Тверді частинки можуть призвести до респіраторних та серцево-судинних захворювань. Особливо ризикують маленькі діти, люди похилого віку та люди з уже існуючими респіраторними та серцево-судинними захворюваннями. У зв’язку з цим зрозумілі зусилля, спрямовані на максимальне скорочення викидів твердих частинок.

Дослідження поведінки при гальмуванні показали, що кількість процесів гальмування в електромобілях значно скорочується завдяки рекуперації. У деяких випадках гальма застосовуються лише в екстрених випадках. Плагін-гібриди гальмують дещо частіше за допомогою фрикційного гальма. Це означає, що рівень забруднення твердими частинками дуже низький. Однак гальмівний диск в обох варіантах більше страждає від корозії через відсутність механічного гальмування, що скорочує термін служби цих компонентів.

Закриті барабанні гальма в поєднанні з сажовими фільтрами на задній осі, а в залежності від максимальної швидкості транспортного засобу також і на передній осі, є комплексним рішенням для збільшення швидкості поглинання. «Відродження» барабанного гальма можна спостерігати насамперед в електромобілях.

Недоліками цієї системи є додаткові маси, які демпфіруються лише шинами, та додатковий простір для встановлення поглинаючих фільтрів. Крім того, для роботи всмоктувального пристроюпотрібно багато енергії – від 500 до 1000 Вт. Для дискових гальм компанія Mann+Hummel представляє активну систему, в якій пил відсмоктується безпосередньо на гальмівному супорті. 

Іншим рішенням є використання більш твердих гальмівних дисків, наприклад, виготовлених з алюмінію з карбідом кремнію, або гальмівних дисків з покриттям. У першому випадку витрати на матеріали дуже високі, а це означає, що їх можна встановлювати лише на автомобілі преміум-класу. У другому варіанті виробничі витрати відповідно високі через високошвидкісне полум’яне напилення в поєднанні з нанесенням зносостійкої підкладки.

Лазерне плакування, при якому твердий матеріал наноситься на поверхню тертя гальмівного диска, є менш дорогим. Піонером у покритті гальмівних дисків, при якому частинки порошку наносяться за допомогою лазерного променя, є компанія Wecodur. Перевагою є те, що поверхня гальмівного диска є стійкою до корозії, що робить його ідеальним для PHEV та електромобілів. Для таких гальмівних дисків потрібні також адаптовані гальмівні колодки. Звичайно, ефективність гальмування не повинна погіршуватися через модифіковані фрикційні накладки.

Партнери по співпраці Bosch і Buderus розробили гальмівний диск для серійного застосування, в якому карбід вольфраму наноситься за допомогою полум’яного напилення. Porsche також пропонує цей гальмівний диск під назвою «Porsche Surface Coated Brake PSCB» для Taycan за додаткову плату.

Карбон-керамічні диски

Водії суперспортивних та гоночних автомобілів висувають зовсім інші вимоги до гальмівних дисків. У перегонах найкращі гальмівні характеристики зазвичай досягаються лише при високій температурі гальмівних дисків і шин. Прогрів перед початком перегонів аж ніяк не зводиться до того, щоб просто довести двигун і шини до робочої температури. Однак класичні металеві гальмівні матеріали не підходять для таких екстремальних значень тертя та сповільнень. Замість них використовуються спеціальні матеріали, такі як вуглецеві волокна та метан, що застосовуються для піролізу газу. Довгі вуглецеві волокна бувають двовимірними (плоскими) або тривимірними (просторовими). Сучасні високотехнологічні гальмівні диски складаються з вуглецево-керамічної суміші матеріалів.

Процес виробництва дисків Brembo CCR для Ferrari Enzo та 360 Modena, наприклад, раніше займав кілька днів, але зараз він значно скоротився. Тим не менш, виробництво є дуже дорогим, але продукт є надзвичайно легким та зносостійким.

Для дорожніх транспортних засобів, яким необхідно досягти високих показників гальмування навіть при холодних гальмах, Brembo використовує короткі вуглецеві волокна, занурені у фенольну смолу та кремній для своїх дисків CCM: під час виробництва смола і волокна пресуються для формування диска; в подальшому термічному процесі – піролізі – органічні речовини, що містяться у фенольній смолі, карбонізуються, утворюючи вуглецевий диск. Під час силіфікації кремній проникає у волокнисту матрицю, з’єднується з нею і в результаті реакції під час термічної обробки утворює карбід кремнію. Тільки після цього гальмівний диск має необхідну твердість і стійкість до стирання, яка значно вища, ніж у литого диска. Поверхню оброблено за допомогою алмазного інструменту.

Полегшений карбоновий диск має майже вдвічі більшу питому теплоємність c, ніж литий (1,2 кДж/кгК порівняно з 0,65 кДж/кгК для заліза). І це при третині його щільності. Крім того, менша інерційність у поєднанні зі зменшеною масою позитивно впливає на вібрацію та керованість коліс. Керамічні диски також нечутливі до корозійного впливу піску та рідких солей.

Проблема: нагрівання

Однак карбоновий диск нагрівається сильніше через свою меншу вагу порівняно з литим диском. Тут температуру необхідно обмежити, значно збільшивши конструкцію гальмівної поверхні, щоб не допустити перевищення можливих температур у найгіршому випадку. Крім того, ефективному відведенню тепла сприяє вміле розташування та конструкція каналів охолодження між двома поверхнями тертя.

Особливо проблематичною є зона переходу від гальмівного диска до розтруба, тобто місце з’єднання з маточиною колеса. Це пов’язано з тим, що розтруб, виготовлений з чавуну, сталі або алюмінію, піддається більшому розширенню під впливом тепла, ніж вуглецевий диск.

Щоб уникнути деформації та пов’язаного з нею коливання диска при нагріванні, перехідна зона складається з точно визначених зубців і канавок. Геометричні неточності посадки компенсуються металевими елементами з пружною деформацією. При цьому механічні зусилля рівномірно передаються на розтруб, що дозволяє уникнути перевантаження в зоні зубців. Оскільки фіброкомпозитний диск є хорошим «звукопоглиначем» і майже не деформується, шум при гальмуванні дуже низький.

Карбонові диски розраховані на тривалий термін служби автомобіля. Вони не іржавіють і не потребують розгальмовування після тривалого періоду бездіяльності. Крім того, іржа на дисках не заважає водієві бачити легкосплавне колесо, карбоновий диск і гальмівний супорт, який часто пофарбований у червоний або жовтий колір.

Вторинні заходи

У співпраці з Mann+ Hummel Conti пропонує корпус з інтегрованою фільтрацією для гальмівної системи на колесі в якості вторинних заходів – тобто заходів щодо зниження викидів – на VW ID.3. Для цього потік повітря з частинками направляється як над, так і через фільтри на виході з гальмівної системи, які зв’язують частинки. Залежно від конструкції та розміру кожуха досягаються різні ступені очищення.

Перевага цієї системи полягає в тому, що гальмівна система не потребує модифікації. Крім того, викиди твердих частинок можна додатково покращити за рахунок збільшення розміру фільтра. Однак технічне обслуговування системи неминуче.

Гальмівні системи майбутнього

Вимоги до гальмівних систем зростають у зв’язку з автоматизацією водіння та розвитком електрифікації. Якщо механічні гальмівні системи з вакуумним підсилювачем і гідравлічною передачею зусилля, яке водій передавав через педаль гальма на колісні гальма, були поширені в минулому, то в майбутньому гальма повинні будуть сприяти підвищенню ефективності транспортного засобу. Викиди твердих частинок і CO2 від транспортного засобу повинні бути зменшені. У контексті діджиталізації та підключення до Інтернету необхідно вирішити низку додаткових завдань. Continental називає ці технології майбутніх гальмівних систем Future Brake Systems (FBS).

Рекуперативне гальмування

Відновлення кінетичної енергії під час гальмування відоме як рекуперативне гальмування або рекуперація. У той час як у звичайному автомобілі велика частина кінетичної енергії безповоротно перетворюється на тепло під час гальмування за допомогою фрикційного гальма, в гібридних або електричних автомобілях принаймні частина кінетичної енергії може бути відновлена за допомогою електродвигуна і збережена в акумуляторі. Це збільшує запас ходу електричного або гібридного транспортного засобу, а також покращує баланс викидів CO2.

Щоб відповідати вимогам автовиробників, Continental та інші виробники розробляють гальмівний модуль, в якому функції головного гальмівного циліндра, підсилювача гальм і систем керування (ABS, ESC) об’єднані в одному компактному гальмівному модулі. Це не тільки економить вагу і монтажний простір, але і робить зайвим звичайний гальмівний підсилювач, який працює з вакуумом.

Все почалося з так званої системи MK-C1 – електромеханічного приводу звичайного гідравлічного гальма, за допомогою якого гальмівний тиск створювався протягом 150 мс без необхідності використання підсилювача гальм. Завдяки цій системі сила ноги водія більше не відіграє ролі в натисканні на педаль під час екстреного гальмування. Якщо система виходить з ладу через збій живлення, гальмівний тиск створюється за рахунок збільшеного зусилля ноги водія. Згодом компанія Continental замінила MK C1 на друге покоління – MK C2.

Як і у випадку з C1, система інтегрує головний циліндр, підсилювач гальм і системи управління (ABS і ESC) в одному компактному і легкому модулі. Нова мультилогічна архітектура підвищує функціональність і доступність системи. Система, яка також дозволяє високоавтоматизоване водіння, поєднана з гідравлічним гальмом, щоб водій міг безпечно гальмувати, навіть якщо електрична система вийде з ладу. Завдяки мультилогічній архітектурі немає необхідності встановлювати паркувальний блокатор. Перевагою є ще коротший гальмівний шлях у разі екстреного гальмування.

Якщо на електромобілі лише злегка натиснути на педаль гальма, транспортний засіб рекуперативно гальмує, а батарея, яка не повністю заряджена, заряджається. Після повного заряджання акумулятора транспортний засіб гальмується за допомогою фрикційного гальма.

Електромеханічний підсилювач гальм

Завдяки електромеханічному підсилювачу гальм фізична сила водія більше не відіграє ролі в ефективному екстреному гальмуванні. Це означає, що навіть маленькі, фізично непідготовлені люди можуть виконати екстрену зупинку без особливих зусиль. А в електромобілях багато водіїв не помічають, чи спрацювало колісне гальмо, чи електродвигун працює як генератор і виробляє електроенергію, коли вони натискають на педаль гальма. В будь-якому випадку відчуття педалі не змінюється.

VW удосконалив гальмівний підсилювач, що використовується в e-Up, і представив його як eBKV Generation 2.

Ключовими особливостями 2-го покоління є:

• Зменшення ваги за рахунок встановлення пластикових шестерень.
• Відсутність гідроакумулятора.
• Сила опори до 5,2 Н.
• Потужність двигуна 300 Вт.
• Знижений залишковий гальмівний момент і
• Швидке нарощування гальмівного тиску для функцій допомоги водієві.

Швидке нарощування гальмівного тиску для функцій допомоги водієві має величезне значення для безпеки. Гальмівний шлях при екстреному гальмуванні з 30 км/год до повної зупинки скорочується на 1,3 метра, що також значно зменшує кількість наїздів на пішоходів у цьому діапазоні швидкостей.

Притирання гальмівних колодок до гальмівного диска після гальмування створює залишковий гальмівний момент, що призводить до підвищеної витрати пального та збільшення викидів CO2 і твердих частинок. Модифікація гальмівних супортів за допомогою затискача дозволяє відтиснути гальмівні колодки від диска, і залишковий гальмівний момент наближається до нуля.

Модифікований гальмівний супорт для зменшення залишкового гальмівного моменту

Якщо порівняти стару систему з нинішньою, то різниця стає очевидною:

Будова еклтромеханічного підсилювача гальм (eBKV)

Ключовим компонентом є паралельно-осьовий електродвигун з фланцевим блоком керування. Крутний момент двигуна передається на напрямну втулку зі шпинделем через ведучу шестерню і двоступеневий редуктор. Вставлений штовхач розташований у шпинделі.

Ключовим компонентом є паралельно-осьовий електродвигун з фланцевим блоком керування. Крутний момент двигуна передається на напрямну втулку зі шпинделем через ведучу шестерню і двоступеневий редуктор. Вставлений штовхач розташований у шпинделі.

Рух шпинделя передається на поршень головного циліндра тандемного гальма через корпус підсилювача і реактивний диск. Коли водій зменшує тиск на  педаль гальма, поворотна пружина повертає поршень у вихідне положення. Дві напрямні тяги запобігають обертанню механізму регулювання. Двосторонній датчик Холла реєструє положення гальма для блоку управління, який використовує його для визначення збільшення гальмівної сили.

Коли водій натискає на педаль гальма, спочатку долається сила пружини, перш ніж шток введення тиску переміститься, і датчик положення педалі гальма фіксує цей рух. Для визначення положення відносно корпусу підсилювача використовуються два елементи датчика Холла.

Розроблений з внутрішнім резервуванням, він захищений від виходу з ладу. Роздільник знизу оснащений чотирма магнітами Холла, які при натисканні на педаль гальма переміщуються в напрямку тандемного головного циліндра по відношенню до елементів Холла. Оскільки корпус підсилювача з елементами Холла не рухається відносно магнітів Холла, рух штока введення тиску фіксується і сигнал надходить до блоку керування гальмівним підсилювачем.

Блок керування використовує наявні дані про рух для розрахунку необхідного допоміжного моменту для початку гальмування і надсилає ШІМ-сигнал на електродвигун. Обертальний рух двигуна передається на напрямну втулку через редуктор. Блок керування отримує поточне положення ротора електродвигуна від датчика положення електродвигуна. Обертальний рух переміщує шпиндель разом з корпусом підсилювача в напрямку тандемного головного циліндра, тим самим ініціюючи гальмування.

Дані про рух включають сигнал швидкості від колісних датчиків, сигнал відстані, надісланий АСС, поточний гальмівний тиск у системі та інформацію про будь-яке керуюче втручання з боку АБС. Якщо водій зменшує тиск на педаль гальма, напрямок обертання електродвигуна змінюється і зворотна пружина штовхає корпус підсилювача зі штоком введення тиску в початкове положення.

Коли водій натискає на педаль гальма, зусилля педалі передається на поршні тандемного головного гальмівного циліндра через натискний шток і шток поршня. Переміщення штовхача фіксується датчиком положення педалі гальма, який знаходиться в блоці керування. Другий датчик визначає положення ротора електродвигуна гальмівного підсилювача. Блок управління розраховує необхідне підсилення на основі обох значень – запиту водія на гальмування і положення ротора – і переміщує підсилювальну втулку за допомогою зубчастих шестерень. Це збільшує зусилля, що діє на поршні тандемного головного циліндра.

Електричне стоянкове гальмо EPB

Електромеханічне стоянкове гальмо вже давно стало частиною нашої повсякденної роботи в майстерні: ще в 2011 році стоянкове гальмо цього типу було встановлено на задню вісь VW Touareg для барабанного гальма з дуо-сервоприводом. На відміну від стоянкових гальм, які діють безпосередньо на гальмівний диск і аналогічні суто механічним прикладам деяких старих моделей Porsche або Mercedes Sprinter, барабанне гальмо у великому німецькому позашляховику було інтегроване в дискове гальмо.

Це означає, що чашка диска також слугує барабаном для утримання колодок стоянкового гальма.

Замість тросових тяг тут встановлено електромеханічний гальмівний привід. Він складається з

• Електродвигун в приводі.
• Черв’ячна передача.
• Фрикційний шпиндель і
• Поршень як притискна гайка для гальмівного супорта.

Коли водій натискає кнопку цього стоянкового гальма, на електродвигун подається напруга. Обертальний рух передається через шпиндель електродвигуна на циліндричну шестерню з черв’ячним приводом, від неї на іншу циліндричну шестерню, яка через привід шпинделя переміщує поршень як притискну гайку.

Притискна гайка притискає поршень гальмівного супорта до гальмівної колодки, тим самим блокуючи колесо. Якщо перевищується заданий струм споживання електродвигуна, блок керування вимикає двигун. Під час цього процесу манжета на поршні деформується.

Багато технологій для простого компонента. Крім того, на відміну від свого суто механічного аналога, електричне стоянкове гальмо можна встановити лише у два положення «відкрито» або «закрито».

Електричне гальмо

Чому тільки стоянкове гальмо повинно мати електричне керування, а не все робоче гальмо? Першим кроком може стати електричне, а не гідравлічне керування гальмами задньої осі.

Принаймні, тоді гальмівну рідину не потрібно буде регулярно міняти, а потім утилізувати. А установка заднього моста з електромеханічним приводом гальм значно спрощується завдяки відсутності гідравлічних ліній. Завдяки такому напівсухому гальмуванню задня вісь може більше використовуватися для рекуперації в електромобілях, а гідравліка передньої осі слугуватиме запасним варіантом на випадок, якщо електроніка вийде з ладу.

Цікавим є порівняння відкритого дискового гальма з герметичним барабанним гальмом на задній осі. Як не дивно, барабанне гальмо має переваги завдяки своїй надійності і, як наслідок, меншій кількості скарг під час техогляду. Порівняння залишкових гальмівних моментів, коли гальмо неактивне, показує 1 Нм на вісь для дискового гальма, оптимізованого за допомогою затискача, і 4 Нм на вісь для неоптимізованого гальма, тоді як для барабанного гальма вказано 0 Нм.

Барабанні гальма також мають значно кращі показники з точки зору терміну служби. В середньому для дискового гальма заявлено 75 000 кілометрів пробігу. Єдиною сферою, де дискове гальмо має високі показники, є відведення тепла, яке для барабанного гальма описано як достатнє. Це ще одна причина, чому електромобілі часто мають барабанні гальма ззаду, але завжди дискові спереду.

У довгостроковій перспективі можна відмовитися від усієї гальмівної гідравліки, і всі гальма на всіх чотирьох колесах можуть приводитися в дію електромеханічно.

Надалі гальмівні сигнали передаються суто електрично, що експерти називають «системою сухого гальмування за допомогою дротів» (dry brake-by-wire). «Під час автоматичного екстреного гальмування на швидкості 100 км/год гальмівний шлях може бути на дев’ять метрів коротшим, ніж зі звичайними гальмівними системами, оскільки електрична система реагує набагато швидше, ніж середньостатистичний водій», – зазначає ZF.

При цьому не має значення, чи використовуються барабанні гальма, чи дискові. Система гальмування за допомогою дротів усуває залишковий гальмівний момент, що виникає через перетягування диска в звичайних гальмах, що призводить до значно меншого утворення гальмівного пилу. Для електромобілів з максимальною швидкістю 160 км/год було б цілком виправдано встановити сучасні барабанні гальма на всі чотири колеса.

З міркувань безпеки та надмірності необхідно було б встановити низку програмних і функціональних блоків, щоб керувати кожним колесом окремо, використовуючи наявні високопродуктивні комп’ютери. Безпека системи гарантується дублюванням всіх з’єднань і систем, як це зазвичай буває з дротовими системами в авіації. Якщо живлення першого рівня виходить з ладу, використовується другий рівень – в екстрених випадках це енергія від 12-вольтової батареї. Це не обов’язково робить таку гальмівну систему простішою за звичайну гідравлічну систему.

Висновок

У зв’язку з прийняттям нової директиви Євро 7 з її вимогою значно зменшити забруднення навколишнього середовища твердими частинками, ведеться інтенсивна робота над відповідними рішеннями. Майбутні транспортні засоби, принаймні компактні, з низькою вагою і лише чотирма, а не п’ятьма сидіннями, потребуватимуть лише барабанного гальма замість дискового на задній осі в якості спільного робочого і стоянкового гальма через порівняно низьку масу. Це також є варіантом для передньої осі, особливо з огляду на те, що перевага кращого відведення тепла від інкапсульованого дискового гальма не очевидна.

Поки що невідомо, коли сухі гальма на всіх чотирьох колесах підуть у серійне виробництво. Однак німецькі постачальники, такі як Continental, ZF і Bosch, вже працюють над розробкою.