Τα σύγχρονα συστήματα πέδησης και υποβοήθησης πέδησης είναι πολύ εντυπωσιακά. Οι κατασκευαστές τους ανταγωνίζονται μεταξύ τους για να παρέχουν τις πιο αποτελεσματικές και άνετες λύσεις πέδησης. Ωστόσο, ο δρόμος για την επίτευξη των σημερινών λύσεων μηχανικής ήταν μακρύς.
Οι απαρχές των συστημάτων πέδησης
Η σημασία των φρένων στα σύγχρονα αυτοκίνητα είναι αδιαμφισβήτητη. Το σύστημα πέδησης είναι ένα από τα πιο σημαντικά συστήματα αυτοκινήτου σήμερα. Αλλά τα φρένα δεν ήταν πάντα τόσο σημαντικά. Στην αρχή της αυτοκινητοβιομηχανίας, οι εφευρέτες επικεντρώθηκαν στο να βρουν πώς να ξεκινήσουν το αυτοκίνητο παρά στο πώς να σταματήσουν. Η εσωτερική αντίσταση των μηχανών σε συνδυασμό με άλλα, απλά μέσα ήταν τα συστήματα πέδησης της εποχής. Τα πρώτα αυτοκίνητα σταματούσαν με μοχλούς που πιέζουν ένα ξύλινο τακάκι στο χείλος του τροχού ή με άλλα μέσα πέδησης που χρησιμοποιούνται στα βαγόνια. Στην πραγματικότητα, τα αυτοκίνητα έμοιαζαν με καρότσια και ως εκ τούτου μοιράζονταν πολλά σχεδιαστικά χαρακτηριστικά μαζί τους.
Δεν άργησε, όμως, να παρατηρηθεί ότι τέτοια αυτοσχέδια φρένα δεν ήταν πολύ αποτελεσματικά. Τα ξύλινα τακάκια φθείρονταν γρήγορα σε επαφή με τους τροχούς και δεν παρείχαν επαρκή ισχύ πέδησης σε απότομους δρόμους. Και ο κόσμος ήθελε να πάει όλο και πιο γρήγορα. Δοκιμάστηκαν διάφορες λύσεις με στόχο τη μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια μέσω μιας πιο αποδοτικής μεθόδου. Όλο και πιο αποτελεσματικά υλικά τριβής χρησιμοποιήθηκαν π.χ. από χαλκό, που αύξησε τη δύναμη τριβής. Ωστόσο, είχαν ένα σημαντικό μειονέκτημα – ήταν πολύ θορυβώδη σε επαφή με τους μεταλλικούς τροχούς. Για να διορθωθεί αυτό, θα καλυφθούν με μαλακά υλικά τριβής, π.χ. αμίαντο, βαμβάκι ή καουτσούκ. Αυτές οι λύσεις ήταν επαρκείς καθώς τα αυτοκίνητα δεν μπορούσαν να κινηθούν γρήγορα.
Ελαστικά – μια νέα πρόκληση για τα φρένα αυτοκινήτου
Η ανάπτυξη των φρένων έχει επηρεαστεί σε μεγάλο βαθμό από τα πνευματικά ελαστικά. Παρείχαν καλύτερη άνεση σε ανώμαλο έδαφος και επέτρεπαν την οδήγηση σε υψηλότερες ταχύτητες, αλλά δεν λειτουργούσαν καλά με τα πρωτόγονα φρένα της ημέρας. Ένα τακάκι που πιέζεται απευθείας πάνω σε ένα ελαστικό μπορεί να έχει λειτουργήσει σε ένα ποδήλατο αλλά όχι σε ένα πολύ βαρύτερο αυτοκίνητο. Έτσι, αναπτύχθηκε ένας νέος τύπος φρένων, που είναι κρυμμένος μέσα στον τροχό. Σε αντίθεση με ό,τι θα περίμενε κανείς, το ταμπούρο και το δισκόφρενο σχεδιάστηκαν περίπου την ίδια εποχή.
Το πρώτο δισκόφρενο εφευρέθηκε το 1902 από τον Frederic Wilhelm Lanchester, έναν Άγγλο μηχανικό, ενώ το ταμπούρο κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον Louis Renault την ίδια χρονιά. Άλλοι μηχανικοί, συμπεριλαμβανομένων των Gottlieb Daimler και Wilhelm Maybach, είχαν πειραματιστεί επίσης με τα ταμπούρα, αλλά ήταν το σχέδιο της Renault που επικράτησε. Αντί για ένα ταμπούρο από χυτοσίδηρο τυλιγμένο σε σχοινιά, εφάρμοσε μια πολύ πιο αποτελεσματική λύση, δηλαδή τα πέλματα φρένων να πιέζουν το ταμπούρο. Αυτός ο τύπος φρένων έχει επιβιώσει μέχρι σήμερα. Όχι βέβαια χωρίς τροποποιήσεις.
Υδραυλικά συστήματα πέδησης
Τα πρώτα φρένα του αυτοκινήτου ήταν πλήρως μηχανικά και τροφοδοτούνταν αποκλειστικά από τη μυϊκή δύναμη του οδηγού. Αρχικά, μόνο οι πίσω τροχοί ήταν εξοπλισμένοι με φρένα. Ένα αυτοκίνητο με φρένα και στους τέσσερις τροχούς σχεδιάστηκε μόλις το 1909, κυρίως λόγω ανεπαρκών γνώσεων μηχανικής, που εμπόδισαν την εφεύρεση των φρένων που διασφαλίζουν τη σταθερότητα του αυτοκινήτου. Ελεγχόμενα από χαλυβδινες ντίζες, τα ταμπούρα λειτουργούσαν με ποικίλη δύναμη και ο συγχρονισμός τεσσάρων ζευγαριών πελμάτων φρένων ήταν πρόβλημα.
Μια σημαντική ανακάλυψη έγινε το 1917, όταν ο Malcolm Loughead, ο οποίος αργότερα έγινε γνωστός ως Lockhead, κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τα υδραυλικά φρένα. Αυτός ο τύπος φρένων εφευρέθηκε για πρώτη φορά από τον Hugo Meyer της Γερμανίας το 1895, αλλά δεν έπιασε. Τα φρένα του Lockead ήταν τα πρώτα υδραυλικά φρένα μαζικής παραγωγής. Η εφαρμογή ενός υδραυλικού υγρού άλλαξε πολλά. Πρώτον, αυξήθηκε η δύναμη πέδησης. Δεύτερον, εξαλείφθηκε το πρόβλημα της ρωγμής και της χαλάρωσης των συρματόσχοινων, με αποτέλεσμα τα φρένα να γίνονται πιο βολικά στη χρήση. Τα πρώτα υδραυλικά φρένα ήταν διαβόητα για διαρροές, αλλά ήταν πολύ πιο αξιόπιστα από τα μηχανικά φρένα.
Λίγα χρόνια αργότερα, το 1928, προστέθηκε ένα επιπλέον χαρακτηριστικό – υποβοήθηση πέδησης. Ένας σερβομηχανισμός πέδησης χρησιμοποιούσε αρνητική πίεση που παράγεται στο σύστημα εισαγωγής για να αυξήσει τη δύναμη πέδησης. Μετά το πάτημα του πεντάλ του φρένου, ο κύριος κύλινδρος ενεργοποιήθηκε και μια βαλβίδα απελευθέρωσε την αρνητική πίεση από την πολλαπλή εισαγωγής. Η διαφορά πίεσης μεταξύ των δύο τμημάτων της μεμβράνης δημιούργησε μια δύναμη που επενεργούσε επιπλέον στο έμβολο της αντλίας. Η δύναμη ήταν ευθέως ανάλογη με το πόσο πατήθηκε το πεντάλ του φρένου. Με αυτόν τον τρόπο ο οδηγός μπορούσε να ελέγξει εύκολα τη δύναμη πέδησης. Καθώς τα φρένα γίνονταν όλο και πιο αποτελεσματικά, τα αυτοκίνητα μπορούσαν να κινούνται όλο και πιο γρήγορα.
Σταδιακή πτώση των ταμπούρων
Τα ταμπούρα κυριάρχησαν στην αυτοκινητοβιομηχανία για πολλά χρόνια. Μπορείτε ακόμα να τα συναντήσετε στον πίσω άξονα κάποιων μικρών και όχι πολύ δυνατών αυτοκινήτων, π.χ. αυτοκίνητα πόλης. Οφείλουν την επιτυχία τους στην καθαρή ευκαιρία. Όσο στιβαρά κι αν είναι, τα ταμπούρα είναι ανθεκτικά σε διαφορετικές συνθήκες δρόμου και δεν είναι τόσο αναποτελεσματικά όσο νομίζουν πολλοί. Ωστόσο, έχουν πρόβλημα με την υψηλή θερμοκρασία.
Το καλά κλειστό ταμπούρο του φρένου δυσκόλευε τη διάχυση της θερμότητας. Η έκταση των πελμάτων του φρένου απαιτούσε μεγάλη δύναμη και εφαρμογή ενός μεγάλου και βαρύ ταμπούρου. Τα φρένα ταμπούρου ήταν επίσης ελαττωματικά. Αν και ήταν απλά στη σχεδίαση και είχαν κλειστό περίβλημα, τα πέλματα τους συχνά μπλοκάρονταν, με αποτέλεσμα να υπερθερμανθούν τα φρένα. Αυτό θα οδηγούσε σε ξαφνική απώλεια της δύναμης πέδησης και θα οδηγούσε σε επικίνδυνες καταστάσεις. Ευτυχώς εφευρέθηκαν τα δισκόφρενα.
Συμπίεση ή πώς λειτουργούν τα δισκόφρενα
Όπως πολλές άλλες νέες εφευρέσεις, τα πρώτα σύγχρονα δισκόφρενα έκαναν το ντεμπούτο τους στον αθλητισμό. Το 1993, μια Jaguar XK εξοπλισμένη με τέσσερα δισκόφρενα Dunlop κέρδισε τον 24ωρο αγώνα Le Mans. Η επανάσταση των συστημάτων πέδησης είχε αρχίσει.
Σε αντίθεση με τις χάλκινες επενδύσεις φρένων του 1902, τα μοντέρνα τακάκια δεν τρίζουν ούτε φθείρονται τόσο γρήγορα. Σύντομα, θα εφαρμοστούν πιο προηγμένες επενδύσεις τριβής, όπως κεραμικά, ημιμεταλλικά μείγματα ή Kevlar. Ο αμίαντος, ο οποίος είχε διαπιστωθεί ότι προκαλεί καρκίνο, θα καταργούνταν σύντομα. Όλα τα τακάκια των φρένων χρησιμοποιούν το ίδιο, βασικό πλεονέκτημα του δισκόφρενου – υψηλότερη απόδοση ακόμη και κατά τη δυναμική οδήγηση.
Το κλειδί είναι η απαγωγή της θερμότητας από τα δισκόφρενα. Ψύχονται από τον άνεμο, μεταφέρουν θερμότητα στις ζάντες και μπορεί επιπλέον να διαθέτουν ειδικές οπές εξαερισμού. Είναι ιδανικά για οδήγηση στο βουνό, δυναμική οδήγηση και φρενάρισμα έκτακτης ανάγκης. Τα έμβολα ασκούν πίεση στο υλικό τριβής και, κατά συνέπεια, στο δίσκο του φρένου. Είναι επίσης πιο συμβατά με τα συστήματα υποστήριξης οδηγού όπως το ABS ή το ESP. Το σφίξιμο αποδεικνύεται καλύτερη μέθοδος πέδησης από το σπρώξιμο. Οι δαγκάνες υπερισχύουν των φερμουί.
Το μέλλον στα φρένα των αυτοκινήτων
Τα κέντρα έρευνας και ανάπτυξης συνεχίζουν τις προσπάθειές τους για τον σχεδιασμό ακόμη πιο αποτελεσματικών φρένων. Τα συστήματα πέδησης συνεχίζουν να αλλάζουν ως προς τα υλικά και τη σχεδίαση. Όλο και περισσότεροι κατασκευαστές εφαρμόζουν το λεγόμενο καψάλισμα, δηλαδή βραχυπρόθεσμη θέρμανση της επιφάνειας των τακακιών φρένων στους 600-800 °C για να αυξήσουν την αντοχή τους στην πτώση της απόδοσης του υλικού που προκαλείται από τη θερμοκρασία. Οι κατασκευαστές δίνουν επίσης μεγαλύτερη προσοχή στη μείωση των κραδασμών και των θορύβων. Τα καλής ποιότητας τακάκια διαθέτουν ενδιάμεσο στρώμα που μειώνει τους θορύβους και τους κραδασμούς.
Φαίνεται ότι τα συστήματα πέδησης θα έχουν σύντομα πολύ λιγότερη δουλειά από ό,τι σήμερα. Η ανάπτυξη υβριδικών και ηλεκτρικών αυτοκινήτων καθιστά τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας μια ολοένα και πιο σοβαρή εναλλακτική λύση στα φρένα. Τα συστήματα ανάκτησης που ήταν γνωστά μέχρι πρόσφατα από τα μονοθέσια της Formula 1 γίνονται όλο και πιο δημοφιλή. Η ενέργεια που παράγεται κατά το φρενάρισμα δεν μετατρέπεται πλέον σε θερμότητα και χάνεται ανεπανόρθωτα, αλλά μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Φυσικά, η ανάκτηση ενέργειας δεν θα αντικαταστήσει τα συμβατικά δισκόφρενα ούτε θα είναι αρκετή κατά το δυνατό φρενάρισμα. Ωστόσο, μπορεί εύκολα να μειώσει τη φθορά των δίσκων και των τακακιών των φρένων κατά την εύκολη, καθημερινή οδήγηση. Σύντομα θα μάθουμε αν οι ειδικοί είχαν δίκιο στις προβλέψεις τους.