Fani wyścigów na 400 m wciąż myślą o podnoszeniu mocy w swoich bolidach. Jednak po przejechaniu 1/4 mili trzeba się zatrzymać.

Zaczynamy od hamulców bo dobre hamowanie to... szybsza jazda! Niezwykle łatwo jest wykorzystać dynamikę samochodu podczas rozpędzania. Tutaj nie ma cudów. Im mocniejszy silnik, tym lepsze przyspieszenie. Natomiast przy hamowaniu "byle" Seicento może być lepsze od Lexusa. I to nie dlatego, że ma lepsze hamulce, ale dlatego, że kierowca umie je dobrze wykorzystać. Tutaj leżą duże rezerwy. Zauważcie, że przeważnie ludzie zaczynają hamować jakieś 500 metrów przed światłami. Jadą tak, jadą... szlifując tylko tarcze, a my za nimi odpuszczamy tylko gaz i tak samo zwalniamy. Na ulicy nie musimy oczywiście hamować jak na wyścigu, szczególnie gdy na zderzaku siedzi nam cysterna Orlenu. Patrząc jednak na własny styl jazdy możemy zobaczyć, że przeważnie zostaje nam sporo zapasu. Widać więc, że manewr hamowania jest bardzo trudny, a jednocześnie jak łatwo jest poprawić swój wynik w jeździe sportowej maksymalnie wykorzystując hamulce.

Co to jest hamowanie?
Odpowiedź jest niby prosta: jest to zmiana prędkości samochodu. O wiele bardziej pomocne jest jest jednak opisanie procesu hamowania w inny sposób. Potrzebna do tego będzie jedynie mała powtórka z siódmej klasy podstawówki. Jadący samochód, czyli używając języka fizyki, ciało w ruchu posiada energię kinetyczną (Ek=1/2 masy*prędkość do kwadratu). Naciskając pedał hamulca wytwarzamy energię tarcia pomiędzy tarczą a klockami. Dzięki niej samochód zwalnia i zmniejsza się jednocześnie jego energia kinetyczna. Zgodnie z prawami fizyki (zasada zachowania energii) energia kinetyczna zamienia się w naszym przypadku w energię cieplną. Dlatego hamulce się rozgrzewają. Na szczęście energia cieplna wytwarzana w czasie hamowania jest przekazywana do otoczenia i hamulce stygną. Zobrazowanie hamowania jako zamiany jednej formy energii w drugą, jest kluczem do zrozumienia całego zagadnienia. W czasie hamowania wydzielają się potężne ilości ciepła, których niestety nie można zobaczyć. Po charakterystycznym zapachu rozgrzanych klocków można jedynie podejrzewać, że hamulcom jest naprawdę ciepło. Żeby nie było, że konfabulujemy (???), znowu przenieśmy się na chwilę do podstawówki. Wyobraźmy sobie, że wytworzonym podczas hamowania ciepłem, podgrzewamy wodę. Załóżmy, że hamujemy samochodem osobowym o masie 1000 kg z rzadko przez nas używanej prędkości 50 km/h do zera. Właśnie przyszykowaliśmy sobie herbatę, bo udało się ugotować około 0,3 litra wody. Jeżeli mamy więcej gości to rozpędzamy samochód do 100 km/h. Energia wytworzona przy hamowaniu z tej prędkości pozwoli nam zagotować już trochę ponad litr wody (nie dolewając do pełna mamy pięć herbat). Dużo ciekawiej wygląda to przy hamowaniu wspomnianej już cysterny. Zakładając, że waży ona 32 tony z jednego hamowania z 50 km/h do 0 otrzymamy ponad 9 litrów wrzątku!

Materiały
Dla ułatwienia w dalszej części będziemy pisali tylko o tarczach, pomijając bębny. Z dotychczasowego opisu zjawiska hamowania wynika, że tarcze muszą być wykonane z materiału zdolnego do pracy w bardzo wysokiej temperaturze (można założyć, że jest to 700-900 st. C). Dodatkowo tarcza musi być wystarczająco odporna na ścieranie tak, by nie trzeba jej było zbyt często wymieniać. Dorzućmy jeszcze ciężkie warunki pracy, np. rozgrzewanie i raptowne chłodzenie, dużą sztywność zapobiegającą odkształceniom itd. Wymagania materiałowe są więc bardzo duże. W praktyce okazało się, że jedynym materiałem zdolnym sprostać tak ciężkim warunkom jest żeliwo szare (żeliwo to żelazo z dużą domieszką węgla odpowiedzialnego za odporność termiczną, oraz innymi dodatkami zwiększającymi twardość, odporność na ścieranie, etc.). Ponadto żeliwo jest materiałem stosunkowo łatwym w obróbce, a przez to tanim. Inne materiały odporne na wysokie temperatury jak np. stal, nie nadają się do produkcji tarcz, ponieważ nie spełniają wszystkich wymagań konstrukcyjnych lub użytkowych. W przypadku stali jest to zbyt mała odporność na odkształcanie się pod wpływem temperatury, a do tego jeszcze trudność w obróbce. W samochodach super sportowych można spotkać tarcze hamulcowe wykonane z kompozytów (czyli zgrzewane i prasowane). Jest to jednak inna bajka bo przy ich produkcji nie trzeba bardzo ograniczać kosztów i szukać tanich materiałów. Ale poczekajmy cierpliwie, za jakiś czas może i one trafią do aut tańszych.

Produkcja
Z pozoru proces wykonania tarcz nie jest zbyt skomplikowany, są tam jednak zaprzęgnięte bardzo nowoczesne technologie, szczególnie jeśli chodzi o samą obróbkę. Nie wszyscy o tym wiedzą, że tarcze hamulcowe tak naprawdę są odlewane tylko w kilku odlewniach na całym świecie. Dlatego czasem trudno jest odpowiedzieć na pytanie: "jakiej ona jest produkcji?" bo może się okazać, że tarcze sygnowane przez różnych producentów, np. Brembo czy ATM są wykonane z identycznego materiału pochodzącego z tej samej odlewni! Różnice występują jedynie w ich obróbce, no i oczywiście zapakowane są w inne pudełka.

Gotowe odlewy trafiają do producenta, który wykonuje ich obróbkę mechaniczną. Precyzja wykonania jest ogromna, np. wymagana równoległość powierzchni tarczy mieści się w tysięcznych milimetra! Po zakończeniu obróbki tarcze są sprawdzane czy "trzymają" wszystkie parametry. Według normy DIN robi się to z co dziesiątą tarczą. Czasami jednak producenci stosują ostrzejsze normy jakościowe. W fabryce ATM, którą mieliśmy przyjemność zwiedzać badana jest każda wyprodukowana tarcza! Widać więc, że ten "kawał żelastwa" jest dość skomplikowanym produktem, ale w końcu pełni bardzo odpowiedzialną funkcję w naszych samochodach.

Tarcza i bęben
Tylko dla porządku piszemy, że ze względu na konstrukcję, hamulce dzielimy na tarczowe i bębnowe. Dominujący układ to tarcze na przedniej osi i bębny z tyłu.

Hamulec tarczowy, w porównaniu z bębnowym o takiej samej średnicy, dostarcza podobnej siły hamowania. Bęben rozgrzewa się w czasie pracy wolniej niż tarcza. Ale potem wolniej się chłodzi. Tarcza, mimo, że w porównaniu z bębnem może "zmagazynować" mniejszą ilość ciepła, to jest w stanie o wiele szybciej oddać ciepło do otoczenia. Łatwiej jest więc zachować stabilne warunki pracy tarczy. Hamulec bębnowy jest stosowany na tylnej osi z kilku powodów. Jego konstrukcja jest prosta i tania. Ponieważ większość roboty (około 70%) "odwala" tarcza, to z tyłu można zastosować w zupełności wystarczające jeśli chodzi o siłę hamowania, ale tańsze bębny (co liczy się bardzo w produkcji wielkoseryjnej). Hamulec bębnowy jest również szczelny. Dzięki temu zachowuje skuteczność po przejechaniu przez wodę i nie "przeszkadzają" mu zanieczyszczenia wzbijane przez przednie koła. Konstrukcja hamulca ręcznego blokującego bębny jest prostsza niż w wypadku hamulca tarczowego, czyli znowu niższe koszty dla producenta samochodu.

Dobra wiadomość dla tuningowców: hamulec tarczowy jest wysoce podatny na modyfikacje. Prosta, kompaktowa budowa powoduje, że przeważnie bez większych problemów można np. w miejsce zwykłych tarcz zamontować wentylowane (są one znacznie grubsze od zwykłych, a więc trzeba też wymienić zaciski) lub założyć tarcze o powiększonej średnicy, co powoduje również konieczność przerobienia mocowania zacisków.

Dlaczego drżą mu nogi?
Napisaliśmy już jak hamowanie wygląda od strony teoretycznej, teraz parę słów jak to się dzieje w rzeczywistości. Jeśli hamulce są niesprawne albo zbyt ostro hamujemy, dochodzi do sytuacji, w której wytwarzają one więcej ciepła niż są w stanie "wypromieniować" do otoczenia. Najpierw rozgrzewają się niemiłosiernie tarcze oraz klocki, co już obniża skuteczność, a podwyższa ryzyko kosztownej wizyty u blacharza. Dalsze "heblowanie" rozgrzewa zaciski hamulcowe. Hamulce są uruchamiane przez układ hydrauliczny, więc znajdujący się w zaciskach płyn odbiera ciepło z zacisków i zaczyna się gotować. Pedał robi się miękki, a kierowca trupio blady. Bardziej już nie da się "skatować" hamulców.

Ze wszystkich wywodów wynika więc, że tuning hamulców to działanie w dwóch kierunkach:
1. większa siła tarcia, przekładająca się w uproszczeniu na krótszą drogę hamowania
2. zdolność do przyjmowania dużych ilości ciepła i szybkiego oddawania ich do otoczenia.

Mówiąc po ludzku: hebel musi dobrze łapać i nie może się zagotować.

Męczyliśmy Was powtórką z podstawówki i dziecinnymi zadaniami z gotowaniem wody nie przez przypadek lub brak pomysłu na artykuł. Chcieliśmy, aby każdy zrozumiał i "zobaczył" co dzieje się podczas hamowania. Jeżeli czujecie już temat, to dużo łatwiej będzie Wam zabrać się do przerabiania układu hamulcowego, a przede wszystkim będziecie wiedzieli dlaczego i po co wymieniacie daną część. Poza tym zawsze lżej będzie rozstać się z kolejną porcją gotówki.

W następnym odcinku nie będzie już teorii, ale zajmiemy się "konkretami". Pomożemy Wam podjąć decyzję czy wydać pieniądze na tarcze wentylowane, frezowane, a może na same klocki?

Serdeczne podziękowania dla inż. Tomasza Mikody za udzielone informacje.
Źródło: Wojciech Jurecki, Tomasz Ważyński "Gotowanie wody", GT nr 4 (52), kwiecień 2003, str. 26-27