چه ویژگی‌هایی باعث می‌شود یک لنت ترمز برای خودروهای سریع‌راه‌انداز ایده‌آل باشد؟

مواد لنت ترمز و عملکرد در سرعت بالا

درک ترکیب و خواص مواد لنت ترمز

امروزه سیستم‌های ترمز سرعت بالا به موادی نیاز دارند که تعادل خوبی بین ایجاد اصطکاک و مقاومت در برابر گرما داشته باشند. قطعات ترمز سرامیکی از ترکیبی از الیاف مسی و ذرات سرامیکی تشکیل شده‌اند، به گونه‌ای که می‌توانند در دماهایی در حدود 1200 درجه فارنهایت نیز عملکرد خود را حفظ کنند. صفحه‌های نیمه فلزی به شیوه‌ای متفاوت عمل می‌کنند، آن‌ها از ساختارهایی از آهن و فولاد استفاده می‌کنند که به پراکنده کردن گرما کمک می‌کنند، چیزی که زمانی که رانندگان به طور مکرر ترمز می‌کنند اهمیت زیادی پیدا می‌کند. در کاربردهای مسابقه‌ای، گزینه‌های فلزی اسینتر شده انتخاب محبوبی هستند، چرا که این قطعات از ماتریس‌های تنگستنی تشکیل شده‌اند که تحت فشار متصل می‌شوند. آن‌ها سطح اصطکاک خود را در حد بالای 0.55 mu حتی در دمای 1600 درجه فارنهایت حفظ می‌کنند و در نتیجه مقاومت حرارتی آن‌ها حدود 32 درصد بهتر از ترمزهای معمولی خیابانی است. این تفاوت در شرایط مسابقه‌ای که دماهای بسیار بالا بخشی از عملیات روزمره است، بسیار مهم است.

صفحه‌های ترمز سرامیکی در مقابل صفحه‌های نیمه فلزی: یک تحلیل مقایسه‌ای

آزمایش‌های میدانی مشخصات عملکردی متفاوتی را نشان می‌دهند (جدول ۱):

پد ترمز نیمه‌فلزی در شرایط با عملکرد بالا که نیازمند پراکندگی سریع گرما هستند، عملکرد بهتری ارائه می‌دهند، اگرچه نرخ سایش 250٪ بالاتری نسبت به دیسک ترمز دارند که نیازمند نگهداری بیشتری است.

پد ترمز فلزی سینترشده برای عملکرد فوق‌العاده در شرایط سرعت بالا

در مسابقات حرفه‌ای استفاده می‌شوند، پدهای فلزی سینترشده با ساختارهای لایه‌ای تنگستن-کربن، ضریب اصطکاکی 0.55–0.60 را در دمای 1,600 درجه‌ی فارنهایت حفظ می‌کنند. آنها فاصله‌ی توقف 18٪ کوتاه‌تر از سرامیک‌ها را در سرعت‌های بالای 150 مایل بر ساعت فراهم می‌کنند. با این حال، سختی بسیار زیاد آنها باعث افزایش 300٪ در سایش دیسک ترمز می‌شود و استفاده‌ی اقتصادی آنها را به جلسات مسابقه‌های زمان‌دار محدود می‌کند.

چگونگی تأثیر ترکیب مواد پد ترمزهای با عملکرد بالا بر روی سطح اصطکاک

• ترکیبات مس-سرامیکی : واریانس اصطکاک ±2٪ از 400–1,000 درجه‌ی فارنهایت
• نیمه‌فلزی‌های غنی از آهن : 18٪ گیرایی اولیه‌ی قوی‌تر از سرامیک‌ها دارند اما پس از 10+ چرخه‌ی متوالی در دمای 1,000 درجه‌ی فارنهایت، 22٪ از اصطکاک خود را از دست می‌دهند
• آلیاژهای سینترشده ثبات اصطکاک ±1.5% در طول سه چرخه حرارتی (استانداردهای SAE J2682)

چگالی ماده و محتوای فلزی به طور مستقیم بر جذب حرارت تأثیر می‌گذارند. طراحی‌های غنی از مس، خطر شیشه‌ای شدن لنت ترمز را در حین ترمزگیری‌های طولانی با سرعت بالا تا 41% کاهش می‌دهند.

پراکندگی حرارت و مدیریت حرارتی در ترمز کردن با سرعت بالا

علم پراکندگی حرارت در لنت ترمز

مدیریت موثر حرارت، لنت‌های ترمز با کارایی بالا را از انواع استاندارد متمایز می‌کند. ترمز کردن از سرعت 150 مایل بر ساعت، حرارتی بیش از 1200 درجه فارنهایت تولید می‌کند - دمایی که می‌تواند مواد با کیفیت پایین را تاب بدهد. ترکیبات پیشرفته مانند آلیاژهای سینتر شده از تخلخل در سطح میکرونی برای هدایت حرارت از روی دیسک ترمز استفاده می‌کنند و استرس حرارتی را تا 30% کاهش می‌دهند (Khatir و همکاران، 2022)

دوام لنت ترمز در شرایط ترمز سنگین و چرخه‌های حرارتی مکرر

توقف‌های مکرر با سرعت بالا باعث ایجاد چرخه‌های حرارتی در دیسک ترمز می‌شود که منجر به شکست مواد با کیفیت پایین می‌گردد. آزمایش‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهند که آستین‌های ترمز از جنس چدن ورمیکولار می‌توانند بیش از 500 چرخه گرمادهی سریع (تا 540 درجه سانتی‌گراد) و سرمادهی را بدون تابیدگی تحمل کنند و در مقاومت در برابر ترک خوردگی 22 درصد بهتر از چدن سیاه سنتی عمل کنند (لیو و وانگ 2022).

اندازه‌گیری عملکرد در دماهای بالا: داده‌های حاصل از آزمایش‌های میدانی

داده‌های میدانی آستانه‌های مهمی را برجسته می‌کنند. آستین‌های کربن-سرامیک در دمای پایدار 370 درجه سانتی‌گراد ضریب اصطکاکی 45/0 تا 55/0 حفظ می‌کنند، در حالی که آستین‌های نیمه‌فلزی در دماهای بالاتر از 315 درجه سانتی‌گراد کارایی خود را از دست می‌دهند. یک مدل ترمومکانیکی ارائه شده در سال 2023 از سیستم‌های ترمز پرفرمانس نشان داد که روتورهای سوراخ‌دار گرما را 18 درصد سریع‌تر از طرح‌های بدون سوراخ پخش می‌کنند.

تحلیل از دیدگاه تخصصی: آیا آستین‌های ترمز سرامیکی در شرایط رقابتی دچار اضافه‌گرمایی می‌شوند؟

لنت ترمز سرامیکی برای استفاده معمولی روی جاده‌های عادی عالی کار می‌کند، اما مهندسان روزهای مسابقه متوجه شده‌اند که زمان خنک‌شدن آن‌ها پس از مسابقه حدوداً ۴۰ درصد بیشتر از گزینه‌های کربن-سرامیکی طول می‌کشد. با این حال تحقیقات جدیدی در حال تغییر این باورها است. آزمایش‌های آزمایشگاهی از ترکیبات مختلف سرامیک نشان داده است که افزودن گرافن در طول مسابقات شبیه‌سازی شده ده گردشی، دمای بیش از حد آن‌ها را حدوداً ۲۱۵ درجه فارنهایت کاهش می‌دهد. این موضوع باعث ایجاد تردید در فرضیه‌های قدیمی درباره عملکرد سرامیک‌ها شده است. در مرکز این بحث، یک معامله اساسی بین میزان سرعت چسبندگی ترمز در اولین استفاده و میزان استقامت آن در شرایط دمای بسیار بالا در طول چندین گردش وجود دارد.

ثبات اصطکاک و قدرت توقف در سرعت‌های بالا

ثبات اصطکاک در شرایط بحرانی و تأثیر آن بر کنترل

ثبات ضریب اصطکاک در سرعت‌های بالای 150 مایل بر ساعت بسیار حیاتی است، در این شرایط لنت‌ها باید سطح اصطکاک 0.38–0.42 را حتی در دماهای بالای 600 درجه سانتی‌گراد حفظ کنند تا از دست دادن مدولاسیون جلوگیری شود. پژوهش‌های انجام شده روی سیستم‌های ترمزداری با سرعت بالا نشان می‌دهد که کامپوزیت‌های کربن-سرامیک 92% از کارایی اصطکاکی خود را در طول 10 توقف اضطراری متوالی حفظ می‌کنند و این میزان 34% بهتر از طرح‌های متداول نیمه فلزی است.

افزایش قدرت توقف از طریق بهینه‌سازی مواد لنت ترمز

فرمول‌بندی‌های پیشرفته تعادل بین فشردگی و هدایت حرارتی را برای دستیابی به فاصله توقف زیر 350 فوت (در خودروهای عملکردی) از سرعت 100 به 60 مایل بر ساعت فراهم می‌کنند. لنت‌های فلزی سینتر شده با لایه‌های مسی پشتی، انتقال حرارت به دیسک را 28% در مقایسه با گزینه‌های مبتنی بر آهن کاهش می‌دهند (SAE 2024)، این امر افتراق حرارتی سریع‌تر را ممکن می‌سازد و در عین حال سفتی ساختاری را برای واکنش فوری پدال حفظ می‌کند.

مطالعه موردی در دنیای واقعی: عملکرد ترمز در خودروهای پرفورمنس بالا در مسیرهای مسابقه

تست روی خودروهای مخصوص GT3 نشان داد که لنت های سرامیکی کامپوزیتی نوسانات زمانی دورهای را در پیست معروف Circuit de Spa-Francorchamps به میزان تقریبی 1.2 ثانیه نسبت به گزینه های نیمه فلزی سنتی کاهش می دهند. رانندگان مسابقه ای احساس بهتر قابل توجهی در پدال ترمز را در طول دورهای 25 دقیقه ای خود گزارش دادند، چیزی که با اسکن های حرارتی نیز تایید شد و دمای دیسک ها در بخش های حیاتی ترمز کاری را به میزان تقریبی 150 درجه سانتی گراد کاهش یافت. این نتایج دقیقاً در محدوده ای قرار دارند که FIA آن را برای پایداری مصالح اصطکاکی قابل قبول می داند و قدرت توقف مداوم حتی در شرایطی که دما از 400 به 800 درجه سانتی گراد در مسابقات تغییر می کند، حفظ می شود.

مقاومت در برابر خستگی ترمز و قابلیت اطمینان بلندمدت

درک خستگی ترمز و مکانیسم های مقاومت در برابر داغ شدن

هنگامی که ترمزها در طول مسیرهای شیب‌دار طولانی بیش از حد گرم می‌شوند، شروع به از دست دادن چسبندگی روی دیسک‌ها می‌کنند، که این امر به معنی کاهش موقت قدرت توقف است. آزمایش‌های انجام شده سال گذشته شرایط سخت جاده‌های کوهستانی را شبیه‌سازی کردند که رانندگان به طور مداوم ترمز می‌کردند. آزمایش شامل سه دوره مجزای پنج دقیقه‌ای بود که در آن خودرو با سرعت حدود ۳۰ تا ۳۵ کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کرد و بین هر دوره استراحت‌هایی برای خنک شدن ترمزها در نظر گرفته شده بود. کف ترمزهای ارزان‌تر تقریباً ۴۰ درصد کاهش در عملکرد خود نسبت به حالت اولیه داشتند، در حالی که مواد با کیفیت بالاتر حدود ۹۰ درصد از اثربخشی اولیه خود را حفظ کردند. کف ترمزهای آلی تمایل دارند تخریب شوند زیرا رزین‌های موجود در آنها تحت تنش گرمایی ذوب می‌شوند. گزینه‌های نیمه فلزی با مشکلات متفاوتی مواجه می‌شوند که در آن ماده به سادگی از سطح دیسک ساییده می‌شود. اما کف ترمزهای متالیک سینتر شده بهتر مقاومت می‌کنند زیرا پیوندهای آنها حتی در دماهای بالای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد همچنان محکم باقی می‌مانند و مقاومت بیشتری نسبت به پدیده فییدینگ (کاهش عملکرد ترمز) دارند.

مقاومت حرارتی برای جلوگیری از فییدینگ ترمز در حین رانندگی پیوسته با سرعت بالا

ترکیب کربن-سرامیک در سیستم‌های با عملکرد بالا بهترین گزینه است، زیرا از دو قسمت تشکیل شده است. پایه سرامیکی باعث نگه داشتن خنکی حتی در دماهایی در حدود 1500 درجه فارنهایت می‌شود و فیبرهای مسی که در آن بافته شده‌اند در واقع انتقال گرما را از نقطه تماس بهتر می‌کنند. آزمایش‌های واقعی روی مسیرهای مسابقه به ما می‌گویند که این لنت‌ها همچنان نسبتاً پایدار باقی می‌مانند و استحکام گیرش خود را در حدود 5٪ پس از ترمزهای شدید مکرر حفظ می‌کنند. این مقدار بسیار بهتر از آنچه با لنت‌های نیمه فلزی دیده می‌شود، است که معمولاً بین 20 تا 30٪ از توان ترمز خود را در شرایط مشابه از دست می‌دهند. چیزی که این لنت‌ها را بیشتر متمایز می‌کند، مجرای خنک‌کننده داخلی تعبیه شده و چسب‌های خاصی است که می‌توانند گرمای شدید را تحمل کنند. این دو عامل با هم افت گرمایی را کاهش می‌دهند، به طوری که رانندگان در لپ‌های حیاتی پایانی مسابقه شاهد کاهش عملکرد ترمز نخواهند بود.

پارادوکس صنعت: اصطکاک بالا در برابر تخریب گرمایی در لنت‌های نیمه فلزی

لنت های دیسک نیمه فلزی معمولاً از همان ابتدا حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد اصطکاک بیشتری نسبت به گزینه های سرامیکی فراهم می کنند. با این حال، این لنت ها حاوی آهن و مس هستند که باعث می شود در دماهای بالای ۹۰۰ درجه فارنهایت سریعتر ساییده شوند. آنچه بعد از آن اتفاق می افتد برای رانندگان بسیار مشکل ساز می شود. سطوح ترمز تمایل پیدا می کنند تا پوششی براق به نام گلازینگ (روکش شیشه ای) تشکیل دهند و پس از ایجاد این وضعیت، قدرت توقف واقعی در بازه ۲۵ تا ۴۰ درصد کاهش پیدا می کند، به ویژه پس از استفاده طولانی مدت. بر اساس داده های اخیر منتشر شده از SAE International در سال ۲۰۲۳، تقریباً ۷۸ عدد از هر ۱۰۰ لنت نیمه فلزی که در مسابقات اتومبیلرانی مورد آزمایش قرار گرفتند، نشانه هایی از این مشکل را داشتند. برای مهندسان خودرو که در حال طراحی سیستم های ایمنی وسیله نقلیه هستند، در اینجا راه حل کاملی وجود ندارد. آنها باید تصمیم بگیرند که آیا از چسبندگی اولیه قوی تری که لنت های نیمه فلزی فراهم می کنند استفاده کنند یا اینکه به سراغ کامپوزیت های سرامیکی بروند که ممکن است در ابتدا عملکرد بهتری نداشته باشند اما در طول سفرهای طولانی تر، بهتر عمل کنند، چرا که این لنت ها در طول زمان تقریباً نصف افت اصطکاک را نسبت به لنت های نیمه فلزی تجربی می کنند.

پرسش‌های متداول: مواد دیسک ترمز و عملکرد در سرعت‌های بالا

انواع اصلی مواد دیسک ترمز مورد استفاده در کاربردهای با سرعت بالا چیست؟

انواع اصلی مواد دیسک ترمز مورد استفاده در کاربردهای با سرعت بالا شامل سرامیکی، نیمه فلزی و فلزی متراکم (Sintered) می‌شود. این مواد مختلف از نظر ضریب اصطکاک، مقاومت حرارتی و میزان سایش دیسک خواص متفاوتی دارند.

کدام ماده دیسک ترمز بهترین مقاومت حرارتی را دارد؟

دیسک‌های ترمز فلزی متراکم (Sintered) بهترین مقاومت حرارتی را فراهم می‌کنند و حتی در دماهای بالای ۱۶۰۰ درجه فارنهایت (حدود ۸۷۰ درجه سانتی‌گراد) ضریب اصطکاک خود را حفظ می‌کنند که این ویژگی آن‌ها را برای شرایط رقابتی بسیار سخت با سرعت بسیار بالا مناسب می‌سازد.

دیسک ترمز سرامیکی چه تفاوتی با دیسک ترمز نیمه فلزی دارد؟

لنت های سرامیکی معمولاً دارای گرفت اولیه کمتری هستند اما سطح اصطکاک پایداری را حفظ می کنند، در مقاومت در برابر گرما عملکرد خوبی دارند و نسبت به لنت های نیمه فلزی موجب فرسایش کمتر دیسک ترمز می شوند. با این حال، لنت های نیمه فلزی گرفت اولیه قوی تری فراهم می کنند و گرما را بهتر پخش می کنند اما باعث فرسایش سریع تر دیسک ها می شوند و ممکن است در طول زمان دچار کاهش عملکرد شوند.

آیا لنت های سرامیکی برای استفاده در مسابقات مناسب هستند؟

اگرچه لنت های سرامیکی در رانندگی روزمره عملکرد خوبی دارند، اما پس از شرایط سنگین مسابقه ای، نسبت به گزینه های کربن-سرامیکی زمان بیشتری برای خنک شدن نیاز دارند. با این حال، پیشرفت های اخیر در مواد، مانند افزودن گرافن، باعث بهبود قابلیت مدیریت گرمای آنها برای استفاده در مسابقات شده است.

ترمز فیت چیست و کدام لنت ها مقاومت بهتری در برابر آن دارند؟

ترمز فیت کاهش قدرت ترمز کننده به دلیل داغ شدن بیش از حد لنت های ترمز است. لنت های فلزی سینتر شده و کربن-سرامیکی مقاومت خوبی در برابر ترمز فیت دارند و در دماهای بالا نسبت به لنت های آلی یا نیمه فلزی استاندارد عملکرد بهتری دارند.