همه‌چیز درباره ترمزهای کربن سرامیک؛ چرا گران هستند و آیا ارزش خرید دارند؟

در مقالات و اخبار متنوع پدال شاهد اشاره به ترمزهای کربن سرامیکی مخصوصاً در خودروهای سطح بالا هستید. در این مقاله به بررسی کامل چنین سیستم‌هایی می‌پردازیم و به دلایل قیمت بالای آن اشاره می‌کنیم.


چند سال پیش، مهندسی از شرکت برمبو (Brembo) نکته‌ای به من گفت که همچنان در ذهنم مانده است: اگر خودرویی با ترمزهای کربن سرامیکی خریداری کنید، احتمالاً هیچ‌گاه نیازی به تعویض روتورها نخواهید داشت. پیش‌تر نیز مزایای ترمزهای کربن-سرامیکی را شنیده بودم، اما این ادعای جسورانه به نظر عجیب می‌آمد و پاسخی بود به پرسش اساسی: آیا این ترمزهای پیشرفته ارزش قیمت بالای خود را دارند؟

بیشتر بخوانید:

• طول عمر قطعات سیستم ترمز خودرو چقدر است؟
• علت خالی کردن ترمز خودرو؛ بررسی مهم‌ترین عوامل
• علت سفت شدن پدال ترمز خودرو چیست؟ مهم‌ترین دلایل و بهترین راه‌حل‌ها

در خودروی کادیلاک CT5-V بلک‌وینگ، ترمزهای کربن سرامیکی به‌عنوان یک آپشن ۹,۰۰۰ دلاری ارائه می‌شوند؛ بی‌ام‌و ۸,۵۰۰ دلار و پورشه بیش از ۹,۰۰۰ دلار برای این گزینه دریافت می‌کند. ترمزهای کربن سرامیکی معمولاً جزو گران‌ترین آپشن‌ها برای خودروهایی هستند که از پیش مجهز به تجهیزات پیشرفته‌ای هستند. آیا شرایطی وجود دارد که این ترمزها ارزش سرمایه‌گذاری را داشته باشند؟

چدن ماده‌ای عالی برای ساخت دیسک‌های ترمز است. این ماده نسبتاً ارزان، قابل ریخته‌گری و ماشین‌کاری آسان و از همه مهم‌تر، دارای هدایت حرارتی بالاتری نسبت به فولاد است. برای بیان واضح، ترمزها انرژی جنبشی خودرو (حرکت رو به جلو) را از طریق اصطکاک بین صفحه ترمز و روتور به گرما تبدیل می‌کنند؛ بنابراین، خواص حرارتی دیسک ترمز از اهمیت بسزایی برخوردار است. آقای امانوئله برولتی، مدیر ارشد مهندسی برمبو در آمریکای شمالی، توضیح می‌دهد:

[دیسک‌های چدنی] توانایی بهتری در جذب گرما دارند. این دیسک‌ها گرما را با سرعت کمتری [نسبت به مواد دیگر] جذب می‌کنند و بنابراین می‌توانند بخشی از آن را از صفحات ترمز دور نگه دارند

دلیل مشابهی که چدن را برای ساخت ماهیتابه مناسب می‌کند، همین است، اما اگر با یک ماهیتابه چدنی آشپزی کرده باشید، می‌دانید که چقدر سنگین است. وزن دشمن خودرو است، به‌ویژه با افزایش تقاضا برای سیستم‌های ترمز کاراتر و سبک‌تر این موضوع برجسته‌تر می‌شود.

برولتی توضیح می‌دهد:

آنچه در سال‌های اخیر باعث افزایش اندازه سیستم‌های ترمز شده، عمدتاً گسترش محدوده عملکرد است

خودروها به سادگی قدرتمندتر و سنگین‌تر شده‌اند. تایرها نیز نقشی ایفا می‌کنند. برولتی می‌گوید که پیشرفت‌های مدرن در تایرها امکان کاهش سرعت بسیار بالاتر را فراهم کرده و تقاضا برای سیستم‌های ترمز را بیشتر کرده است.

این افزایش تقاضا به معنای تولید گرمای بیشتر است. بزرگ‌تر کردن روتور چدنی به مدیریت بهتر این گرما کمک می‌کند و توانایی ترمز در کاهش سرعت خودرو را بهبود می‌بخشد. با این حال، به دلایل واضح و هم محدودیت‌های بسته‌بندی و وزن تنها تا حدی می‌توان اندازه روتورها را افزایش داد. روتورهای ترمز جزو اجزای بدون فنر هستند، به این معنا که جرم آن‌ها تأثیر نامتناسبی بر سواری و هندلینگ نسبت به اجزای دارای فنر دارد. این روتورها همچنین اجزای چرخان هستند که تأثیر قابل‌توجهی بر توانایی خودرو در شتاب‌گیری، ترمزگیری و گردش دارند.

جیمز واکر جونیور، یک راننده مسابقه، مهندس و نویسنده کتابی درباره سیستم‌های ترمز، می‌گوید:

اگر بتوانید وزن خودرو را کاهش دهید و مهم‌تر از آن، وزن بدون فنر و حتی مهم‌تر از آن، وزن چرخان بدون فنر که روتور است، [مزایای عظیمی] در عملکرد به دست خواهید آورد

در پی کاهش وزن، شرکت دانلوپ در دهه ۱۹۶۰ اولین ترمزهای کربن تقویت‌شده با فیبر کربن را برای کنکورد توسعه داد و تا دهه ۱۹۸۰، این ترمزها در فرمول یک رایج شدند. با این حال، این ترمزهای کربن-کربن که همچنان در بالاترین سطوح ورزش‌های موتوری استفاده می‌شوند، برای استفاده جاده‌ای کاملاً نامناسب‌اند، زیرا در دماهای پایین عملکرد خوبی ندارند. این ترمزها همچنین حتی در حال حاضر بسیار گران و زمان‌بر در تولید هستند.

یک ماتریس سیلیکون-کربید تقویت‌شده با کربن برخی از مزایای کاهش وزن ترمزهای کربن-کربن را ارائه می‌دهد، اما در بسته‌بندی‌ای که در دماهای پایین نیز کار می‌کند. اگرچه دیسک ترمز کربن سرامیکی همچنان گران و زمان‌بر در تولید است اما نسبت به دیسک کربن-کربن آسان‌تر و ارزان‌تر تولید می‌شود. زمان تولید آن حدود چند روز در مقابل چهار ماه است. (با این حال، برمبو می‌تواند یک دیسک چدنی را در حدود دو ساعت تولید کند).

شرکت آلمانی SGL Carbon در سال ۲۰۰۱ ترمزهای کربن سرامیکی را در خودروی جاده‌ای پورشه ۹۱۱ GT2 معرفی کرد. ترمزهای کربن سرامیکی برمبو یک سال بعد با فراری انزو وارد بازار شدند. در سال ۲۰۰۹ شرکت SGL و برمبو یک همکاری مشترک برای توسعه و تولید ترمزهای کربن سرامیکی تشکیل دادند و امروزه یکی از اگر نه بزرگ‌ترین، تأمین‌کنندگان این نوع ترمزها هستند.

برولتی می‌گوید ماتریس کربن-سرامیکی که استفاده می‌کنند، حدود یک‌سوم چگالی چدن را دارد. از نظر کاهش وزن واقعی، اعداد مختلفی ارائه می‌شود. یک مثال خوب، دیسک‌های ترمز در نسل قبلی M3 و M4 است. در یک سند فنی، بی‌ام‌و وزن استاندارد روتورهای جلویی را ۱۳.۹ کیلوگرم و وزن روتورهای کربن-سرامیکی را ۷.۸ کیلوگرم ذکر کرده است؛ بنابراین این رقم تقریباً نصب شده است. صرفه‌جویی وزن نسبی برای روتورهای عقب کربن-سرامیکی در M3 و M4 قدیمی مشابه است، هرچند دیسک‌های کربن بی‌ام‌و کمی بزرگ‌تر از معادل‌های چدنی آن‌ها بودند.

بنابراین عالی است! اما باید به مواردی که ترمزهای کربن سرامیکی انجام نمی‌دهند نیز توجه کنیم. همان‌طور که واکر توضیح می‌دهد، یک سیستم ترمز در واقع مجموعه‌ای از اهرم‌های هیدرولیکی است که نیروی نسبتاً سبک اعمال‌شده توسط راننده به پدال ترمز را به نیرویی عظیم در جاده تبدیل می‌کند تا خودرو را کند می‌کند. در یک خودروی جاده‌ای، ورودی پدال ۹ تا ۱۳.۶ کیلوگرم می‌تواند به 1G کاهش سرعت ترجمه شود. این را “میزان افزایش” می‌نامند. در اینجا، ترمزهای کربن سرامیکی مزیت خاصی ندارند.

واکر توضیح می‌دهد:

هیچ‌چیزی در سیستم کربن سرامیکی نسبت به سیستم چدنی وجود ندارد که خروجی مکانیکی سیستم ترمز را افزایش دهد؛ بنابراین در این زمینه مزیت واقعی ندارند. تنها دلیلی که مردم می‌گویند “اوه، حس بهتری دارند، بهتر ترمز می‌گیرند”، به این دلیل نیست که کربن سرامیکی است، بلکه به این دلیل است که [سازنده خودرو] این سیستم کربن سرامیکی را طوری تنظیم کرده که میزان افزایش بالاتری داشته باشد

گام بعدی، واکر همچنین اشاره می‌کند که سیستم ترمز تنها به اندازه تایر متصل به آن خوب است. فرض کنید دو خودروی یکسان با تایرهای مدل یکسان دارید، تنها تفاوت این است که یکی ترمزهای چدنی و دیگری پکیج ترمز کربن سرامیکی دارد. ترمزها سطح چسبندگی تایر را تغییر نمی‌دهند. از سوی دیگر و به گفته قبلی برولتی، تایر تأثیر عمیقی بر انرژی واردشده به سیستم ترمز دارد.

همان‌طور که مشخص شد، یک دیسک کربن سرامیکی از نظر مادی با یک دیسک چدنی بسیار متفاوت است. کربن سرامیکی هدایت حرارتی بسیار پایین‌تری نسبت به آهن دارد، اما جرم و ظرفیت حرارتی آن نیز بسیار کمتر است. این موضوع هم خوب و هم بد است. خوب به این دلیل که دیسک ترمز می‌تواند به لطف مواد سرامیکی خود دماهای بالاتری را که خودروهای سریع‌تر، سنگین‌تر و دارای چسبندگی بیشتر در رویدادهای ترمزگیری شدید تولید می‌کنند، تحمل کند.

برمبو می‌گوید دیسک‌های کربن سرامیکی می‌توانند به‌راحتی در بازه دمایی ۵۳۸ تا ۷۶۰ درجه سانتی‌گراد کار کنند و حتی دماهای بالای ۹۸۲ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند. این همان دلیلی است که ترمزهای کربن سرامیکی اغلب به دلیل مقاومت در برابر کاهش عملکرد در پیست مورد ستایش قرار می‌گیرند؛ اما از آنجا که روتورهای کربن سرامیکی سبک‌تر و با چگالی کمتر به سرعت دما را کسب و از دست می‌دهند، این امر منجر به تنش‌های حرارتی عظیم بر سایر اجزای ترمز می‌شود، زیرا آن‌ها به سرعت گرم و سرد می‌شوند. یک روتور چدنی بهتر گرمای خود را در خود نگه می‌دارد که سایر اجزا را خنک نگه می‌دارد.

برولتی می‌گوید:

باید راهی برای دفع آن گرما از صفحات به روش دیگر پیدا کنید و اینجاست که فراهم کردن خنک‌سازی لازم در سیستم ترمز بسیار مهم می‌شود

علاوه بر طراحی دقیق خنک‌کننده از اجزای خارجی و کانال‌کشی داخلی روتور، واقعیت این است که روتورهای کربن سرامیکی از موادی همگن ساخته نشده‌اند که این امر نیز پیامدهایی دارد. طول، قطر و جهت‌گیری فیبرهای کربنی فردی همگی بر ظرفیت حرارتی ماده تأثیر می‌گذارند.

افزودن لایه‌ها و پوشش‌ها نیز ظرفیت حرارتی را بهبود می‌بخشد که به همین دلیل برمبو و SGL ترمزهای CCB را با لایه‌های اصطکاکی سرامیکی اضافی در هر دو طرف و ترمزهای CCW را که از پنج لایه کربن سرامیکی استفاده می‌کنند ارائه می‌دهند. این گزینه‌ها به سازندگان خودرو اجازه می‌دهند تا اجزا را کوچک‌تر کنند و وزن بیشتری صرفه‌جویی کنند، اما فرآیندهای تولید آن‌ها زمان‌برتر و در نتیجه گران‌تر است. این موضوع مفید است زیرا به‌طورکلی روتورهای کربن سرامیکی در خودروهایی که هر دو گزینه وجود دارد، بزرگ‌تر از معادل‌های چدنی هستند. این نتیجه مستقیم گرمایی است که یک روتور کربن سرامیکی در طول رویدادهای ترمزگیری بزرگ به صفحه بازتاب می‌دهد.

برولتی توضیح می‌دهد:

برای تضمین پایداری ماده اصطکاکی، باید اندازه صفحه را بزرگ‌تر کنید.» و وقتی صفحه را بزرگ‌تر می‌کنید، کالیپر را بزرگ‌تر می‌کنید و روتور را بزرگ‌تر می‌کنید. همه این‌ها یک چرخه است.

با این حال، یک چرخه مثبت نیز وجود دارد. کاهش جرم چرخان بدون فنر به این معناست که وزن کمتری برای کنترل وجود دارد. در تئوری، یک سازنده خودرو می‌تواند از کاهش وزن ناشی از ترمزهای کربن سرامیکی برای استفاده از تایرهای کوچک‌تر، فنر و دمپر پایین‌تر، میله‌های ضدغلتشی کوچک‌تر و غیره استفاده کند. همه این‌ها به دلیل اثر عظیم وزن روتور ترمز بر سایر قسمت‌های خودرو است. این بخش بزرگی از دلیل است که فراری و مک‌لارن فقط از ترمزهای کربن سرامیکی استفاده می‌کنند، علاوه بر نیاز ساده به سیستمی که بتواند استرس‌های عظیم ناشی از این خودروهای سریع را تحمل کند.

و اکنون به ادعای اولیه می‌رسیم، چیزی که مرا به این مسیر کشاند. آیا یک روتور کربن سرامیکی می‌تواند عمر خودرو را داشته باشد؟ بله. در برخی موارد. برولتی می‌گوید:

آسیب‌دیدگی اجزا واقعاً به نحوه استفاده بستگی دارد، اینکه چگونه از آن‌ها استفاده می‌کنید.» «اگر فرض کنیم که میزان استفاده و چرخه‌ها یکسان باشد، بله می‌توان گفت که در رانندگی عادی و بدون استفاده از پیست، فقط رانندگی روزمره، یک روتور کربن سرامیکی به نظر من تقریباً کل عمر وسیله نقلیه شما را دوام می‌آورد

این فقط نظر مهندس برمبو نیست. واکر نیز موافق است که در استفاده عادی خیابانی، یک روتور کربن سرامیکی مدت بسیار طولانی دوام می‌آورد. البته باید صفحات را تعویض کنید، اما روتورها می‌توانند عمر باورنکردنی داشته باشند؛ اما با افزودن استفاده از پیست به معادله، محاسبات کاملاً متفاوت می‌شود. با وجود رویدادهای ترمزگیری سنگین آن‌ها ظرفیت حرارتی خود را از دست می‌دهند. در سرعت‌های جاده‌ای، این اتفاق به ندرت رخ می‌دهد اما بسته به اینکه چه خودرویی را در پیست رانندگی می‌کنید، چه پیست‌هایی می‌روید و چگونه رانندگی می‌کنید، فیبرهای کربنی می‌توانند خیلی سریع بسوزند.

فرض کنید خودروی جدید بی‌ام‌و M5 با وزن ۲۴۰۴ کیلوگرم را در رود آمریکا می‌رانید، جایی که به‌طور منظم از سرعت ۲۴۰ کیلومتر در ساعت در مسیرهای طولانی پیست عبور می‌کنید. فرض کنیم شما جزو رانندگانی هستید که دیر ترمز می‌کنند و مناطق ترمز را تا آنجا که جرأت می‌کنید به داخل پیچ فشار می‌دهید و پدال را با حداکثر قدرت فشار می‌دهید. اگر ترمزهای کربنی دارید نباید انتظار داشته باشید که این روتورها مدت زیادی دوام بیاورند.

اما فرض کنید خودروی پورشه ۹۱۱ GT3 با وزن حدود ۱۵۱۰ کیلوگرم را در پارک لیم راک دارید که تنها یک منطقه ترمزگیری سنگین دارد. فرض کنیم شما کمی محتاط‌تر هستید. به جای ترمزگیری سخت و دیرهنگام، کمی سبک‌تر و زودتر ترمز می‌گیرید. در این صورت، می‌توانید به‌طور معقولی انتظار عمر بیشتری از روتورهای کربن سرامیکی خود داشته باشید. این تفاوت دلیلی است که پورشه همچنان روتورهای چدنی را در خودروهای GT خود حتی در مدل قدرتمند GT3 RS، ارائه می‌دهد. این شرکت می‌داند که برخی مشتریان ترمزهای خود را با استفاده مکرر در پیست مصرف می‌کنند و در این موارد، استفاده از دیسک‌های چدنی که بسیار ارزان‌تر برای تعویض هستند منطقی است.

موارد دیگری نیز برای بررسی وجود دارد: با استفاده، یک روتور کربن سرامیکی ضخامت خود را مانند یک روتور چدنی از دست نمی‌دهد اما وقتی فیبرهای کربنی می‌سوزند، وزن آن کاهش می‌یابد. این بدان معناست که یک روتور کربن سرامیکی ترک نمی‌خورد یا مانند یک روتور چدنی در پیست تغییر شکل نمی‌دهد، بنابراین این یک امتیاز دیگر است. همچنین به همین دلیل است که کلاهک‌های بسیاری از روتورهای کربن سرامیکی یک وزن حداقل دارند. وقتی روتور به زیر آن وزن برسد، زمان تعویض آن فرا می‌رسد. بنابراین، پاسخی ساده به این سؤال که آیا ترمزهای کربن سرامیکی “ارزش دارند” وجود ندارد؛ اما با توجه به آنچه اکنون همه می‌دانیم، هزینه اولیه بالای آن‌ها می‌تواند با عمر طولانی روتورها و مزایای متعدد دیگر این فناوری جبران شود. این به یک سؤال برای شما، مشتری، تبدیل می‌شود. چگونه قصد دارید از خودروی خود استفاده کنید و در نهایت چه چیزی را ارزشمند می‌دانید؟