×
من حيث تخصيص أقراص الفرامل لأداء السرعة العالية، فإن العثور على مزيج المواد المناسب أمر بالغ الأهمية. يجب أن يتكون المركب المثالي من مواد تتحمل الاحتكاك دون التسخين المفرط، وأن تحافظ على القوة تحت الضغط، وألا تتفكك بسهولة عند دفعها بقوة. تعتمد خيارات الأقراص شبه المعدنية على خلط ألياف الفولاذ والنحاس مع مواد رابطة متنوعة، وهي تعمل بشكل جيد حتى سرعات تتجاوز 120 ميل في الساعة، حيث تبدأ أقراص الفرامل العادية بالفشل. أما أقراص الفرامل الخزفية فتسلك منهجاً مختلفاً من خلال استخدام هياكل خزفية مدعمة تقلل فعلياً من البلى على الأقراص الدوارة وتخفف من أصوات الطقطقة المزعجة. تحتوي بعض الإصدارات المتقدمة على ألياف كربونية أيضاً، مما يسمح لها بالتحمل درجات حرارة تصل إلى 1800 درجة فهرنهايت قبل أن تتحلل. أما بالنسبة لتطبيقات السباقات الجادة، فإن الشركات المصنعة تميل إلى استخدام خلطات خاصة تجمع بين سبائك المعادن وراتنجات عضوية معينة، حيث توفر هذه التركيبة للسائقين قوة توقف قصوى في اللحظات التي يحتاجونها فيها بشدة أثناء فترات الفرملة المكثفة.
| نوع المادة | مستوى الاحتكاك | مقاومة للحرارة | أفضل حالة استخدام | مستوى الضوضاء |
|---|---|---|---|---|
| شبه معدني | عالي (0.4–0.5 ¼) | معتدلة | القيادة الديناميكية على الطرق العامة | معتدلة |
| خزفي | متوسط (0.3–0.4 ¼) | مرتفع | التنقل اليومي | منخفض |
| كربون-سيراميك | متغير (0.35–0.6 ¼) | متطرفة | السيارات الخارقة/الاستخدام على الحلبات | الحد الأدنى |
| مركبات السباق | عالي الاحتكاك (0.5–0.7 ¼) | مرتفع جداً | الرياضة motorport التنافسية | عالي (تحت الحمل) |
توفر معاملات احتكاك أعلى في الأقراص شبه المعدنية والأقراص المستخدمة في السباقات عضًا فوريًا ولكنها تزيد من سرعة تآكل الدوارات. توفر الأقراص الخزفية تشابكًا أكثر نعومة ومقاومة متفوقة للتدهور، مما يجعلها مثالية للاستخدام في التوقفات المتكررة بسرعة عالية. توفر أنظمة الكربون-خزفية أداءً احتكاكيًا قابلًا للتكيف، مع الحفاظ على الثباتية حتى بعد 15 توقفًا قويًا متتاليًا أو أكثر.
عندما يتعلق الأمر بالفرملة بسرعة عالية على مسافات طويلة، فإننا بحاجة فعلًا إلى مواد تُظهر تقدمًا جيدًا في الاحتكاك ويمكنها التعامل مع الحرارة بشكل فعال. وجدت مجتمعات السباقات أن الأقراص المصنوعة من مصفوفات مُشبعة بالنحاس تقلل من انخفاض أداء الفرامل بنسبة تصل إلى 40 بالمئة مقارنةً بتركيبات الأقراص التقليدية، كما أظهرت اختبارات الأداء الأخيرة. ومع ذلك، لا يزال لا شيء يتفوق على فرامل السيراميك المركب بالنسبة للسيارات التي تتجاوز سرعتها 150 ميلًا في الساعة. تمتلك هذه الأنظمة قدرة استثنائية على إدارة الحرارة كما أنها أخف بكثير من الخيارات التقليدية، مما يجعلها الخيار الأمثل للعمل الجاد على الحلبات رغم ارتفاع تكلفتها.
غالبًا ما تتعرض أقراص الفرامل في السيارات السريعة لدرجات حرارة تتجاوز 650 درجة مئوية عندما يضغط السائقون على الفرامل بقوة. إذا لم تكن هذه الأجزاء مصنوعة لتتحمل هذه الحرارة الشديدة، فإن مادة الاحتكاك تبدأ في التدهور بسبب ظاهرة تُعرف باسم التزجيج. وتحدث هذه الظاهرة عندما تصبح الحرارة على السطح مرتفعة للغاية، مما يؤدي إلى تشكيل طبقة خارجية صلبة تجعل من الصعب إيقاف السيارة فعليًا. هناك أيضًا مشاكل أخرى، إذ يمكن أن تؤدي درجات الحرارة القصوى إلى تشويه شكل المعدن وارتفاقه بسرعة أكبر من المعتاد. ولفرق السباقات، هذا يعني إنفاق مبالغ طائلة كل عام على إصلاح الفرامل بدلًا من شراء أجزاء جديدة بالكامل.
الخرسانات المدعمة بالسيراميك تحتفظ بنسبة 92٪ من مقاومتها للقص عند درجة حرارة 800°C، ما يتفوق على أقراص الفرامل شبه المعدنية التقليدية بنسبة 34٪، وفقًا للأبحاث المنشورة في مجلة Journal of Composites Science .
تؤدي الفرملة المستمرة بسرعات تزيد عن 200 كم/ساعة إلى توليد حرارة أسرع مما يمكن أن تبدده معظم الأنظمة، مما يؤدي إلى انطفاء الفرامل —انخفاض خطير في كفاءة الاحتكاك.
| المادة | درجة حرارة حد التلاشي (°C) | وقت الاستعادة بعد 10 ثوانٍ عند درجة حرارة 600°C |
|---|---|---|
| شبه معدني | 500 | 45 ثانية |
| كربون-سيراميك | 850 | 12 ثانية |
تتفوق فصات الكربون-السيراميك في بيئات سباقات السيارات بفضل مقاومتها العالية لـ امتصاص الحرارة , حيث تحافظ على احتكاك مستقر حتى بعد تكرار التوقفات عالية الطاقة.
تستخدم فصات الفرامل عالية الحرارة الحديثة مواد مركبة طبقية تتضمن:
تقلل هذه الابتكارات من درجات الحرارة القصوى أثناء التشغيل بنسبة تصل إلى 28% مقارنة بفرشات المواد الواحدة ، كما أظهرت اختبارات المسار لأنظمة النماذج الأولية.
يُعد انتقال الحرارة الجيد عاملاً مهمًا جدًا عندما يتعلق الأمر بعمل المكابح بسرعات قصوى. عندما تكون المواد قادرة على نقل الحرارة بسرعة من المنطقة التي تلامس فيها الفرامل القرصية مع اللوحة الخلفية المعدنية، تُظهر الاختبارات أن ذلك يقلل من تشوه الأقراص بنسبة تصل إلى 38٪ وفقًا لـ ScienceDirect في عام 2024. كما أن التصاميم الجديدة للمواد الخزفية تُحدث فرقًا كبيرًا أيضًا. لقد بدأ بعض المصنّعين في دمج قنوات تبريد خاصة مستوحاة من دراسات في علم الديناميكا الحرارية. تمنع هذه الميزات نظام الفرامل من التسخين المفرط حتى بعد تكرار التوقفات من سرعات تزيد عن 200 ميل في الساعة، وهو بالضبط ما يحتاجه السائقون في السباقات.
| المادة | الconductivity الحراري (W/m·k) | درجة الحرارة القصوى أثناء التشغيل (°م) | معدل مقاومة الانخفاض* |
|---|---|---|---|
| شبه معدني | 45–55 | 650 | 6.8/10 |
| مركب سيراميك | 60–75 | 800 | 8.9/10 |
| *مُستند إلى محاكاة سباقات تتضمن أكثر من 15 توقفًا متواصلًا من سرعة 150 ميل/ساعة |
تحافظ المواد المركبة السيراميكية على توصيل حراري أعلى بنسبة 25-35٪ تحت الأحمال القصوى، مما يسهم في شعور أكثر اتساقًا بالدواسة أثناء الفرملة المستمرة بسرعة عالية.
أظهر تحليل أُجري في 2024 على نماذج السباقات ذات المسافات الطويلة أن فرش المكابح السيراميكية حافظت على 92٪ من معامل الاحتكاك الأولي لها بعد إكمال 10 لفات في لاجونا سيكا، بينما تدهورت فرش المكابح شبه المعدنية بنسبة 22٪. وأظهرت الصور الحرارية أن فرش المكابح السيراميكية وصلت إلى التوازن الحراري أسرع بنسبة 40٪، مع توزيع حرارة أكثر انتظامًا يمنع ظهور "نقاط ساخنة" محلية ويمدد عمر الفرش.
إن الاحتكاك المنتظم عبر نطاقات درجات الحرارة أمر بالغ الأهمية لعملية الفرملة بسرعات عالية. تحافظ مركبات الكربون-السيراميك على معاملات الاحتكاك فوق 0.45 حتى عند درجة حرارة 800°م، مما يمكّن من تباطؤ موثوق به من سرعات تزيد عن 150 ميل في الساعة. ووجدت دراسة نشرها اتحاد مهندسي السيارات الدولي (SAE International) في عام 2024 أن الوسادات الهجينة ذات المصفوفة الرسومية خفضت تباين الاحتكاك بنسبة 22% مقارنةً بالتصاميم شبه المعدنية التقليدية أثناء عمليات التوقف المتكررة من 100 إلى 0 ميل في الساعة.
تقلل الوسادات المعدنية الملبدة مسافات التوقف بنسبة 15% عند سرعة 120 ميل في الساعة، لكنها تزيد تآكل الدوار بنسبة 40% (FISITA 2023). توفر البديلات السيراميكية حلاً متوازناً بمعاملات احتكاك تتراوح بين 0.38 و 0.42 وتقليل التآكل التجريبي بنسبة 30% - وهي مثالية للمركبات الرياضية المعتمدة للسير على الطرق العامة والتي تحتاج إلى الاستجابة والمتانة معاً.
أظهرت تقييمات السيارات الرياضية المنتجة أن الأقراص العضوية تفقد أكثر من 35٪ من احتكاكها بعد ثلاث توقفات قوية من 100 ميل في الساعة. في المقابل، حافظت الأقراص المستمدة من سباقات السيارات، والمزودة بتعزيز كربيد التنجستن، على ± 5٪ من استقرار الاحتكاك تحت نفس الظروف، مما يؤكد مناسبتها للسيارات الفائقة التي تصل سرعتها إلى أكثر من 200 ميل في الساعة.
تحقق الأقراص المعدنية ذات محتوى النحاس العالي قيم احتكاك تصل إلى 0.55 للاستخدام على الحلبات، لكنها تهتر بشكل يصل إلى 2.5 مم لكل 1000 ميل، مما يتطلب استبدالها بعد 3 إلى 5 فعاليات فقط. أما المصفوفات المتطورة من السيراميك-الكربون فتوفر الآن احتكاكاً يتراوح بين 0.48 و0.52 مع معدل هالك يصل إلى 0.8 مم لكل 1000 ميل، ما يضع معايير جديدة للديمومة في المركبات عالية الأداء ذات الاستخدام المزدوج.
تتعرض الأقراص لضغط حراري شديد أثناء الفرملة بسرعة عالية، حيث تتجاوز درجات الحرارة 650 درجة مئوية (مجلة الهندسة motorsport 2023) . يحاكي اختبار SAE J2689 إيقافات متكررة من 240 إلى 0 كم/ساعة لتقييم البلى:
| نوع فرامل الأقراص | متوسط معدل التآكل (ملغ/إيقاف) | مقاومة درجة الحرارة القصوى |
|---|---|---|
| كربون-سيراميك | 12.7 | 1,100 درجة مئوية |
| من الدرجة السباقية | 18.9 | 950 درجة مئوية |
تُظهر الاختبارات على الدينامومتر الديناميكي أن أقراص الفرامل الخزفية الكربونية تحتفظ بـ 93% من استقرار الاحتكاك بعد 1000 توقف عالي الطاقة، متفوقةً على خيارات المكابح شبه المعدنية، التي تحافظ على 79% من أدائها.
تستخدم مكابح الكربون الخزفي هياكل كربونية ثلاثية الأبعاد والتي تقلل البلى التآكلي بنسبة 41% مقارنة بالمركبات التقليدية (معهد فراونهوفر، 2022). تحقق المركبات التنافسية المتانة من خلال بنية طبقية:
تتبني شركات صناعة السيارات بشكل متزايد تقنيات مثبتة على الحلبات مثل تصميمات الأقراص المجزّأة و طبقات احتكاك كثافة متعددة في نماذج الأداء. ووجد استطلاع أجرته هندسة السيارات في 2023 أن 78٪ من الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEMs) تستخدم الآن تركيبات مكابح مستوحاة من سباقات السيارات، مما يحسن عمر الخدمة بنسبة 32–50٪ مقارنة بالتصاميم التقليدية.
ملاحظة الاختبار: تجمع مقاييس المتانة في العالم الواقعي بين المحاكاة المعملية وتجارب على الطرق والمضمار تصل إلى أكثر من 20,000 كم تحت ظروف تحميل ورطوبة متغيرة.
تستخدم مكابح الأداء العالي غالبًا مواد شبه معدنية، وسيراميكية، وكاربون-سيراميك، ومركبات خاصة لسباقات السيارات. تُختار هذه المواد لقدرتها على تحمل مستويات عالية من الاحتكاك والحرارة.
مقاومة الحرارة مهمة لأن الكبح بسرعات عالية يولد حرارة شديدة، والتي يمكن أن تؤدي إلى تشكل طبقة زجاجية وتآكل مادة المكابح إذا لم تتمكن هذه المواد من تحمل درجات الحرارة تلك.
توفر أقراص الفرامل الخزفية انخراطًا أكثر سلاسة ومقاومة أعلى للتآكل، في حين توفر الخيارات شبه المعدنية عضة أكثر فورية ولكنها قد تؤدي إلى تسريع تآكل الدوار.
تآكل الفرامل هو انخفاض خطير في كفاءة الاحتكاك يحدث عندما تصبح الفرامل ساخنة للغاية، وغالبًا ما يظهر أثناء الفرملة المستمرة بسرعة عالية.
توفر شركة تكنولوجيا هيباي تشينغين هوانباو حلول معدات متقدمة لتلبية احتياجات الصناعة. ضمان جودتنا، المهندسين ذوي الخبرة وخدمة العملاء تضمن الرضا. تواصل معنا اليوم.
EN
