در خودروهای پرفورمنس مانند سوپراسپرتها، خودروهای مسابقهای و مدلهای اسپرت با قدرت بالا، دیسکهای ترمز هنگام ترمزگیریهای شدید به دماهای ۶۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد و حتا بالاتر میرسند و به رنگ قرمز-نارنجی درمیآیند. این پدیده که به «سرخ شدن دیسک» معروف است، نتیجه مستقیم تبدیل انرژی جنبشی به گرما با نرخ بسیار بالا، ضریب اصطکاک زیاد، محدودیتهای رسانایی حرارتی مواد و طراحی سیستم ترمز برای تحمل بارهای دینامیکی است.
هر خودرویی که حرکت میکند، دارای انرژی جنبشی است که با رابطه «نیم ضربدر جرم در مجذور سرعت» محاسبه میشود. در ترمزگیری شدید، این انرژی باید در زمان بسیار کوتاهی – معمولاً ۳ تا ۵ ثانیه – متوقف شود. بخش عمده این انرژی، یعنی ۹۵ تا ۹۸ درصد در سیستمهای مدرن، به گرما تبدیل میشود.
برای مثال، یک خودروی ۱,۵۰۰ کیلوگرمی با سرعت ۲۵۰ کیلومتر بر ساعت (معادل ۶۹.۴ متر بر ثانیه) دارای انرژی جنبشی حدود ۳.۶۱ مگاژول است. اگر این انرژی در ۴ ثانیه متوقف شود، قدرت حرارتی لحظهای به حدود ۹۰۰ کیلووات میرسد؛ معادل توان یک نیروگاه کوچک!
مکانیزم تولید گرما در سطح تماس
نیروی اصطکاک بین لنت و دیسک با ضرب ضریب اصطکاک در نیروی عمودی اعمالشده توسط پیستون کالیپر محاسبه میشود. ضریب اصطکاک در خودروهای پرفورمنس بین ۰.۳۵ تا ۰.۵۵ است و نیروی عمودی میتواند تا ۶۰ بار فشار هیدرولیک باشد. قدرت حرارتی تولیدی در سطح تماس با ضرب نیروی اصطکاک در سرعت نسبی دیسک و لنت به دست میآید. سرعت نسبی در دور موتور بالا میتواند تا ۷۰ متر بر ثانیه باشد. در نتیجه نرخ تولید گرما در سطح تماس میتواند به ۲.۵ مگاوات بر متر مربع برسد؛ بیش از توان حرارتی یک مشعل صنعتی.
همه گرما بهطور مساوی بین دیسک و لنت تقسیم نمیشود. حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد گرما به دیسک منتقل میشود و تنها ۱۰ تا ۱۵ درصد به لنت میرسد. علت این است که رسانایی حرارتی چدن یا سرامیک دیسک بسیار بالاتر از مواد آلی یا نیمهمتالی لنت است.
مواد دیسک و رفتار حرارتی
دیسکهای ترمز در خودروهای پرفورمنس از مواد مختلفی ساخته میشوند. چدن خاکستری دارای رسانایی حرارتی ۴۵ تا ۵۵ وات بر متر-کلوین و ظرفیت حرارتی ۴۶۰ ژول بر کیلوگرم-کلوین است و در دمای ۶۵۰ تا ۷۰۰ درجه سانتیگراد شروع به سرخ شدن میکند. چدن تهویهدار با گرافیت کروی رسانایی حرارتی ۵۰ تا ۶۰ وات بر متر-کلوین و ظرفیت حرارتی ۵۰۰ ژول بر کیلوگرم-کلوین دارد و در ۷۰۰ تا ۷۵۰ درجه سرخ میشود. کامپوزیت کربن-سرامیک با رسانایی ۴۰ تا ۸۰ وات بر متر-کلوین و ظرفیت حرارتی ۸۰۰ ژول بر کیلوگرم-کلوین تا بیش از ۱,۰۰۰ درجه تحمل دارد. فولاد مارتمپری رسانایی ۳۰ تا ۴۰ وات بر متر-کلوین و ظرفیت حرارتی ۴۵۰ ژول بر کیلوگرم-کلوین دارد و در ۶۰۰ تا ۶۵۰ درجه سرخ میشود.
وقتی دمای دیسک از ۶۵۰ درجه سانتیگراد فراتر میرود، تشعشع حرارتی فعال میشود و دیسک به رنگ قرمز درمیآید. در ۹۰۰ کلوین (معادل ۶۲۷ درجه سانتیگراد)، تشعشع حدود ۴۰ کیلووات بر متر مربع است، به همین دلیل دیسک قابل مشاهده میدرخشد.
بر این اساس میتوان گفت داغ شدن و سرخ شدن دیسک ترمز در خودروهای پرفورمنس نتیجه مستقیم تبدیل انرژی جنبشی عظیم در زمان کوتاه، ضریب اصطکاک بالا، جرم حرارتی محدود و محدودیتهای رسانایی حرارتی مواد است. این پدیده در محدوده دمایی بالای ۶۰۰ درجه سانتیگراد به دلیل تشعشع حرارتی قابل مشاهده میشود و اگرچه در طراحی سیستمهای ترمز پرفورمنس پیشبینی شده، اما نیازمند مواد پیشرفته مانند کربن-سرامیک، خنککاری فعال و مدیریت الکترونیکی هوشمند است تا از تخریب ساختاری جلوگیری شود. با این وجود در شرایطی که استفاده از ترمز خودرو در اوج توان طراحیشده برای سیستم ترمز قرار دارد، این امر طبیعی و اجتنابناپذیر است؛ همان طور که همیشه در خودروهای مسابقهای رخ میدهد.
منبع خبر: اسب بخار