Historia hamowania cz.2

Dominują zalety

Zadaniem hamulca jest rozpraszanie energii kinetycznej pojazdu poprzez tarcie. Przy tej okazji wydziela się duża ilość ciepła, która musi zostać odprowadzona do atmosfery. Hamulec tarczowy radzi sobie z tym znacznie lepiej niż bębnowy, ma bowiem otwartą konstrukcję. Jest skuteczniejszy, bo wysoka temperatura prowadzi do spadku współczynnika tarcia, a tym samym do spadku skuteczności hamowania.

Otwarta budowa sprawia również problemy. Podczas jazdy w deszczu nieosłonięty dysk ma ciągły kontakt z wodą, która zmniejsza współczynnik tarcia. Lecz to jedna z nielicznych wad tego układu. Atutów jest więcej: prostota konstrukcji, łatwość wymiany okładzin, możliwość łatwego dobierania rozmiarów i konstrukcji hamulca do konkretnego modelu jednośladu lub jego odmian. Hamulec tarczowy jest lżejszy, przy tej samej skuteczności działania co odpowiadający mu bębnowy, co korzystnie wpływa nie tylko na masę całego jednośladu, ale również na masę nieresorowaną i w konsekwencji poprawia własności jezdne. Wytwarza też dużą siłę hamującą nawet, gdy na dźwignię hamulca działa mała siła. To ważne, bo dźwignia ręczna w jednośladach ma niewielkie rozmiary.

Żeliwo i stal

Tarcza hamulcowa to prosty element, który wykonuje się z żeliwa albo ze stali stopowej. Żeliwo jest tańsze, znakomicie radzi sobie z wysokimi temperaturami i zapewnia wysoki współczynnik tarcia. Stal – droższa  nie jest tak bardzo narażona na pęknięcia przy ekstremalnych obciążeniach cieplnych i nie wypacza się tak łatwo, jak żeliwo. W popularnych jednośladach codziennego użytku czy klasykach takie problemy występują rzadko, ale w motocyklach sportowych czy sportowo-turystycznych zdarzają się często i stanowią poważne wyzwanie. Nawet przy spokojnej jeździe w mieście tarcze osiągają temperaturę ok. 300C. Na górskich zjazdach albo przy sportowej jeździe temperatura dysków dochodzi do 800C, czyli granicznych wartości zakładanych przez producentów. Występujące na przemian nagrzewanie i szybkie schładzanie prowadzi do powstawania niewidocznych dla oka mikropęknięć, które z czasem powiększają się i niszczą tarczę.

Rozgrzana tarcza wychładza się nierównomiernie, co dla żeliwa jest szczególnie niekorzystne. Zwichrowania powodują pulsowanie dźwigni i obniżenie skuteczności hamowania. Tarcze stalowe są bardziej odporne na deformacje, ale w pewnych warunkach nawet one nie poradzą sobie z nierównomiernymi naprężeniami. Wystarczy nagłe schłodzenie rozgrzanej tarczy, na przykład po wjechaniu w kałużę.

Dla lepszego studzenia tarcze w motocyklach są nawiercane. Liczne otwory pełnią ważną funkcję również wtedy, gdy dysk jest mokry. Pozwalają bowiem rozprężyć się parze wodnej, powstającej między klockiem hamulcowym a tarczą.

Hydrauliczne szczęki

Początkowo hamulce tarczowe były sterowane mechanicznie. Dopiero z czasem opracowano układ hydrauliczny, w którym płyn pod ciśnieniem wytworzonym przez pompę trafiał do zacisku i oddziaływał na tłoczki, dociskające klocki do powierzchni roboczych dysku. Tak zbudowany zacisk działa niczym hydrauliczne szczęki, chwytające za tarczę i powodujące jej zatrzymywanie.

Zaciski różnią się konstrukcją i sposobem działania. Tańszym rozwiązaniem jest zacisk pływający, w którym tłoczek (lub tłoczki) dociskają klocek tylko po jednej stronie tarczy, zaś klocek po drugiej stronie dociskany jest przez ruchomą część korpusu zacisku. To możliwe dzięki temu, że jest on osadzony na prowadnicach mocowanych do elementu podwozia (goleń widelca konwencjonalnego, rura nośna widelca upside-down, wahacz tylnego koła). Hamulce z zaciskami pływającymi stosowane są głównie w motocyklach o spokojnej naturze, bowiem nieco wolniej, ale za to płynniej reagują na polecenia kierowcy. Sprzyja to zwykłej, codziennej eksploatacji i podnosi komfort jazdy.

W zaciskach stałych klocki po obu stronach tarczy dociskane są przez tłoczki, a cały korpus zacisku pozostaje nieruchomy. Reakcje takiej konstrukcji są szybsze, hamulce działają gwałtowniej. Taki schemat lepiej sprawdza się podczas sportowej jazdy.

Na skuteczność hamulców tarczowych wpływa również liczba tłoczków. W podstawowym układzie pływającym wystarcza jeden tłoczek, w stałym zaś muszą być przynajmniej dwa tłoczki. Takie rozwiązania stosowane są jednak tylko w małych jednośladach albo przy tylnych kołach motocykli, gdzie siła hamująca nie musi być tak duża jak z przodu.

Obowiązek zatrzymania jednośladu spoczywa głównie na przednim hamulcu, co wynika z faktu, że to na przednią oś przenosi się większość obciążenia podczas wytracania prędkości. Powstaje przy tym większa siła hamująca na przednim kole. Dlatego przednie zaciski projektowane są zazwyczaj jako układy wielotłoczkowe. W sportowych motocyklach seryjnych ich liczba sięga sześciu, w wyczynowych – nawet ośmiu.

Większa liczba tłoczków była niezbędna po wydłużeniu klocka hamulcowego, co z kolei było konieczne dla uzyskania większej powierzchni ciernej. W seryjnych konstrukcjach nie zawsze się to sprawdza. Sześciotłoczkowy zacisk stały działa zaledwie o 1,5% efektywniej od czterotłoczkowego, a jest o 15% cięższy. Na dodatek im dłuższy klocek, tym większa tendencja do nierównomiernego docisku. Dlatego większość producentów pozostaje przy konstrukcjach czterotłoczkowych.

Istotne znaczenie ma również miejsce mocowania zacisków w hamulcu przednim. Konwencjonalny mocowany jest zazwyczaj w górnej części goleni tradycyjnego widelca albo do rury nośnej widelca upside-down z wykorzystaniem dodatkowego wspornika. Dostosowany jest do tarczy o konkretnej średnicy. Bez istotnych i pracochłonnych przeróbek nie wchodzi w grę zamontowanie ani mniejszej, ani większej tarczy.

Od kilku lat, głównie w motocyklach sportowych, stosuje się radialne zaciski hamulcowe. Ich wirtualna oś symetrii w rzucie bocznym przebiega przez oś przedniego koła. Dzięki temu położenie zacisku w stosunku do osi koła można zmieniać w pewnym zakresie. Pozwala na to specjalne jarzmo, w którym zacisk może być przesuwany. Takie rozwiązanie przydaje się, gdy chcemy zmieniać tarczę hamulcową na mniejszą lub większą, np. w sportowych zastosowaniach. Zresztą zaciski radialne przejęto właśnie ze sportu wyczynowego.

Oryginalne pomysły

W sporcie stosuje się bardzo lekkie, ale nietrwałe tarcze aluminiowe oraz tarcze z włókien węglowych. Te ostatnie są jednak bardzo specyficzne. Ważą o połowę mniej od stalowych i są bardzo trwałe. W ekstremalnych warunkach jazdy wyczynowej wytrzymują nawet 3000 km, co dla tarcz stalowych jest wynikiem nieosiągalnym. Ale by działały skutecznie muszą być mocno rozgrzane. Ich optymalna temperatura pracy to 300-700°C. Poniżej dolnej wartości po prostu nie hamują i stają się niebezpieczne. Dlatego nie ma możliwości stosowania ich w jednośladach seryjnych. Między

odpowiednio rozgrzaną tarczą węglową a klockiem hamulcowym następuje proces, który trudno nazwać tarciem. To raczej coś w rodzaju „spawania” lub „spiekania”. Wygląda to tak, jakby oba elementy próbowały się ze sobą połączyć, ale ruch koła nie dopuszcza do zakończenia tego procesu.

Innym, oryginalnym pomysłem jest tarcza o bardzo dużej średnicy, zwana obwodową, mocowana nie do piasty, ale do obręczy koła. Zapewnia większą siłę hamowania, ale jest cięższa od tradycyjnej. Poza tym tarcza, obręcz i mocowanie muszą być wykonane z ogromną precyzją, co mocno podnosi koszty produkcji.

Tuleje i spieki

Przez całe dziesięciolecia tarczę hamulcową mocowano na stałe do piasty koła a zacisk do elementu podwozia. Ale przy sztywnym mocowaniu powstaje tendencja ocierania tarczy o klocki hamulcowe, co powoduje spowolnienie ruchu motocykla, niepotrzebne zużycie okładzin i nagrzewanie się tarczy. Dlatego w nowoczesnym hamulcu tarczowym montuje się elementy pośrednie między piastą a tarczą. To rodzaj tulei, dzięki którym tarcza może przesuwać się poosiowo w niewielkim zakresie. W sam raz tyle, by ruchami na boki oddalić od siebie klocki.

Symbolem nowoczesności są również klocki z okładzinami ciernymi ze spieków metali. Mają one współczynnik tarcia 0,7, podczas gdy dla tradycyjnych, organicznych okładzin bezazbestowych wynosi on 0,45. Jednak nie każdy układ hamulcowy jest przystosowany do okładzin ze spieków, które bardzo dobrze odprowadzają ciepło. Robią to tak skutecznie, że mogą „zagotować” płyn hamulcowy w okolicy zacisku, przekazując wysoką temperaturę poprzez tłoczki. Dlatego okładziny ze spieków można stosować tylko wówczas, gdy tłoczki są wykonane z tworzywa sztucznego albo pokryte materiałem ceramicznym.

Okładziny bezazbestowe zaczęto stosować, gdy azbest został pod koniec lat osiemdziesiątych wycofany z Europy. Mają one bardzo uniwersalny charakter i nie powodują zagrożeń termicznych. Wykonuje się je z materiału bazowego, włókien wzmacniających, wypełniaczy, środków wiążących i metali. Poddawane są procesom starzenia w celu usunięcia gazów. Dzięki temu szybciej się docierają, osiągając pełną skuteczność.

Docieranie nowych okładzin jest niezwykle ważne. Nowe klocki hamulcowe nie od razu działają z pełną swoją skutecznością. Trzeba to wziąć pod uwagę podczas pierwszych kilometrów po wymianie okładzin.