Пожиратели скорости

Как вы думаете, есть ли в автомобиле Формулы-1 система более мощная, чем 800-сильный двигатель? Оказывается, есть. Тормоза. С виду это устройство выглядит достаточно скромно, но мощность, которую оно умудряется развивать, доходит до 2500 л.с.! При этом отрицательное ускорение достигает 3-4g, в то время как у обычных машин этот показатель не превышает 1g. А в 1997 году в Имоле Хайнц-Харальд Френтцен на Williams установил своеобразный рекорд - 5,99g.
Несколько лет назад фирма Mercedes-Benz провела сравнение динамики торможения различных автомобилей. В тесте, помимо прочих машин, участвовали дорожный Mercedes-Benz С36, подготовленный тюнинговой фирмой AMG, и McLaren Формулы-1. Дорожный «Мерс», оборудованный антиблокировочной системой тормозов, замедлялся со скорости 240 км/ч до 0 за 6,7 с и проезжал при этом 190 м. Достойный, надо сказать, результат. Автомобиль Формулы-1 в том же тесте затратил на торможение с 240 км/ч до полной остановки 2,5 с. Тормозная дистанция при этом составила лишь 80 метров. А со скорости 110 км/ч 700-килограммовый снаряд до полной остановки проезжает всего 33 метра. Подобная динамика торможения способна вынуть душу не только из простых смертных, катающихся на двухместных McLaren или Minardi, но и из гонщиков-профессионалов, пришедших из «младших» Формул, включая Формулу-3000.
Для дорожных машин более короткий тормозной путь - это прежде всего большая безопасность. А что сокращение тормозной дистанции дает гоночным автомобилям? Поясним простым примером. Представьте, что Михаэль Шумахер на Ferrari и Эдди Ирвайн на Jaguar несутся бок о бок по прямой со скоростью 320 км/ч. Предположим, что более эффективные тормоза Ferrari позволяют Михаэлю вписаться в поворот, тормозя на 0,3 с позже Ирвайна. Тогда, при прочих равных условиях, только за счет торможения Михаэль отыграет у Эдди около 2 м- почти полкорпуса.
Торможение гоночного автомобиля происходит преимущественно за счет двух факторов: действия силы аэродинамического сопротивления воздуха и собственно работы тормозов. Не стоит недооценивать первый фактор. Когда телевизионный комментатор говорит, что «гонщик поднял ногу с педали «газа», то при скоростях свыше 300 км/ч это означает, что он начал тормозить с ускорением около 1g. По меркам дорожных автомобилей это является экстренным торможением, а гонщик «формулы-1» еще даже не прикоснулся к педали тормоза. После нажатия же на соответствующую педаль динамика замедления становится такой, что, по словам самих пилотов, способность мыслить просто-напросто блокируется.

Принципиально тормоза Формулы-1 не отличаются от обычных дисковых тормозов, стоящих на вашей машине (если, конечно, вы не пилотируете ЛуАЗ - у него тормоза барабанные). Устроены они достаточно просто: тормозной диск, вращающийся вместе с колесом, охватывает скоба суппорта. В суппорте расположены шесть поршеньков, по три с каждой стороны диска. В момент торможения поршеньки прижимают к тормозному диску две тормозные накладки, по одной с каждой стороны. В результате действия сил трения между диском и накладками возникает тормозной момент. При этом кинетическая энергия автомобиля начинает преобразовываться в тепловую, расходуемую преимущественно на нагрев диска. Машина замедляет ход.
Наиболее существенные отличия в конструкции тормозов автомобилей Формулы-1 - материал тормозного диска. Мощность, обрушивающаяся на тормозной диск, столь велика, что скорость нарастания его температуры может достигать 800 °С в секунду! Стальные тормозные диски, применявшиеся в Формуле-1 до конца 80-х годов, в конце концов перестали удовлетворять требованиям термостойкости: при температуре около 600 °С стальной тормозной диск начинает коробиться. И был найден значительно более терпимый к тепловым нагрузкам материал - углерод (точнее, углерод-углеродный композиционный материал, получаемый с помощью высокотемпературной обработки стеклопластиковой заготовки). В современной Формуле-1 он применяется как для изготовления дисков, так и накладок. Диапазон эффективной работы углеродных тормозов находится в районе 400-700 °С. Но даже при перегреве до 1300 °С тормоза сохраняют работоспособность, хотя их эффективность все же снижается.
Несмотря на такие выдающиеся качества, и углеродные тормоза нуждаются в охлаждении, для чего в тормозном диске делают радиальные отверстия. При вращении колеса воздух, находящийся в таком отверстии, за счет действия центробежных сил выбрасывается к периферии диска, а через его центральную часть засасывается новая порция воздуха. Диск работает как центробежный насос, прокачивая через себя охлаждающий воздух.

Кроме термостойкости, углеродные диски отличаются малой массой, примерно в два раза меньшей, чем в случае со стальными дисками. Сэкономить на четырех деталях около 6 кг массы - это совсем не мало. При этом учтите, что тормозные диски относятся к так называемым неподрессоренным массам, которые при наезде машины на препятствие совершают колебательные движения, пресечь передачу которых на шасси вменяется в обязанности подвеске. Чем больше неподрессоренные массы, тем более энергоемкой должна быть подвеска. Снижение же неподрессоренных масс позволяет значительно уменьшить габариты и массу элементов подвески, а также улучшить сцепление колес с трассой.
Есть у углеродных тормозов и недостатки. В частности, большая стоимость и малый ресурс. Проблема долговечности углеродных тормозов была фактором, сдерживающим их применение в середине 80-х, ведь одного комплекта порой не хватало даже на преодоление дистанции до первого пит-стопа. Сейчас ресурс тормозов доведен до 1000 км (три дистанции Гран При), однако в целях безопасности в каждой квалификации и гонке используют новые комплекты. Старые «донашиваются» во время тестов. Хотя после гонки тормозные диски зачастую истираются до неприличия. Результаты износа можно наблюдать во время пит-стопов, когда при снятии колес с машины черное облако углеродной пыли окутывает суетящихся механиков. Эта пыль, кстати, является абразивным материалом, присутствие которого в паре трения диск-накладка нежелательно. Для удаления пыли используют либо щеточки, закрепленные непосредственно на суппорте, либо воздушный поток, сдувающий пыль с диска.

Кроме этого, углеродные тормоза, в отличие от стальных, менее охотно «делятся» с гонщиком информацией о процессе торможения. По словам пилотов, углеродные тормоза схватываются практически мгновенно, не позволяя достаточно плавно дозировать тормозное усилие. Ситуация напоминает управление «компьютерным» автомобилем Формулы-1 на клавиатуре: нажал работает, отпустил - не работает. В 1999 году Алессандро Занарди даже попросил оборудовать его Williams стальными тормозными дисками, к которым он привык, борясь за чемпионские титулы в серии CART. При использовании стальных дисков тормозное усилие изменяется в зависимости от силы прижатия накладок более плавно, что обеспечивает гонщикам лучшую обратную связь в процессе торможения.
Не менее интересной деталью является тормозной суппорт. К нему предъявляют два основных требования: легкость в целях снижения неподрессоренных масс и жесткость для уменьшения деформации суппорта в момент торможения. Малая жесткость суппорта приводит к увеличению хода тормозной педали, что снижает ее чувствительность и приводит к растрате части усилий гонщика на деформацию суппорта. Казалось бы, тут конструкторам представилась отличная возможность для использования какого-нибудь экзотического материала с высоким модулем упругости, то есть с высокой жесткостью, например, бериллиево-алюминиевого сплава. Но согласно техническому регламенту суппорт должен быть изготовлен из алюминиевого материала с модулем упругости не более 80 ГПа. Приходится инженерам, как обычно, искать компромисс между жесткостью и массой.
Сила трения между диском и прильнувшей к нему тормозной накладкой пропорциональна силе взаимного прижатия и не зависит от площади их контакта. Однако инженеры стремятся эту площадь увеличить. Это позволяет снизить давление в зоне контакта и уменьшить износ. Кстати, при использовании углеродных дисков коэффициент трения между накладкой и диском оказывается несколько меньшим, чем при использовании стальных конкурентов, что требует большего усилия прижатия накладок к дискам.
Для развития нужного тормозного усилия накладкам приходится «прикусывать» диск с усилием, превышающим 1 тонну. Эта силища возникает в результате воздействия на поршеньки, прижимающие тормозные накладки к диску давления тормозной жидкости. Давление же возникает при нажатии гонщиком на педаль тормоза за счет сжатия тормозной жидкости в главных тормозных цилиндрах и передается к поршенькам по гидравлическим контурам тормозной системы. Два гидравлических контура, каждый снабженный своим тормозным цилиндром, независимо обслуживают передние и задние колеса машины. Применение гидравлики в системе позволяет, во-первых, передать усилие к каждому тормозному механизму практически без потерь, а во-вторых, многократно это усилие приумножить, что необходимо для создания силы, затирающей диск между тормозными накладками. Кстати, несмотря на такое умножение, усилие на педали тормоза остается существенным, требуя от гонщика немалой физической выносливости чтобы он не обессилел после, скажем, 150-го торможения из 1100 необходимых для успешного прохождения гоночной дистанции Гран При Монако. Положение усугубляется еще и тем, что технический регламент запрещает применение на автомобилях Формулы-1 усилителей тормозов. Так что желающим стать пилотом Формулы -1 можно посоветовать начинать накачивать левую ногу.
Наличие двух раздельных гидравлических контуров в тормозной системе позволяет остановить машину в случае выхода из строя одного из них. Кроме того, тормозные цилиндры контуров соединены через нехитрую систему рычагов, что позволяет гонщику (или инженерам из боксов) изменять тормозной баланс машины, то есть соотношение между тормозными усилиями передних и задних колес. Необходимость в этом возникает при изменении сцепных свойств передних и задних пар колес, например, в результате неравномерного их износа, изменения аэродинамических настроек или при смещении центра тяжести машины при расходовании топлива.
Koнсервативный технический регламент, норовящий в зародыше пресечь всякую творческую инициативу конструкторов Ф-1, стоит и на пути прогресса тормозной системы. Так, запрещено применение каких-либо устройств, меняющих конфигурацию тормозных контуров в процессе торможения или призванных предотвратить при этом блокировку колес. Другими словами, запрещены антиблокировочная система, система автоматического изменения тормозного баланса, система стабилизации движения и т. д. Кроме этого, регламент ограничивает максимальный диаметр тормозного диска 278 мм, а толщину - 28 мм. Для сравнения: дорожная Ferrari 360 Modena оснащается тормозными дисками диаметром 332 мм. Количество тормозных суппортов на одном колесе не должно быть больше одного, количество поршеньков - не более шести, а количество накладок - не более двух.
Вот такие они, пожиратели скорости автомобилей Формулы-1. Надо заметить, что подобные формульные тормоза начали применяться и на некоторых дорогих дорожных спорткарах (Porsche, например). Но, несмотря на это, их тормозная динамика изменилась несущественно, и до Формулы-1 им по-прежнему далеко. Дело в том, что, как и в случае с разгоном, фактором, ограничивающим тормозную динамику является сцепление шин с трассой. Именно повышенное сцепление колес с дорогой обеспечивает Формуле-1 заоблачные величины тормозных ускорений. Но этот увлекательный вопрос - тема другой статьи.

Артем Краснов