W związku z warunkami, jakie panują w miejscu styku okładziny ciernej z tarczą hamulcową lub bębnem hamulcowym, wymagania stawiane materiałom ciernym są dość wysokie.

Powiązane firmy

Jednym z najważniejszych jest odporność na wysokie temperatury, które mogą sięgnąć 600–700°C. Następnym kryterium jest stabilność okładziny ciernej, czyli zachowanie niezmiennych parametrów w trakcie pracy podczas całego okresu jej użytkowania. Kolejnym wymogiem jest wysoka żywotność. Klocki hamulcowe potrafią wytrzymać 80–100 tys. km przebiegu. Od klocków hamulcowych wymaga się ponadto dobrej współpracy z materiałem tarczy hamulcowej i odporności na zużycie.

Dobra odporność termiczna wymaga stosowania większej ilości domieszek metalicznych, które z kolei niekorzystnie wpływają na żywotność tarczy hamulcowej. Dodanie większej ilości środków smarnych, takich jak grafit, poprawia współpracę materiału ciernego z materiałem tarczy, zmniejszając jej zużycie. Jednocześnie jednak zmniejsza skuteczność hamowania, obniżając współczynnik tarcia.

Materiał, z jakiego wykonana jest mieszanka cierna oraz konstrukcja samego klocka hamulcowego, wpływa także na natężenie hałasu generowanego podczas hamowania. Jak widać, materiał cierny ma wiele sprzecznych cech, więc konieczne jest wyważenie proporcji składników w celu osiągnięcia kompromisu.

Jak dodaje Wojciech Sokołowski, trener techniczny firmy TMD Friction, właściciela marki Textar, materiał cierny stosowany w klockach hamulcowych i okładzinach hamulców bębnowych różni się składem. Wiąże się to z siłami oddziałującymi na poszczególne elementy układu hamulcowego. Przyjmuje się, że 70% siły hamowania przypada na oś przednią, a 30% na tylne koła. Te proporcje przekładają się na dobór materiałów ciernych. Materiał bazowy klocka i okładziny hamulcowej może być podobny, lecz dodatki, odpowiadające bezpośrednio za tarcie, różnią się znacznie. Dzięki temu współczynnik tarcia klocków hamulcowych stosowanych na osi przedniej wyniesie np. 0,4, a szczęk zamontowanych na tylnej osi – 0,3. Z tego powodu każdy materiał cierny dopasowywany jest do wymagań konkretnego modelu pojazdu oraz zastosowania.

Receptury mieszanek stosowanych w TMD Friction składają się z nawet 43 różnych materiałów. Ich składy opracowywane są już na początku cyklu rozwoju nowego klocka hamulcowego. Do ich tworzenia firma TMD Friction wykorzystuje specjalistyczną wiedzę dotyczącą działania układów hamulcowych, dziesiątki lat doświadczenia i informacje pochodzące ze ścisłej współpracy z producentami pojazdów. Umożliwia to spełnienie oczekiwań w zakresie współczynnika tarcia, komfortu hamowania oraz wpływu na środowisko.

W zależności od obszaru zastosowania i wymagań rynku TMD Friction oferuje 3 grupy materiałów ciernych dla samochodów osobowych i pojazdów użytkowych, zaspokajających specyficzne zapotrzebowanie rynku:

Semi-metallic friction materials – półmetalowe materiały cierne, które są stosowane głównie na rynku krajowym USA. Zawierają dużą ilość włókien stalowych. Współczynnik tarcia tego materiału wynosi ok. 0,4. Okładzina nie jest bardzo odporna na ciepło, ale zużywa się powoli, co chroni tarcze. Zwykle niski współczynnik tarcia dobrze wpływa na redukcję hałasu.

NAO (non-asbestos organics) friction materials – materiały organiczne niezawierające azbestu. W zależności od zastosowania materiały te mają współczynnik tarcia między 0,25 a 0,5. Zapewniają największą moc hamowania. W przeciwieństwie do kategorii semi-metallic i materiałów ciernych bez stali materiały NAO zawsze spełniają europejskie normy prawne.

Low steel friction materials – materiał o niskiej zawartości stali. Stworzony z jego wykorzystaniem klocek hamulcowy składa się z substancji organicznych połączonych z metalem, którego zawartość w materiale ciernym mieści się w zakresie 10–30%. Zwykle jest to miedź lub stal. Klocki te zapewniają lepszą skuteczność hamowania po rozgrzaniu, zwłaszcza przy dużych prędkościach. Jednocześnie mają tendencję do tworzenia pyłu hamulcowego i skrzypienia. Głównym rynkiem dla klocków hamulcowych wykonanych z tego materiału ciernego jest Europa.

Jak zbudowany jest klocek hamulcowy

Materiał cierny klocka hamulcowego przyklejony jest do blachy nośnej. Od dokładności jej wykonania zależy sposób, w jaki klocek hamulcowy porusza się w prowadnicach, a także to, czy się nie zaciera ani nie zapieka. Dokładność wykonania tego elementu w wielu przypadkach odpowiada również za piszczenie hamulców podczas hamowania. Sztywność płytki nośnej jest ważna z powodu konieczności równomiernego docisku materiału ciernego do powierzchni tarczy.
Płytka nośna klocka hamulcowego powleczona jest warstwą zwaną shimem. Jest to najczęściej warstwa kompozytowa naklejona na płytkę, choć spotkać można nakładki metalowe. Od shimu zależy poziom hałasu klocków hamulcowych w trakcie hamowania. Warstwa ta tłumi drgania klocków i zapobiega ich przenoszeniu na pozostałe elementy układu hamulcowego, w szczególności na zacisk hamulcowy i tłok zacisku, a pośrednio przez płyn hamulcowy – do pompy hamulcowej i na pedał hamulca.

W shimie spotkać można dodatkowo nacięcia, które ustalają kierunkowość montażu klocków. Nacięcia te wymuszają minimalnie nierównomierny rozkład sił dociskających klocek do tarczy, eliminując piszczenie kloców i gwarantując bardziej równomierny rozkład sił podczas samego hamowania.

Na płytce nośnej (zależnie od konstrukcji i producenta) znajdują się wypustki, które zwiększają przyczepność warstwy łączącej materiał cierny z płytką nośną. Niekiedy w celu zwiększenia przyczepności materiału ciernego stosuje się otwory w płytce nośnej.

Inaczej jest z klockami przeznaczonymi do sportu. Jak objaśnia Dominik Chwał, kierownik działu hurtowego z EBC Brakes, konkurencja walczy o to, żeby organiczne i półmetaliczne klocki hamulcowe wytrzymywały coraz dłużej i dłużej, by osiągnąć szczyt trwałości klocków. Natomiast EBC przyjęło nowe, świeże podejście z mieszanką skompresowanych i termicznie stapianych (spiekanych) sproszkowanych stopów metali, by dostarczyć klocki hamulcowe, które hamują lepiej i wytrzymują dłużej.

Dzięki technologii filmu transferowego, zastosowanej w tworzeniu tego związku, zużycie tarczy jest prawie całkowicie wyeliminowane. Bycie „twardym” klockiem w sensie ściśliwości oznacza, że odczucie pedału będzie również lepsze i bardziej responsywne. Zaletą klocków spiekanych linii SR jest brak lotnych substancji, które musiałyby być wypalone. To oznacza, że klocki te są gotowe do użycia praktycznie od razu po montażu.

Dominik Chwał
Kierownik działu hurtowego EBC Brakes

Szczegóły receptury

Materiał cierny klocka hamulcowego jest najbardziej strzeżoną recepturą producentów klocków hamulcowych. Liczba składników materiału ciernego jest różna w zależności od producenta, ale może dochodzić do kilkudziesięciu.

W materiale ciernym ciężko określić, który składnik jest tym głównym, ponieważ wszystkie z nich mają konkretne zadanie. Materiałem wiążącym i zapewniającym stabilność wymiarową oraz wytrzymałość mechaniczną są żywice fenolowe.

W skład materiału ciernego wchodzą także wypełniacze proszkowe lub włókniste, które zmieniają właściwości materiału ciernego.

Modyfikatorami włóknistymi są najczęściej włókna poliakrylonitrylowe, celulozowe i wełna mineralna (wermikulitowa). Wermikulit to minerał, który po wypaleniu nadaje klockom hamulcowym doskonałą odporność termiczną i jest przy tym dobrym izolatorem dźwięku i drgań, co ma niebagatelny wpływ na komfort jazdy. Zadaniem materiałów włóknistych jest stabilizacja żywicy i stworzenie wewnętrznego rusztowania uniemożliwiającego rozszerzanie się materiału ciernego. Ma to szczególne znaczenie przy wysokich temperaturach, kiedy żywice wiążące uwalniają gazy i zaczynają tworzyć strukturę gąbczastą, która jest bardziej ściśliwa niż materiał cierny w temperaturze otoczenia.

PRZYKŁADOWY SKŁAD MATERIAŁU CIERNEGO KLOCKA HAMULCOWEGO [%]

Aby zwiększyć współczynnika tarcia, stosuje się modyfikatory proszkowe, takie jak tlenek glinu, piasek cyrkonowy i tlenek magnezu. Materiały te zwiększają współczynnik tarcia, ale jednocześnie powodują ścieranie materiały tarczy hamulcowej, więc konieczne jest polepszenie warunków tarcia, aby nie były tak erozyjne. Aby zmniejszyć zużycie tarcz, stosuje się środki takie, jak grafit lub opiłki brązu. Wypełniacze włókniste – metalowe – mają przede wszystkim odprowadzić ciepło z miejsca tarcia. Wzmacniają one jednak mechanicznie strukturę materiału ciernego. Wchodzące w skład danej grupy komponenty o jednakowym przeznaczeniu nigdy nie są tego samego typu, ponieważ jedne są bardziej aktywne w niskich temperaturach, a inne w wysokich. Przewodność cieplna jest modyfikowana przez dodanie metali. Włókna zapewniają scalenie i zwiększenie wytrzymałości gotowego produktu. Z kolei elastyczność, zmniejszenie sztywności i kruchości zapewniają elastomery.

Klocki ceramiczne – co to jest?

Nazwa „ceramiczne” dla produktów wykonanych w technologii NAO (Non-Asbestos Organic – ograniczenie zawartości miedzi do 0,5%) pierwotnie użyta została w celach marketingowych przez firmę Akebono ok. 20 lat temu. Pierwszy raz klocki nazwane ceramicznym zostały wprowadzone wtedy na rynek amerykański i okazało się, że pomysł „chwycił”. Dalej sukces odniosły na rynkach azjatyckich i australijskim. W klockach tych grafit i wypełniacze metaliczne (czyli winowajców czarnego brudu na obręczach) zastąpiono składnikami częściowo ceramicznymi.

Ceramiczne materiały cierne nowej generacji charakteryzują się wysoką stabilnością współczynnika tarcia w funkcji temperatury, ciśnienia w układzie hamulcowym oraz prędkości. Praktycznie oznacza to ogromny komfort użytkowania bez obawy o przegrzanie hamulców podczas ostrej sportowej jazdy, a także gwarantuje bezpieczne zatrzymanie pojazdu nawet w ekstremalnych warunkach zjazdów górskich. Z wyników badań zużyciowych wg SAE J2707 wynika, że zużycie klocków ceramicznych jest o wiele niższe niż przy zastosowaniu standardowego materiału ciernego OE.

Ceramiczne klocki hamulcowe mają więc przewagę nad tradycyjnymi z powodu mniejszego zużycia materiału ciernego oraz samej tarczy hamulcowej. Ponadto nie brudzą felg pyłem powstającym z ich zużywania się, ponieważ sam pył ma inny skład. Wadą klocków ceramicznych jest mniejsza skuteczność hamowania w warunkach jazdy sportowej przy dużych obciążeniach termicznych i mechanicznych. Przy normalnej jeździe wada ta jest praktycznie nieodczuwalna.
Materiały cierne stosowane w klockach hamulcowych

Materiały półmetaliczne (Semimetallic), które zawierają ponad 50% wełny stalowej, proszku żelaza oraz metali kolorowych (miedzi, brązu, mosiądzu). Współczynnik tarcia wynosi najczęściej poniżej 0,40. Materiały te charakteryzują się dobrymi właściwościami akustycznymi, komfortem użytkowania oraz małym zużyciem, w tym również tarczy. Są mniej stabilne termicznie niż materiały azbestowe i materiały „Low steel”. To powoduje, że nie nadają się do hamowania z dużych prędkości ani używania w samochodach ciężarowych powyżej 6 t. Wówczas bowiem ich skuteczność hamowania spada drastycznie przy szybkim wzroście zużycia. Stosowane są głównie w USA.

Materiały o niskiej zawartości stali (Low steel) zawierają wagowo do 30% tego składnika. Jako zamiennik azbestu stosuje się tutaj różne włókna organiczne i nieorganiczne. Niektóre z nich podejrzewane są o efekt rakotwórczy. Ich współczynnik tarcia wynosi 0,35–0,5. Cechują się gorszymi właściwościami akustycznymi i powodują większe zużycie tarczy niż w przypadku materiałów półmetalicznych. Mają za to zdecydowanie większą odporność termiczną i wysoką skuteczność hamowania w szerokim zakresie temperatury, prędkości i obciążeń. Z tego powodu są stosowane zarówno w samochodach osobowych, jak i ciężarowych. Materiały te używane są głównie w Europie.

Materiały NAO (Non Asbestos Organic) nie zawierają stali ani twardych składników ciernych. Ich współczynnik tarcia wynosi 0,3–0,4. Materiały te mają bardzo dobre właściwości akustyczne i dobrą charakterystykę zużycia. Nie nadają się jednak do pojazdów osiągających wysokie prędkości ani jeżdżących z dużym obciążeniem. Stosowane są głównie w Japonii.

Materiały niezawierające metali (Nonmetallic) – podobnie jak materiały typu NAO – nie zawierają stali, a ponadto nie zawierają metali nieżelaznych, jak miedź, brąz czy mosiądz. Ze względu na niską przewodność cieplną rzadko są spotykane w hamulcach tarczowych do pojazdów osobowych i ciężarowych.

Materiały hybrydowe zawierają kombinację charakterystyk mieszanek NAO i materiałów o niskiej zawartości stali. Połączenie tych właściwości oraz ograniczenie zawartości metali sprawiło, że materiały te – potocznie nazywane ceramicznymi – coraz częściej stosowane są w Europie.

Materiały spiekane przeznaczone są do zastosowań specjalnych, np. w urządzeniach przemysłowych, pojazdach szynowych, motocyklach. W przeszłości próbowano łączyć elementy materiałów ciernych spiekanych z prasowanymi również z myślą o tradycyjnych zastosowaniach, jednak ze względu na koszty nie zyskały na popularności.

Materiały cierne do tarcz kompozytowych. Obecnie najczęściej stosuje się organicznie wiązane materiały o niskiej zawartości stali. Są to jednak inne materiały niż te produkowane z myślą o tarczach stalowych i aluminiowych.

Międzywarstwa – cienka warstwa (2–3 mm grubości) specjalnego materiału znajdująca się między płytką nośną klocka a właściwym elementem ciernym. Jej głównym zadaniem jest zwiększenie przyczepności między blachą nośną a materiałem ciernym. Dodatkowo jest izolatorem termicznym oraz poprawia właściwości akustyczne klocka hamulcowego.

Kompozyty węglowe C/C i pokrewne stosowane są np. w hamulcach samolotów. Opracowane zostały przez firmę Brembo. Charakteryzują się dużą odpornością na szok termiczny, dobrą przewodnością cieplną, wysoką wytrzymałością mechaniczną w podwyższonej temperaturze, małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej oraz niewielką masą.