Współczesne układy hamulcowe oraz systemy wspomagania hamowania robią niesamowite wrażenie. Producenci prześcigają się w pomysłach nie tylko na poprawę skuteczności hamowania, ale i poprawienia komfortu działania hamulców. Droga do dzisiejszych osiągnięć inżynieryjnych była jednak dość długa.
Początki układów hamulcowych
We współczesnych samochodach rola hamulców jest bezsporna. To jeden z najważniejszych układów. Nie zawsze jednak hamulce miały tak duże znaczenie. W początkach automobilizmu wynalazcy głowili się raczej nad tym, jak samochód wprawić w ruch, a nie jak go zatrzymać. Rolę hamulców przejmowały zatem duże opory wewnętrzne maszyn i proste środki. Pierwsze samochody zatrzymywane były dźwigniami dociskającymi drewniany klocek do obręczy lub innymi systemami znanymi z powozów. W gruncie rzeczy pojazdy były wówczas podobne do karet, a zatem dzieliły z nimi wiele rozwiązań konstrukcyjnych.
Szybko jednak zauważono, że prowizoryczne hamulce nie mają zbyt dużej skuteczności. Drewniane klocki szybko niszczyły się w kontakcie z kołem i nie zapewniały wystarczającej siły hamowania na stromych zjazdach. A ludzie pragnęli jeździć szybciej. Eksperymentowano więc z różnego rodzaju rozwiązaniami, które zamieniałyby energię kinetyczną w cieplną bardziej skuteczną metodą. Pojawiały się coraz skuteczniejsze okładziny, np. miedziane, które zwiększały siłę tarcie, jednak miały sporą wadę – były bardzo głośne w kontakcie z metalowym kołem. Oklejano je więc miękkimi materiałami ściernymi, np. azbestem, bawełną czy gumą. Rozwiązania te wystarczały, bowiem samochody i tak nie rozwijały zbyt dużych prędkości.
Opony – nowe wyzwanie dla hamulców samochodowych
Na rozwój hamulców w dużym stopniu wpłynęły opony pneumatyczne. Zapewniały one większy komfort na nierównościach i umożliwiały rozwinięcie wyższych prędkości, ale niezbyt dobrze współpracowały w prymitywnymi hamulcami. Docisk klocka hamującego bezpośrednio do opony sprawdzał się w rowerze, ale nie znacznie cięższym automobilu. Stąd też pracowano nad nowym typem hamulca, ukrytym wewnątrz koła. Wbrew pozorom powstanie nowoczesnego hamulca bębnowego oraz tarczowego zbiegło się w czasie.
Pierwszy hamulec tarczowy powstał w 1902 roku i został wynaleziony przez angielskiego inżyniera, Fryderyka Wilhelma Lanchestera. Hamulec bębnowy został natomiast opatentowany w tym samym roku przez Louisa Renaulta. Wcześniej z hamulcami bębnowymi eksperymentowali m.in. Gottelieb Daimler oraz Wilhelm Maybach, jednak to konstrukcja francuskiego inżyniera była doskonalsza. Zamiast żeliwnego bębna owiniętego linami zastosował on znacznie efektywniejsze rozwiązanie, czyli szczęki hamulcowe rozpierające bęben. Taki rodzaj hamulca, oczywiście w zmodyfikowanej wersji, przetrwał do dziś.
Hydraulika w układach hamulcowych
Pierwsze hamulce samochodowe były w pełni mechaniczne, napędzane jedynie siłą mięśni kierowcy. Początkowo wyhamowywano jedynie tylne koła i samochód z hamulcami na wszystkich czterech kołach pojawił się dopiero w 1909 roku. Wynikało to z niedostatków inżynieryjnych, które utrudniały stworzenie hamulców zapewniających autu stabilność. Bębny zawiadywane stalowymi linkami działały z różną siłą i synchronizacja czterech par szczęk stanowiła spory problem.
Przełomem w rozwoju hamulców było opatentowanie w 1917 roku hamulców hydraulicznych przez Malcolma Lougheada, znanego później pod nazwiskiem Lockhead. Hamulce hydrauliczne znane były już w 1895 roku, jednak wynalazek Niemca Hugo Meyera w owych czasach nie przyjął się. Dopiero hamulce firmy Lockhead pojawiły się w seryjnej produkcji. Zastosowanie płynu hydraulicznego zmieniło wiele. Zwiększyło siłę hamowania, wyeliminowało problem pękających i luzujących się linek oraz sprawiło, że hamulce były wygodniejsze w obsłudze. Problemem pierwszych konstrukcji były oczywiście wycieki, jednak awaryjność hamulców hydraulicznych była znacznie mniejsza od mechanicznych konstrukcji.
Niewiele później, bo już w 1928 roku, wprowadzono do produkcji dodatkowe ułatwienie – wspomaganie hamulców. Serwo hamulcowe wykorzystywało podciśnienie generowane w układzie dolotowym do tego, by zwiększyć siłę hamowania. W momencie naciśnięcia na pedał hamulca aktywuje się pompa hamulcowa i otwiera jednocześnie zawór umożliwiający działanie podciśnienia z kolektora. Różnica ciśnień pomiędzy jedną częścią membrany i drugą wytwarza siłę, która dodatkowo wspiera tłoczek pompy. Siła ta jest wprost proporcjonalna do stopnia wciśnięcia pedału hamulca, więc kierowca może w prosty sposób modulować siłą hamowania. A skoro hamulce stają się skuteczniejsze, samochody mogą jeździć coraz szybciej.
Powolny zmierzch hamulców bębnowych
Hamulce bębnowe dominowały w motoryzacji przez dziesięciolecia. Do dziś można je spotkać na tylnej osi małych i niezbyt mocnych samochodów, np. miejskich. Ich niewątpliwy sukces nie był przypadkowy. Mocno zabudowane bębny są odporne na warunki drogowe i wbrew pozorom nie są tak nieskuteczne, jak mogłoby się wydawać. Prawdziwym problemem jest to, jak radzą sobie z wysokimi temperaturami.
Zamknięty bęben hamulca już sam w sobie utrudniał rozproszenie ciepła. Rozpieranie szczęk wymagało dużej siły, a do zyskania odpowiedniej skuteczności konieczne jest zastosowanie dużego i ciężkiego bębna. Sporym problemem bywa także awaryjność hamulców bębnowych. Mimo stosunkowo prostej konstrukcji i zamkniętej budowy, dość często dochodziło do zapiekania się szczęk, co prowadziło do przegrzania hamulca. Przegrzany hamulec traci swoją skuteczność, a nagły zanik siły hamowania może być bardzo niebezpieczny. Na szczęście pojawiła się lepiej dopracowana alternatywa – hamulce tarczowe.
Ściskanie, czyli przepis na hamulce tarczowe
Podobnie jak wiele innych wynalazków motoryzacyjnych, pierwsze nowoczesne hamulce tarczowe pojawiły się w motosporcie. W cztery tarczówki Dunlopa wyposażony zostaje w 1953 roku Jaguar XK, który bierze udział w 24-godzinnym wyścigu Le Mans. Wyposażony w nowy rodzaj hamulców samochód wygrywa wyścig. Droga do rewolucji w układach hamulcowych stoi otworem.
W odróżnieniu od miedzianych okładzin hamulcowych z 1902 roku nowoczesne klocki nie piszczą i nie zużywają się tak szybko. Niedaleka przyszłość przyniesie także doskonalsze materiały okładzin ciernych, np. ceramikę, półmetaliczną mieszankę czy kevlar. W zapomnienie odejdzie natomiast azbest, którego rakotwórcze właściwości staną się sporym problemem. Wszystkie klocki hamulcowe wykorzystają jednak podstawową zaletę hamulców tarczowych, czyli wyższą skuteczność i to nawet podczas dynamicznej jazdy.
Odprowadzanie ciepła z hamulców tarczowych jest tutaj ważnym argumentem. Są chłodzone przez wiatr, oddają ciepło felgom, a dodatkowo mogą mieć specjalne otwory wentylacyjne. Świetnie sprawdzają się w warunkach górskich, nadają się do dynamicznej jazdy i lepiej radzą sobie podczas awaryjnego hamowania. Tłoczki wywierające nacisk na okładziny hamulcowe, a przez to i na tarczę hamulcową, mogą też lepiej współpracować z układami wspomagającymi kierowcę, takimi jak ABS czy ESP. Ściskanie okazuje się lepszym sposobem na wyhamowanie samochodu od rozpierania. Zaciski górują nad szczękami.
Przyszłość hamulców samochodowych
Ośrodki badawczo-rozwojowe nie ustają w opracowaniu jeszcze skuteczniejszych hamulców. Zmieniają się materiały, systemy i konstrukcje układu hamulcowego. Coraz więcej producentów stosuje tzw. schorching, czyli krótkotrwałe nagrzewanie powierzchni klocków hamulcowych do 600-800 °C. Ma to na celu zwiększyć odporność na tzw. fading, czyli spadek wydajności okładziny pod wpływem temperatury hamulców. Coraz więcej uwagi przywiązuje się także do zmniejszenia drgań i pisków hamulców. W dobrej jakości klockach pojawia się międzywarstwa izolująca dźwięki i zmniejszająca wibracje.
Wiele wskazuje jednak na to, że już niedługo układ hamulcowy będzie miał znacznie mniej pracy niż obecnie. Rozwój samochodów hybrydowych i elektrycznych sprawia, że coraz poważniejszą alternatywę dla hamulców stanowią układy odzyskiwania energii. Systemy regeneratywne znane do niedawna z samochodów Formuły 1 z roku na rok zyskują większą popularność. Energia generowana podczas hamowania nie jest już zamieniana w ciepło i bezpowrotnie tracona, a przekształcana w energię elektryczną. Odzyskiwanie energii oczywiście nie zastąpi klasycznych hamulców tarczowych i nie wystarczy podczas gwałtownego hamowania. Może jednak w prosty sposób zmniejszyć zużycie tarcz hamulcowych oraz klocków podczas spokojnej, codziennej jazdy samochodem. O trafności przewidywań specjalistów przekonamy się już niebawem.