Hamulce przyszłości
AudiPod hasłem układy hamulcowe by-wire przemysł motoryzacyjny pracuje nad wyeliminowaniem pyłu hamulcowego. Trwają również prace nad zastosowaniem bezpyłowych klocków hamulcowych. Co to wszystko oznacza dla warsztatów samochodowych?
Napęd od zawsze był i nadal jest w centrum uwagi. Właśnie teraz, w samym środku przechodzenia na elektromobilność, cały świat prowadzi ożywione dyskusje na temat zalet i wad różnych konstrukcji silników. Z innej strony są hamulce, którymi nikt się nie interesuje. Poza nielicznymi maniakami tuningu, mało który kierowca przy podejmowaniu decyzji o zakupie samochodu zastanawia się nad konstrukcją lub działaniem hamulców.
W sumie to wielka szkoda, bo w ostatnich latach wiele się wydarzyło w technologii układów hamulcowych. Przede wszystkim nastąpił niesamowity wzrost wydajności. Jeszcze 15 lat temu droga hamowania wynosiła około 40 m i była uważana za odpowiednią dla samochodu osobowego. Obecne pojazdy zatrzymują się po przejechaniu około 33 m. Jest to z pewnością zasługa ciągłego ulepszania składu opon, jednak duży udział ma w tym również poprawa elementów układu hamowania.
Krótka droga hamowania to nie jest wszystko. Dzisiaj hamulec musi mieć swój wkład także w ochronę środowiska, zasięg pojazdu i komfort jazdy. W dalszej części artykułu omówiono, na czym koncentruje się dalszy rozwój techniki hamowania, jak zmienia się serwis hamulców i jaki wpływ na hamulce mają przepisy dotyczące emisji spalin.
Hamulce i technologia – hydraulika pozostaje
Przesyłanie poleceń sterujących za pomocą sygnałów elektronicznych, tzw. zasada by-wire, od wielu lat uważana jest za kolejną wielką sprawę. Około 10 lat wstecz Audi R8 e-tron było pierwszą (krótką) serią, w której zrezygnowano z mechanicznego lub hydraulicznego połączenia między pedałem a zaciskiem hamulca.
System hamulcowy by-wire nie zdążył się jeszcze przyjąć, przynajmniej nie dla elektronicznego przesyłania sygnału i elektromechanicznego wytwarzania siły. Jednak w niedalekiej przyszłości warsztaty samochodowe będą musiały liczyć się z uproszczonymi wariantami wykonania elektrohydraulicznego wspomagania hamowania, elektronicznego przesyłania sygnałów i hydraulicznego przenoszenia siły w zacisku hamulcowym.
Continental przedstawił ewolucję elementów sterujących hamulcami w kierunku całkowicie „suchych” hamulców na tylnej i przedniej osi. Future Brake Systems (FBS) ma na celu wyeliminowanie układu hydraulicznego.
Tak zwana mapa drogowa innowacji składa się z 4 poziomów:
- FBS 0: elektrohydrauliczny hamulec typu by-wire z mechanicznym pedałem i hydraulicznym przyłączem do obu osi (już w produkcji seryjnej),
- FBS 1: system z elektronicznym pedałem i hydraulicznym połączeniem do obu osi,
- FBS 2: półsuche rozwiązanie z „suchym” układem hamulcowym na jednej osi (tylnej),
- FBS 3: całkowicie „suchy” system na obu osiach z pedałem elektronicznym.
Z kolei firma ZF zaprezentowała bezpróżniowy, w pełni zintegrowany układ sterowania hamulcami IBC. Pozwala on na hamowanie rekuperacyjne i odzysk energii, a tym samym pomaga ładować akumulatory w pojazdach elektrycznych. Układ IBC ma już zastosowanie w krajach Ameryki Północnej, Azji i z regionu Pacyfiku. Również Europa powinna wkrótce podążyć w tym kierunku.
Firma ZF na podstawie IBC opracowała również układ sterowania hamulcami, który jest już stosowany w produkcji modeli serii ID. Volkswagena, opartych na platformie MEB. Na poziomie technicznym sterowanie hamulcami opiera się na połączeniu elektrycznego układu wspomagania hamowania (EBB – Electric Brake Booster) i elektronicznego układu stabilizacji toru jazdy (ESC – Electronic Stability Control). System jest częścią sieci oprogramowania umieszczonej w jednostce kontroli stabilności.
Elektrohydrauliczny system hamulca drugiej generacji firmy Continental nosi nazwę MK C2. Integruje on pompę hamulcową, wspomaganie hamulców i układy sterowania w jednym kompaktowym module. Lżejsza konstrukcja umożliwia również montaż w mniejszych modelach pojazdów. W zależności od wymagań klienta system MK C2 może być stosowany zarówno z mechanicznym pedałem odpowiadającym hydraulicznemu poziomowi awaryjnemu, jak i z elektronicznym pedałem bez hydraulicznego poziomu awaryjnego (wersja MK C2 EP).
Dwa najważniejsze wyzwania, z którymi systemy hamulcowe by-wire radzą sobie lepiej niż konwencjonalne układy hamulcowe, to połączenie rekuperacji elektrycznej z działaniem hamulców ciernych oraz zapewnienie automatycznej kontroli nad pojazdem.
W nowym systemie pedał hamulca jest oddzielony od rzeczywistego układu wytwarzania ciśnienia. Jednak dla kierowcy pojazdu elektrycznego wciśnięcie pedału hamulca powinno być tak samo odczuwalne jak w przypadku standardowego hamulca hydraulicznego, nawet jeśli hamulce kół nie są używane. Z kolei podczas automatycznej jazdy MK C2 dzięki bardzo wysokiej dynamice może w ciągu zaledwie 150 ms wygenerować ciśnienie w układzie hamowania. System wspomagania kierowcy uruchomi układ bez narażania kierowcy na spóźnioną reakcję naciśnięcia pedału hamowania. System MK C2 jest przeznaczony do zautomatyzowanej jazdy zgodnie z poziomem SAE 3 lub wyższym.
Jednym z przykładów, dokąd zmierza powyższa technologia, jest układ hamulcowy Sensify firmy Brembo, którego produkcja seryjna powinna rozpocząć się w 2024 r. Na przedniej osi układ pracuje elektrohydraulicznie z klasycznym płynem hamulcowym, z kolei na tylnej osi siłę hamowania realizują elektromechaniczne serwomotory. Klasyczny mechaniczny pedał hamulca został zastąpiony przez elektronicznie sterowany symulator pedału. Bremo twierdzi, że w mniejszych autach układ Sensify może być z powodzeniem zastosowany na obydwu osiach. W przypadku większych i cięższych samochodów jest to trudniejsze, ponieważ wymagana siła hamowania na przedniej osi jest zbyt duża.
Kolejną zaletą hamulców elektromechanicznych jest możliwość całkowitego wycofania klocków ciernych od tarczy. Takie rozwiązanie zapewnia mniejsze opory jazdy, ponieważ nie występuje nawet najmniejszy opór hamulców. Dzięki temu zwiększa się o kilka procent zasięg jazdy. Ponadto zmniejsza się ścieranie, a tym samym wprowadzanie drobnych pyłów do otoczenia.
Prawie żadnych różnic funkcjonalnych
Redakcja czasopisma „kfz-betrieb” zwróciła się do Audi z pytaniami o nowoczesne technologie stosowane w układach hamulcowych.
Redakcja „kfz-betrieb”: W 2012 r. Audi zaprezentowało model R8 e-tron, który miał być pierwszym samochodem posiadającym czysty układ hamulcowy typu „by-wire” (bez części hydraulicznej). Czy od tego czasu kontynuowaliście tę technologię?
Audi AG: R8 e-tron był ważną wizytówką technologii, dzięki której mogliśmy zdobyć know-how dla rozwoju Audi e-tron. Oczywiście pracujemy również nad kolejnymi rozwiązaniami technicznymi. Na przykład w ramach unijnych projektów „Achiles” i „EVC-1000” wspólnie z renomowanymi producentami hamulców prowadzimy badania nad elektromechanicznymi systemami hamulcowymi (EMB – Electromechanical Breaking System).
Audi stosuje teraz elektrohydrauliczny układ hamulcowy w swoich samochodach elektrycznych. Gdzie widzicie zalety tej technologii?
Z punktu widzenia funkcjonalności nie ma prawie żadnych różnic między elektrohydraulicznym a elektromechanicznym układem hamulcowym. Różnice stają się zauważalne dopiero w momencie wystąpienia usterki w systemie.
Na przykład, gdyby układ elektrohydrauliczny został odcięty od zasilania, wówczas zawory poziomu awaryjnego otworzyłyby się automatycznie i byłby bezpośredni dostęp z pedału hamulca do hydraulicznie obsługiwanego hamulca koła. W elektromechanicznym układzie hamulcowym układ nie wymaga mechanicznego/hydraulicznego sprzężenia pedału hamulca z hamulcem koła. W związku z tym elektromechaniczne układy hamulcowe wymagają redundantnej, wysoce dostępnej instalacji zasilania, która obecnie jest niezwykle złożona i kosztowna.
Czy możliwa jest całkowita rezygnacja z hamulca ciernego na tylnej osi w samochodach elektrycznych?
Z czysto technicznego punktu widzenia byłoby to możliwe. Modele e-tron S (do 0,3 g) wykorzystują do hamowania wyłącznie silniki elektryczne. Oznacza to, że obejmują one 90% wszystkich sytuacji związanych z hamowaniem podczas codziennej jazdy. W przypadku klasycznych samochodów osobowych nie widzimy jednak możliwości rezygnacji z hamulców na tylnej osi.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Oto przykład: podczas hamowania ze 100 km/h silniki elektryczne mogą odzyskać nawet 270 kW. Jednak do pełnego wyhamowania z prędkości 250 km/h trzytonowy samochód potrzebuje siły hamowania, za którą odpowiada tylna oś o mocy około 2300 kW. Na tylną oś przypada około 760 kW. Bez mechanicznie hamowanej osi takie osiągi nie są możliwe, zwłaszcza kilka razy z rzędu.
O czym muszą pamiętać mechanicy w warsztatach Audi podczas serwisowania hamulców w samochodach elektrycznych?
Nie ma tutaj żadnych specjalnych elementów. Programy do samodzielnej nauki i instrukcje napraw sprawiają, że wszystko jest łatwe do zrozumienia. Obecnie nie ma również istotnych różnic w parametrach tarcia. To, że w samochodach elektrycznych klasyczne hamulce są rzadziej wykorzystane, pozytywnie wpływa na ich trwałość.
Czy nie ma obawy, że tarcze hamulcowe zostaną uszkodzone przez korozję?
Aby tego uniknąć, w naszych modelach e-tron zainstalowaliśmy funkcję czyszczenia. W tym celu w określonych odstępach czasu klocki hamulcowe dociskane są do tarcz, aby podczas hamowania uzyskać efekt czyszczenia. Na życzenie możemy zaoferować elementy układu hamulcowego z węglików spiekanych Audi. Ze względu na odporność na korozję powłoki wykonanej z węglika wolframu w dużym stopniu unika się przyklejania się okładzin do tarczy i zarysowań, a także zmniejsza się powstawanie pyłu hamulcowego.
Hamulce i środowisko – jak najmniejsze ścieranie
Jest to bardzo duży problem, którym branża motoryzacyjna musi się zająć. Samochody w ostatnich latach stały się coraz „czystsze”. Dzięki filtrom cząstek stałych silniki Diesla i nowe silniki benzynowe praktycznie nie wydalają już cząstek stałych, a samochody elektryczne w ogóle nie emitują spalin. Jednak ze względu na obecność pyłów z układu hamulcowego i ścierania opon samochody coraz częściej znajdują się w centrum zainteresowania ekologów.
Zainteresowana jest tym również UE, która obecnie pracuje nad przepisami dotyczącymi nowej normy emisji spalin Euro 7, która prawdopodobnie wejdzie w życie w 2025 r. Eksperci spodziewają się, że nowa norma będzie wymagała od producentów samochodów zmniejszenia również emisji pyłów powstających z dala od silnika. Jest na to kilka rozwiązań i niektóre z nich pokazywano na targach, jednak nikt nie podjął się ich wdrożenia, być może ze względu na brak prawnego nacisku.
Na przykład ścieranie hamulców może być zbierane bezpośrednio u źródła. Specjalista od filtracji, Mann+Hummel, już podczas międzynarodowego salonu motoryzacyjnego we Frankfurcie IAA 2017 zaprezentował system filtrów, w którym drobny pył zbiera się w specjalnej obudowie zamontowanej w górnej części tarczy hamulcowej. Filtr wykonany z włókniny stalowej przylega bezpośrednio do zacisku hamulca i wychwytuje emisję cząstek stałych bezpośrednio przy tarczy. Według producenta taki filtr zmieści się w każdej dostępnej przestrzeni montażowej oraz może być dostosowany do różnych rozmiarów i konstrukcji układów hamulcowych.
Mann+Hummel poinformował, że produkt jest gotowy do wprowadzenia na rynek, a firma prowadzi już rozmowy z producentami OEM na temat zastosowania seryjnego.
Nieco bardziej złożony jest aktywny system odpylania drobnego pyłu Tamic francuskiej firmy Tallano. W tym rozwiązaniu klocki hamulcowe muszą mieć kanał ssący połączony wężem z miniodkurzaczem. W komorze silnika znajduje się elektryczna turbina, która podczas hamowania wytwarza ciśnienie ssące w celu skierowania drobnego pyłu do filtra. Według producenta system może być zintegrowany z konwencjonalnymi układami hamulcowymi. Koszt zakupu tego systemu odpylania nie powinien przekroczyć 150 euro.
Być może pylenie układu hamulcowego uda się zmniejszyć jeszcze w inny sposób. Znaczny postęp można osiągnąć, stosując specjalnie powlekane tarcze hamulcowe. Przykładem może być tarcza hamulcowa I-Disc niemieckiego producenta Buderus Guss. Niemalże zwykła tarcza hamulcowa, wykonana z żeliwa szarego, jest powlekana warstwą twardego metalu i opcjonalnie węglikiem tytanu. Powstała w ten sposób powłoka jest bardzo twarda, a tym samym szczególnie odporna na ścieranie. Uważa się, że w ten sposób można zmniejszyć emisję drobnego pyłu o 80–90%.
Kolejną niskopylącą technologią układu hamowania, która jest już produkowana seryjnie, jest stary dobry hamulec bębnowy. Nigdy nie stracił na aktualności w małych samochodach, a teraz wraca w wyższych klasach pojazdów dzięki serii ID Volkswagena. W porównaniu z hamulcem tarczowym ma mniejszy moment hamowania oraz mniejsze zużycie okładzin ciernych. Dzięki temu emituje mniej cząstek stałych.
Hamulce i warsztat – mniej, ale nie inaczej
Nawet system hamulcowy by-wire zawiera jeszcze siłownik hydrauliczny wraz z płynem hamulcowym oraz części zużywające się – tarczę i klocki hamulcowe. Dlatego w zasadzie niewiele zmienia się podczas prac serwisowych. Mechanicy zapewne już wiedzą, że elektronicznie sterowane układy hamulcowe trzeba ustawić w pozycji serwisowej za pomocą urządzenia diagnostycznego.
Zmieni się jednak żywotność części eksploatacyjnych. Jest to przede wszystkim zasługa elektromobilności z jej hamowaniem rekuperacyjnym. Według ZF pozwoli to zmniejszyć zużycie elementów ciernych nawet o połowę. Z innej strony na pierwszy plan wysuwa się kolejny problem – korozja. Tarcze hamulcowe zamontowane na tylnej osi są szczególnie narażone na rdzewienie, ponieważ są rzadko używane. Nie jest więc wykluczone, że ze względu na korozję trzeba będzie je wymienić, jeszcze zanim otrzymamy sygnał ich zużycia.
Najbliższe lata będą ekscytujące w tematyce układów hamulcowych. Postępowi technicznemu towarzyszą jednak również zmniejszone wymagania w zakresie konserwacji – aż do niemal całkowitego braku konieczności serwisowania tylnej osi. Continental osiągnął już w testach swojego hamulca bębnowego w VW ID 3 żywotność ponad 300 000 km.
