Jak działają hamulce w samochodach – historia, ciekawostki, problemy, tuning

0
241

Kiedy inżynieria motoryzacyjna zaczęła nabierać rozpędu pod koniec XIX wieku, początkowo nie brano pod uwagę hamulców. Był ku temu dobry powód – po prostu nie były potrzebne.

Zdjęcie patentu Fredericka W. Lanchestera

W końcu tarcie w układzie napędowym pierwszych samochodów było tak duże, że pojazdy były w stanie samodzielnie hamować bez użycia hamulców. Jednak szybkość rozwoju branży nabierała tempa tak szybko, jak prędkość samych samochodów. Moc silnika i masa pojazdu stale rosły. Zaledwie cztery lata po zaprezentowaniu samochodu Carla Benza, brytyjski inżynier Frederick W. Lanchester wynalazł hamulec tarczowy, na który uzyskał patent już w 1902 r. Jednak dopiero po kilku dekadach hamulec tarczowy został uznany i na stałe wykorzystany. Do tego czasu hamulce zmieniały się dość znacznie.

Jak działają hamulce

Podstawowa koncepcja działania hamulców w każdym pojeździe jest prosta. Potrzebujemy zatrzymać coś poruszającego się z określoną prędkością. Hamulce zamieniają energię kinetyczną kół na ciepło dzięki tarciu. Gdy chcemy zwolnić, energia jest stopniowo wytracana aż się zatrzymamy.  Ta koncepcja wykorzystywana jest od zawsze w motoryzacji. Przez dekady zmienił się jedynie sposób, w jaki tarcie jest wykorzystywane po wciśnięciu pedału hamulca.


Gottlieb Daimler w pojeździe Motor Carriage prowadzonym przez jego syna Adolfa
Gottlieb Daimler w pojeździe Motor Carriage prowadzonym przez jego syna Adolfa

Hamulce gdy nie było opon

Schemat działania mechanicznych hamulców 4 kół w Rolls-Royce

Najwcześniejszy układ hamulcowy składał się z prostej dźwigni, która przesuwała kawałek drewnianego bloku blokując metalowe koło. Kierowca miał przy sobie specjalną wajchę, po pociągnięciu której drewniany element blokował koło. Ta metoda była skuteczna w przypadku felg stalowych, które były stosowane w pojazdach ciągniętych przez konie i napędzanych parą. Hamulec ten mógł zatrzymać pojazd, który poruszał się z prędkością nie większą jak 15 do 30 kilometrów na godzinę i to w niewielkim ruchu. Ale kiedy bracia Michelin wprowadzili gumowe opony pod koniec lat 90. XIX wieku, koła z felgami stalowymi stały się przestarzałe, podobnie jak drewniane klocki hamulcowe. Stały się bezużyteczne z bardzo prostego powodu – drewniane klocki zdzierały opony z felg.

Kolejnym pomysłem było przymocowanie na stałe do koła dodatkowego elementu i następnie próba zwolnienia bezpośrednio jego aby nie uszkodzić gumowych opon. Uważany za fundament nowoczesnego układu hamulcowego, mechaniczny hamulec bębnowy został opracowany w 1902 r. przez francuskiego producenta Louis Renault, pioniera w branży motoryzacyjnej. Jednak pierwszym lub jednym z pierwszych, którzy sądzili, że owinięty kablem bęben zakotwiczony w podwoziu pojazdu może być wykorzystany do zatrzymania jadącego auta, był Gottlieb Daimler. Pierwszą koncepcję hamulca bębnowego stworzył w 1899 roku. W 1901 r. Wilhelm Maybach zaprojektował pierwszego Mercedesa z prostym mechanicznym hamulcem bębnowym, w którym stalowe linki owinęły się wokół bębnów tylnych kół i są obsługiwane za pomocą dźwigni ręcznej. Ale to Louis Renault został uznany za wynalazcę hamulca bębnowego, który stał się standardem w samochodach.

Louis Renault
Louis Renault

Hamulec bębnowy na ratunek oponom

Jak działają hamulce bębnowe? Bęben zamocowany jest do koła. W jego środku znajdują się dwie termiczne okładziny. Gdy naciskasz hamulec, obie okładziny są zaciskane i dociskane do bębna. Okładziny zwalniają bęben, który zatrzymuje koła. Pierwsze auta wykorzystujące ten system korzystały ze złożonego układ linek i cięgien, by przenieść siłę wciskanego pedała hamulca do bębna. W dużym uproszczeniu, pod pedałem hamulca znajdowała się rolka, podobnie jak przy bębnie. Wciskając hamulec, linka napinała się o dwie rolki ciągnąć za sobą dźwignię okładzin bębna. W bębnie znajdowała się specjalna taśma, która rozszerzała się, dzięki czemu okładziny były dociskane do bębna. Siła hamowania zależała od siły, z jaką wciska się pedał hamulca. Jednak hamulce bębnowe wykorzystujące linki miały poważną wadę. Czasami, gdy kierowcy wjeżdżali na wzniesienie, hamulce odwijały się i auto zaczynało się staczać tracąc możliwość zatrzymania. Kolejnym problemem był kurz i woda, która sprawiły, że ten element musiał być bardzo często serwisowany i musiał być precyzyjnie ustawiony. Jeżeli dźwignie lub rolki były źle ustawione, a linki były nierówno napięte, każde koło hamowało z inną siłą. To było dość niebezpieczne.

Od hydraulików, przez hamulce aż do największej firmy zbrojeniowej

Malcolm Loughead (z prawej) z bratem

W 1918 r. (który później zmienił nazwisko na Lockheed w 1926 r., firmę możecie znać jako konsorcjum Lockeed-Martin jednego z liderów przemysłu obronnego i lotniczego na świecie) Zaproponował koncepcję układu hamulcowego na cztery koła wykorzystującego hydraulikę. Korzystając z cylindrów i rurek, firma hydrauliczna Lockheed użyła płynów do przeniesienia siły na szczękę hamulcową po naciśnięciu pedału. Co istotne, przewody hamulców hydraulicznych bardzo rzadko się zrywają. Nie wymagają też tak częstego serwisu jak w przypadku systemu mechanicznego. Precyzja hamowania jest większa i by zahamować nie trzeba tak mocno naciskać na hamulec.

Duesenberg z 1921 roku

Hydrauliczny układ hamulcowy został po raz pierwszy zamontowany na wszystkich czterech kołach samochodu Modelu Duesenberg w 1921 roku. Auto miało jednak problemy z licznymi wyciekami. Inżynierowie z Maxwell Motor Corporation stworzyli specjalnie gumowe uszczelnienia zbiornika, dzięki czemu przecieki zniknęły. W 1923 r. Ulepszone hamulce Lougheed były oferowane jako opcjonalne ulepszenie w samochodzie Maxwell-Chalmers za 75 USD. Ta nowa konstrukcja hamulców była również stosowana w samochodach Chrysler od 1924 do 1962 roku.

Inni producenci samochodów podążali za Chryslerem od 1924 roku. Kolejne modele samochodów, które zostały wyposażone w ulepszone, czterokołowe hamulce hydrauliczne, to amerykański model Chrysler Six Phaeton B-70 i brytyjski Triumph 13/35. Następnie do 1931 r. Amerykańscy producenci, tacy jak Dodge, Chryslera, Plymouth, produkowali swoje samochody z hamulcami hydraulicznymi.

Ale Ford i General Motors nadal stosowali hamulce mechaniczne. W połowie lat 30. GM nawiązał współpracę z firmą Bendix produkującą hamulce hydrauliczne. Gdy coraz więcej producentów samochodów decydowało się na układ hydrauliczny, Bendix zdecydował się kupić firmę hydrauliczną Lockheed i przejąć patent tego wynalazku. Ford był ostatnim producentem, który używał jeszcze układu mechanicznego. Było tak aż do 1938 roku

Wady hamulców bębnowych

Hamulce bębnowe były całkiem niezłe i wykorzystywano je niemal we wszystkich produkowanych samochodach przez kolejnych 30 lat. Jednak miały jedną dużą wadę – przy częstym używaniu bardzo się nagrzewały. Wraz ze wzrostem temperatury bębna, spadała siła hamowania, bo energia kinetyczna nie może być już bardziej przetworzona na ciepło. Hamulce zaczęły zawodzić w momencie, gdy potrzebowano ich najbardziej – w sytuacjach awaryjnych.

Jak więc stworzyć lepsze hamulce? Opracować lepsze okładziny oferujące większe tarcie oraz wprowadzić system, który efektywnie odprowadza ciepło z tarcia. Okładziny musiałby być odpowiednio mocne by zatrzymać koło, ale wystarczająco miękkie by nie uszkodzić przy tym bębna. Kolejnym sposobem na zwiększenie tarcia było zastosowanie większego nacisku. Bębny do tej pory działały poprzez rozpychanie okładzin. Inżynierowie wpadli na pomysł, że nacisk elementów na siebie będzie większy, gdy się je ściśnie. Kolejnym pomysłem było zwiększenie powierzchni styku do wytworzenia tarcia. Ostatecznie najlepszą metodą na polepszenie hamulców było pozbycie się bębna, zwiększenie powierzchni styku oraz zmiana metody hamowania na ściskanie. Dlatego zamiast bębnów inżynierowie użyli tarcz.

Elmer Ambrose Sperry
Elmer Ambrose Sperry

Hamulec tarczowy został wynaleziony znacznie wcześniej niż stał się popularny. W 1898 roku Elmer Ambrose Sperry zaprojektował samochód elektryczny z tarczowymi hamulcami przednich kół zbudowanymi przez Cleveland Machine Screw Co. Hamulce tarczowe działają jak hamulce rowerowe, w których zacisk z klockami hamulcowymi ściska tarczę lub wirnik. Jednak to William Lanchester, angielski inżynier, opatentował ten pomysł w 1902 roku. Największym minusem jego wynalazku był jednak okropny hałas, jaki wytwarzał, spowodowany miedzianymi okładzinami hamulcowymi poruszającymi się o metalową tarczę. Po pięciu latach inny Brytyjczyk o nazwisku Herbert Frood rozwiązał problem hałasu, wyściełające okładziny trwałym azbestem, który był stosowany w hamulcach samochodowych do lat 80.

Zalety hamulców tarczowych

Tarcze znacznie lepiej odprowadzają ciepło z prostego powodu – nie są wewnątrz bębna i dodatkowo chłodzi je przepływające powietrze. Im większe tarcze i zaciski, tym więcej tarcia są w stanie wygenerować i tym lepiej odprowadzają ciepło. Jak w wielu przypadkach zmian w motoryzacji, pierwsze hamulce tarczowe zaczęto używać w wyścigach. Zadebiutowały w Formule 1 już w 1951 roku. W 1955 roku Citroen jako pierwszy producent samochodów wprowadził hamulce tarczowe do swoich aut. Hamulce tarczowe były droższe w produkcji ale samochody stawały się coraz szybsze, było ich coraz więcej, dlatego stało się to koniecznością.

Nie oznacza to, że hamulce bębnowe są niebezpieczne i nikt ich już nie używa. Cały czas korzystamy w motoryzacji z hamulców bębnowych. Kiedy auto hamuje, jego środek ciężkości przesuwa się do przodu dociążając koła. Oznacza to, że przednie hamulce wykonują średnio około 70% więcej pracy niż tylne, które nie są tak obciążanie. A że bębny są tańsze w produkcji i serwisowaniu, nadal stosuje się je w wielu pojazdach, głównie lekkich i z tyłu.

Tuning współczesnych hamulców

Jak sprawić, by hamulce tarczowe były efektywniejsze? Większość sposobów tuningu polega przede wszystkim na lepszym odprowadzaniu temperatury. Niektóre tarcze mają specjalną przestrzeń w środku, by powietrze mogło przez nią przepływać odbierając ciepło. Spotkamy także specjalne nacięcia pozwalające na wyrywanie rozgrzanego powietrza. Dostępne są także specjalnie nawiercane tarcze.

A klocki hamulcowe? Większość wykonana jest z materiałów półmetalicznych, czyli tworzywa zmieszane z różną ilością opiłków metalu dla zwiększenia tarcia. Zależy to jednak głównie od regionu. Np. w Japonii wykorzystuję się klocki z materiałów organicznych bez stali i elementów ciernych. Są ciche i trwałe, ale nie nadają się do aut osiągających duże prędkości lub o dużej masie.

Tarcze w autach wyścigowych nagrzewają się do ponad 500 stopni Celsjusza, dlatego klocki hamulcowe wytwarzane są ze spiekanej stali bez żadnych dodatków tworzyw. Dzięki temu działają lepiej w wysokiej temperaturze. Gdyby takie same klocki użyć w aucie do codziennej jazdy, w trakcie hamowania po prostu głośno by piszczały.

Jeżeli Twoje hamulce zaczynają piszczeć, zazwyczaj oznacza to, że klocki hamulcowe praktycznie już nie istnieją. Dla bezpieczeństwa producenci umieszczają w nich specjalny znacznik, który odpowiada właśnie za wydawanie tych dźwięków. W każdym przypadku niepokojące odgłosy dochodzące przy hamowaniu nie są dobrą oznaką. Jeżeli klocki hamulcowe nie są zużyte, hamulce mogą być źle ustawione, lub dostało się do nie jakieś ciało obce np. kamień.

0 0 vote
Article Rating
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments