Съвременните спирачни и спомагателни спирачни системи са много впечатляващи. Техните производители се конкурират помежду си, за да предоставят най-ефективните и удобни спирачни решения. Но пътят до постигането на съвременните инженерни решения беше дълъг.
Началото на спирачните системи
Значението на спирачките в съвременните автомобили е безспорно. Спирачната система е една от най-важните автомобилни системи днес. Но спирачките не винаги са били толкова важни. В началото на автомобилната индустрия изобретателите се фокусираха върху това как да задвижат колата, а не върху това как да я спрат. Вътрешното съпротивление на машините, комбинирано с други прости средства, бяха спирачните системи на деня. Първите автомобили са били спирани с помощта на лостове, притискащи дървена подложка към джантата или чрез други спирачни средства, използвани в каретите. Всъщност колите приличаха на карети и следователно споделяха много дизайнерски характеристики с тях.
Не след дълго обаче се забелязва, че такива импровизирани спирачки не са много ефективни. Дървените накладки бързо се износват при контакт с колелата и не осигуряват достатъчна спирачна сила по стръмни пътища. И хората искаха да вървят все по-бързо и по-бързо. Тествани са различни решения с цел кинетичната енергия да се преобразува в топлинна чрез по-ефективен метод. Бяха използвани все по-ефективни накладки, напр. направени от мед, което увеличава силата на триене. Те обаче имаха един съществен недостатък – бяха много шумни при контакт с металните колела. За да се коригира това, те ще бъдат покрити с меки фрикционни материали, напр. азбест, памук или каучук. Тези решения бяха достатъчни, тъй като колите не можеха да се движат бързо.
Гумите – ново предизвикателство за автомобилните спирачки
Развитието на спирачките е до голяма степен повлияно от пневматичните гуми. Те осигуряваха по-добър комфорт на неравен терен и позволяваха шофиране с по-високи скорости, но не работеха добре с примитивните спирачки на деня. Накладка, притисната директно към гума, може да е работила на велосипед, но не и на много по-тежък автомобил. И така, беше разработен нов тип спирачка, която е скрита вътре в колелото. Противно на това, което може да се очаква, барабанната спирачка и дисковата спирачка са замислени по едно и също време.
Първата дискова спирачка е изобретена през 1902 г. от Фредерик Вилхелм Ланчестър, английски инженер, докато барабанната спирачка е патентована от Луис Рено същата година. Други инженери, включително Готлиб Даймлер и Вилхелм Майбах, също са експериментирали с барабанни спирачки, но дизайнът на Renault надделява. Вместо чугунен барабан, увит с въжета, той приложи много по-ефективно решение, т.е. спирачни челюсти, които се притискат към барабана. Този тип спирачка е оцеляла до днес. Разбира се, не без модификации.
Хидравлика в спирачните системи
Първите автомобилни спирачки бяха напълно механични и се задвижваха единствено от мускулната сила на водача. Първоначално само задните колела са били оборудвани със спирачки. Автомобил със спирачки на четирите колела не е замислен до 1909 г., главно поради недостатъчни инженерни познания, които възпрепятстват изобретяването на спирачки, осигуряващи стабилност на автомобила. Управлявани с помощта на стоманени линии, барабаните работеха с различна сила и синхронизирането на четири чифта спирачни челюсти беше малък проблем.
Пробивът идва през 1917 г., когато Малкълм Лугхед, който по-късно става известен като Lockhead, патентова хидравлични спирачки. Този тип спирачки е изобретен за първи път от Хуго Майер от Германия през 1895 г., но не се налага. Спирачките на Lockhead бяха първите масово произвеждани хидравлични спирачки. Прилагането на хидравлична течност се промени много. Първо, спирачната сила беше увеличена. Второ, проблемът с напукването и разхлабването на кабелите беше елиминиран, в резултат на което спирачките станаха по-удобни за използване. Първите хидравлични спирачки бяха известни с течове, но бяха много по-надеждни от механичните спирачки.
Няколко години по-късно, през 1928 г., е добавена допълнителна функция – спирачен асистент. Сервото на спирачките използва отрицателно налягане, генерирано във входящата система, за да увеличи спирачната сила. След натискане на педала на спирачката, главният цилиндър се задейства и клапан освобождава отрицателното налягане от всмукателния колектор. Разликата в налягането между двете части на мембраната генерира сила, която допълнително поддържа буталото на главния цилиндър. Силата беше право пропорционална на степента на натискане на педала на спирачката. По този начин водачът може лесно да контролира спирачната сила. Тъй като спирачките ставаха все по-ефективни, автомобилите можеха да се движат все по-бързо и по-бързо.
Постепенно отслабване на барабанните спирачки
Барабанните спирачки доминираха в автомобилната индустрия в продължение на много години. Все още можете да ги срещнете на задния мост на някои малки и не особено мощни автомобили, напр. градски автомобили. Те дължаха успеха си на чистата случайност. Колкото и здрави да са, барабаните са устойчиви на различни пътни условия и не са толкова неефективни, колкото мнозина биха си помислили. Те обаче имат проблем с високата температура.
Плътно затвореният спирачен барабан затрудняваше разсейването на топлината. Разширяването на спирачните челюсти изисква много сила и прилагане на голям и тежък барабан. Барабанните спирачки също бяха дефектни. Въпреки че са прости по дизайн и имат затворен корпус, челюстите им често блокират, което води до прегряване на спирачките. Това би довело до внезапна загуба на спирачната сила и до опасни ситуации. За щастие са изобретени дисковите спирачки.
Стискане или как работят дисковите спирачки
Подобно на много други нови изобретения, първите модерни дискови спирачки направиха своя дебют в спорта. През 1953 г. Jaguar XK, оборудван с четири дискови спирачки Dunlop, спечели 24-часовото състезание на Льо Ман. Започва революцията на спирачните системи.
За разлика от медните спирачни накладки от 1902 г., съвременните накладки не скърцат и не се износват толкова бързо. Скоро ще бъдат приложени по-модерни фрикционни накладки, като керамика, полуметални смеси или кевлар. Азбестът, за който беше установено, че причинява рак, скоро щеше да бъде премахнат. Всички спирачни накладки използват едно и също основно предимство на дисковата спирачка – по-висока ефективност дори при динамично шофиране.
Ключът е разсейването на топлината от дисковите спирачки. Те се охлаждат от вятъра, предават топлина към джантите и могат допълнително да имат специални вентилационни отвори. Идеални са за шофиране в планината, динамично шофиране и аварийно спиране. Буталата оказват натиск върху фрикционната накладка и съответно върху спирачния диск. Те също са по-съвместими със системите за подпомагане на водача като ABS или ESP. Стискането се оказва по-добър спирачен метод от избутването. Спирачните апарата преобладават над челюстите
Бъдещето на автомобилните спирачки
Центровете за изследване и развитие продължават усилията си да проектират още по-ефективни спирачки. Спирачните системи продължават да се променят по отношение на материалите и дизайна. Все повече и повече производители прилагат така нареченото обгаряне, т.е. краткотрайно нагряване на повърхността на спирачните накладки до 600-800 °C, за да повишат устойчивостта им на избледняване, т.е. спад в ефективността на накладките, причинено от температурата. Производителите обръщат повече внимание и на намаляването на вибрациите и скърцащите шумове. Качествените накладки имат междинен слой, който намалява шумовете и вибрациите.
Изглежда, че спирачните системи скоро ще имат много по-малко работа, отколкото днес. Развитието на хибридните и електрически автомобили прави системите за възстановяване на енергията все по-сериозна алтернатива на спирачките. Системите за възстановяване, познати доскоро от болидите на Формула 1, стават все по-популярни. Енергията, генерирана по време на спиране, вече не се трансформира в топлина и безвъзвратно се губи, а се преобразува в електрическа енергия. Разбира се, възстановяването на енергията няма да замени конвенционалните дискови спирачки, нито ще бъде достатъчно при рязко спиране. Въпреки това, той може лесно да намали износването на спирачните дискове и накладки по време на лесно, ежедневно шофиране. Скоро ще разберем дали експертите са били прави в прогнозите си.