Jak działa hamulec tarczowy? To bardzo proste…

Hamulce tarczowe, poza tanimi i niezbyt mocnymi motocyklami i skuterami, to obecnie jedyny typ systemu hamulcowego. Jednak jego poprzednik, hamulec bębnowy, długo pozostawał na rynku. Wbrew temu, co dzisiaj sądzimy, bębny wcale nie zawsze zapewniały niską skuteczność hamowania. Dopracowane i dobrze wykonane, potrafiły naprawdę sprawnie radzić sobie z wytracaniem prędkości. Miały jednak bardzo poważną wadę, wynikającą z ich zamkniętej konstrukcji. Podczas intensywnego użytkowania, bardzo szybko osiągały wysokie temperatury, w których współczynniki tarcia metalu i okładzin ciernych drastycznie spadały.

Z pomocą przyszły wentylowane bębny, ale nie rozwiązywały w pełni problemu przegrzewania. Remedium okazał się dopiero hamulec tarczowy. Co prawda już w 1923 roku w motocyklu Douglas RA eksperymentowano z tym rozwiązaniem, a we wczesnych latach 60. MV Agusta próbowała je reanimować, jednak do szerszego grona odbiorców trafiło dopiero w 1969 roku wraz z premierą Hondy CB 750.

Choroby wieku dziecięcego

Przejście z bębna na tarcze wymagało konwersji całego układu. Funkcję rozpieraków i szczęk przejął zacisk i klocek, obsługiwane już nie linką, a pompą hamulcową i płynem pod ciśnieniem. Jak nietrudno się domyślić, zbyt dużo było tu nowych rzeczy, które miały prawo kiepsko działać. Niedopracowany układ hydrauliczny zapewniał przeciętną siłę hamowania, nierzadko gorszą od bębnów, a w deszczu sytuacja stawała się beznadziejna. Gdy na pełną, rozgrzaną w czasie jazdy tarczę prysnęła woda, powstająca para wodna nie miała dokąd uciekać spomiędzy tarczy i klocka hamulcowego, zmniejszając tarcie między nimi.

Były jednak dwie niepodważalne zalety: znacznie większa odporność na przegrzanie i zmniejszenie masy nieresorowanej. Mały zacisk z klockami i relatywnie cienki, metalowy dysk ważą znacznie mniej od bębna, co miało niemały wpływ na poprawę prowadzenia. Nie można też zapomnieć o prostszej konstrukcji. Wymiana każdego z elementów układu tarczowego jest znacznie łatwiejsza i szybsza niż w bębnach.

Trzeba wykorzystać potencjał

Już na starcie tarcze hamulcowe, oprócz wad, pokazały także wiele zalet. Dlatego też szybko zaczęto pracować nad ich rozwojem i dziś większość wad wyeliminowano.Najpoważniejszą był drastyczny spadek siły tarcia w razie kontaktu z wodą. Zjawisko ograniczono, nawiercając tarcze, co dało w końcu parze wodnej drogę ucieczki spomiędzy tarczy i klocków. Jednak nie tylko odprowadzenie wody było motywacją do nawiercania tarcz hamulcowych. Motocykle stawały się coraz mocniejsze, więc dla sprawnego hamowania trzeba było zwiększyć siły tarcia, działające na tarcze. Większa energia kinetyczna, którą rozprasza dysk, oznacza większą ilość powstającego ciepła do rozproszenia i wyższą temperaturę trących elementów. Otwory były więc konieczne do lepszego chłodzenia tarczy.

Jej przegrzanie to jednak nie tylko mniejsza siła hamowania, ale także zmniejszona żywotność. Istnieje bowiem ryzyko zwichrowania tarczy. Gdy rozgrzany metal zostanie gwałtownie schłodzony np. po wjechaniu w kałużę, powstają w nim naprężenia i mogą doprowadzić do odkształcenia (skrzywienia). Taka sytuacja może też prowadzić do mikropęknięć materiału. Im większa różnica temperatur, tym pęknięcia są większe, a co za tym idzie, tarcza jeszcze bardziej się osłabia.

Niekończące się eksperymenty

Przez wiele lat tarcze wykonywano z żeliwa, materiału o wysokim współczynniku tarcia, stosunkowo taniego i łatwego w obróbce, a przy tym dobrze radzącego sobie z odprowadzaniem ciepła. Dziś jednak większość tarcz wykonuje się z nierdzewnej stali stopowej. Co prawda jest droższa od żeliwa, ale jest lżejsza oraz znacznie odporniejsza na pęknięcia i deformacje pod wpływem ekstremalnych temperatur. To dosyć istotne zalety, bowiem nawet w mieście tarcze mogą osiągnąć ok. 300°C, natomiast w ekstremalnych warunkach, np. w jeździe sportowej, nawet 600°C. Powyżej tej wartości wydajność hamulców drastycznie spada.

Na decyzję, by zamienić żeliwo na stal wpłynął też zakaz produkcji i używania klocków azbestowych. Nowe okładziny, wykonane ze spieków organicznych lub z dodatkami metali, znacznie lepiej współpracowały ze stalą stopową. Eksperymentowano także z innymi materiałami. Jednym z nich było aluminium, które najszerzej zastosowano w wyścigach GP 125 i 250 na początku lat 80. Ze względu na niską wagę, korzyści dla prowadzenia były spore, w dodatku aluminium bardzo sprawnie radzi sobie z oddawaniem ciepła. Jednak na rynku nie przyjęło się w ogóle, a w wyścigach też nie gościło zbyt długo. Temperatura topnienia aluminium to ok. 300°C, podczas gdy stali to ok. 1500°C. Przez to ich użycie w cięższych i mocniejszych motocyklach nie miało sensu, poza tym aluminiowe tarccze były bardzo nietrwałe i w ogóle nieodporne na gwałtowne zmiany temperatur i zwichrowania.

Eksperymenty mimo kosztów

W fazie eksperymentalnej był jeszcze tytan, jednak nie wyszedł poza nią. Zalety tego metalu są ogromne: wysoka wytrzymałość i odporność na zwichrowanie oraz nieporównywalnie skuteczniejsze do innych materiałów oddawanie ciepła. Nieporównywalnie wysokie były także koszty produkcji.

Nie odstraszyły one jednak inżynierów od produkcji tarcz z włókna węglowego. Obecnie żadne inne rozwiązanie nie zapewnia tak ogromnej skuteczności hamowania. Cała magia karbonowych tarcz polega na tym, że współpracują z klockami z tego samego materiału, więc trudno mówić, żeby między nimi występowało tarcie. Ich relacje można określić prędzej jako spawanie lub spiekanie. W trakcie hamowania oba elementy jakby próbowały się ze sobą połączyć.

Jednak żeby zauważyć, jakie są korzyści z zastosowania włókna węglowego, tarcza musi osiągnąć temperaturę co najmniej 250°C. Dopiero wówczas zaczyna pojawiać się zjawisko „spawania”. Bez spełnienia tego warunku wydajność takich hamulców jest beznadziejna. Dlatego też ani klocków, ani tarcz z włókien węglowych nie używa się w czasie deszczu. Nie pozwala on na osiągnięcie odpowiedniej temperatury. Zatem w użytku drogowym nie stosuje się ich w ogóle i można je spotkać jedynie w wyścigach i to w warunkach suchych.

Oprócz skuteczności, tarcze karbonowe mają i inne zalety: przesuniętą granicę przegrzania – w okolicach 700-800°C wciąż zapewniają ogromną skuteczność, nieosiągalną dla stalowych; niską wagę – stalowe tarcze ważą ok. 1,5 kg, podczas gdy karbonowe nawet tylko ok. kilograma.

Ruch popłaca

Pewną niedogodnością w układach tarczowych okazała się cecha, która sprawia, że nawet gdy dźwignia hamulca pozostaje nietknięta, klocek zawsze w minimalnym stopniu trze o tarcze. Taki urok układu hydraulicznego, żeby zapewnić natychmiastowe działanie. Niestety ma to negatywne skutki. Ciągłe, choć niewielkie tarcie prowadzi do nadmiernego nagrzewania się hamulca i przyśpieszonego zużycia okładzin hamulcowych, a także niepotrzebnego zużycia paliwa. Poradzono sobie z tym w następujący sposób: między wieńcem tarczy a mocowaniem do piasty umieszczono tulejki. Dzięki nim wieniec ma pewną swobodę osiową, czyli – w tym przypadku – „na boki”. Jest niemalże niezauważalna gołym okiem, ale wystarczająca, żeby między klockiem i tarczą (nazywaną z tego powodu pływającą) zachowany został odstęp. Można spotkać różne połączenia pływające, jednak zasada ich działania zawsze jest taka sama.

Tarcze również mogą mieć różne wzory, spotka się np. z falowaną krawędzią. Nie wpływa to jednak w żadnym stopniu na skuteczność hamowania, bowiem powierzchnia robocza jest taka sama. Wymyślne kształty to po prostu stylistyczny bajer.

Wyjątkiem były tarcze mocowane nie do piasty, a do obręczy, tak jak w motocyklach Buell. Siła hamowania, jaką zapewniały, była znacznie większa, niż przy tradycyjnym montażu. Większa była także masa i nietolerancja na niestaranie wykonaną felgę, więc koncepcja nie przyjęła się na większą skalę.

Prosta sprawa

W przypadku tarcz hamulcowych, rozmiar rzeczywiście ma znaczenie. Im większa średnica tarczy (średnia, bo chodzi też o wewnętrzną krawędź powierzchni roboczej), tym efektywność hamowania jest większa, ale jednocześnie rośnie „brutalność” charakterystyki jej osiągania. Hamulec z ogromnymi tarczami jest bardzo „ostry”, dlatego np. w motocyklach crossowych czy enduro, gdzie kluczowe jest wyczucie punktu działania hamulca, stosuje się pojedynczą tarczę o średnicy maksymalnie 270 mm z przodu i 240 z tyłu. Natomiast w motocyklach trialowych, gdzie wymagana jest ogromna precyzja i wyczucie, tarcze hamulcowe rozmiarem przypominają te z rowerów górskich.

Na drugim końcu skali są motocykle wyścigowe, gdzie średnica tarcz przednich wynosi nawet 340 mm. Innym ich wyróżnikiem (na tle stosowanych w maszynach drogowych) jest większa grubość, która pozwala na lepszą wymianę ciepła. W gruncie rzeczy tylko z tego powodu zastępuje się standardowe elementy wyścigowymi. Współczesne produkty renomowanych marek są tak dopracowane i wytrzymałe, że w przypadku użycia drogowego każda tarcza renomowanego producenta radzi sobie doskonale.