Тормоза - в пыль
С июля 2020 года в лаборатории автомобильного привода Швейцарского НИИ материаловедения (EMPA) проводятся необычные эксперименты. Гибридный автомобиль VW Jetta испытывается на мощностном стенде для того, чтобы стереть в пыль тормоза в городском стиле движения.
Интерес учёных к исследованию выбросов пыли, возникающих при торможении авто, усилился в июне 2016 года, когда эксперты Европейской экономической комиссии (ЕЭК) ООН решили, что пора создать стандартные методики по измерению количества и размеров мельчайших частичек, стираемых с тормозных колодок и дисков. Сегодня этой проблемой занимается целый ряд исследовательских организаций, автопроизводителей и компаний, выпускающих тестовое оборудование. Перед ними стоят серьёзные проблемы.
Нетривиальная задача
В отличие от выхлопной трубы тормозной диск открыт со всех сторон, так что частички пыли разлетаются во всех направлениях. Их нужно собрать и направить равномерным потоком в анализатор, минимизировав потери и оседание в трубах пылепровода.
Есть у исследователей и ещё одна проблема: тормозной диск прикреплён к вращающейся оси, а суппорт (гидравлические тиски) крепится к подвижным элементам подвески. Более того, при движении автомобиля по трассе его диск и тормозные колодки через вентиляционные прорези обдуваются воздушным потоком, а в тестовой камере такого потока нет, и потому нарушаются условия для охлаждения тормозов. Заключённое в пылесборник колесо может быстро перегреться и создавать совсем другие частицы, чем в реальной дорожной ситуации. И тогда результаты измерений окажутся практически бесполезными.
Рабочая группа ЕЭК ООН по измерению эмиссии твёрдых частиц предложила упростить задачу: проводить контроль выбросов от тормозных модулей в закрытых камерах. Таким образом испытывается не весь автомобиль, а небольшая его часть. Тестовые стенды с закрытыми камерами уже построены, но учёные из EMPA пошли другим путём.
«Мы попробуем иной подход, - рассказывает Панайотис Димопулос Эггеншвилер, который разрабатывал тестовую установку в EMPA. - Мы хотим одновременно измерять выбросы всех видов при прогоне автомобиля на мощностном стенде. Так можно получить более значимую информацию, чем от тормозного модуля, заключённого в отдельную камеру».
Как мы уже отметили, на стенде в EMPA находится гибридный автомобиль VW Jetta. Тормоз его правого переднего колеса заключён в специально изготовленный металлический кожух. Через него продувается воздух, имитирующий реальные дорожные условия. Этот же воздушный поток выносит частички тормозной пыли. Они движутся в трубе, проложенной вдоль автомобиля, и попадают в тринадцатикаскадный кониметр - специальный инструмент, который сортирует их по размеру. Собранный порошок анализируется - учёные измеряют его вес, исследуют морфологию и состав, используя электронный микроскоп и другие точные приборы.
«Предварительные тесты показали, из чего состоят частицы тормозной пыли, - говорит Димопулос Эггеншвилер. - Это в основном оксид железа, который получается при истирании диска, и целый ряд других оксидов, а также соединения иных видов (образующиеся при разрушении тормозных колодок), содержащие алюминий, магний, кальций, калий и титан». Кроме крупных частиц образуются мелкие, подолгу остающиеся во взвешенном состоянии в воздухе, откуда они могут попасть в лёгкие.
Как дела с гибридами?
Измерения идут полным ходом. Сейчас гибрид VW Jetta тестируется по стандартным ездовым циклам WLTP, имитирующим перемещение в городе. Затем начнутся спецтесты. «Мы хотим выяснить, например, как тормозят гибридные автомобили в сравнении с обычными бензиновыми и дизельными и как это отражается на количестве и составе атмосферных выбросов», - продолжает Димопулос Эггеншвилер. С одной стороны, гибриды имеют системы рекуперации энергии, которые обеспечивают торможение электродвигателем, а потому реже используют механические тормоза. С другой стороны, они обладают большей массой и из-за этого теряют часть описанных преимуществ. «Результаты наших измерений помогут оптимизировать рабочие режимы будущих авто, сократив эмиссию тормозной пыли», - резюмировал Димопулос Эггеншвилер.
Убрать ржавчину
На железных дорогах, где давно не меняли гравий, рыжий порошок оксида железа виден невооружённым глазом. На шоссе, которые хорошо промываются дождём и продуваются ветром, присутствие ржавчины не так очевидно. Тем не менее Европа приняла меры, не дожидаясь результатов стандартизированных измерений. С сентября 2015 года по февраль 2019-го в Евросоюзе силами девяти научных институтов был реализован проект LOWBRASYS, в ходе которого была создана тормозная система с существенно сниженными выбросами пыли.
выбросы тормозной пыли
В её основе - износостойкий керамический материал, покрывающий тормозной диск и колодки. Благодаря такому решению число образующихся частиц сокращается на 60-90%, а их суммарная масса - от трёх до десяти крат. Помимо этого в рамках проекта была разработана эффективная стратегия торможения. Если заложить её в программное обеспечение, управляющее тормозной системой, число образующихся частиц сократится на величину до 40%, а общая их масса - на 20%.
Исследователи создали также приложение для смартфона, которое обучает водителей правильному торможению. Как показали измерения, после обучения можно уменьшить количество тормозной пыли наполовину, а её массу - на 30%, получив даже лучшие результаты, чем даёт автоматическая система.
Пылесос на колёсах
Другой подход к решению проблемы - собирать образующуюся пыль на месте, не меняя ни материалов трущихся деталей, ни алгоритмов торможения. В рамках европейского проекта STRIA (2014-2017 годы) польский автотранспортный институт PIMOT доработал конструкцию дискового и барабанного тормозных блоков. В неё были подведены трубки от системы всоса воздуха в двигатель и добавлены пылесборники со сменными воздушными фильтрами. Для повышения энергоэффективности система работает не всегда, а только когда тормозные колодки разогреваются до определённой температуры.
По результатам испытаний системы количество мелких «тормозных» частиц, попадающих в воздух, сокращалось на 50-70%.
