Jak to działa: Hamulce tarczowe. Od żeliwa po karbon (cz. 1)

Sama koncepcja hamulca tarczowego pojawiła się już na początku XX wieku, jest zatem prawie tak stara jak cała motoryzacja. Na pojawienie się tej technologii w motocyklach w wydaniu przypominającym dzisiejsze rozwiązania musieliśmy jednak poczekać ponad pół wieku. Szlak w seryjnych maszynach przetarła Honda, która pod koniec 1968 roku zaprezentowała swoją przełomową CB 750 Four – pierwszy seryjny motocykl wyposażony w hydrauliczny hamulec tarczowy. Zastosowano w niej litą, dość grubą tarczę i jednotłoczkowy zacisk zamontowany w przedniej części goleni. Jak na dzisiejsze standardy, układ ten nie był za specjalnie wydajny, ale konstrukcja ta utorowała drogę do dzisiejszych mega wydajnych układów hamulcowych.

Materiały – najpierw było żeliwo

Pierwsze motocyklowe tarcze hamulcowe wykonane były z żeliwa. Materiał ten to mieszanina żelaza z węglem i innymi dodatkami (krzemem, siarką, manganem czy fosforem). O ile w stali przyjmuje się zawartość węgla do nieco ponad 2%, tutaj może go być nawet ponad 6%. Taki stop jest bardzo łatwy do odlewania, za to nie stosuje się go do dokuwania. Żeliwo jest kruche, ale zarazem twarde i podatne na szlifowanie. Właśnie z tego względu jest to jeden z najpopularniejszych materiałów do produkcji samochodowych tarcz hamulcowych.       

W motocyklach żeliwo jako budulec tarcz można spotkać głównie w wiekowych sprzętach. Materiał ten ma kilka zalet – jest tani w produkcji, ma dobry współczynnik tarcia przy niskich temperaturach i dobrze współpracuje z organicznymi klockami hamulcowymi. Ma niestety także wady, które przechyliły szalę na rzecz nowszych tarcz stalowych. Żeliwo nie znosi bardzo wysokich temperatur, jest kruche, a w kontakcie z klockami ze spieków metalicznych (zwanych klocki sintermetalowymi) szybko się zużywa.

Stalowe pływające i nawiercane tarcze są dzisiaj standardem w szybkich motocyklach. Ich średnica sięga 330 mm.

Takie ażurowe konstrukcje tarcz motocykli off-roadowych ułatwiają oczyszczanie klocków z błota i innych zanieczyszczeń.

Pływająca tarcza lepiej dopasowuje się do zacisku i równomiernie się rozgrzewa, co jest bardzo ważne.

Stal dzisiejszym standardem

Tu pojawia się stal, która dominuje jako budulec motocyklowych tarcz hamulcowych. Materiał ten to stop żelaza z węglem i innymi dodatkami (spotkamy takie metale jak chrom, wanad, mangan, kobalt, molibden czy nikiel). W przeciwieństwie do żeliwa zawartość węgla ograniczono do wartości, która jest w stanie rozpuścić się w żelazie – jest to 2,11%, a większość stopów ma nieco ponad 1% tego dodatku. Znacznie więcej może być innych uszlachetniaczy (nawet ponad 10%), a najpopularniejszym w motoryzacji jest chrom. Ma on właściwości ograniczające korozję, a także podnosi wytrzymałość stopu.

Skład chemiczny stalowych tarcz hamulcowych zazwyczaj jest tajemnicą producenta. Tańsze modele wykonane są ze stali nierdzewnej, te droższe i stosowane w motocyklach sportowych są poddawane hartowaniu. Mają większą twardość i przystosowane są do pracy w wyższej temperaturze. Pomimo nieco mniejszego współczynnika tarcia niż żeliwo, stal jest doskonałym materiałem właśnie ze względu na twardość i odporność na temperaturę. Takie tarcze doskonale współpracują ze spiekanymi klockami hamulcowymi.

Stalowe tarcze hamulcowe są także cieńsze niż żeliwne. Najczęściej ich grubość to około 4,5 mm, choć produkty przeznaczone do sportu (bez homologacji drogowej) mają 5,5 mm. Większa grubość, choć jest to okupione zwiększeniem ciężaru, pozwala utrzymać stabilność cieplną. Z jednej strony grubszy materiał odbiera więcej ciepła wynikającego z tarcia, z drugiej zaś strony nie traci tak szybko temperatury w czasie chłodzenia na długich prostych.

Karbonowe tarcze hamulcowe wymagają stosowania specjalnych klocków (również na bazie włókien węglowych). Dzisiaj układ tego typu spotykamy w MotoGP.

Układy z MotoGP wymagają odpowiedniej temperatury. Na niektórych torach stosuje się specjalne osłony, na innych wręcz poprawia chłodzenie.

Włókno węglowe – sprawdzone w MotoGP

Tarcze z włókna węglowego spotkamy w maszynach MotoGP, i to nie zawsze, gdyż w deszczu zawodnicy w większości przypadków stosują zwykłe tarcze stalowe. Co jest takiego wyjątkowego w hamulcach z karbonu? Po pierwsze, są one niezwykle skuteczne. I to chyba wszystkie ich zalety. Kosztują niebotyczne pieniądze, wystarczają na mniej więcej 1000 kilometrów i muszą być rozgrzane, by odpowiednio współpracować z przeznaczonymi do nich klockami (również wykonanymi z karbonu). Minimalna temperatura to około 200 ºC, a w ekstremalnych przypadkach dochodzi ona do 900 ºC.  

Oprócz bardzo dobrej wydajności hamulce karbonowe odznaczają się niższą wagą, co ma ogromny wpływ na wchodzenie w zakręty (masa wirująca) i wybieranie nierówności (masa nieresorowana). Zawodnicy mają do wyboru wiele opcji tarcz, które różnią się średnicą (od 320 do aż 355 mm), wagą (większa bądź mniejsza szerokość powierzchni roboczej) czy stopniem oddawania temperatury. Dodatkowo zespoły wyposażają motocykle w specjalne osłony, które w zależności od potrzeb wspomagają utrzymanie wysokiej temperatury albo wręcz odwrotnie – pomagają w chłodzeniu.

Rok 1968 to debiut przełomowej Hondy CB 750 FOUR. Był to pierwszy seryjny motocykl wyposażony w hydrauliczny hamulec tarczowy.

Po co te otworki?

Większość współczesnych stalowych tarcz hamulcowych (czyli takich, jakie spotykamy w standardowych motocyklach) ma kilkadziesiąt odpowiednio ułożonych otworów. Większość osób bez zastanowienia powie, że owe otwory służą do poprawy chłodzenia. Jest to tylko częściowa prawda, Geneza nawiercania czy nacinania tarcz jest zgoła inna. Otworki mają głównie funkcję czyszczenia tarcz i klocków z zalegającego pyłu, co ma szczególne znaczenie na samym początku hamowania.

Nawiercanie pozwala także usuwać gaz powstający pomiędzy pracującymi elementami, jeśli są one bardzo mocno rozgrzane. W czasie opadów deszczu otwory pomagają w usunięciu nadmiaru wody, a także pary wodnej, która tworzy niewidzialną, cieniutką warstwę ograniczającą siłę hamowania. Zjawisko to może wystąpić także w czasie słonecznej pogody, gdyż cząsteczki gazu są także efektem ubocznym tarcia i zużywania się klocków hamulcowych.

Tarcze pływające – dopasowanie i temperatura

We współczesnych motocyklach bardzo często spotkamy także pływające tarcze hamulcowe. Oznacza to mocowanie samego elementu ciernego do ażurowej piasty za pomocą specjalnych nitów. Pozwalają one na delikatny ruch tarczy na boki. Zdrowy rozsądek podpowiada, że efekt ten ma pozwolić na bardziej precyzyjne prowadzenie tarczy w zaciskach. Częściowo jest to prawda, ale jest jeszcze jeden czynnik. Chodzi o równy rozkład temperatury na powierzchni tarczy.

Przy montażu na sztywno tarcze oddają ciepło w stronę aluminiowej obręczy. Za to ich zewnętrzna część nie jest w stanie oddawać tak szybko ciepła. Idąc dalej, zewnętrzna krawędź wraz z rozgrzewaniem zwiększa swoją objętość, co może wpływać na większe zużycie materiału po tej stronie. Pływająca tarcza rozgrzewa się względnie równomiernie i dlatego zużywa się w takim samym stopniu na całej szerokości. Przy dłuższej eksploatacji jest to zbawienne także dla klocków, które równo się zużywają.

Pływające tarcze mają także wady. Często zdarza się, że nity wyrabiają się i tarcza zaczyna mieć zbyt duże luzy (także promieniowe). W takim wypadku ratunkiem może być tylko wymiana połączeń albo całych tarcz. Fakt ruchomego mocowania nie wpływa także na skrzywienie samego stalowego dysku. Może do niego dochodzić poprzez uszkodzenie mechaniczne (wypadek, ruszenie z zapiętą blokadą) albo termiczne (przegrzanie, zbyt szybkie schłodzenie, wada materiałowa).

Otworki usuwają zanieczyszczenia i gaz gromadzące się pomiędzy klockami a tarczą.

Karbonowe tarcze występują w kilkunastu rozmiarach, co pozwala dopasować ich pracę do konkretnego toru i warunków.

Pływające tarcze hamulcowe to również oszczędność wagi. Bardzo często wewnętrzna piasta tarczy wykonana jest z lekkich stopów. Spotykane są także inne konstrukcje. BMW w wielu modelach proponuje tak zwane tarcze pół-pływające, których elementy trzymające pływającą tarczę przykręcone są bezpośrednio do felgi. Od strony działania nie różni się to niczym od klasycznych tarcz pływających. W obu przypadkach stalowy dysk ma możliwość poruszania się na boki.

Ciekawą koncepcję swego czasu zaprezentował Buell. W tych amerykańskich motocyklach stosowano bardzo dużą pojedynczą tarczę montowaną zewnętrzną stroną do obręczy koła. To nietuzinkowe rozwiązanie nie przyjęło się w innych motocyklach i zniknęło z rynku razem z marką Buell.

Dokąd idziesz, tarczo?

Dzisiaj może się wydawać, że tarcze hamulcowe w motocyklach produkcyjnych zostały doprowadzone do perfekcji. Średnica 330 mm wydaje się maksimum tego, co jest niezbędne do bardziej niż poprawnego hamowania. Czy wejdą rozwiązania znane z wyścigów? Póki karbon wymaga tak wysokiej temperatury i nie gwarantuje wysokich przebiegów, jest to bardzo mało prawdopodobne. W najdroższych sportowych samochodach dostępne są także tarcze ceramiczne (a właściwie karbonowo-ceramiczne). Koszt takich kompozytowych elementów jest bardzo duży, ale godna podkreślenia jest wydajność, odporność na wysoką temperaturę (podobnie jak w przypadku węglowych tarcz z MotoGP) i – co najważniejsze – bardzo dobra trwałość (kilka razy wyższa niż w przypadku klasycznych tarcz żeliwnych). Jak dotąd, technologia ta nie zawitała jeszcze do seryjnych motocykli. A co czas pokaże? Zobaczymy!