Человеческие жизни зависят от тормозов автомобиля. Они должны быстро схватывать и возвращаться в исходное положение сразу после отпускания педали тормоза. Если они не возвращаются полностью, могут возникнуть потери энергии. Это незаметно для водителя и не влияет на работу тормоза. Однако это может увеличить углеродный след автомобиля.

Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и сотрудники ANAXAM и промышленного партнера Audi Sport изучают это явление. Они использовали нейтроны из Швейцарского источника нейтронов расщепления (SINQ) в PSI, чтобы заглянуть внутрь тормозного суппорта, тем самым продемонстрировав способ визуализации и оптимизации движения тормозных поршней. Тормозной суппорт захватывает вращающийся тормозной диск как клещи. Когда водитель нажимает на педаль тормоза, гидравлическое давление тормозной магистрали толкает несколько поршней вперед, которые прижимают две тормозные колодки — по одной с каждой стороны — к тормозному диску, после чего большие силы трения останавливают диск.

ANAXAM в Виллигене — это центр передачи технологий, соучредителем которого является PSI, который поддерживает промышленные компании, желающие использовать исследовательскую инфраструктуру PSI. Промышленным партнером в этом проекте выступила компания Audi Sport. Матиас Кольб, инженер-разработчик Audi Sport в Неккарзульме, Германия, связался со своим бывшим коллегой Матиасом Вагнером, который теперь является старшим инженером в ANAXAM. Вместе с Дэвидом Маннесом из PSI они придумали метод, позволяющий в режиме реального времени заглянуть внутрь тормозного суппорта и найти способы его оптимизации. Это впервые было достигнуто в PSI.

Использование нейтронов для улучшения автомобильных тормозов

Партнеры быстро поняли, что рентгеновские лучи исключаются из-за того, что они не могут проникать сквозь металлы. Нейтроны другие: алюминий тормозного суппорта для них почти прозрачен, но в то же время они очень чувствительны к легким химическим элементам. Это означает, что на изображении хорошо видна тормозная жидкость, содержащая водородные соединения.

PSI предоставила нейтронный пучок и ноу-хау для экспериментов, которые начались в 2021 году и завершились в этом году. Эксперимент проводился на линии луча Neutra откольного источника SINQ. Детектор регистрировал нейтроны, проходящие через устройство, и в конечном итоге создавал двухмерное изображение изнутри тормозного суппорта.

ANAXAM установил тормозной суппорт перед детектором. Установка была дополнена специально разработанной гидравлической системой, обеспечивающей реалистичное тормозное давление до 100 бар. Климатическая камера позволяла тщательно контролировать температуру тормозного суппорта, моделируя различные условия эксплуатации. В отличие от дороги, тормозной диск во время испытаний не вращался.

«Однако это может быть вариантом для будущих тестов, чтобы получить еще более точные результаты», — говорит Матиас Вагнер из ANAXAM. Однако в этом, вероятно, нет необходимости, потому что завершенная серия измерений уже дала множество интересных результатов.

Изображения, зарегистрированные детектором, впечатляюще демонстрируют возможности нейтронной визуализации. Хорошо виден тормозной суппорт с шестью гидравлическими поршнями — по три с каждой стороны. Как и малейшие отклонения в ходе поршней.

Здесь становится очевидным, что зазор нижнего поршня, приводящего в действие внешнюю тормозную колодку, то есть расстояние между тормозной колодкой в состоянии покоя и тормозным диском, составляет 0,4 миллиметра, в то время как остальные пять поршней имеют зазор менее 0,3 миллиметра. Исследователи также смогли точно измерить, как тормозной суппорт, имеющий форму клещей, изгибается наружу, когда на него оказывают давление две тормозные колодки.

Этот проект является хорошим примером того, как научные ноу-хау PSI и компетенции ANAXAM могут еще больше улучшить продукт, уже зарекомендовавший себя в серийном производстве. Промышленный партнер дополнительно оптимизировал работу тормозных поршней, так что зазор трех поршней на внутренней стороне тормозного суппорта теперь увеличен на 0,1 миллиметра, если смотреть под пучком нейтронов. Это надежно отделяет тормозные колодки от тормозного диска при отпускании тормозов. Дэвид Маннес из PSI говорит: «Наши исследования могут способствовать снижению выбросов CO2 дорожными транспортными средствами».