Przeanalizujmy dokładniej ten temat oraz inne czynniki, od których zależy jeszcze trwałość okładzin hamulcowych. Pomimo że na elementy układu hamulcowego podlegające naturalnemu zużyciu (klocki i tarcze hamulcowe) producenci samochodów nie dają gwarancji minimalnego przebiegu, to większość pojazdów jest tak konstruowana, żeby ponad 90% kierowców zmieniało klocki hamulcowe po minimum 40 000 km, a tarcze po ok. 60 000–80 000 km. Podczas testów rozwojowych czy homologacyjnych prowadzi się długotrwałe badania hamulców, w trakcie których sprawdza się zazwyczaj komfort ich użytkowania (piski i inne niepożądane odgłosy) oraz właśnie zużycie. Takie próby trwają często kilka tygodni czy miesięcy, a podczas nich samochody przejeżdżają co najmniej 10 000 km. Odbywają się one na co najmniej kilku pojazdach kierowanych przez wielu kierowców, a same samochody występują w wielu konfiguracjach (różne skrzynie biegów, silniki, stopnie obciążenia itd.). Przykładowo, jeśli po przejechaniu 10 000 km klocki danej osi zużyły się powiedzmy o 2 mm, a maksymalne zużycie klocka wynosi dla danego pojazdu 9,5 mm, to zakładając, że to zużycie będzie proporcjonalne i równomierne, możemy oszacować, że wytrzyma on ok. 47 500 km. Jest dość oczywiste, że podczas takich testów auto musi przejechać wiele tysięcy kilometrów, żeby uzyskać miarodajne zużycie. Dla powyższego przykładu po przejechaniu 1000 km klocki zużyłyby się ok. 0,2 mm – to zdecydowanie za mało, żeby opierając się na proporcji, oszacować, ile wytrzymają do wymiany. Klocki należy wymienić wtedy, kiedy osiągną swoje maksymalne zużycie lub nieco wcześniej (żeby uniknąć całkowitego zużycia i doprowadzenia do kontaktu części metalowej klocka z tarczą). Maksymalne zużycie klocka wynika z grubości materiału ciernego. Jeśli przykładowo klocek ma całkowitą grubość 19,1 mm, to składają się nią: 12,3 mm – całkowita grubość materiału ciernego, 6,0 mm grubość płytki nośnej i 0,8 mm – grubość nakładki antypiskowej (tzw. shima). Z tych 12,3 mm materiału ciernego ok. 2,5–3 mm to warstwa przejściowa (tzw. underlayer), która łączy właściwy materiał cierny ze stalową płytką nośną. Ta część materiału ciernego nie jest przewidziana jako zużywająca się. Ma ona funkcję tłumiącą, pomagającą niwelować piski, nadającą elastyczność klockowi. Ponadto zwiększa wytrzymałość mechaniczną klocka oraz jest izolatorem termicznym chroniącym zacisk przed przegrzaniem. Tak więc przewidziane jest zużycie „właściwego materiału ciernego”, a nie ostatnich 2,5–3 mm. Dlatego różnego rodzaju czujniki zużycia montowane są mniej więcej na granicy materiału ciernego i warstwy przejściowej, która może się szybciej zużywać i słabiej hamować.

Co dokładnie odpowiada za żywotność klocka? Jeśli rozłożymy zagadnienie na czynniki pierwsze, to wyszczególnimy tu:

1. materiał cierny (jego parametry tribologiczne, czyli te odpowiadające za „zużywalność”),
2. ilość materiału ciernego przypadającą na część masy samochodu, którą ma wyhamować (czyli względna wielkość klocka),
3. styl jazdy (wartość energii kinetycznej rozpraszanej przy hamowaniu).

Materiał cierny

Zużycie stosowanych w samochodach osobowych materiałów ciernych klocków hamulcowych jest dość stałe w funkcji temperatury, począwszy od temperatury pokojowej, a kończąc na 250–300°C. Powyżej przedziału 250–300°C zużycie to gwałtownie rośnie. Może się zdarzyć, że przy ok. 500°C materiał klocka zużywa się nawet 10 razy szybciej niż przy niskich temperaturach. Porównując różne materiały cierne pod względem zużycia w zakresie od 20 do 300°C, różnice wynoszą od 100 do 200%. Oznacza to, że są klocki, które w tych samych warunkach użytkowania zużywają się 2- czy 3-krotnie szybciej niż te najlepsze pod tym względem.

© Lumag

Naciski jednostkowe między tarczą a materiałem ciernym (czyli ciśnienie w układzie hamulcowym) w większości przypadków nie mają wpływu na zużycie klocków. Prędkość początkowa hamowania do pewnych wartości również nie ma dużego znaczenia (jeśli będzie zachowana ta sama energia kinetyczna do wytracenia). Po przekroczeniu pewnych prędkości (ok. 100–120 km/h) wiele materiałów wykazuje bardzo gwałtowny wzrost zużycia. Szczególnie materiały cierne stosowane na szeroką skalę w USA i Japonii (tzw. materiały ceramiczne – NAO i półmetaliczne – Semi Metallic), które w zwykłych miejskich warunkach zużywają się nieco mniej od tych używanych w Europie (klocków organicznych lub tzw. Low Met), podczas hamowań z dużą prędkością potrafią zwiększyć swoje zużycie nawet 100-krotnie. Dlatego często nie nadają się do używania w Europie. Do sprawdzenia zużycia klocków zwłaszcza w celach porównawczych idealnie nadają się testy laboratoryjne na urządzeniach zwanych dynamometrami. Klocki montuje się w rzeczywistym hamulcu a warunki, w jakich odbywają się testy i ich specyfika sprawiają, że są one dużo szybsze i bardziej powtarzalne niż te wykonane na pojeździe.

Ilość materiału ciernego (względna wielkość klocka)

Jeżeli byśmy sobie wyobrazili, że różne samochody jeżdżą i hamują w taki sam sposób i są wyposażone w ten sam materiał cierny, to okazuje się, że jedyną różnicą, która może powodować inne przebiegi klocka jest właśnie względna wielkość klocka (czyli stosunek jego wielkości – konkretnie objętości materiału ciernego – do masy samochodu, który ten klocek ma wyhamować). Możemy wprowadzić wskaźnik wielkości klocka do masy pojazdu, dzieląc całkowitą objętość materiału ciernego klocków danej osi przez część masy samochodu przez nią hamowanej. W przypadku samochodów osobowych i lekkich dostawczych część masy samochodu hamowana przez przednią oś to średnio 60-75%,, natomiast tylną – 25–40%. Jeśli teraz porównamy te wskaźniki dla przednich i tylnych hamulców różnych samochodów, to okaże się, że w wielu przypadkach są one często bardzo podobne.

Z tabeli 1 wynika, że istnieją duże różnice pomiędzy niektórymi modelami samochodów, jeśli chodzi o ilość materiału ciernego przypadającego na masę samochodu. Z pewnością mniejszy wskaźnik da nam krótszy przebieg na pojeździe (zakładając podobny styl jazdy i materiał cierny).

© Lumag

Styl jazdy (wartość energii kinetycznej rozpraszanej przy hamowaniu)

Sposób jazdy decyduje pośrednio o wartości energii kinetycznej rozpraszanej przy hamowaniu. Ilość hamowań na określonym odcinku drogi i prędkości, z jakimi są wykonywane, w ogromnym stopniu wpływają na szybkość zużywania się klocków hamulcowych. Chodzi tu nie tylko o szybką, sportową jazdę, ale również o hamowanie silnikiem. Wyobraźmy sobie jazdę autostradą. Oba pojazdy jadą ze stałą prędkością 130 km/h. Zbliżając się do bramek w celu np. pobrania biletu, jeden pojazd hamuje hamulcem zasadniczym ze 130 km/h do 0, a drugi najpierw zwalnia ze 130 do 70 km/h, hamując silnikiem (nie używając w ogóle hamulca ciernego), a dopiero od 70 km/h do 0 kierowca naciska na pedał hamulca. W przypadku drugiego pojazdu energia, którą rozproszyły hamulce cierne jest ok. 3,5 raza mniejsza niż w przypadku pierwszego pojazdu. Na podstawie wielu analiz i statystyk szacuje się, że pojazd o masie 2000 kg na odcinku 1000 km rozprasza podczas hamowań ok. 400 MJ energii (wszystkie cztery hamulce). Mowa tu o pojeździe, w którym przy tego typu użytkowaniu klocki hamulcowe zużyją się po ok. 40 000 km. Znajdziemy kierowców, którzy jeżdżą dużo delikatniej (długie trasy, hamowanie silnikiem) i oni mogą tym samym pojazdem zużyć klocki nawet po 150 000 km (ich hamowania rozpraszają 3–4 razy mniej energii). Na drugim końcu skali mamy takich, co tym samym pojazdem jeżdżą niemalże wyczynowo po torze wyścigowym i trwałość klocków ich samochodu spadnie do zaledwie kilkuset kilometrów. Teoretycznie klocki ich pojazdu powinny wytrzymać kilka tysięcy kilometrów, bo ich hamulce rozpraszają energię 5–8 razy szybciej niż tego pojazdu, w którym okładziny zużywają się po 40 000 km. Ale trzeba wziąć po uwagę, że w przypadku bardzo agresywnej jazdy sportowej, temperatura tarczy hamulcowej bardzo często będzie się utrzymywała powyżej 300 czy nawet 500°C, co dodatkowo bardzo przyspieszy zużycie mieszanki ciernej klocka.

Widzimy więc, jak różne czynniki mogą w różnym stopniu wpływać na żywotność materiału ciernego klocka hamulcowego, która może wynosić od kilku do nawet kilkuset tysięcy kilometrów. Rodzaj i jakość materiału ciernego, jak i wielkość układu hamulcowego mają na to niemały wpływ. Jednak czynnikiem decydującym w największym stopniu jest kierowca, od którego zależy, jak pojazd będzie się poruszał, a zwłaszcza hamował.