Жидкостное охлаждение тормозов. Варианты развития системы

В прошлой статье о жидкостной системе охлаждения тормозов я описал текущее положение на сегодняшний день. Если рассматривать эту систему в рамках классического ДВС, то развитие тут очень ограничено, но с приходом дополнительной тормозной силы в автомобиль – рекуперации в гибридах и электромобилях, ситуация может поменяться.

Рекуперация выполняет основную часть работы тормозных механизмов при малых и средних нагрузках. Не секрет, что ресурс тормозных колодок на электромобилях почти в два раза выше по регламенту обслуживания.

Казалось бы, зачем тогда электромобилю жидкостное охлаждение? Это лишний вес и риск утечки жидкости! Такие недостатки, в целом, и определили судьбу этой системы в прошлом для массового производства автомобилей, но в случае электромобиля – гибрида появляются дополнительные факторы.

Первый, и наверно основной, это возможность получения тепла при торможении и использование его для обогрева салона (без бесполезного рассеивания его в окружающую среду).

Это конечно не решит проблему обогрева салона полностью, но снизит затраты энергии от основного источника питания. Даже на гибридных автомобилях возможность получения дополнительного тепла даст возможность экономить топливо. Гибридные моторы при прерывистом режиме работы успевают «остыть» за время работы электромотора – в результате тратится дополнительное топливо для достижения рабочей температуры.

В BMW не случайно используют все более изощренные способы сохранения тепла двигателя, и за регулируемыми «шторками» передних воздухозаборников вскоре последуют покрытия, превращающие мотор в подобие термоса. Снижение рабочего объема двигателя сдвигает проблему из «как охладить ДВС?» в «как сохранить тепло?».



Перспективный вариант сохранения энергии – аккумуляторы тепла. Проблема тут в основном в энергоемкости накопителя и его массе. При наличии дополнительного источника энергии для «зарядки» этого аккумулятора диапазон использования таких устройств может быть расширен.
В электромобиле такой накопитель тепла более необходим чем в гибриде, и самое главное, что место под размещение в электромобиле больше чем в гибриде.

Передний багажник хорошо подходит для размещения теплового «термоса». Такое размещение будет иметь дополнительные плюсы, о которых поговорим дальше.

Второй фактор абсолютно противоположный – использование нагрева при стоянке (при подключении к сети) тормозов, для уменьшения затрат энергии при начале движения. Прежде всего для поддержания оптимальной температуры ступичных подшипников в колесах. Попутно это решит на некоторых машинах проблему примерзания колодок.

PHEV гибриды уже сейчас позволяют греть машину при подключении к сети. Обогревать салон, это конечно хорошо, но прогреть внутренности подвески и трансмиссии будет еще лучшим решением для надежности и долговечности автомобиля.

Вспомните как часто в рекомендациях о начале движения в морозную погоду говорят о «прогреве элементов подвески»? У гибридов возможность греть подвеску есть, а в электромобиле такого источника нет в принципе. Логично теперь предположить, что выход из строя подвески зимой на электрокаре не всегда заслуга некачественных комплектующих и «синдрома владельца электромобиля»?

Третий фактор – возможность использования барабанных тормозов в автомобиле. Это уберет лишнее трение колодок об тормозной диск, так как в барабанных тормозах между тормозной поверхностью и колодкой всегда есть зазор. Экология истирания колодки так же будет на высоте, так как продукты истирания можно частично улавливать в самом барабане, что в дисковых тормозах принципиально невозможно.

Наверно многие подумали, что я слишком придираюсь в вопросе экологии? Колодки влияют на экологию, а шины?

Тут ответ будет простой – шины неизбежное «зло», без которого в принципе невозможно движение. Условия работы разные, как и результат. Хотя тут стоит признать, что состав многих шин уже изрядно «позеленел» (что правда сказалось на их износоустойчивости).
Т.е. температура истирания колодок о диск просто не оставляет шансов на формирование «дружественных» экологии компонентов, даже если учитывать то, что они «зеленые» (выполнены не на основе асбеста).

Еще одной полезной особенностью при использовании барабанных тормозов будет сохранение тепловой энергии внутри барабана. Главный недостаток станет преимуществом для жидкостной системы. По большому счету «жидкостное охлаждение» на дисковых тормозных механизмах в автомобилях из предыдущей статьи не совсем жидкостное. Скорее оно является дополнительным охлаждающим фактором, для хорошо обдуваемого тормозного диска. В случае использования барабанных тормозов процесс охлаждения будет более «жидкостным».

Четвертый фактор – при наличии барабанных тормозов это «идеальная» аэродинамика диска. Нет необходимости в вентиляции тормозов – можно закрыть сплошным теплоизоляционным колпаком колесо! «Лишнее тепло» в этом случае будет совсем не лишним для жидкостной системы охлаждения – нагрева.

Дополнительным фактором облегчения таких дисков станет отсутствие необходимости просчитывать вентиляционные отверстия в колесе, которые являются точками пониженной прочности, и из-за этого оказывают влияние на конечный вес изделия.

Монолитное колесо всегда прочнее «дырявого», следовательно, может быть сделано из менее прочных материалов, при аналогичном запасе жесткости конструкции. В данном случае я намекаю на различные виды углепластиков и композитов (такие есть уже в наше время, но нагрузки на колесо не позволяют делать их достаточно дешевыми из-за сложной формы в производстве).

Пятый фактор, это использование термоэлементов. Так как тепло создает значительный перепад температур, то можно медленно, но уверенно вернуть себе часть энергии за счет преобразования тепла в электричество.

Простой пример как работает термогенератор


Пока на практике использование перепада температур было испытано компанией BMW.
Для теста рядом с выхлопной трубой разместили термоэлектрогенератор на основе теллурида висмута, преобразующий разницу температур охлаждающей жидкости и отработавших газов в ток. При габаритах 300х100 мм он выдает около 600 Вт. Недостаток правда в необходимых условиях для такой мощности – скорость от 60 км/ч (ниже из-за падения перепада температур выработка практически нулевая).

Преобразованием тепла в электричество можно так же произвести и без таких высоких температур. Например используя пар и холодную воду.

Шестой фактор – использование «теплового насоса», основанного на переработке тепла системы охлаждения тормозов. Это позволит решить проблему ограничения по температуре наружного воздуха при работе (в электромобилях Nissan Leaf, как и на многих кондиционерах для защиты от обмерзания система автоматически отключается при небольшой минусовой температуре за бортом).

Седьмой фактор – решение проблемы рекуперации при полной АКБ электромобиля, за счет использования этой энергии для нагрева салона, переднего багажника и т.д. Так как процесс при переизбытке энергии торможения будет проходить по «длинной» схеме преобразования энергии, то получим в итоге меньшую нагрузку на тормозную систему, и более контролируемый поток тепла. Этот вариант использования нужен для спуска с гор, где количество энергии от торможения превысит потребности автомобиля. Сейчас иногда даже ставят на спец.технику специальный горный тормоз, в дополнение к обычной тормозной системе и ручнику, поэтому это решит не только тепловую проблему, но и тормозную.

А теперь соберем все описанное вместе.



Полученная конструкция выглядит сложнее чем обычная, но иного варианта вернуть потерянную энергию я не вижу. Пока не будет достигнута 100 % рекуперация энергии этот вариант будет актуальным.

Частично можно так же решить проблему увеличенной массы колеса, за счет повторения конструкции тормозных механизмов Citroen 2CV и Alfa Romeo 75 — 90.



У «француза» не было тормозных механизмов в ступице.

У 2CV передние тормоза (1.) были расположены на картере коробки, до полуосей, что уменьшало неподрессоренную массу и делало ход более плавным.



Та же схема, только в ограниченном задними колесами исполнении, использовалась на Alfa Romeo 75 – 90.

Поэтому возможно, для задних колес и не понадобится установка системы охлаждения в ступице…

На первый взгляд дополнительные патрубки системы охлаждения только увеличат количество гидравлических приводов, но тут тоже возможны варианты выхода.

Для торможения на стоянке ручником уже сейчас используют в некоторых моделях автомобилей электропривод.


На перспективу возможно использование электронного клинового тормоза (Electronic Wedge Brake).

Данный тормозной механизм был разработан в немецком аэрокосмическом центре, и в дальнейшем проработан в Siemens VDO. Конструкция тормоза имеет возможность самоусиления в процессе работы, и способна работать при стандартном напряжении тока в автомобиле (12 вольт).

Конструктивно такие тормозные механизмы адаптированы к использованию на дисковых тормозах, но принцип самоусиления есть и в некоторых барабанных механизмах.

Поэтому создать электронный барабанный тормоз, при условии стабильных температурных показателей внутри барабана, вполне реально.

P.S. – Последствия снижения показателей максимальной температуры в колесе могут оказать влияние и на другие элементы подвески.