×
เมื่อพูดถึงผ้าเบรกที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่ความเร็วสูง การเลือกวัสดุที่เหมาะสมนั้นสำคัญอย่างยิ่ง สารประกอบที่เหมาะสมจะต้องสามารถรับแรงเสียดทานโดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไป รักษารูปทรงไว้ได้ภายใต้แรงกดดัน และโดยพื้นฐานแล้วจะต้องไม่เสื่อมสภาพเร็วเมื่อถูกใช้งานหนัก ผ้าเบรกกึ่งโลหะมีความแข็งแรงจากการผสมเส้นใยเหล็กและทองแดงเข้ากับสารยึดเกาะต่างๆ สิ่งเหล่านี้ใช้งานได้ดีเมื่อความเร็วเกิน 120 ไมล์ต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นจุดที่เบรกทั่วๆ ไปเริ่มทำงานไม่ได้แล้ว ส่วนผ้าเบรกเซรามิกนั้นใช้โครงสร้างเซรามิกเสริมแรงที่สามารถลดการสึกหรอของจานเบรก และลดเสียงรบกวนเวลาเบรกได้ รุ่นขั้นสูงบางชนิดยังมีเส้นใยคาร์บอนผสมเข้าไปด้วย ซึ่งช่วยให้วัสดุทนอุณหภูมิได้สูงถึง 1,800 องศาฟาเรนไฮต์ก่อนที่จะเสื่อมสภาพ สำหรับการใช้งานในสนามแข่งขันจริง ผู้ผลิตมักเลือกใช้ส่วนผสมพิเศษที่รวมโลหะผสมต่างๆ เข้ากับเรซินอินทรีย์บางชนิด ซึ่งการผสมผสานเช่นนี้จะให้แรงเบรกสูงสุดแก่ผู้ขับขี่ในช่วงเวลาที่ต้องการหยุดรถอย่างรวดเร็วที่สุด
| ประเภทวัสดุ | ระดับแรงเสียดทาน | ความทนต่อความร้อน | กรณีการใช้งานที่ดีที่สุด | ระดับเสียง |
|---|---|---|---|---|
| กึ่งโลหะ | สูง (0.4–0.5 ¼) | ปานกลาง | การขับขี่บนถนนแบบเร้าใจ | ปานกลาง |
| เซรามิก | ปานกลาง (0.3–0.4 ¼) | สูง | การเดินทางประจำวัน | ต่ํา |
| คาร์บอน-เซรามิก | เปลี่ยนแปลงได้ (0.35–0.6 ¼) | สุดขั้ว | รถซุปเปอร์คาร์/ใช้งานบนสนามแข่ง | น้อยที่สุด |
| สารผสมสำหรับการแข่งขัน | รุนแรง (0.5–0.7 ¼) | สูงมาก | การแข่งขันมอเตอร์สปอร์ต | สูง (ภายใต้ภาระ) |
สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่สูงขึ้นในผ้าเบรกแบบเซมิเมทัลลิกและผ้าเบรกสำหรับการแข่งขัน ช่วยให้หยุดรถได้ทันทีทันใดแต่ก็เพิ่มการสึกหรอของจานเบรกด้วย ผ้าเบรกเซรามิกให้การตอบสนองที่นุ่มนวลกว่าและมีความต้านทานการสูญเสียแรงเบรกที่ดีกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการหยุดรถที่ความเร็วสูงซ้ำๆ ระบบคาร์บอน-เซรามิกมีสมรรถนะการเสียดทานที่ปรับตัวได้ รักษาความคงที่ได้แม้เบรกแรงติดต่อกันมากกว่า 15 ครั้ง
เมื่อพูดถึงการเบรกที่ความเร็วสูงเป็นระยะเวลานาน เราต้องการวัสดุที่มีคุณสมบัติการเกิดแรงเสียดทานที่ดีและสามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ กลุ่มนักแข่งรถพบว่า ผ้าเบรกที่ผลิตจากแมททริกซ์ที่ผ่านการอัดอนุภาคทองแดงมาด้วยนั้น สามารถลดอาการเบรกเสื่อม (Brake Fade) ได้ราว 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับส่วนผสมแบบดั้งเดิมของผ้าเบรกทั่วไป ตามผลการทดสอบสมรรถนะล่าสุด อย่างไรก็ตาม รถยนต์ที่ทำความเร็วเกิน 150 ไมล์ต่อชั่วโมง ยังคงต้องพึ่งพาเทคโนโลยีระบบเบรกเซรามิกคาร์บอนเป็นหลัก เนื่องจากระบบดังกล่าวมีความสามารถในการจัดการกับความร้อนได้อย่างยอดเยี่ยม และยังมีน้ำหนักเบากว่าทางเลือกแบบดั้งเดิมมาก แม้จะมีราคาสูงกว่า แต่ก็ยังถือเป็นทางเลือกอันดับหนึ่งสำหรับงานแข่งขันที่จริงจัง
ผ้าเบรกของรถยนต์ที่วิ่งเร็วมักจะต้องเผชิญกับความร้อนที่สูงเกิน 650 องศาเซลเซียส เมื่อผู้ขับขี่เหยียบเบรกอย่างแรง หากชิ้นส่วนเหล่านี้ไม่ได้ถูกสร้างมาให้ทนต่อความร้อนระดับนี้ วัสดุที่ใช้ในการสร้างแรงเสียดทานจะเริ่มเสื่อมสภาพจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเกิดเกรซ (glazing) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อพื้นผิวรับความร้อนมากเกินไปจนเกิดชั้นผิวแข็งที่ทำให้การหยุดรถทำได้ยากยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังมีปัญหาอื่น ๆ อีก เช่น ความร้อนสูงจัดสามารถทำให้โลหะเกิดการบิดงอและสึกหรอเร็วกว่าปกติอย่างมาก สำหรับทีมแข่งรถ หมายความว่าพวกเขาต้องใช้เงินจำนวนมากขึ้นเพื่อซ่อมแซมเบรกในแต่ละปี แทนที่จะซื้อใหม่เลย
Ceramic-reinforced composites retain 92% ของแรงเฉือนสูงสุด ที่อุณหภูมิ 800°C ซึ่งสูงกว่าผ้าเบรกแบบกึ่งโลหะแบบดั้งเดิมถึง 34% ตามการวิจัยจาก วารสาร Journal of Composites Science .
การเบรกต่อเนื่องที่ความเร็วเกินกว่า 200 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จะสร้างความร้อนเร็วกว่าที่ระบบส่วนใหญ่จะสามารถระบายความร้อนได้ ส่งผลให้เกิด การเสื่อมประสิทธิภาพของเบรก (brake fade) —การลดลงของประสิทธิภาพการเสียดทานที่เป็นอันตราย
| วัสดุ | จุดเริ่มต้นของการเกิดเฟด (°C) | ระยะเวลาในการฟื้นตัวหลังจากใช้งาน 10 วินาทีที่อุณหภูมิ 600°C |
|---|---|---|
| กึ่งโลหะ | 500 | 45 วินาที |
| คาร์บอน-เซรามิก | 850 | 12 วินาที |
แผ่นเบรกคาร์บอน-เซรามิกส์เหมาะสำหรับการแข่งขันมอเตอร์สปอร์ต เนื่องจากมีคุณสมบัติ ทนทานต่อการสะสมความร้อน สามารถรักษาแรงเสียดทานให้คงที่ แม้ต้องหยุดรถหลายครั้งด้วยพลังงานสูง
แผ่นเบรคสมัยใหม่ที่ใช้งานในอุณหภูมิสูงใช้ วัสดุคอมโพสิตแบบมีชั้น การผสานรวม:
นวัตกรรมเหล่านี้ช่วยลดอุณหภูมิสูงสุดขณะทำงานลงได้ถึง 28% เมื่อเทียบกับผ้าเบรกแบบวัสดุเดียว จากการทดสอบระบบต้นแบบบนสนามแข่ง
การถ่ายเทความร้อนที่ดีมีความสำคัญมากเมื่อพูดถึงการทำงานของเบรกที่ความเร็วสูงสุด เมื่อวัสดุสามารถถ่ายเทความร้อนออกไปได้อย่างรวดเร็วจากจุดที่ผ้าเบรกสัมผัสกับจานเบรกไปยังแผ่นเหล็กที่อยู่ด้านหลัง ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าสามารถลดปัญหาจานเบรกบิดงอได้ประมาณ 38% ตามรายงานของ ScienceDirect ในปี 2024 แบบจำลองใหม่สำหรับวัสดุเซรามิกช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้มากเช่นกัน ผู้ผลิตบางรายได้เริ่มนำช่องระบายความร้อนพิเศษมาใช้โดยได้แนวคิดมาจากงานวิจัยด้านเทอร์โมอิเล็กทริก คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยป้องกันไม่ให้ระบบเบรกเกิดการโอเวอร์ฮีทแม้ต้องเบรกหลายครั้งติดต่อกันจากการลดความเร็วลงจากมากกว่า 200 ไมล์ต่อชั่วโมง ซึ่งเป็นสิ่งที่นักแข่งต้องการมากที่สุด
| วัสดุ | ความสามารถในการนำความร้อน (W/m·k) | อุณหภูมิสูงสุดในการใช้งาน (°C) | คะแนนต้านทานเฟด* |
|---|---|---|---|
| กึ่งโลหะ | 45–55 | 650 | 6.8/10 |
| เซรามิกคอมโพสิต | 60–75 | 800 | 8.9/10 |
| *อ้างอิงจากผลการจำลองบนสนามที่ทดสอบมากกว่า 15 ครั้งติดต่อกัน โดยเบรกจากความเร็ว 150 ไมล์ต่อชั่วโมง |
วัสดุคอมโพสิตเซรามิกมีความสามารถในการนำความร้อนสูงกว่า 25–35% ภายใต้ภาระงานหนัก ซึ่งช่วยให้การตอบสนองของแป้นเบรกมีความสม่ำเสมอระหว่างการเบรกที่ความเร็วสูงเป็นเวลานาน
การวิเคราะห์ในปี 2024 ของต้นแบบรถแข่งขันที่ใช้ในการแข่งขันระยะไกลแสดงให้เห็นว่า ผ้าเบรกเซรามิกยังคงค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานไว้ได้ถึง 92% หลังจากวิ่งครบ 10 รอบที่ Laguna Seca ในขณะที่ผ้าเบรกแบบกึ่งโลหะลดลงถึง 22% การถ่ายภาพด้วยคลื่นอินฟราเรดแสดงให้เห็นว่าผ้าเบรกเซรามิกสามารถเข้าสู่สภาวะสมดุลของอุณหภูมิได้เร็วกว่า 40% พร้อมทั้งกระจายความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยป้องกันจุดร้อนเฉพาะที่ ("hot spots") และยืดอายุการใช้งานของผ้าเบรก
แรงเสียดทานที่คงที่ตลอดช่วงอุณหภูมิ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเบรกที่ความเร็วสูง สารประกอบเซรามิกส์คาร์บอนสามารถรักษาระดับสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานไว้เหนือ 0.45 แม้ในอุณหภูมิสูงถึง 800°C ซึ่งช่วยให้ลดความเร็วได้อย่างเชื่อถือได้จากความเร็วเกิน 150 ไมล์ต่อชั่วโมง งานวิจัยของ SAE International ในปี 2024 พบว่า ผ้าเบรกแบบผสมผสานที่ใช้แมทริกซ์กราไฟต์ สามารถลดความแปรปรวนของแรงเสียดทานลงได้ 22% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบเซมิ-เมทัลลิกทั่วไป ในการเบรกซ้ำๆ จากความเร็ว 100–0 ไมล์ต่อชั่วโมง
ผ้าเบรกโลหะแบบเซ็นเตอร์ ลดระยะเบรกได้ 15% ที่ความเร็ว 120 ไมล์ต่อชั่วโมง แต่เพิ่มการสึกหรอของจานเบรกขึ้น 40% (FISITA 2023) ในขณะที่ทางเลือกเซรามิกส์ให้สมดุลที่ดีกว่า ด้วยค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่าง 0.38 ถึง 0.42 และการสึกหรอที่ลดลง 30% ซึ่งเหมาะสำหรับรถยนต์สมรรถนะสูงที่ใช้งานบนถนนทั่วไป ที่ต้องการทั้งการตอบสนองและอายุการใช้งานที่ยาวนาน
การประเมินผลจากสปอร์ตคาร์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์แสดงให้เห็นว่า ผ้าเบรกแบบอินทรีย์สูญเสียแรงเสียดทานไปมากกว่า 35% หลังจากเบรกหนักสามครั้งติดต่อกันจากความเร็ว 100 ไมล์ต่อชั่วโมง ในทางตรงกันข้าม ผ้าเบรกที่พัฒนามาจากมอเตอร์สปอร์ตซึ่งมีการเสริมด้วยทังสเตนคาร์ไบด์สามารถรักษาความเสถียรของแรงเสียดทานไว้ที่ ±5% ในสภาวะเดียวกันนี้ ซึ่งยืนยันถึงความเหมาะสมสำหรับใช้ในรถยนต์ไฮเปอร์คาร์ที่ความเร็จเกิน 200 ไมล์ต่อชั่วโมง
ผ้าเบรกแบบโลหะผสมที่มีทองแดงสูงสามารถสร้างแรงเสียดทานได้สูงสุดถึง 0.55 สำหรับใช้ในสนามแข่ง แต่มีอัตราการสึกหรอที่ 2.5 มม. ต่อระยะทาง 1,000 ไมล์ ซึ่งมักต้องเปลี่ยนใหม่หลังใช้งานเพียง 3–5 ครั้งเท่านั้น ขณะที่เทคโนโลยีแมทริกซ์แบบคาร์บอน-เซรามิกขั้นสูงในปัจจุบันสามารถให้ค่าแรงเสียดทาน 0.48–0.52 ¼ พร้อมกับอัตราการสึกหรอที่ต่ำเพียง 0.8 มม. ต่อระยะทาง 1,000 ไมล์ จึงกำหนดมาตรฐานใหม่ในเรื่องความทนทานสำหรับรถสมรรถนะสูงที่ใช้งานได้ทั้งในสนามและบนถนนจริง
การเบรกที่ความเร็วสูงทำให้ผ้าเบรกต้องเผชิญกับความเครียดจากความร้อนสูงจนอุณหภูมิสูงขึ้นเกิน 650°C (วารสารวิศวกรรมมอเตอร์สปอร์ต 2023) . การทดสอบ SAE J2689 จำลองการหยุดที่ความเร็ว 240–0 กม./ชม. ซ้ำๆ เพื่อประเมินการสึกหรอ:
| ประเภทผ้าเบรก | อัตราการสึกหรอเฉลี่ย (มก./ครั้ง) | ทนอุณหภูมิสูงสุด |
|---|---|---|
| คาร์บอน-เซรามิก | 12.7 | 1,100°C |
| เกรดแข่ง | 18.9 | 950°C |
การทดสอบบนไดนาโมมิเตอร์แบบไดนามิกแสดงให้เห็นว่าผ้าเบรกคาร์บอน-เซรามิกยังคงรักษาระดับแรงเสียดทานได้ 93% หลังจากเบรกด้วยพลังงานสูง 1,000 ครั้ง มีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุกึ่งโลหะทั่วไป ซึ่งยังคงอยู่ที่ 79%
ผ้าเบรกคาร์บอน-เซรามิกใช้ โครงสร้างแมทริกซ์คาร์บอนแบบ 3 มิติ ซึ่งลดการสึกหรอแบบกัดกร่อนลง 41% เมื่อเทียบกับวัสดุคอมโพสิตแบบดั้งเดิม (Fraunhofer Institute 2022) สารประกอบเกรดแข่งมีความทนทานจากโครงสร้างแบบชั้น:
ผู้ผลิตรถยนต์นำมาตรฐานเทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วในสนามแข่ง เช่น ดีไซน์จานเบรกแบบร่อง และ ชั้นวัสดุเสียดทานหลายความหนาแน่น ในโมเดลสมรรถนะสูง จากการสำรวจวิศวกรรมยานยนต์ปี 2023 พบว่า 78% ของผู้ผลิตยานยนต์ OEMs ปัจจุบันใช้สูตรผสมวัสดุเบรกแบบที่ได้รับการพัฒนามาจากมอเตอร์สปอร์ต ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานให้ยาวนานขึ้น 32–50% เมื่อเทียบกับการออกแบบทั่วไป
หมายเหตุการทดสอบ: ตัวชี้วัดความทนทานในสภาพการใช้งานจริงถูกประเมินจากแบบจำลองในห้องทดลองรวมกับระยะทางมากกว่า 20,000 กิโลเมตรของการทดสอบบนสนามแข่งและถนนภายใต้สภาพการโหลดและระดับความชื้นที่เปลี่ยนแปลง
ผ้าเบรกสมรรถนะสูงมักใช้วัสดุประเภทกึ่งโลหะ เซรามิก คาร์บอน-เซรามิก และสารผสมพิเศษสำหรับการแข่งขัน โดยเลือกใช้วัสดุเหล่านี้เนื่องจากสามารถทนต่อแรงเสียดทานและอุณหภูมิที่สูงได้ดี
ความต้านทานความร้อนมีความสำคัญมาก เพราะการเบรกที่ความเร็วสูงสร้างความร้อนจำนวนมาก ซึ่งอาจทำให้ผ้าเบรกเกิดการเคลือบผิว (glazing) และสึกหรอเร็วขึ้น หากวัสดุไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงนั้นได้
ผ้าเบรกเซรามิกมีการตอบสนองที่นุ่มนวลกว่าและมีความต้านทานต่อการเกิดเบรกเบิร์นได้ดีกว่า ในขณะที่ผ้าเบรกแบบเซมิ-เมทัลลิกจะให้แรงเบรกที่ทันทีกว่าแต่อาจทำให้จานเบรกสึกหรอเร็วขึ้น
เบรกเบิร์นคือปรากฏการณ์ที่ประสิทธิภาพในการหยุดลดลงอย่างอันตราย เกิดขึ้นเมื่อเบรกทำงานหนักจนร้อนจัด มักเกิดขึ้นระหว่างการเบรกที่ใช้ความเร็วสูงเป็นเวลานาน
Hebei Chengen Huanbao Technology ให้บริการโซลูชันอุปกรณ์ขั้นสูงสำหรับความต้องการทางอุตสาหกรรม การควบคุมคุณภาพ วิศวกรที่มีประสบการณ์ และบริการลูกค้าของเราช่วยรับประกันความพึงพอใจ ติดต่อเราได้ทันที
EN
