Rozwój systemów, których zadaniem jest skuteczne zmniejszanie prędkości aż do zatrzymania pojazdu, jest nierozerwalnie związany z nieustannym postępem, jaki obserwujemy w motoryzacji i dostępnych w sprzedaży samochodach. Porównując auta z tego samego segmentu rynkowego, w tym kolejne generacje tego samego modelu, widać wyraźnie zmiany, jakim zostały one poddane na przestrzeni kilku ostatnich dekad – współczesne modele są dużo mocniejsze od swoich poprzedników, a przy tym też wyraźnie większe. Uzyskiwane wyższe prędkości i większa liczba kilogramów wymuszały i cały czas wymuszają więc zmiany w stosowanych układach hamulcowych. Od lat nowości technologiczne wprowadzane są najpierw w autach luksusowych, a dopiero później, stopniowo, w samochodach niższych klas. Dziś najbardziej zaawansowane układy posiadają (nierzadko za dopłatą) największe i najcięższe samochody luksusowe oraz auta sportowe.

– Ceramiczne układy hamulcowe są wyrazem dążenia do uzyskania wysokich osiągów i odporności na przeciążenia – wyjaśnia Mateusz Bednarski, ekspert techniczny marki KAMOKA. – Z drugiej strony coraz popularniejsze jest sterowanie układami hamulcowymi i łączenie ich z systemami bezpieczeństwa. Dzięki radarom pojazdy same potrafią hamować awaryjnie przed przeszkodami, wspomagać prowadzenie czy nawet zatrzymać bezpiecznie samochód w razie zasłabnięcia kierowcy.

Coraz doskonalsze materiały

Sam układ hamulcowy, jego budowa oraz zasada działania, nie podlega już większym zmianom, a jedynie ewolucyjnym udoskonaleniom. Tym obszarem, w którym wciąż jeszcze tkwi potencjał optymalizacji, są materiały używane do produkcji poszczególnych podzespołów układu hamulcowego. Wykorzystanie innowacyjnych mieszanek pozwoli z jednej strony zmniejszyć ilość materiału ciernego, a tym samym masę całego układu, a z drugiej poprawi jego właściwości np. w wysokich temperaturach, co pozwoli ograniczyć negatywne skutki zjawiska fadingu. Obecnie widoczny jest np. trend odchodzenia od miedzi jako materiału na elementy układu hamulcowego.

Obserwując obecne zmiany w branży motoryzacyjnej, można się spodziewać, że również producenci układów hamulcowych będą podążać w kierunku rozwiązań jak najbardziej przyjaznych środowisku naturalnemu. Wspomniana mniejsza masa powinna przekładać się na niższe spalanie, a tym samym mniejszą emisję CO₂ oraz innych szkodliwych substancji do atmosfery. Z drugiej strony cały czas trwają też poszukiwania niskopylących materiałów na okładziny cierne. – Można domniemywać, że z czasem do większości aut zostaną wprowadzone pochłaniacze/filtry wychwytujące ścier z układu hamulcowego w celu ograniczenia emisji całkowitej cząstek stałych – dodaje Mateusz Bednarski.

Wzrost znaczenia elektroniki

Jak będą działać hamulce samochodowe za 20–30 lat? Dziś bardzo ciężko precyzyjnie odpowiedzieć na tak postawione pytanie, jednak z całą pewnością można się spodziewać wzrostu znaczenia zintegrowanych systemów elektronicznych odpowiedzialnych za szeroko rozumianą kontrolę trakcji.

Popularne dotychczas hydrauliczne układy hamulcowe powoli ustępują miejsca tzw. hybrydom, które stanowią połączenie tradycyjnego układu hydraulicznego z najnowocześniejszymi zdobyczami techniki. Wśród hybrydowych układów hamulcowych możemy wyróżnić obecnie układ elektrohydrauliczny i brake-by-wire.

– Zaletą układów elektrohydraulicznych jest ich skuteczność. Precyzja działania jest zdecydowanie większa niż w przypadku standardowego układu hydraulicznego. Wadą elektrohydrauliki może być natomiast podatność na złe warunki atmosferyczne: wilgoć, woda, nadmierne nasłonecznienie czy wysokie temperatury mogą skutkować zwarciem lub przegrzaniem się układu – tłumaczy Damian Tybuszewski, product manager MaXgear w firmie Auto Partner.  I dodaje, że na rynku widoczny jest trend coraz częstszego stosowania i stałego ulepszania silniczków elektrycznych, tzw. elektronicznych wspomagaczy układu hamulcowego. Niewykluczone, że w przyszłości osiągniemy pełną elektryfikację układu hamulcowego.

Dla odmiany, układ brake-by-wire oparty jest na współdziałaniu hydrauliki z elektromechanicznym przekaźnikiem bez udziału elementów elastycznych tłoczących płyn hamulcowy. System brake-by-wire, mimo zaawansowania technologicznego, ma jednak jedną zasadniczą wadę: – Wymaga oddzielnego zasilania z akumulatora głównego. Stąd też stosowany jest obecnie tylko na osi tylnej pojazdów – wyjaśnia Damian Tybuszewski. Klasyczny system elektrohydrauliczny stosowany jest na osi przedniej – zawsze bardziej obciążonej w procesie hamowania pojazdu. W przypadku awarii układu brake-by-wire, samochód – w zależności od marki i modelu – hamuje dzięki układowi hydraulicznemu lub elektrohydraulicznemu.

Jak wyjaśnia Koordynator Techniczny w Grupie PSA, pod względem technologii materiałowych układy hamulcowe zbliżyły się już do takiego poziomu, którego jedynym ograniczeniem jest przyczepność. I właśnie owa „przyczepność” stanowi jedno z najpoważniejszych wyzwań dla konstruktorów. Podstawowe pytanie brzmi: jak precyzyjnie określić współczynnik przyczepności pomiędzy oponą a podłożem dla konkretnego procesu hamowania. – Systemy hamulcowe współczesnej generacji „próbują” sprostać temu zadaniu, wyznaczając współczynniki przyczepności dla poszczególnych kół na bazie danych z przebiegu poprzednich hamowań – tłumaczy przedstawiciel Grupy PSA. I dodaje, że obecne algorytmy nie są jeszcze doskonałe i nie pozwalają na optymalizację przyczepności. Dlatego wciąż w tego typu systemach, np. stosowanych w modelach Grupy PSA Grip Control, ważną rolę do odegrania mają kierowcy. W tym rozwiązaniu użytkownik wybiera na panelu typ podłoża, po którym porusza się pojazd (sucho, mokro, piasek, śnieg), co pozwala systemowi na „przesunięcie” charakterystyk współczynnika przyczepności dla jazdy (hamowania) po określonej nawierzchni.

Ponieważ w takim rozwiązaniu najsłabszym ogniwem jest człowiek, przyszłość będzie należeć do jeszcze bardziej zaawansowanych układów hamulcowych, które pozwolą wyeliminować kluczową rolę kierowcy w procesie hamowania. W przypadku wspomnianego wyżej systemu Grip Control jego kolejna wersja oparta jest na inteligentnej kamerze wielofunkcyjnej, która analizuje stan powierzchni, po której toczą się koła pojazdu. Kamera, a przede wszystkim zawarte w oprogramowaniu algorytmy, potrafią z wyprzedzeniem rozpoznać typ, nierówność nawierzchni oraz zmianę jej stanu, jak na przykład kałuże. Nie trzeba wyjaśniać, jak ważne są to informacje dla współczesnego systemu hamulcowego.

Michał Stępak, category manager maintenance w Delphi Technologies Aftermarket, zwraca ponadto uwagę na zmiany, jakie czekają nas w przypadku hamulców postojowych. – W większości pojazdów będzie stosowany elektryczny hamulec postojowy, który może być wyposażony w dodatkowe funkcje. Tradycyjne rozwiązanie oparte na dźwigni i lince hamulcowej pozostanie w segmencie niższej klasy samochodów.

– Prace nad tego typu rozwiązaniem trwają już od ponad 20 lat, co pokazuje, jak skomplikowaną operacją jest wykorzystanie elektryki w układzie hamulcowym – dodaje Rafał Lanczyk, kierownik Działu Handlu Krajowego w Przedsiębiorstwie WP Przewody Hamulcowe. – Pamiętajmy, że jest to jeden z najważniejszych układów w samochodzie, który bezpośrednio odpowiada za nasze bezpieczeństwo na drodze i nie można tutaj pozwolić sobie na błędy.

 W stronę aut elektrycznych

Rewolucja związana z elektromobilnością znajdzie też swoje przełożenie na rozwój układów hamulcowych. Jednak, jak zauważa Mateusz Bednarski, hamulce samochodów elektrycznych czy hybrydowych w porównaniu z hamulcami aut konwencjonalnych konstrukcyjnie są tożsame. Jedyną różnicą może być ich rozmiar wynikający z większej masy pojazdów elektrycznych i hybrydowych typu plug-in („zwykła” hybryda ma mniejsze akumulatory i różnica masy względem pojazdu z napędem konwencjonalnym nie jest specjalnie zauważalna).

Również Rafał Lanczyk nie widzi większych zmian w obszarze przewodów hamulcowych w związku z upowszechnianiem samochodów z napędem elektrycznym. – W przypadku metalowych przewodów hamulcowych takie różnice nie występują. W dalszym ciągu wykorzystywany jest układ hydrauliczny lub elektrohydrauliczny, czyli układ, gdzie płyn hamulcowy w metalowych przewodach przenosi energię ciśnienia hydraulicznego między pompą a hamulcami kół pojazdu.

Zmiany, które mogą zrewolucjonizować układy hamulcowe w pojazdach EV, dotyczą systemów odzyskiwania energii, gdyż w pojazdach z napędem elektrycznym lepiej wykorzystywana jest energia wytwarzana w procesie hamowania. Nie dochodzi do strat energii, jak w przypadku napędu konwencjonalnego, ale jest ona używana wtórnie przez pojazd.

W konwencjonalnym, hydraulicznym układzie hamulcowym system wykorzystuje tarcie między klockiem hamulcowym a tarczą lub bębnem i szczękami, aby przekształcić energię kinetyczną w ciepło, które zostaje rozproszone w atmosferze. – W przypadku samochodów elektrycznych i hybrydowych jest inaczej. Energia pochodząca z hamowania jest znacznie lepiej wykorzystywana. Zamiast rozpraszać ciepło, pojazd zamienia je w energię elektryczną, która przechowywana jest w akumulatorach. Magazynowana energia pomaga nie tylko spowolnić samochód, ale także zasila silnik elektryczny na potrzeby dalszej jazdy, co zwiększa jego wydajność – tłumaczy Michał Stępak.

I choć w większości przypadków silnik elektryczny lub generator zapewnia wystarczającą siłę hamowania, to jednak gdy podróżujemy np. z dużymi lub bardzo niskimi prędkościami, samochód jest nieruchomy lub akumulator jest w pełni naładowany, zbyt gorący lub zbyt zimny, silnik elektryczny sam w sobie nie jest w stanie zapewnić wystarczającego momentu hamującego. – Wtedy będzie potrzebował wsparcia hydraulicznego układu hamulcowego. W jakim stopniu? To w dużej mierze zależy od pojazdu – dodaje Michał Stępak.

Według Damiana Tybuszewskiego wraz z rozwojem elektromobilności będą podejmowane próby zintegrowania układów napędowych z hamulcowym przy zastosowaniu impulsów elektrycznych. Elementy hydrauliki będą wypierane przez sterowniki i przekaźniki elektryczne i moduły elektroniczne. Być może w przyszłości zaciski i tłoczki w konwencjonalnym układzie hamulcowym zastąpią elementy śrubowe, sterujące klockami hamulcowymi właśnie za pomocą impulsów elektrycznych. Badania nad takimi rozwiązaniami prowadzą najwięksi producenci układów hamulcowych na świecie.
Rozwojowy odzysk energii
Ograniczanie strat energii w postaci ciepła we współczesnych układach hamulcowych jest bardzo perspektywicznym obszarem. Nadzieja na lepsze wykorzystanie energii pojawiła się wraz z nadejściem ery pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Jak wiadomo bowiem, maszyna elektryczna może być maszyną odwracalną i pracować w funkcji silnika oraz prądnicy.

– Podstawowy problem polega na tym, że na odzysk energii mamy stosunkowo niedużo czasu w porównaniu z czasem wykorzystywanym do rozpędzenia pojazdu – tłumaczy Koordynator techniczny w Grupie PSA. – Kluczowym zagadnieniem staje się więc optymalne wykorzystanie przyczepności oraz bezstratne przekształcenie energii mechanicznej w elektryczną do postaci, która może być zmagazynowana w akumulatorze.

Koordynator techniczny w Grupie PSA wyjaśnia, że w pojazdach elektrycznych napędzanych synchronicznymi silnikami trójfazowymi odzysk energii podczas zwalniania prowadzony jest zwykle tylko z jednego uzwojenia. Prąd odzyskany z uzwojenia jest prostowany i magazynowany w akumulatorze trakcyjnym. Warto zaznaczyć, że odzysk prądu z jednego tylko uzwojenia może doprowadzić do poślizgu kół napędzanych przy niskich wartościach przyczepności. Tym bardziej odzysk prądu z trzech uzwojeń jest technicznie nieuzasadniony. Odzysk niskich wartości prądów (bez ryzyka poślizgu kół) z trzech uzwojeń spowodowałby głównie straty na tranzystorach przełączających IGBT, tak że zamiast odzyskać i magazynować energię, rozproszylibyśmy ją w postaci ciepła.

Co istotne, współczesny sterownik (falownik) silnika elektrycznego jest w stanie wygenerować szybki i silny moment hamujący. W tej fazie jednak silnik elektryczny pobiera niewielki prąd z akumulatora trakcyjnego, a więc odzysk energii tu nie zachodzi. – Najistotniejsze jest to, że obie wyżej wymienione fazy: odzysk energii i hamowanie mogą być sterowane równocześnie, tak że pojazd elektryczny będzie generował szybko dostępny i znaczny moment hamujący przy jednoczesnym odzysku energii. Ten kierunek rozwoju układów hamulcowych w pojazdach z silnikami elektrycznymi zapewne będzie ewoluował wraz z rozwojem samych pojazdów hybrydowych i elektrycznych.
I choć w dającej się przewidzieć przyszłości większy nacisk zostanie położony na systemy odzyskiwania energii, to jednak hamulce cierne nie zostaną w pełni wyeliminowane, ponieważ stanowią krytyczny aspekt bezpieczeństwa samochodu. – Z tego względu uważamy, że obie technologie będą współistnieć w układach hamulcowych pojazdów – dodaje na zakończenie Michał Stępak.