Mechanika i hydraulika

Układ hamulcowy cz. 1

Układ hamulcowy to podstawowy element montowany w pojeździe, odpowiedzialny za zmniejszenie prędkości auta lub jego całkowite zatrzymanie. Jest on najważniejszym mechanizmem, gdyż bezpośrednio wpływa na bezpieczeństwo jazdy.

Historycznie

Najstarszymi konstrukcjami są hamulce klockowe, przejęte wprost z powozów i dyliżansów, w których drewniany, czasami obity skórą klocek dociskany był do stalowej obręczy koła za pomocą dźwigni. Wraz ze wzrostem masy i prędkości pojazdu takie rozwiązania okazały się niewystarczające. Zaczęto więc stosować hamulce taśmowe, w których owa taśma, wyłożona od wewnątrz materiałem ciernym, opasywała od zewnątrz stalowy bądź żeliwny bęben. Jej zacisk za pomocą dźwigni powodował hamowanie.

Wraz ze wzrostem prędkości pojazdów nadal stosowano hamulce tylko na wał napędowy bądź na tylne koła. Dopiero od 1910 roku zaczęły upowszechniać się pierwsze hamulce montowane na wszystkich kołach pojazdu – oczywiście były to nadal konstrukcje mechaniczne. Wiele lat później, w 1932 roku, zastosowano pierwsze hamulce uruchamiane hydraulicznie, podobne do tych, które znamy obecnie.

Teoria hamulców

Zadaniem układu hamulcowego jest zmniejszenie prędkości i zatrzymanie pojazdu oraz utrzymanie go na pochyłości bez ruchu. Jego trzy podstawowe elementy to hamulce przy kołach, mechanizm uruchamiający połączony z układem wspomagającym oraz system kontroli i regulacji poślizgu. Przepisy dotyczące budowy i wyposażenia pojazdów wymagają od każdego z dopuszczonych do ruchu aut, aby miało kilka układów hamulcowych. Mogą to być: roboczy (zasadniczy), awaryjny (pomocniczy) i postojowy. Do innych typów należą hamulce automatyczne oraz zwalniacz.

W przypadku pojazdów terenowych występują głównie pierwsze trzy systemy, przy czym dwa z nich – awaryjny i postojowy – połączone są w jeden. W ciężkich samochodach stosuje się zwalniacze (silnikowy, hydrodynamiczny, elektromagnetyczny). Natomiast hamulce automatyczne powszechnie występują w przyczepach. W obecnie produkowanych pojazdach lekkich jako hamulce zasadnicze najczęściej występują rozwiązania hydrauliczne. W ciężkich pojazdach do czynienia mamy z rozwiązaniami pneumatycznymi.

Z uwagi na bezpieczeństwo jazdy obecnie wykorzystuje się układy dwuobwodowe, aby w przypadku awarii jednego z obwodów możliwe było zatrzymanie auta za pomocą drugiego, przy czym musi być zachowane co najmniej 30 % sprawności całego układu.

Do niedawna najbardziej rozpowszechniony był układ stosujący hamulce tarczowe na przedniej osi, a bębnowe na tylnej. Jednak obecnie najczęściej wykorzystuje się tarcze hamulcowe zarówno z przodu, jak i z tyłu.

Rozwiązania tarczowe

Hamulce tarczowe przeżywają swoisty rozkwit. Są zdecydowanie bardziej skuteczne niż bębnowe, ale nie jest to ich jedyną zaletą. Warto również zwrócić uwagę na niemalże podwojoną w stosunku do rozwiązań bębnowych powierzchnię cierną przy zachowaniu podobnej średnicy. Na plus działa też zastosowanie prostszych w produkcji okładzin hamulcowych (klocków). Ponadto otwarta konstrukcja i zwiększenie powierzchni ciernej powoduje lepsze odprowadzenie ciepła, a więc mniejszą wrażliwość układu na przegrzanie.

Tarcze hamulcowe najczęściej odlewane są z żeliwa. W pojazdach sportowych możemy jednak spotkać elementy ceramiczne lub kompozytowe.

Z uwagi na budowę tarcze hamulcowe dzielimy na pełne (cieńsze bez chłodzenia wewnętrznego, montowane najczęściej na tylnej osi) i wentylowane (obie powierzchnie cierne oddzielone są od siebie użebrowaną przestrzenią z promieniowymi kanałami, przez które przepływa powietrze). Powierzchnia tarcz jest z reguły gładko oszlifowana, jednak na tarczach sportowych mogą pojawić się spiralne nacięcia lub poprzeczne otwory, poprawiające chłodzenie.

Do tarczy za pomocą jednego lub większej ilości tłoczków dociskane są z dwóch stron okładziny cierne – płaskie klocki hamulcowe zamocowane w prowadnicach. Z uwagi na ich konstrukcję rozróżniamy dwa typy zacisków: pływające i stałe. Te pierwsze mocowane są przesuwnie do jarzma mocującego za pomocą sworzni lub klinów prowadzących, umożliwiających ich przesuw poprzeczny w stosunku do powierzchni tarczy. Te elementy konfigurowane są najczęściej z rozwiązaniem, w którym tłoczek hydrauliczny znajduje się z jednej strony. Wraz ze zużywaniem się tarczy i klocków zacisk przesuwa się, zapewniając jednakowy docisk z obu stron.

W przypadku zacisków stałych po obu stronach tarczy znajduje się co najmniej jeden tłoczek dociskający klocki, a sam zacisk jest na stałe przymocowany do zwrotnicy lub innego elementu zawieszenia. W celu osiągnięcia lepszej wydajności hamulców ilość tłoczków może być zwiększona (np. zaciski czterotłoczkowe).

Hamulce bębnowe

Hamulce bębnowe powoli odchodzą do lamusa, a ich miejsce zastępują coraz powszechniej stosowane tarcze. Wyjątkiem są pojazdy dostawcze, w których rozwiązania bębnowe, z uwagi na możliwość zastosowania dużego łożyska piasty, nadal stosowane są bardzo często na tylnej osi. Warto więc posiąść choć podstawową wiedzę na ten temat.

Budowa hamulców bębnowych jest stosunkowo prosta. Na piastę koła założony jest żeliwny lub stalowy, rzadziej aluminiowy z żeliwną wkładką, bęben, którego wewnętrzna powierzchnia jest wyszlifowana. Do gładzi bębna za pomocą mechanicznego bądź hydraulicznego rozpieracza dociskane są dwie półkoliste szczęki hamulcowe z przymocowanymi do nich okładzinami ciernymi. Wyróżniamy cztery główne typy hamulców bębnowych: Simplex, Duplex, Duo-servo i Twinplex, przy czym tylko pierwsze dwa rozwiązania są jeszcze stosowane.

Simplex jest najczęściej spotykaną konstrukcją, powszechnie używaną na tylnej osi. Jej budowa jest dosyć prosta – do rozpierania szczęk stosuje się jeden cylinderek hydrauliczny dwustronnego działania, a końce szczęk zakotwiczone są na stałe w tarczy kotwicznej. Zatem gdy rozpoczynamy hamowanie bębna, jedna ze szczęk (współbieżna) dociskana jest zgodnie z kierunkiem obrotu (jest niejako „zakleszczana” w bębnie), druga (przeciwbieżna) natomiast – przeciwnie do kierunku ruchu bębna. Ze względu na charakter pracy szczęka współbieżna hamuje mocniej, przez co zużywa się szybciej niż ta przeciwbieżna, natomiast siła hamowania całości jest jednakowa w obu kierunkach obrotów. Do odciągania szczęk od bębna hamulcowego stosuje się sprężyny ściągające, natomiast do regulacji luzu pomiędzy bębnem a szczęką służą specjalne układy. Obecnie w nowych rozwiązaniach stosuje się automatyczne układy regulacji luzu w postaci rozmaitych mechanizmów dźwigniowych, zapadkowych bądź ciernych. Można też spotkać cylinderki z automatyczną regulacją luzu. W przeszłości stosowano rozwiązania manualne – miały one postać krzywek lub mimośrodów dosuwających szczękę bądź rozkręcanego rozpieracza dolnego, a także wykręcanych dwuczęściowych tłoczków.

Kolejną, jeszcze spotykaną konstrukcją jest montowany na przedniej osi Duplex, w którym do rozpierania szczęk stosuje się dwa cylinderki jednostronnego działania, a wolne końce szczęk są zakotwiczone w tarczy. W układzie tym szczęki są współbieżne, gdyż dociskane przez oddzielne cylinderki. Jednak pełna skuteczność hamowania możliwa jest tylko w określonym kierunku obrotu bębna. W przypadku zmiany tego kierunku skuteczność hamowania znacznie maleje, gdyż obie szczęki pracują wówczas jako przeciwbieżne. Regulacja luzu szczęki odbywa się na tej samej zasadzie, co w przypadku poprzedniego układu.

Kolejne rozwiązania, o których wspomniałem, właściwie nie są już stosowane, ale sporadycznie możemy spotkać je w starszych pojazdach. Mowa tu o Duo-servo i Twinpleksie. W pierwszym z tych mechanizmów szczęki rozpierane są przez pojedynczy cylinderek jedno- lub dwustronnego działania, a wolne końce szczęk połączone są ze sobą za pomocą rozpieracza regulacyjnego i nie są zamocowane do tarczy kotwicznej. Twinplex natomiast stosuje dwa cylinderki dwustronnego działania, które rozpierają szczęki, niepodparte na stałe do tarczy kotwicznej.

Osprzęt hamulców

Do uruchamiania hamulców hydraulicznych stosowana jest obecnie klasyczna pompa hamulcowa z podciśnieniowym urządzeniem wspomagającym. W przeszłości można było spotkać elektryczne wspomaganie, ale było ono dosyć awaryjne. W starszych rozwiązaniach stosowano również pompę jednosekcyjną, ale obecnie ze względu na bezpieczeństwo i przepisy musi być ona dwusekcyjna. Podwójne działanie pompy uzyskuje się stosując wewnątrz dodatkowy tłoczek swobodny, który rozdziela cylinderek na dwie komory robocze. Nad cylinderkiem znajduje się zbiornik płynu hamulcowego, który zasila obydwie strony tłoczka poprzez oddzielne kanały, co umożliwia stworzenie dwóch obwodów uruchamiających hamulce.

Podstawowe rozwiązania hamulców to oczywiście nie wszystko. W najnowszych konstrukcjach klasyczny układ hamulcowy został uzupełniony o obowiązkowe elektroniczne systemy ułatwiające, a głównie optymalizujące, skuteczność hamowania. Zapewniają one utrzymanie pełnej kontroli nad pojazdem zarówno w trakcie hamowania, jak i podczas pokonywania zakrętów. Są one ciągle rozwijane i modernizowane. Zasadniczo wszystkie wprowadzane funkcje powstały dzięki rozwojowi elektroniki i opracowaniu nowych, lepiej i szybciej działających układów ABS. Klasyczny ABS, zapewniający tylko kontrolę poślizgu kół przy hamowaniu, już praktycznie nie występuje, zawsze bowiem uzupełniony jest o różne funkcje dodatkowe.

Hamulec pomocniczy

Mechaniczne hamulce szczękowe, po wycofaniu z używania jako układu zasadniczego, nie odeszły całkiem do lamusa, gdyż nadal stosowane są jako hamulce pomocnicze. W przypadku rozwiązań mechanicznych, sterowanych cięgłami, rozpieracz ma kształt cylindra, w którym poruszają się dwa popychacze. Rozpychane są one na boki za pomocą klinowego rozpieracza, umieszczonego w poprzek cylindra i wysuwającego się za pomocą kulek, który porusza popychacze działające bezpośrednio na szczęki. Cały układ hamulca, zarówno rozpieracz, jak też szczęki, sprężyny i układ regulacyjny, umieszczone są na tarczy kotwicznej, na stałe połączonej ze zwrotnicą lub innym elementem stałym. Ponadto stosowany jest hamulec pomocniczy, mechaniczny bębnowy, działający na wyjście tylnego wału napędowego ze skrzyni rozdzielczej, gdzie tarcza kotwiczna przykręcona jest do obudowy reduktora. W większości pojazdów mechaniczny hamulec pomocniczy (i postojowy) działa na bębny tylnych hamulców, gdzie niezależnie od cylinderków hydraulicznych zastosowany jest dźwigniowy układ rozpierający, który powoduje dociskanie szczęk do bębna.

Inne powszechnie stosowane rozwiązanie to tarczo-bębny, w których hamulec zasadniczy jest tarczowy, uruchamiany hydraulicznie, a w środkowej części tarczy znajduje się mały bęben z mechanicznie uruchamianymi szczękami. Układ zapewnia najlepszą skuteczność hamowania zarówno hamulcem zasadniczym, jak i pomocniczym.

Rodzaje hamulców

Hamulec roboczy (zasadniczy) – jest to układ umożliwiający kierowcy zmniejszenie prędkości lub zatrzymanie pojazdu.

Hamulec awaryjny (pomocniczy) – jest uruchamiany niezależnie od roboczego układu hamulcowego, ma umożliwić zmniejszenie prędkości pojazdu lub jego zatrzymanie w przypadku awarii hamulca roboczego.

Hamulec postojowy – jest to układ pozwalający na utrzymanie pojazdu bez możliwości ruchu w sposób mechaniczny, również na pochyłości, głównie podczas nieobecności kierowcy.

Pozostałe hamulce

Hamulec automatyczny – układ mogący hamować pojazd automatycznie.

Zwalniacz – układ pozwalający kierowcy na ustalenie lub zmniejszenie prędkości pojazdu, szczególnie na długim spadku.

Rodzaje układów

Układ krzyżakowy, w którym prawe przednie koło jest połączone z lewym tylnym
i na odwrót

Oddzielny układ hamulcowy dla kół przednich i tylnych

Zdublowanie układu kół przednich

Zdublowany układ na wszystkie koła

Dwa niezależne układy działające na dwa koła przednie i jedno tylne

Przykłady elektronicznych systemów współpracujących z układem hamulcowym

ABS (Anti Blocking System)

TCS (Traction Control System)

ASR (Automatic Stability Regulation), 
znany również jako ESP (Electronic Stability Programm)

EBD (Electronic Brake Distribution)

BAS (Brake Assist System)

HHC (Hill Holder Control)

HDC (Hill Descent Control)

EDL (Electronic Differential Locking)

autor: Grzegorz Surowiec, zdjęcia: archiwum