Moc hamulców
Samochód do rozpędzenia się potrzebuje mocy silnika. Ale co z hamowaniem? W układzie hamulcowym w czasie hamowania energia kinetyczna pojazdu jest zamieniana w energię cieplną tarcz i klocków hamulcowych. Wytworzenie energii cieplnej tarcz w określonym czasie hamowania też należy nazwać mocą.
- Volkswagen Golf 7. generacji w wersji GTI Performance (230 KM) rozpędza się od 0 do 100 km w czasie 6,4 s, ważąc przynajmniej 1500 kg.
- Po przeliczeniu wychodzi, że 100 km/h osiąga on na drodze o długości ok. 90 metrów.
- Według wielu testów droga hamowania tego modelu Volkswagena wynosi od 35,3 m do 35,9 m.
- Hamowanie trwa tylko 2,54 s, co oznacza, że moc potrzebna do zatrzymania samochodu ze 100 km/h jest znacznie większa od mocy potrzebnej do jego rozpędzenia.
- Hamowanie z prędkości 190 km/h zajmuje 4,9 s, a zatrzymanie następuje po pokonaniu odległości 129 m. W tych warunkach układ hamulcowy musi wygenerować moc 287 kW.
- Należy pamiętać, że ten samochód rozpędza się do prędkości maksymalnej na poziomie 250 km/h.
- Z punktu widzenia fizyki proces hamowania polega na zmianie energii kinetycznej poruszającego się pojazdu na energię cieplną.
- Ciepło zostaje rozproszone, czyli odprowadzone do atmosfery przez tarczę hamulcową, okładziny cierne klocków hamulcowych i pozostałe elementy układu hamulcowego.
Aby zobrazować, jak duże wartości mocy i energii przenoszone są przez układ hamulcowy, posłużę się przykładem Volkswagena Golfa 7. generacji w wersji GTI Performance wyposażonego w silnik o mocy 169 kW (230 KM). Samochód ten rozpędza się od 0 do 100 km w czasie 6,4 sekundy, ważąc przynajmniej 1500 kg (masa własna to 1400 kg, a jeszcze trzeba dodać masę kierowcy i paliwa).
Podstawiając te wartości do podstawowego wzoru na drogę (z równania ruchu jednostajnie przyspieszonego)
otrzymujemy wartość 88,9 m. To oznacza (czysto teoretycznie), że samochód prędkość 100 km/h osiąga po przejechaniu prawie 90 metrów. Jest to obliczenie przybliżone, ponieważ samochód nie przyspiesza w sposób jednostajny, a wartość przyspieszenia wraz ze zmianą prędkości maleje. Niemniej możemy tę wartość uznać za orientacyjną, co pomoże dalej w zrozumieniu zagadnienia. I tak, silnik o mocy 230 KM przy maksymalnym wysileniu rozpędza samochód do 100 km/h na dystansie 90 metrów.
Co mają do tego hamulce? Otóż, są one odpowiedzialne za zatrzymanie tego półtoratonowego pojazdu. Według wielu testów droga hamowania tego modelu Volkswagena wynosi od 35,3 m (hamulce zimne, samochód pusty) do 35,9 m (hamulce ciepłe, samochód obciążony). To ogólnie bardzo dobry wynik, ponieważ droga hamowania bardzo nieznacznie zmienia się wraz ze wzrostem obciążenia samochodu i temperatury hamulców.
Podstawiając drogę hamowania do powyższego wzoru, możemy łatwo obliczyć, że do zatrzymania tego samego samochodu jadącego z prędkością 100 km/h potrzeba znacznie mniej czasu, bo tylko 2,54 s. Dalej, korzystając ze wzoru na moc, już łatwo wyliczyć, że do zatrzymania na danym odcinku drogi potrzeba około 205 kW mocy (280 KM). Wartości te są oczywiście mocno przybliżone, ponieważ są to równania na ruch jednostajnie przyspieszony i nie uwzględniają warunków rzeczywistych panujących podczas przyspieszania lub hamowania. Niemniej okazuje się, że układ hamulcowy musi mieć znacznie więcej mocy niż układ napędowy, aby sprawnie zatrzymać rozpędzony samochód.
W przykładzie ponadto wzięte pod uwagę było tylko hamowanie z prędkości 100 km/h. Hamowanie z prędkości 190 km/h zajmuje 4,9 sekundy, a zatrzymanie następuje po pokonaniu odległości 129 m. W tych warunkach układ hamulcowy musi wygenerować moc 287 kW (390 KM), a należy pamiętać, że ten samochód rozpędza się do prędkości maksymalnej na poziomie 250 km/h.
Na czym polega prces hamowania?
Z punktu widzenia fizyki proces hamowania polega na zmianie energii kinetycznej poruszającego się pojazdu na energię cieplną wytwarzaną w miejscu styku osadzonych nieruchomo klocków hamulcowych z obracającymi się tarczami hamulcowymi lub w miejscu styku okładzin hamulcowych z wewnętrzną powierzchnią bębna hamulcowego. Wymagania stawiane materiałom ciernym są bardzo wysokie, ponieważ chwilowa temperatura w standardowym układzie hamulcowym może osiągnąć nawet 700°C. Aby hamulce były skuteczne, taki wzrost temperatury nie może im zaszkodzić, co oznacza, że skład okładziny ciernej klocka hamulcowego musi być dobrany w taki sposób, aby nie uległ degradacji po pierwszym hamowaniu. Tak samo jest z materiałem tarczy hamulcowej, choć w tym przypadku już jest łatwiej, ponieważ jest ona wykonana z żeliwa, które jest chłodzone na zasadzie odśrodkowej przez przepływ powietrza promieniowymi kanałami między powierzchniami ciernymi.
Na sprawność hamulców wpływa jakość każdego z wyżej wymienionych elementów składowych klocka. Im dokładniej wykonana jest płytka nośna, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo zatarcia się jej w prowadnicy w zacisku hamulcowym, dzięki czemu w trakcie eksploatacji nie następuje zjawisko nierównomiernego ścierania się pary klocków hamulcowych zamontowanych w jednym zacisku.
Od shimu zależy poziom hałasu klocków hamulcowych w trakcie hamowania. Warstwa ta tłumi drgania klocków i zapobiega ich przenoszeniu na pozostałe elementy układu hamulcowego, w szczególności na zacisk hamulcowy i tłok zacisku, a pośrednio przez płyn hamulcowy – do pompy hamulcowej i na pedał hamulca. Materiał cierny klocka hamulcowego jest najbardziej strzeżoną recepturą producentów klocków hamulcowych. Liczba składników materiału ciernego jest różna w zależności od producenta, ale w skrajnych przypadkach może dochodzić do 30. Bazą mieszanki jest wełna stalowa z domieszkami pyłu miedzianego. Wełna stalowa i opiłki miedziane mają na celu odprowadzanie ciepła z powierzchni styku klocka z tarczą. Dzisiaj dozwolony dwudziestoprocentowy udział miedzi zgodnie z międzynarodowymi zaleceniami i regulacjami do roku 2025 musi być ograniczony do poziomu ok. 0,5%.
Kolejnym składnikiem mieszanki jest wermikulit. Jest to minerał, który po wypaleniu nadaje klockom hamulcowym doskonałą odporność termiczną i jest przy tym dobrym izolatorem dźwięku i drgań, co ma niebagatelny wpływ na komfort jazdy. Do materiału ciernego dodaje się jeszcze grafit, który zapobiega zacieraniu się współpracujących ze sobą powierzchni ciernych.
Materiały te są mieszane z żywicami, po czym są przytwierdzane do płytki nośnej i wygrzewane w celu utwardzenia oraz ujednolicenia materiału.
WARTO WIEDZIEĆ
Z jakich elementów składa się klocek hamulcowy? Płytka nośna: dokładność jej wykonania gwarantuje powtarzalność wymiarów, swobodną pracę klocka w zacisku i bezproblemowy montaż. Shim: metalowy element pokryty dwustronnie warstwą ochronną, która tłumi drgania i zapobiega piskom. Materiał cierny: podstawowy element klocków hamulcowych. Skład mieszanki jest najpilniej strzeżoną tajemnicą każdego producenta. Międzywarstwa: izolator termiczny o grubości około 2 mm, który zabezpiecza zacisk hamulcowy przed przegrzaniem. Klej: łącznik między płytką nośną a międzywarstwą.
Jak odbierane jest ciepło w hamulcach?
Jak wspomniano powyżej, w trakcie hamowania wydzielane jest ciepło. Aby hamulce działały bezproblemowo, a klocki nie zostały uszkodzone, ciepło to musi być odprowadzane do atmosfery.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Technika motoryzacyjna
Czy nawiercane tarcze hamulcowe są lepsze?
Kiedy klient potrzebuje nowych tarcz hamulcowych, nie wystarczy tylko ustalić numer konkretnej referencji. Można również zaproponować przejście od gładkiej, standardowej tarczy do tarczy poddanej obróbce mechanicznej, która znacząco poprawi wydajność układu hamulcowego, a także wygląd samochodu.
Ciepło hamowania w większości rozpraszane jest przez tarczę hamulcową. Aktualnie wszystkie tarcze mają konstrukcję wentylowaną, co oznacza, że między powierzchniami ciernymi znajdują się kanały wentylacyjne, przez które powietrze przemieszcza się na zasadzie odśrodkowej. Im samochód szybciej się porusza, tym skuteczniejsze jest działanie tego typu chłodzenia. Ciepło z samych okładzin ciernych odprowadzane jest przez zawarte w ich mieszance przewodniki (wełnę stalową, opiłki metali) do pozostałych elementów układu hamulcowego, a przede wszystkim do tłoka dociskającego klocek hamulcowy do tarczy. Po drodze ciepło napotyka na płytę nośną klocka, która styka się z zaciskiem hamulcowym, powodując dodatkowy odbiór ciepła, oraz na shim, który izoluje klocek od tłoka zacisku. Jednak część ciepła przedostaje się poza klocek, nagrzewając tłok oraz płyn hamulcowy. W normalnej eksploatacji ta ilość ciepła nie jest groźna dla pozostałych elementów układu hamulcowego, ponieważ nie powoduje ich uszkodzenia ani wytwarzania się pęcherzy pary wodnej w samym płynie.
Na poniższym zdjęciu przedstawiony został przekrój tarczy hamulcowej z promieniowymi kanałami chłodzącymi. Tarcza ta dodatkowo zaopatrzona jest w otwory osiowe na powierzchni ciernej. Ich zadaniem jest odprowadzenie gazów wydzielanych przez materiał cierny klocka hamulcowego podczas gwałtownego ogrzewania. Normalnie gazy te przedostają się w kierunku brzegów klocka, tworząc poduszkę między klockiem hamulcowym a powierzchnią tarczy. To powoduje zmniejszenie skuteczności hamowania na skutek zmniejszenia powierzchni styku klocka z tarczą. Otwory w tarczy powodują, że problem poduszki gazowej zostaje w dużej mierze zniwelowany. Takie samo zadanie mają tarcze hamulcowe z frezowanymi kanałami na ich powierzchniach.
Z czego zbudowane są tarcze hamulcowe?
Tarcze zwykle są wykonane ze stali lub żeliwa. Najbardziej zaawansowane robione są z ceramiki lub kompozytów węglowych. Są one bardziej odporne na wysokie temperatury, a co za tym idzie – również trwalsze.
Tarcze stalowe wykonane są z odlewów wysokostopowych, co gwarantuje dużą odporność na zużycie. Najpopularniejsze jednak są tarcze odlewane z żeliwa szarego o wysokiej zawartości grafitu, co powoduje jeszcze lepsze odprowadzanie ciepła, a tym samym obniża skoki temperatur i odkształcenia termiczne, zapewniając w rezultacie:
- hamowanie bez drgań,
- większą siłę hamowania,
- dłuższą żywotność,
- większą odporność.
W samochodach wyczynowych stosuje się najczęściej tarcze wykonane z kompozytów węglowych, które współpracują z klockami hamulcowymi na bazie ceramicznej. Tego typu klocki hamulcowe nie mają nic wspólnego z klockami „ceramicznymi” dostępnymi na rynku. Do współpracy z tarczami węglowymi wymaga się klocków, których skuteczność hamowania zaczyna rosnąć wraz ze wzrostem temperatury, a największa osiągana temperatura wynosi 600°C, kiedy tarcze zaczynają się już żarzyć.
Istotną zaletę hamulców węglowo-ceramicznych stanowi masa. Są one lżejsze o 20–30 kg od hamulców wykonanych z żeliwa. Pozornie to nieduża różnica, ale należy pamiętać o tym, że masa tarcz i zacisków to składnik masy nieresorowanej, która wpływa na jakość prowadzenia samochodu.
Podstawowymi komponentami, z których składa się węglowo-ceramiczna tarcza hamulcowa są: żywica, krzem, węgiel oraz włókno węglowe. Mieszanka tych materiałów w odpowiednich proporcjach służy jako wypełnienie form, które są później kierowane pod prasę. Pod naciskiem mieszanka jest rozgrzewana, aby zestalić składniki w jednorodną masę. Kolejnym krokiem jest obróbka mechaniczna polegająca na wygładzaniu tarcz oraz ich nawiercaniu i frezowaniu. Ostatnim krokiem jest wyżarzanie tarcz w otoczeniu bogatym w krzem w temperaturze na poziomie 1600°C. Dzięki temu zabiegowi powierzchnia tarczy pokrywa się węglikiem krzemu, który odpowiada za wysoką wytrzymałość termiczną. Proces ten jest długi i pracochłonny, co przekłada się na bardzo wysoką cenę tych części.
Najważniejszym kryterium przy doborze materiału tarcz hamulcowych jest duża odporność na ścieranie, wytrzymałość termiczna i mechaniczna oraz stabilność wymiarowa związana ze zmianami temperatury. Jak na razie przy zachowaniu niskiego poziomu cenowego najlepszym materiałem do produkcji tarcz hamulcowych okazuje się żeliwo szare.
