Hamulce Net

Do napisania tych wywodów skłoniła mnie żarliwa dyskusja w ramach grupy CITROTECH. No to do roboty !
TARCIE
Współczynnik tarcia, najczęściej oznaczany jako mi to stosunek siły tarcia (F) do siły nacisku (G).
F
--- = mi albo F = mi x G
G
Tak więc współczynnik tarcia nie jest zależny od powierzchni materiałów ciernych, ale od materiałów pracujących powierzchniowo.
WSPÓŁCZYNNIKI, MOMENTY I ... OPONY
Maksymalna siła hamowania jest sumą maksymalnego momentu hamującego i maksymalnego momentu obrotowego przekazywanego na oponę.
Tu właśnie musimy określić nowy parametr – przyczepność opon. Każdy ze swojej praktyki wie, że przekroczenie przyczepności opon kończy się zablokowaniem kół, czyli poślizgiem. Możemy wyprowadzić prostą zależność, że im lepsza przyczepność, tym wyższe wartości może mieć współczynnik tarcia materiału ciernego klocków hamulcowych. Stosując natomiast wyczynowe klocki o współczynniku mi = 0,62, możemy mieć spore kłopoty hamując na śliskiej kostce, czy śniegu. Jedynym wówczas lekarstwem jest dobór właściwych opon, bądź stosowanie klocków o mniejszym współczynniku tarcia.
Jak to w technice hamulcowej często bywa, trzeba pójść na kompromis.
Dla potrzeb sportu opracowuje się coraz lepsze składy mieszanek pozwalające na uzyskiwanie wydajnych hamulców w ciężkich i szybkich „potworach”, jak np. samochody WRC. Ponieważ odcinki specjalne mają po kilkadziesiąt kilometrów, niezliczona liczba hamowań ze znacznych prędkości, wymusza stosowanie najlepszych rozwiązań. Na szczęście producenci opon również starają się nadążać za rozwojem techniki i dostarczają produkty znacznie przewyższające swoimi parametrami to, co mamy w naszych „normalnych” samochodach.
Stojąc na starcie odcinka specjalnego musimy mieć takie klocki hamulcowe, które będą działały do mety. Swego rodzaju nadmiar hamulca na mokrym początku trasy, będzie zrekompensowany bezproblemową skutecznością pod jej koniec. Nawiasem mówiąc podobnie ma się sprawa z doborem opon.
Maksymalny moment obrotowy przekazywany na oponę jest wprost proporcjonalny do przyczepności i zależy od średnicy koła.
Maksymalny moment hamujący jest związany ze współczynnikiem tarcia, ale również z odległością pomiędzy zaciskiem hamulcowym a osią obrotu koła.

Z tego powodu, wspomniane już wcześniej „potwory” mają olbrzymie tarcze hamulcowe, których średnica wynosi tyle, ile np. całe koło od seicento (13”).
Te olbrzymie tarcze hamulcowe mają jeszcze spełniać dodatkową rolę. Jeśli przyjmiemy, że 80-90% ciepła emitowanego podczas hamowania, pochłaniają właśnie tarcze, to im będą one większe, tym mniej ciepła będzie oddziaływać na resztę układu hamulcowego. A temperatury są tam dość spore, bowiem dochodzą do 1000°C.
Dla poprawy współpracy klocków hamulcowych z tarczami, te sportowe są ukośnie rowkowane. Pozwala to na szybkie i skuteczne usuwanie produktów gazowych powstających w wyniku rozgrzania materiału ciernego klocków (reszty fenolowe), jak również na usuwanie zanieczyszczeń pochodzących zarówno z zużywających się okładzin (pyły metaliczne, spoiwa, smary stałe), jak i tego, co znajduje się na drodze (błoto, woda).

Oprócz współczynników, momentów, długości ramienia siły, ważną stroną sportowych układów hamulcowych jest działająca siła nacisku klocków na tarcze hamulcowe. Próbowano stosować po dwa 2-tłoczkowe zaciski na koło, gdzie komplet klocków stanowiło 8 sztuk. Takie rozwiązania były w Rolls-Royce’ach, Audi V8, wielu wyścigowych samochodach torowych. Dziś jednak dominują wielotłoczkowe duraluminiowe zaciski, najczęściej Brembo. W samochodach produkcyjnych, a więc podobnych do tego, co można kupić w salonach, są to systemy 4-tłoczkowe. Co ciekawe, nastąpiła tu pewna unifikacja części. Bowiem klocki pokazane na rysunku są stosowane w: Mitsubishi Lancer Evo V, VI, VII,VIII, IX i X, Subaru Impreza STI, Alfa Romeo 166, Alfa Romeo GTA, GTV, Lancia Kappa V6, Ferrari F40, Volvo S60 R. Samochody WRC mają z przodu 8-tłoczkowe zaciski i tarcze nawet o średnicy 370 mm.

Tak wielkie i sprawne hamulce nie mają ani układów ABS, ani... wspomagania. Dzieje się tak, gdyż żaden ABS, czy wspomaganie nie zastąpi „czucia” doświadczonego kierowcy rajdowego.
MATERIAŁY CIERNE
Oczywiście są tajemnicą producentów. Składniki te same, albo podobne, a jednak produkt finalny bywa diametralnie inny.
Wszystkie 20-30 składników można pogrupować następująco:
1/ składniki metaliczne (proszek miedziany, proszek stalowy, wełna stalowa)
2/ wypełniacze (żywice, kauczuk)
3/ spoiwa (mika, baryt, tlenki żelaza, glinu)
4/ smary stałe (węgiel sproszkowany, grafit, dwusiarczek molibdenu)

Zapraszam do lektury opracowania autorstwa Kuby Podbilskiego.

KILKA SŁÓW O HAMOWANIU

Niemożliwe jest w czasie jazdy natychmiastowe zatrzymanie pojazdu. Droga hamowania liczona od momentu zauważenia przeszkody do zatrzymania pojazdu składa się z kilku odcinków:

DROGA CAŁKOWITEGO ZATRZYMANIA POJAZDU SKŁADA SIĘ Z:

- drogi przebytej w czasie reakcji kierującego pojazdem, od momentu zauważenia przez niego przeszkody, do chwili podjęcia decyzji o hamowaniu i do chwili uruchomienia hamulców, - drogi przebytej w czasie uruchomienia i zadziałania hamulców, to jest od momentu uruchomienia hamulców do chwili rozpoczęcia hamowania za pomocą tego układu, - drogi przebytej przez pojazd w czasie działania hamulców do momentu zatrzymania pojazdu.

CAŁKOWITA DROGA HAMOWANIA POJAZDU ZALEŻY:

- od rodzaju nawierzchni (asfalt, kostka kamienna itp.), - od stanu nawierzchni (sucha, mokra, ośnieżona, gołoledź, posypana piaskiem, grysem), - od prędkości, - od stanu technicznego pojazdu (stan ogumienia, sprawności układu hamulcowego), - od stanu psychofizycznego kierującego pojazdem (zmęczenie, zażycie leków osłabiających zdolności psychomotoryczne), m.in. także od doświadczenia kierującego

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA CZAS REAKCJI:

- widoczność (warunki atmosferyczne, czystość szyb), ew. stopień spożycia środków odurzających, stan emocjonalny osoby kierującej pojazdem, stopień zmęczenia fizycznego i psychicznego kierującego, wiek, ew. wady wzroku, natężenie ruchu,
- droga hamowania a czas reakcji:
Od czasu reakcji zależy bardzo dużo. Bardzo często jest tak, że chwila zawahania (od momentu zauważenia czegoś, do reakcji adekwatnej do sytuacji) rzutuje na to, czy reakcja będzie wykonana na czas. Przy dużych prędkościach, rzędu 100 km/h, w czasie jednej sekundy! przebywa się drogę ok. 27 m. Także nawet jedna sekunda może decydować o tym, czy przeżyjemy ew. wypadek, czy uda nam się wystarczająco szybko zareagować.
- droga hamowania a prędkość:
Jasne jest, że im większa prędkość, tym dłuższa będzie droga hamowania. Tak więc na przykładzie roweru: 5 km/h – 0.16m, zaś przy 10 km/h jest to już cztery razy więcej – 0.64m . Oczywiście przy wyższych prędkościach te różnice będą o wiele wyższe: 15 km/h – 1.45m , zaś 30 km/h to już 5.80m.
- droga hamowania a stan nawierzchni drogi:
1. Jeśli nawierzchnia jest sucha, to samo hamowanie wydaje się być proste. Nie istnieje duże niebezpieczeństwo poślizgu (takie jak na śliskiej nawierzchni), więc znaczenie systemu ABS będzie mniejsze. Tu na pewno bardzo będzie się liczyła głębokość bieżnika.
2. Jeżeli nawierzchnia drogi jest śliska, to droga hamowania będzie zależała od dwóch czynników. Od sposobu hamowania (na zblokowanych kołach będzie ona dłuższa, zaś przy użyciu systemu antypoślizgowego ABS droga ta będzie krótsza), oraz od stanu ogumienia naszego pojazdu (im więcej będzie bieżnika i w im lepszym będzie on stanie, tym droga hamowania będzie krótsza).

JAK HAMOWAĆ? ABS, ASR, ESP.

Trudno się dziwić, że konstruktorzy, którzy korzystają z dobrodziejstw mikroelektroniki wykorzystują ją do podniesienia bezpieczeństwa czynnego w samochodach. Układy pomiarowe i analizujące robią to szybciej niż kierowca, który posiada wieloletnie doświadczenie w prowadzeniu auta. Nawet wyćwiczony w jeździe samochodem. Układ ABS zapobiegający blokowaniu się kół podczas hamowania został wzbogacony o układ ASR, który ma za zadanie nie dopuszczać do poślizgu kół podczas przyspieszania. Ostatnio wprowadza się układy regulujące dynamikę jazdy zwane ESP. (Elektroniczny Program Stabilizacyjny). Bazą wyjściową jest układ ABS, z czujnikiem mierzącym obrót każdego koła pojazdu. Istotą ABS-u jest doprowadzenie takiego ciśnienia w układzie hamulcowym, by między kołem jezdnym, a nawierzchnią wystąpiła maksymalną przyczepność. Jeżeli dojdzie do zablokowania jednego z kół, dodatkowe elektrozawory w układzie hamulcowym zmniejszają ciśnienie, by koło mogło się obracać. Warto zauważyć, że układ ABS nie skraca drogi hamowania, jak się niekiedy sądzi, a w pewnych sytuacjach ABS jest bezradny. W wyniku hamowania powstają momenty skręcające samochód, który może zacząć się obracać i układ ABS nie jest w stanie temu przeciwdziałać. Poślizg kół może spowodować również opór własny silnika, szczególnie na śliskiej nawierzchni. Aby temu zapobiec oferuje się układy elektroniczne zwiększające dawkę paliwa do silnika, która zapobiega nagłemu zmniejszaniu jego obrotów. Układ ABS nie jest w stanie wytworzyć ciśnienia w układzie hamulcowy, może to jednak zrobić ASR. Gdy czujnik prędkości obrotowej koła napędzanego wykryje jego nadmierne obroty (poślizg), układ ASR zwiększa ciśnienie płynu hamulcowego i koło zostaje przyhamowane. Jeżeli to nie pomoże zostaje zmniejszona dawka paliwa do silnika, by ograniczyć moment obrotowy przekazywany na koła napędowe, dzieje się to bez udziału kierowcy. Kolejnym krokiem w rozwoju układów hamulcowych, jest układ regulacji dynamiki jazdy ESP, który z wielką wrzawą miał "premierę" w Mercedesie klasy A. Jeżeli układ ten odkryje, że pojazd zbacza z zadanego przez kierowcę toru jazdy, może zahamować odpowiednie koło pojazdu. Aby tak się nie stało układ ESP analizuje informacje z czujników mierzących prędkość obrotową każdego koła jezdnego: kąt obrotu kierownicy, ciśnienie w układzie hamulcowym, obrót pojazdu wokół osi pionowej oraz przyspieszenie poprzeczne auta.

WYNIKI DOŚWIADCZEŃ I ZEBRANE DANE...

Jak wynika ze zgromadzonych danych droga hamowania jest bardzo zróżnicowana w zależności od prędkości jak i od warunków. Na przykład dla roweru wnioski można wysunąć następujące:
- przy dwukrotnym zwiększeniu prędkości, droga hamowania wydłuża się ok. 2 razy,
- droga hamowania na suchym asfalcie jest niecałe 2 razy mniejsza niż na mokrym asfalcie,
- w porównaniu, droga hamowania na suchym asfalcie jest ok. 4 razy krótsza niż na śniegu, Podobne wnioski można by wyciągnąć obserwując drogę hamowania innego pojazdu, rower jest tu tylko prostym przykładem. Inne zgromadzone dane dotyczące długości drogi hamowania:
- dla biegacza biegnącego z prędkością ok.30 km/h wynosi ona ok. 7,5 metra,
- dla samochodu osobowego z prędkości 100 km/h wynosi ona ok. 40 m (najlepsze wyniki wynoszą ok. 35 m),
- dla ciężarówki: sam ciągnik siodłowy ok. 50 m z 80 km/h, zaś z naczepą i ładunkiem z tej samej prędkości ok. 150 m, Jak widać wyniki są dość zróżnicowane, jednak nie ma się co dziwić: "kaliber" obiektów doświadczeń jest zgoła różny. Największy respekt budzi droga hamowania ciężarówki - poruszając się po drogach zawsze pamiętajmy, że tego kolosa jest naprawdę ciężko zatrzymać!

KRÓTKIE PORÓWNANIE SERYJNYCH HAMULCÓW Z MNIEJ SERYJNYMI:

Dla pewnego samochodu droga hamowania ze 100 km/h wynosi 44 m. Po założeniu klocków hamulcowych i tarcz firmy Ferodo, serii Premium droga skraca się do 41 metrów. Po zastosowaniu całkowicie wyczynowego "kitu", czyli klocków Ferodo DS.2000 i tarcz Brembo, otrzymany wynik jest niesamowity - 38.7 metra!!! A więc czy nie warto zainwestować w klocki, czy tarcze nieseryjne (koszty naprawdę nie są wyższe o jakieś kosmiczne sumy), aby mieć ten zapas 6 metrów? Kiedyś te 6 metrów może nam, lub komuś uratować życie...
Kodeks Drogowy nie określa dokładnie bezpiecznej odległości pomiędzy pojazdami. Ma ona być wystarczająca, aby bezpiecznie zahamować lub inaczej zareagować w razie potrzeby. Praktycznie, droga ta powinna wyglądać mniej więcej tak: Załóżmy, że dwa samochody jadą jeden za drugim z określoną i stałą prędkością 60 km/h. Zakładając, że zdrowy człowiek reaguje w czasie poniżej jednej sekundy, można uznać, że bezpieczna odległość pomiędzy nimi powinna wynosić:
V - prędkość;
s - droga;
t - czas...
V = s/t => s = V*tt = 1s = 1 / 3600 hV = 60 km/hs = 60 * 1/3600 = 0,016 km = 16 m
Z powyższych obliczeń wynika, że bezpieczna odległość pomiędzy nimi powinna wynosić ok. 16 m lub więcej. Droga jest odpowiednikiem czasu reakcji, czyli drogę tę pokonujemy w czasie potrzebnym na reakcję, czyli ok. 1 sekundzie. Oczywiście jeśli odległość będzie wynosiła więcej, to bezpieczeństwo będzie większe, gdyż nawet po przejechaniu pewnej odl. w czasie 1s zawsze pozostanie nam margines, zapas, który możemy wykorzystać w odpowiedni sposób reagując na zaistniałą sytuację na drodze.
Za udzielenie wielu cennych informacji zawartych poniżej dziękujemy Jerzemu Bajno, który od 1972 roku bierze udział w wielu rodzajach imprez motorowych w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej, a więc człowiekowi o ogromnym doświadczeniu. "Hamowanie zależy od masy auta i przyczepności opon do nawierzchni... W praktyce w czasie hamowania cała masa auta spoczywa właściwie na przednich oponach... Im większa siła hamowania tym większa siła nacisku na przednie koła. I to powoduje, ze coraz bardziej ta siła nacisku zaczyna się zbliżać do maksymalnej siły przyczepności. Jeżeli siła przyczepności okaże się mniejsza niż siła nacisku... To opona porostu... puści, czyli będzie brak przyczepności. Z tego wniosek, ze siła hamowania będzie najlepsza, gdy siła nacisku plus masa auta nie będą większe tylko prawie takie jak siła "tarcia", czyli przyczepności.
Drugi szczegół... To siła przyczepności jest większa, kiedy opona się jeszcze obraca... Kiedy przestanie to tylko samo tarcie opony ma znaczenie? Gdy się opona obraca to oprócz tarcia dochodzi jeszcze siła przyczepności poszczególnych kostek ( "zaczepianie ostrych krawędzi kostki o nierówności drogi) w bieżniku opony, co tylko przeważnie zwiększa siłę przyczepności. Więc powtórzę... Przyczepność będzie zależała od rodzaju nawierzchni, rodzaju (składu) gumy i kształtu bieżnika. Na suchym asfalcie to prawie wszystko... Jednak na mokrym zaczyna dochodzić współczynnik "poślizgu". Poślizgu spowodowanego mikroskopowym aquaplaning. Po prostu mikroskopijne kropelki wody, czy innego płynu zaczynają się zbierać pomiędzy opona i nawierzchnia... I jak sobie opona "poradzi" z taką sytuacją tez będzie zależało od składnika gumy i kształtu bieżnika. Druga sprawa to jak się układa bieżnik w oponie w czasie hamowania... Dobrze by było, aby bieżnik "objął" jak największą powierzchnię... Tutaj może pomoc ścianka boczna opony. Jej ścićnięcie może spowodować "powiększenie" powierzchni styku bieżnika opony. Jednak tutaj zaczyna się trochę problemu...
"Spłaszczana" opona będzie powiększać powierzchnię styku we wszystkich kierunkach... Czyli "ślad" opony zwiększa się nie tylko w swojej szerokości, ale tez i "długości", co raczej nie pomaga w czasie hamowania szczególnie na "luźnych" nawierzchniach. Powoduje to po prostu utratę sterowalności.. Po prostu maksymalny punkt nacisku zaczyna się przesuwać do przodu powierzchni nacisku. Wynika z tego, że dla każdego auta (dana masa) powinna być odpowiednia opona (rozmiary), która biorąc pod uwagę wszystkie plusy i minusy byłaby "najlepszym" rozwiązaniem... I tak jest w życiu. Przeważnie im szersza tym lepsza, ale szerokość opony źle wpływa na sterowalność... Więc to, jaką szerokość wybierze konstruktor będzie zależało od całej konstrukcji. Drugi aspekt to średnica opony... Krotko mówiąc... Im większa, tym mniejsze obroty koła w czasie hamowania, czyli więcej czasu dla każdej krawędzi kostek na "załapanie się" do każdej nierówności w nawierzchni, co oczywiście zwiększa znacznie siłę przyczepności w czasie hamowania. Biorąc to wszystko pod uwagę... Dla kierowcy jest bardzo ważne, aby nie utracić obrotu kół w czasie hamowania jak również, aby mieć odpowiednie ciśnienie w oponie w celu "zwiększania" powierzchni styku w czasie hamowania. Druga sprawa to różnica w naciskaniu miedzy przednimi kołami i tylnymi. Ale to wynika z charakterystyki zawieszenia i rozkładu mas na każdą z osi. Ogólną "zasadą" jest, że w czasie zmniejszania się siły przyczepności musi maleć proporcjonalnie siła hamowania. Następny problemem w czasie hamowania są luzy w zawieszeniu i zmiany kątów ze względu na geometrię zawieszenia i jej zmianę w czasie pracy. Po prostu koło w czasie hamowania odchyla się od linii równoległej do drogi hamowania, co powoduje utratę "zaprogramowanej" przyczepności bieżnika opony. Nacisk całej masy auta powoduje ściśnięcie się zawieszenia, co tez powoduje zmianę kąta pochylenia, co szczególnie przy wąskich oponach powoduje utratę idealnego nacisku bieżnika na nawierzchnię (nacisk zwiększa się przeważnie na jedną z krawędzi). Aby zminimalizować tego rodzaju zachowanie się opony... wymyślono oponę radialną. Czyli oponę o miękkiej ściance bocznej, która ma niby się tak układać, by utrzymać cały bieżnik w styku do nawierzchni obojętnie, jak jest ustawione zawieszenie w stosunku do kąta nawierzchni (opona radialna lepiej pracuje bez dętki). Po otrzymaniu powyższej wypowiedzi postanowiliśmy zadać jeszcze kilka pytań:
Jaki wpływ na drogę hamowania mają nowoczesne urządzenia zwiększające ciśnienie w układzie hamulcowym?
JB: Nie, raczej nie. One tak naprawdę mają tylko sprawić, aby kierowca nie musiał tak mocno naciskać na pedał hamulca w awaryjnej sytuacji. Tak naprawdę mogą pomóc tylko wtedy, kiedy kierowca ma mało siły w nogach, wtedy na pewno przyda się to urządzenie. Jeżli awaria naszego układu hamulcowego, lub warunki na drodze spowodują, że tylko jedno koło z przodu się zablokuje, to co się stanie na prostej i na zakręcie?
JB: Jeśli na przykład jedziemy na wprost i zablokuje się lewe przednie koło, to auto zacznie skręcać w prawo. Można to bardzo łatwo wytłumaczyć : powiedzmy, że biegniemy i mamy się zatrzymać przy dwóch słupach, których mamy się złapać obydwiema rękami. Przy dobieganiu lewa ręka nie złapała się słupa.. .i co się dzieje? "Skręcamy" w prawo. Czyli w tym przykładzie lewa ręka, która nie złapała słupa symbolizuje zablokowane lewe koło i to co dzieje się z nami, dzieje się także z prowadzonym pojazdem. Sytuacja będzie taka sama tak podczas jazdy na wprost, jak i podczas skrętu. Jednak podczas skrętu dochodzi jeszcze jedno niebezpieczeństwo. Droga hamowania jak i samo hamowanie podczas skręcania wygląda całkowicie inaczej niż na prostej drodze. Tu występuje niebezpieczeństwo zablokowania się przednich kół (zbyt energicznie naciśnięte hamulce i brak ABS-u spowoduje ich zablokowanie) i zamiast skręcać pojedziemy na wprost, w przysłowiowy "plener". To stanowi ok. 3 sytuacji mających miejsce podczas hamowania na zakręcie. Jest jeszcze jedna możliwość, która ma miejsce raczej rzadko, a mianowicie przednie koła nie zablokują się, zostaną tylko przyhamowane, zaś tylne koła odciążone (przy hamowaniu nacisk na przednią oś rośnie, zaś na tylną maleje) mogą się zablokować i spowodować to, że "wyprzedzą" nas one, czyli samochód wykona obrót. Wniosek końcowy:
Najważniejsze w hamowaniu, obojętne jak dobry masz refleks, czy jak wspaniały masz układ hamulcowy... Jest zawsze przyczepność opony do danej nawierzchni. W przyczepności z kolei... Dokładnie jak opona się układa na nawierzchni i dokładnie, jakie powstają "zmiany" w "śladzie", czyli powierzchni styku opony z nawierzchnią. A dokładnie, jak w szczegółach wygląda kształt "stopki" i co się dzieje z poszczególnymi kostkami w tym samym czasie. Stopka, to kształt jaki tworzy opona, gdy się odciska na powierzchni. "