WALKA Z CIEPŁEM

   Istotę procesu hamowania stanowi zamiana energii kinetycznej ruchu jadącego pojazdu (proporcjonalnej do jego masy i do kwadratu prędkości) na ciepło, a następnie rozproszenie go do otoczenia. Ciepła tego jest dość sporo – energia kinetyczna samochodu średniej wielkości jadącego z prędkością 100 km/h wynosi w przybliżeniu 1/2 MJ, czyli jest równoważna ciepłu, jakie uzyskamy, spalając bez strat np. ok. 15 cm³ benzyny. Już jednokrotne zahamowanie z tej prędkości solidnie rozgrzeje hamulce, wielokrotne zaś, z większej prędkości, wygeneruje ciepło, z którym trudno sobie poradzić. Powstaje ono na niewielkiej powierzchni czynnej nieruchomych okładzin ciernych (na szczękach lub tzw. klockach) w wyniku ich tarcia o obracające się wraz z kołami jezdnymi elementy robocze (odpowiednio – bębny lub tarcze).
   Średnia moc hamowania samochodu o masie 1 tony z prędkości 100 km/h do 0 km/h to około 100 kW, moc chwilowa może być znacznie wyższa. Rozwijane w kołach hamowanych momenty mogą przyjmować wartości rzędu kilkuset i więcej Nm. Toteż kluczowe znaczenie mają tu właśnie okładziny. Ich skład ustala się podczas projektowania hamulców odpowiednio do indywidualnych warunków pracy w danym modelu samochodu. Receptura tego składu jest dobierana w toku prób i doświadczeń i stanowi tajemnicę producenta. Dąży się, aby wartość współczynnika tarcia okładzin ciernych była niezmienna przy wzroście temperatury (w przypadku hamulców tarczowych temperatury na styku okładziny i tarczy rosną nawet do wartości czerwonego żaru, czyli 800 0C albo by przynajmniej zmniejszała się wraz z jej wzrostem. Precyzyjnie dobrane okładziny cierne mogą i powinny mieć tę właściwość, że wraz ze wzrostem nacisku (intensywności hamowania) siła tarcia w osi przedniej rośnie bardziej niż w osi tylnej – takie zachowanie okładzin wspomoże działanie korektora hamowania. Okładziny powinny także izolować płyn hamulcowy od dopływu ciepła.

PRZEBIEG HAMOWANIA 

   Samo hamowanie przebiega w kilku etapach. Najpierw kierowca ocenia sytuację na drodze i podejmuje decyzję o jego rozpoczęciu (indywidualny czas reakcji wynosi od 0,4 do 1,5 s). Od uruchomienia hamulców do faktycznego początku hamowania upływa czas zadziałania układu i wynosi on od 0,2 do 0,6 s – pojazd porusza się wtedy jeszcze ze stałą prędkością. Następnie w układzie hamulcowym narasta ciśnienie hydrauliczne, a opóźnienie zwiększa się, by następnie ustabilizować na mniej więcej stałym poziomie – następuje właściwy proces hamowania. Wreszcie od momentu zaniku siły działającej na pedał hamulca, upływa czas w którym siła hamowania zanika, jest to czas „odpuszczania” hamowania.
   Maksymalne opóźnienie, a więc najwyższa skuteczność hamowania jest uzyskiwana w pobliżu punktu największej przyczepności wzdłużnej ogumienia do podłoża, już przy niewielkim poślizgu kół hamowanych. Tylko na nawierzchniach luźnych korzystne jest całkowite zatrzymanie kół. Przeciętny kierowca nie jest w stanie balansować wokół tej granicy bez ryzyka zablokowania kół. W dzisiejszych samochodach w sukurs przychodzą mu systemy elektroniczne, przede wszystkim ABS (ATM nr 3/2006). Zresztą współczynnik tarcia pomiędzy oponą a nawierzchnią nie jest wartością stabilną, zmienia się również wraz ze zmianą sił nacisku kół (a te z kolei zmieniają się w zależności od intensywności hamowania, gdy koła przednie zostają dociążone, a tylne – odciążone), a także wraz ze zmianą temperatury bieżnika opony.     
Długość drogi hamowania, przyjmowana popularnie za miarę skuteczności hamulców, zależy od prędkości jazdy oraz rodzaju i stanu (przyczepności) nawierzchni.

Zmienia się też w zależności od masy samochodu, rodzaju i stanu opon (rodzaju mieszanki gumowej, głębokości bieżnika), rodzaju i stanu (współczynnika tarcia) par ciernych oraz temperatury hamulców. Na szczególny komentarz zasługuje kwestia masy samochodu. Współczesne hamulce (samochodów osobowych) zazwyczaj dysponują wystarczającą wydajnością, by wykorzystać i przekroczyć siły tarcia generowane na styku opony z jezdnią. Wobec owego zapasu momentu hamującego masa auta nie powinna mieć znaczenia, bo przecież jej wzrost powoduje równoważny wzrost nacisku opon, a więc i siły tarcia.
Jednak specyfika współpracy koła ogumionego z nawierzchnią jest inna – wraz ze wzrostem nacisku jednostkowego opony, maksymalny współczynnik tarcia maleje, natomiast rośnie zjawisko ruchu względnego pomiędzy toczącą się oponą hamowanego koła a podłożem, co powoduje wzrost drogi hamowania pomimo braku poślizgu. Gdy dodamy do tego większą skłonność do przegrzewania hamulców cięższego samochodu (tzw. fading), to okazuje się, że masa auta ma tu istotne znaczenie.

To jednak nie jedyne kryteria, na podstawie których można stwierdzić, że jedno auto hamuje „lepiej”, a drugie – „gorzej”. Wspomnieliśmy już, że hamulce powinny utrzymywać możliwie niezmienną wartość współczynnika tarcia pary ciernej bez względu na temperaturę roboczą. W szerokim zakresie temperatur to jest niemożliwe, a zatem materiał okładziny (a także tarczy) dobierany jest do przewidzianych zastosowań, np. hamulce samochodów wyczynowych zazwyczaj są mało wydajne na zimno, natomiast umożliwiają skuteczne i progresywne hamowanie przy bardzo wysokich temperaturach. I odwrotnie, hamulec pojazdu turystycznego musi działać optymalnie już przy najniższych temperaturach.
Współpracujące powierzchnie robocze powinny być mało wrażliwe na zużycie (wskutek ścierania), a odpowiedzialne elementy konstrukcyjne także na odkształcenia mechaniczne i termiczne. Sprawne i szybkie odprowadzenie energii cieplnej winna zapewniać odpowiednia przewodność cieplna użytych materiałów – niewielka okładzin i duża tarcz lub bębnów. Mała masa to z kolei parametr istotny z punktu widzenia budowy całego pojazdu (wielkość mas nieresorowanych i ich wpływ na własności jezdne oraz komfort podróżowania). 

 

BUDOWA HAMULCóW

   Hamulce pozwalają nie tylko na całkowite zatrzymanie pojazdu, ale także na zmniejszenie jego prędkości do wartości żądanej w określonych warunkach ruchu oraz na utrzymanie go w razie potrzeby w stanie spoczynku na postoju. Formalne warunki, jakie w związku z tym musi spełniać ich budowa i działanie, regulują międzynarodowe i krajowe przepisy prawne. Hamulec roboczy, zwany zasadniczym, działa na wszystkie koła uruchamiany jest nogą, za pomocą pedału. Niezależny hamulec postojowy zazwyczaj działa tylko na koła jednej osi (najczęściej tylnej, sporadycznie przedniej, a wyjątkowo na półosie napędowe), nie wymaga utrzymywania nacisku przez człowieka, a włącza się go i wyłącza przeważnie ręczną dźwignią (rzadziej pedałem), połączoną z mechanicznym układem linek lub cięgien. W ciągu ostatnich kilku lat pojawiły się elektromechaniczne hamulce postojowe (APB, EMP, EPB – rozwiązania m.in. koncernów Bosch i TRW), często uaktywniane i dezaktywowane samoczynnie.

   Wymagany prawem hamulec awaryjny to w istocie drugi obwód z zasady dwuobwodowego układu hamulca roboczego. W samochodach z dociążoną osią przednią obwody dzieli się zwykle po przekątnej (X, K – jeden obwód tworzy prawe przednie i lewe tylne koło, drugi – lewe przednie i prawe tylne koło), a z dociążoną osią tylną – prostopadle do kierunku jazdy (II, TT – jeden obwód tworzą oba koła przednie, drugi – oba koła tylne). W wypadku podziału diagonalnego (po przekątnej) stosuje się ujemny promień zataczania kół przednich, co ułatwia zachowanie stateczności ruchu w krytycznej sytuacji.             
   W ciężkich pojazdach użytkowych niezbędne jest montowanie dodatkowych urządzeń, pozwalających na utrzymywanie lub zmniejszanie prędkości przy zjeździe ze stromego wzniesienia bez konieczności korzystania z hamulców zasadniczych, które w takich warunkach szybko uległyby przegrzaniu i utraciły swą skuteczność. W tym celu stosuje się tzw. hamulec silnikowy, działający na zasadzie dławienia przepływu gazów wylotowych przez specjalny zawór bądź zwiększający ciśnienie sprężania w cylindrach, albo też tzw. zwalniacze. Te ostatnie instaluje się w, lub przy skrzyni biegów, a efekt hamowania uzyskuje się w nich wskutek generowania oporów oleju (zwalniacz hydrodynamiczny, działający podobnie jak sprzęgło hydrokinetyczne o zerowym przełożeniu kinematycznym) lub zjawiska prądów wirowych (zwalniacz elektromagnetyczny) w tarczach ich wirników.

TANIO, PROSTO, NIEEFEKTYWNIE

   Hamulce bębnowe są nadal spotykane w pojazdach użytkowych, w samochodach osobowych natomiast stosuje się je dziś już raczej rzadko, ewentualnie przy tylnych kołach (koła tylne przenoszą mniejsze siły hamujące) małych i lekkich aut z niższych segmentów rynkowych. Odznaczają się one bowiem przeciętną skutecznością i odpornością termiczną, mimo występowania w nich tzw. efektu samowzmocnienia.
Do wewnętrznej powierzchni żeliwnego bębna mocowanego do piasty koła dociskane są promieniowo przez rozpieracz (cylinderek) szczęki, z przynitowanymi lub przyklejonymi okładzinami ciernymi. W dawnych samochodach sportowych wykorzystywano bębny ze stopów lekkich, lepiej odprowadzające ciepło zarówno z racji własności tych materiałów, jak i specjalnej, żebrowanej budowy. Można było spotkać bębny ze stopów lekkich, ze zintegrowaną żeliwną powierzchnią cierną.
Szczęki hamulcowe mogą mieć układ współbieżny (przemieszczają się zgodnie z ruchem obrotowym koła) i przeciwbieżny. Mogą one być zamocowane obrotowo albo – częściej - jako tzw. pływające prowadzone na wodzikach lub przesuwne. Stosuje się różne układy szczęk, różniące się budową i skutecznością działania:
• simplex (jedna szczęka współbieżna, jedna przeciwbieżna),
• duplex (przy jeździe do przodu obie szczęki współbieżne, wskutek zastosowania dwóch niezależnych rozpieraczy),
• duo-duplex (obie szczęki pływające, zawsze współbieżne),
• serwo (obie szczęki współbieżne, kołek oporowy),
• duo-serwo (obie szczęki współbieżne, rozpieracz pływający).

Najczęściej spotykany wariant konstrukcyjny to dwuszczękowy hamulec z silnym samowzmocnieniem generowanym przez siły tarcia na szczęce współbieżnej i bez tego wzmocnienia na szczęce przeciwbieżnej (typ simplex). Funkcję samoczynnej regulacji luzu realizuje zwykle mechanizm zapadkowy lub sprężynowy. Dziś hamulec bębnowy pozostał w użyciu także w cięższych samochodach jako postojowy – często pełni tę funkcję, będąc wbudowanym w tarczowy hamulec z zaciskiem stałym przy kołach tylnych.
W eksploatacji bęben jest ok. dwukrotnie trwalszy od okładzin szczęk, cały zaś tylny hamulec bębnowy w małym aucie z przednim napędem zazwyczaj nie wymaga serwisu przez kilkadziesiąt tysięcy km. Ponadto okazuje się on ciągle nieco tańszy od równoważnego – tarczowego. Jednak ma istotne wady. Pierwszą jest niska odporność na przegrzanie przy intensywnym hamowaniu. Wzrost temperatury bębna, któremu towarzyszy niesymetryczny układ sił pochodzących od szczek hamulcowych, powoduje bardzo szybko odkształcenie tej części i niedokładne przyleganie okładzin do (w tym momencie) już nie walcowej powierzchni trącej. W efekcie następuje gwałtowny spadek siły hamowania, nawet bez przegrzania materiału okładzin oraz płynu hamulcowego. Sytuacja wraca do normy po ochłodzeniu hamulców, ale może być już za późno.
Druga wada to wspomniane samowzmocnienie sił hamowania, które przy krótkich, nagłych hamowaniach jest trudne do opanowania i może doprowadzić do niełatwej do przewidzenia utraty stabilności pojazdu. Dlatego zasadnicze hamulce bębnowe stosuje się już tylko w autach, których eksploatacja z założenia nie będzie intensywna i nie wymaga ostrych hamowań.

 

TARCZE DZIAŁAJĄ PŁYNNIEJ

Droższe od bębnowych hamulce tarczowe są w porównaniu z nimi wytrzymalsze na obciążenia cieplne, szybciej i lepiej rozpraszają energię. Poza tym ze względu na symetryczny, równoważący się nacisk okładzin ciernych tarczy, nie ulegają w czasie pracy odkształceniom mechanicznym, nawet podczas długotrwałego hamowania i gdy generują znaczne momenty hamujące. Promieniowe odkształcenie tarczy nie ma tu istotnego znaczenia, ważne mogą być dopiero odkształcenia osiowe, powodujące bicie tarcz – występują one raczej w gorzej wykonanych tarczach wentylowanych. Siły hamowania tylko nieznacznie maleją po nagrzaniu hamulca tarczowego, a więc charakteryzuje się on zasadniczo większą skutecznością.

Brak zjawiska samowspomagania oraz konieczność pracy pary trącej na nieco mniejszym promieniu niż w hamulcach bębnowych wymagają, by jednostkowe naciski powierzchniowe w hamulcach tarczowych były kilkakrotnie wyższe niż w bębnowych i sięgały 7–8 MPa. Wynika to także z mniejszej powierzchni czynnej elementów roboczych, lecz jest dopuszczalne właśnie dzięki lepszym warunkom odprowadzania energii cieplnej. W rezultacie hamulce tarczowe wymagają stosowania wydajnych układów wspomagania.
Budowa hamulca tarczowego jest wyjątkowo prosta. Do obu zewnętrznych powierzchni mocowanej do piasty koła tarczy, wykonanej ze staliwa, żeliwa wysokowęglowego lub – w samochodach sportowych – z lekkich, niewrażliwych na korozję i wytrzymałych, także na zmęczenie cieplne, spieków ceramicznych (np. węglik krzemu), czasem wzmacnianych włóknem węglowym, są dociskane osiowo wkładki (tzw. klocki) z przyklejonymi okładzinami ciernymi. Rozwiązanie klasyczne, droższe, to hamulce tarczowe z dwutłoczkowym zaciskiem stałym (sztywnym, nieruchomym). Obudowa zacisku (jarzmo, strzemię) jest mocowana nieruchomo do zwrotnicy lub wspornika koła i przenosi na nie powstające momenty reakcyjne. Hamulec taki jest wytrzymały i efektywny, ale wymaga dużej dokładności wykonania zwrotnicy i mocowań poszczególnych elementów.    

W samochodach popularnych powszechnie stosuje się jedno-tłoczkowe zaciski pływające (wahliwe) lub przesuwne (równolegle do osi koła). Wymagają one mniej miejsca do zabudowy wewnątrz obręczy koła, nadają się więc do nowoczesnych samochodów o ujemnym promieniu zataczania kół przednich, istotnym dla stabilizacji toru jazdy podczas hamowania (także awaryjnego – diagonalny układ hamulcowy). Są lepiej chłodzone (od wewnętrznej strony nie ma cylindra hydraulicznego, który mógłby odbierać ciepło od tarczy i okładziny) i mogą realizować także funkcję hamulca postojowego, uruchamianą przez mechanizm mimośrodowy lub kulkowy.
Bardziej kosztowne i skomplikowane rozwiązania wielotłoczkowe spotyka się w samochodach wyższych klas i pojazdach sportowych. Bezpośredni wpływ na skuteczność hamulców tarczowych i stabilność ich działania ma średnica cylinderków i powierzchnia czynna okładzin.
Do automatycznej regulacji luzu hamulców tarczowych wykorzystuje się zazwyczaj sprężyste pierścienie uszczelniające tłoków hydraulicznych.
W eksploatacji tarcza jest kilkakrotnie trwalsza niż okładziny cierne, o ile nie dojdzie do jej wykrzywienia lub popękania. Zużycie okładzin może być sygnalizowane przez proste czujniki elektryczne lub akustyczne, natomiast do monitorowania zużycia tarcz służyć mogą rowki (ATE PowerDisc) na ich powierzchniach, pełniące podobną funkcję jak znaczniki TW w oponach.

Tarcze przednie, bardziej obciążone, mają krótszą żywotność. Wprowadzenie nowych kompozytowych materiałów tarcz może doprowadzić do uzyskania ich trwałości na poziomie równym czasowi życia całego pojazdu, jednak towarzyszy temu znaczne podniesienie ich ceny.          
Hamulce tarczowe, zwłaszcza kół przednich, wykonuje się w coraz cięższych współczesnych samochodach zazwyczaj jako wentylowane. Promieniowe kanały wentylacyjne mają za zadanie poprawę intensywności odprowadzenia ciepła, wyższa masa zaś takich tarcz podnosi ich pojemność cieplną. Podobną funkcję pełnią odpowiednio ukształtowane obręcze kół z otworami wentylacyjnymi, jak również elementy nadwozia, ukierunkowujące przepływ powietrza. W ten sposób zwiększa się odporność tarcz na obciążenia termiczne podczas pracy, ogranicza ich odkształcenia w rezultacie rozszerzalności cieplnej oraz redukuje niebezpieczeństwo fadingu następującego w wyniku zachodzących w wysokich temperaturach rzędu 600 – 800^oC reakcji chemicznych w materiale ciernym. Przyjmuje się, że tarcza żeliwna nie powinna dłużej pracować w temperaturze wyższej niż 650^oC.
Intensywne chłodzenie potrzebne jest też do ochrony przed ciepłem płynu hydraulicznego znajdującego się w cylindrze hamulcowym. Płyny te, mimo że coraz bardziej odporne na wysokie temperatury, mogą być bez obawy o zagotowanie (pojawienie ściśliwych obszarów wypełnionych parą) podgrzewane do temperatury rzędu 160–180^oC. Gdy pracowały dłużej i wchłonęły wodę, granica ta leży znacznie niżej. Ponieważ zagotowanie płynu oznacza chwilową, ale jednak całkowitą utratę sprawności hamulca, konstruktorzy dokładają wszelkich starań, by izolować cieplnie obszar cylindra hamulcowego od miejsca, gdzie generowane jest ciepło. W konstrukcjach sportowych jarzma hamulców tarczowych często chłodzone są cieczą.
Spotykane czasami osiowe nawiercenia albo rowki umieszczane na powierzchni ciernej tarczy mają nieco inne zadanie – poprawiają intensywne hamowanie przez odprowadzenie gazów powstających na styku nagrzewanej okładziny i tarczy.

INNE ELEMENTY UKŁADU HAMULCOWEGO

   W skład kompletnego układu hamulcowego, poza elementami wykonawczymi (hamulcami poszczególnych kół), wchodzą ponadto: pedał hamulca, pompa hamulcowa, urządzenie wspomagające, zbiornik z płynem hamulcowym, sztywne i elastyczne przewody hamulcowe oraz korektor siły hamującej osi tylnej. 
Nacisk stopy kierowcy wywierany na pedał (z zasady wykonany jako podwieszony) jest przenoszony poprzez mechanizm dźwigniowy (w praktyce poprzez urządzenie wspomagające) na tłok pompy hamulcowej. Ze względu na dwuobwodową budowę układu hamulcowego stosuje się pompy dwusekcyjne (typu tandem) z blokowaną sprężyną tłoka lub z zaworem centralnym. Każda sekcja zasila jeden obwód podawanym niezależnie ze zbiornika płynem hamulcowym. Generowane przez pompę ciśnienie ma tę samą wartość dla obu obwodów.

Zwiększeniu (od dwu do sześciokrotnemu) siły nacisku na tłoczysko pompy pochodzącego od ludzkich mięśni służy urządzenie wspomagające (tzw. serwomechanizm), składające się z dwukomorowego (rzadziej – czterokomorowego, typu tandem) siłownika z tłokiem i przeponą oraz zaworu sterującego. Jego zasada działania wykorzystuje podciśnienie powstające w sposób naturalny w kanałach dolotowych silnika benzynowego (o wartości rzędu 0,05–0,09 MPa) lub wytwarzane w odpowiedniej pompie (próżniowej albo hydraulicznej) w wypadku silnika wysokoprężnego. W razie awarii urządzenia układ hamulcowy funkcjonuje nadal, ale dla osiągnięcia pożądanej skuteczności hamowania wymaga użycia odpowiednio większej siły (istotne np. podczas holowania samochodu z wyłączonym silnikiem). W ciężkich pojazdach użytkowych wyposażonych w pneumatyczne układy hamulcowe, kierowca tylko inicjuje proces hamowania, który następuje dzięki wykorzystaniu energii sprężonego powietrza.

KOREKTOR HAMOWANIA

   Korektor hamowania zmienia rozdział siły hamującej pomiędzy obie osie w zależności od obciążenia i wędrówki środka masy pojazdu. Przyjmuje się, że dla przeciętnego kierowcy mniej niebezpieczne jest zablokowanie kół przednich podczas gwałtownego hamowania, ze względu na mniejsze ryzyko „zarzucenia” pojazdu (zachowanie stateczności ruchu mimo utraty kierowalności). Najpopularniejszy progresywny korektor bezwładnościowy sterowany wartością opóźnienia (może być też sterowany ciśnieniem płynu hamulcowego lub ugięciem zawieszenia) zmniejsza wówczas ciśnienie robocze płynu w hamulcach odciążonych kół tylnych.
W wypadku samochodów wyposażonych w układ ABS ten sam efekt uzyskuje się obecnie poprzez sterowanie elektroniczne, funkcja ta ma nazwę EBD – Electronic Brake Distribution, może być też połączona funkcjonalnie z ESP, tworząc system korekcji hamowania w zakręcie. 

PŁYN HAMULCOWY

Płyn hamulcowy, którego głównym składnikiem jest glikol (lub silikon w przypadku rzadko stosowanego płynu DOT 5), to medium pośredniczące w przenoszeniu energii pomiędzy pompą a elementami wykonawczymi – hamulcami poszczególnych kół, do których jest doprowadzany przewodami hamulcowymi. Jego zbiornik, zabudowany wprost na pompie hamulcowej, realizuje jednocześnie funkcję wyrównywania zmian objętości płynu. Wymagania techniczne dotyczące płynu hamulcowego precyzują normy. W handlu dostępne są płyny spełniające normy oznaczone jako DOT z kolejnymi numerami – 3, 4, 5.  Dotyczą one temperatur wrzenia płynu, także po wchłonięciu wilgoci z otoczenia, lepkości, ściśliwości i agresywności w stosunku do metali i gumy.
Jak już wspomnieliśmy, powstające powyżej temperatury wrzenia pęcherzyki pary mogą uniemożliwić działanie hamulców. Higroskopijność płynu wymusza jego regularną wymianę, gdyż zawartość wody powoduje obniżenie temperatury jego wrzenia. Firmy zalecają wymianę płynu hamulcowego co dwa lata.         

Sztywne przewody hamulcowe to zazwyczaj stalowe rurki powleczone tworzywem sztucznym, zamocowane do płyty podłogowej. Za pośrednictwem złączy są połączone z przewodami elastycznymi, wykonanymi z gumy wzmacnianej włóknem sztucznym, doprowadzającymi płyn do hamulców kół, wykonujących podczas jazdy ruchy względem nadwozia.