فرامل المستقبل: نظام الفرامل المستقبلي

الجزء 2. نظام الفرامل في سيارات الغد

لآن، بعد أن قمنا بتحليل التحولات التي مرت بها السيارات خلال تطورها في الجزء الأول من "فرامل المستقبل"، سنحاول فهم كيف سيبدو نظام الفرامل في المستقبل، في ضوء بعض الاتجاهات الحالية، مثل عامل الاستدامة البيئية وتقديم القيادة الذاتية..

الاستدامة البيئية ونظام الفرامل: ماذا يحمل المستقبل؟

لنبدأ بعامل الاستدامة البيئية، ولا سيما مع التحدي الأصعب، وهو الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. نحتاج إلى خفض الاستهلاك لتقليل كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى الاعتماد على نوع المحرك المستخدم، تعتمد مستويات الاستهلاك بشكل كبير على وزن المركبة، وهذا هو السبب في الحاجة إلى تعديل نظام الفرامل من أجل تقليل الوزن

كيفية تقليل وزن نظام الفرملة

التقنيات التي سنضعها في الاعتبار هنا لتقليل وزن نظام الفرامل في السيارة هي أقراص الفرامل وبطانات الفرامل والكاليبرات.

تقنيات أقراص الفرامل

لنبدأ بأقراص الفرامل؛ من خلال تحليل التقنيات الرئيسية، التي يتواجد بعضها في السوق بالفعل، والبعض الآخر سيصبح متاحًا في المستقبل القريب:

الأقراص المركبة من الحديد الزهر والألومنيوم (BMW)
سطح فرامل من الحديد الزهر وصرة من الألومنيوم، متصلين ميكانيكيًا بمسامير فولاذية: يقلل هذا الحل من الوزن بحوالي 15٪ مقارنةً بقرص فرامل من الحديد الزهر المدمج.
الأقراص المركبة من الحديد الزهر والصلب (MB)
منذ عام 2014، تقدم مرسيدس طرازاتها الراقية مع قرص فرامل يتميز بسطح فرامل من الحديد الزهر، مثبت على صرة فولاذية. يقلل الحل، الذي تنتجه Brembo كمعدات أصلية لمرسيدس، من الوزن بحوالي 15٪.
الأقراص مشتركة الصب من الحديد الزهر والصلب (MB ما بعد البيع)
يربط هذا الحل من Brembo سطح فرامل من الحديد الزهر بصرة فولاذية مصنوعة بالصب المشترك للمادتين، مما يقلل الوزن بنسبة 15٪ مع الحفاظ على الأداء والتصميم السليمين
أقراص الصب البيئي من الحديد الزهر والألومنيوم
هذا حل من Brembo لم يتم تسويقه بعد، ويتضمن قرصًا مركبًا (من الحديد الزهر لسطح الفرملة والألومنيوم للصرة) متصلًا عبر الصب المشترك

الأقراص مزدوجة الصب من الحديد الزهر والألومنيوم (الجيل الأول والثاني)
مناسبة للسباقات والطرازات الرياضية، تتكون أقراص الجيل الأول من جزأين، سطح فرملة من الحديد الزهر الكربوني وصرة من الألومنيوم، متصلين بالصب المشترك، مع وزن أقل بنحو 20٪ ومرونة أكبر للنظام، لتقليل خطر التشوه بين سطح الفرملة والصرة. تستخدم أقراص الجيل الثاني موضعًا مختلفًا للمسامير التي تربط سطح الفرملة بالصرة، مما يحسن تهوية القرص ويزيد من قدرة تبديد الحرارة ومقاومة التكسير الحراري
القرص ويزيد من قدرة تبديد الحرارة ومقاومة التكسير الحراري.

الأقراص العائمة الموصلة ميكانيكيًا

أقراص من الحديد الزهر عالي الكربون متصلة بصرة من الألومنيوم باستخدام جلب مرنة تضمن مرونة جيدة للنظام، وتمنع التشوهات والاهتزازات غير المرغوب فيها.

الأقراص المركبة من الفولاذ والفولاذ المقاوم للصدأ

الأقراص ذات الصرة الفولاذية، المتصلة ميكانيكيًا بسطح فرملة من الفولاذ المقاوم للصدأ. باستخدام الفولاذ، يمكن تقليل سُمك كل من سطح الفرملة (8 مم كحد أقصى) والصرة (2.5 مم). يمكن لسطح الفرملة تحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة بشكل مريح. يبلغ خفض الوزن حوالي 30٪ مقارنةً بأقراص الحديد الزهر، ومع ذلك تزداد متانة كل من الأقراص والبطانات. يتم تصنيع صرة الصفيحة الفولاذية من خلال الرسم العميق، على النقيض من الشقوق والفتحات التي يتم تصنيعها من خلال التثقيب. يتم إنتاج سطح الفرملة من خلال التخريم البارد للفولاذ المقاوم للصدأ. ثم يتم تجميع المكونين، ويخضع سطح الاستقرار لعملية تجليخ نهائية لتلبية قيم التفاوت المطلوبة

أقراص ألومنيوم مدمجة

تمثل هذه بعض الصعوبات بسبب الخصائص الحرجة التي تظهرها المادة عند درجات حرارة أعلى من 400 درجة وتوقع استخدام بطانات الفرامل الخاصة. استخدام الألومنيوم يتيح خفض الوزن بحوالي 40٪ مقارنةً بالقرص المماثل من الحديد الزهر.

أقراص السيراميك الكربوني

أقراص عائمة تستخدم مادة السيراميك الكربوني لسطح الفرملة، مع انخفاض في الوزن يصل إلى 50٪ مقارنةً بأقراص الحديد الزهر. وتوفر هذه التقنية أيضًا مزايا أخرى: لا تشوه حراري، ومعامل احتكاك مرتفع وثابت، ومتانة فائقة (أكثر من 200,000 كم).

الرسم 1 - تقليل وزن قرص الفرامل: جدول مقارنة

Graph 1 - Brake disc weight reduction

يلخص الرسم البياني 1 الحلول التي تم تنفيذها على مر السنين لتقليل وزن القرص، والتي ذكرناها أعلاه. منذ الاستخدام الأول على السيارات الخارقة والسيارات الرياضية، تم تنفيذ هذه الحلول تدريجياً على السيارات الموجهة للاستخدامات اليومية، والتي تشكل جزءًا أكثر أهمية من السوق، ومن المرجح أن يستمر هذا الاتجاه في المستقبل القريب

تقنيات بطانة الفرامل: مشروع Lybra

يتضمن مشروع Lybra استخدام رفادة من الألياف الزجاجية لبطانات الفرامل، بدلاً من الرفادة المعدنية العادية. يتم تشكيل هذه الرفادة مع مادة الاحتكاك في عملية إنتاج تختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك المستخدمة حاليًا لإنتاج بطانات الفرامل، مع المزايا التالية:

انخفاض وزن بطانة الفرامل بحوالي 30٪
انخفاض الموصلية الحرارية
القضاء على مشاكل التآكل.

هذا الحل مناسب بشكل خاص للاستخدام على المحاور الخلفية للسيارات الكهربائية، حيث تؤدي الفرملة التجددية إلى تقليل استخدام القرص وانخفاض درجات حرارة التشغيل وتآكل أقل.

تقنيات الكاليبر: تشكيل معدني شبه صلب

تشكيل المعادن شبه الصلبة هي عملية تجعل تتيح إنتاج كاليبر فرامل الألومنيوم من الألومنيوم الثانوي (الناشئ عن الألومنيوم المعاد تدويره) بدلاً من الألومنيوم الأولي (الألومنيوم النقي، الناشئ عن تعدين البوكسيت والمخلوط بمادة أخرى لإنتاج كاليبر الفرامل)، وذلك لغرضين رئيسيين:
صديق للبيئة، مع تأثير بيئي أصغر، وذلك بفضل استخدام الألومنيوم المعاد تدويره
خصائص ميكانيكية محسنة وكاليبر أخف بفضل انخفاض السمك، مع قوة ميكانيكية متطابقة.

تعد تقنية Brembo باستخدام الألومنيوم الثانوي، الذي يذوب عند 650 درجة مئوية بدلاً من 740 درجة المستخدمة في العمليات التقليدية. عند درجة حرارة الانصهار هذه، يكون الألومنيوم الذي يتم الحصول عليه في حالة شبه صلبة، مما يتجنب تكوين الشوائب: يتم ترتيب البنية المختلطة شبه الصلبة في القالب في بنية كروية أو دائرية، مما يزيد من القوة الميكانيكية للكاليبر. تعمل Brembo حاليًا على استخدام هذه التقنية نفسها للألومنيوم أيضًا، بهدف تقليل وزن الكاليبر بنسبة 8٪ تقريبًا.

كيفية تقليل الجسيمات الناتجة عن بطانات الفرامل

تم إثبات أن النحاس والمعادن الأخرى التي تترسب على الطرق بسبب تآكل بطانات الفرامل تكون سامة لبعض الكائنات الحية الدقيقة المائية. لذلك، في عام 2010، أصدرت كل من ولايتي كاليفورنيا وواشنطن تشريعات تنص على أن بطانات الفرامل التي يتم بيعها أو تركيبها في كلتا الولايتين يجب أن تحتوي على مستويات أقل من النحاس والمعادن الثقيلة الأخرى. "قواعد الفرامل الأفضل" هي قواعد محلية يمكن أن يكون لها تداعيات عالمية: في كلتا الولايتين، يتم التنبؤ بثلاث فئات مختلفة من محتويات المعادن الخطرة، واعتبارًا من عام 2025، يمكن بيع بطانات الفرامل من المستوى N فقط، مع نسبة نحاس أقل من 0.5٪ من الوزن الإجمالي لمادة الاحتكاك.

مشروع Cobra

تشارك Brembo، بالشراكة مع معهد Mario Negri وItalcementi وConnecting Ambition، في مشروع Cobra، لتقليل جسيمات الفرامل، باستخدام تقنية جديدة لإنتاج منصات الفرامل تحل محل راتنجات الفينول التقليدية بمادة جديدة أساسها الأسمنت

تتكون راتنجات الفينول من الفينول والفورمالديهايد: هذه مادة متطايرة جدًا وبالتالي، خطرة للغاية، حيث يمكن أن تصل إلى الجهاز التنفسي البشري.

يجب أن توفر المواد الجديدة القائمة على الأسمنت أداءً مكافئًا للمواد التقليدية. وهذا يعني أنها تلبي معايير الأداء العالية المتوقعة من التطبيقات الرياضية الأكثر تطلبًا، مع تقليل انبعاثات الجسيمات الدقيقة وتأثيرها البيئي. لا تقلل العملية الجديدة من الجسيمات الدقيقة أثناء الفرملة فحسب، بل تتيح أيضًا تقليل الطاقة أثناء عملية الإنتاج، وكذلك استهلاك المياه. تمت الموافقة على المركب بالفعل لـ ECE - R90.

Project Cobra infographic: new process for manufacturing pads with cementitious materials

الكهربة والقيادة الذاتية

بالإضافة إلى تقليل الانبعاثات والجسيمات، فإن أحد الاتجاهات الحديثة المهمة للغاية فيما يتعلق بمستقبل السيارات - وبالتالي الفرامل - هو الكهربة والقيادة الذاتية.