Sistemele moderne de frânare și de asistență la frânare sunt foarte impresionante. Producătorii acestora concurează între ei pentru a oferi cele mai eficiente și mai confortabile soluții de frânare. Cu toate acestea, drumul până la realizarea soluțiilor tehnice actuale a fost lung.
Începuturile sistemelor de frânare
Importanța frânelor în mașinile moderne este de necontestat. Sistemul de frânare este unul dintre cele mai importante sisteme auto actuale. Dar frânele nu au fost întotdeauna atât de importante. La începuturile industriei auto, inventatorii s-au concentrat mai degrabă pe descoperirea modului de a pune mașina în mișcare decât pe modul de a o opri. Rezistența internă a mașinilor, combinată cu alte mijloace simple, erau sistemele de frânare ale vremii. Primele automobile au fost oprite cu ajutorul unor pârghii care presau un tampon de lemn pe janta roții sau cu alte mijloace de frânare folosite la trăsuri. De fapt, automobilele semănau cu trăsurile și, prin urmare, împărtășeau cu acestea o mulțime de caracteristici de design.
Nu a trecut mult timp, însă, până când s-a observat că astfel de frâne improvizate nu erau foarte eficiente. Plăcuțele din lemn se uzau rapid în contact cu roțile și nu ofereau suficientă putere de frânare pe drumurile abrupte. Iar oamenii doreau să meargă din ce în ce mai repede. Au fost testate diferite soluții cu scopul de a converti energia cinetică în energie termică printr-o metodă mai eficientă. Au fost folosite garnituri din ce în ce mai eficiente, de exemplu din cupru, care au mărit forța de frecare. Cu toate acestea, ele aveau un neajuns semnificativ – erau foarte zgomotoase în contact cu roțile metalice. Pentru a remedia acest lucru, acestea erau acoperite cu materiale de frecare moi, de exemplu azbest, bumbac sau cauciuc. Aceste soluții erau suficiente, deoarece mașinile nu puteau merge cu viteză.
Anvelopele – o nouă provocare pentru frânele mașinilor
Dezvoltarea frânelor a fost influențată în mare măsură de anvelopele pneumatice. Acestea ofereau un confort mai bun pe teren accidentat și permiteau conducerea la viteze mai mari, dar nu funcționau bine cu frânele primitive ale vremii. O plăcuță apăsată direct pe anvelopă ar fi putut funcționa pe o bicicletă, dar nu și pe un automobil mult mai greu. Astfel, a fost dezvoltat un nou tip de frână, una care este ascunsă în interiorul roții. Contrar a ceea ce s-ar putea aștepta, frâna cu tambur și frâna cu disc au fost concepute cam în același timp.
Prima frână cu disc a fost inventată în 1902 de Frederic Wilhelm Lanchester, un inginer englez, în timp ce frâna cu tambur a fost brevetată de Louis Renault în același an. Alți ingineri, printre care Gottlieb Daimler și Wilhelm Maybach, au experimentat și ei frâne cu tambur, dar proiectul lui Renault a fost cel care a prevalat. În loc de un tambur din fontă înfășurat în frânghii, el a aplicat o soluție mult mai eficientă, și anume saboți de frână care împingeau tamburul. Acest tip de frână a supraviețuit până în zilele noastre. Bineînțeles, nu fără modificări.
Hidraulica în sistemele de frânare
Primele frâne de mașină erau complet mecanice și erau acționate exclusiv de forța musculară a șoferului. Inițial, doar roțile din spate erau echipate cu frâne. Un automobil cu frâne pe toate cele patru roți a fost conceput abia în 1909, în principal din cauza cunoștințelor insuficiente de inginerie, care au împiedicat inventarea unor frâne care să asigure stabilitatea automobilului. Controlate cu ajutorul unor linii de oțel, tamburii funcționau cu o forță variabilă, iar sincronizarea a patru perechi de saboți de frână reprezenta o mică problemă.
Primele frâne de mașină erau complet mecanice și erau acționate exclusiv de forța musculară a șoferului. Inițial, doar roțile din spate erau echipate cu frâne. Un automobil cu frâne pe toate cele patru roți a fost conceput abia în 1909, în principal din cauza cunoștințelor insuficiente de inginerie, care au împiedicat inventarea unor frâne care să asigure stabilitatea automobilului. Controlate cu ajutorul unor linii de oțel, tamburii funcționau cu o forță variabilă, iar sincronizarea a patru perechi de saboți de frână reprezenta o mică problemă.
Câțiva ani mai târziu, în 1928, a fost adăugată o caracteristică suplimentară – asistența la frânare. O servofrână folosea presiunea negativă generată în sistemul de admisie pentru a crește forța de frânare. După apăsarea pedalei de frână, cilindrul principal era activat, iar o supapă elibera presiunea negativă din colectorul de admisie. Diferența de presiune dintre cele două părți ale membranei a generat o forță care a susținut suplimentar pistonul cilindrului principal. Forța era direct proporțională cu gradul de apăsare a pedalei de frână. În acest fel, șoferul putea controla cu ușurință forța de frânare. Pe măsură ce frânele deveneau din ce în ce mai eficiente, mașinile puteau merge din ce în ce mai repede.
Declinul progresiv al frânelor cu tambur
Frânele cu tambur au dominat industria auto timp de mulți ani. Încă le mai puteți întâlni pe puntea spate a unor mașini mici și nu foarte puternice, de exemplu autoturismele de oraș. Acestea și-au datorat succesul pur și simplu întâmplării. Robuste, așa cum sunt, frânele cu tambur sunt rezistente la diferite condiții de drum și nu sunt atât de ineficiente pe cât mulți ar putea crede. Totuși, au o problemă cu temperaturile ridicate.
Tamburul de frână strâns, închis, făcea dificilă disiparea căldurii. Dilatarea saboților de frână necesita multă forță și aplicarea unei tobe mari și grele. Frânele cu tambur erau, de asemenea, defecte. Deși aveau un design simplu și o carcasă închisă, saboții lor se blocau frecvent, ceea ce ducea la supraîncălzirea frânelor. Acest lucru ducea la o pierdere bruscă a forței de frânare și ducea la situații periculoase. Din fericire, au fost inventate frânele cu disc.
Comprimarea sau cum funcționează frânele pe disc
La fel ca multe alte invenții noi, primele frâne pe disc moderne și-au făcut debutul în sport. În 1993, un Jaguar XK echipat cu patru frâne pe disc Dunlop a câștigat cursa de 24 de ore de la Le Mans. Revoluția sistemelor de frânare începuse.
Spre deosebire de garniturile de frână din cupru din 1902, plăcuțele moderne nu scârțâiau și nu se uzeau la fel de repede. În curând, se vor aplica garnituri de fricțiune mai avansate, cum ar fi ceramică, amestecuri semimetalice sau Kevlar. Azbestul, despre care se descoperise că provoca cancer, avea să fie în curând abandonat. Toate plăcuțele de frână folosesc același avantaj de bază al frânei cu disc – eficiență mai mare chiar și în timpul conducerii dinamice.
Cheia este disiparea căldurii de la frânele cu disc. Acestea sunt răcite de vânt, transferă căldura către jante și pot avea în plus găuri speciale de ventilație. Acestea sunt ideale pentru condusul în munți, pentru condusul dinamic și pentru frânarea de urgență. Pistoanele exercită presiune asupra garniturii de fricțiune și, în consecință, asupra discului de frână. De asemenea, acestea sunt mai compatibile cu sistemele de asistență a șoferului, cum ar fi ABS sau ESP. Strângerea se dovedește a fi o metodă de frânare mai bună decât împingerea. Etrierii prevalează în fața saboților.
Viitorul frânelor auto
Centrele de cercetare și dezvoltare își continuă eforturile pentru a proiecta frâne și mai eficiente. Sistemele de frânare continuă să se schimbe în ceea ce privește materialele și designul. Din ce în ce mai mulți producători aplică așa-numita “scorching”, adică încălzirea pe termen scurt a suprafeței plăcuțelor de frână la 600-800 °C pentru a le crește rezistența la fading, adică la scăderea eficienței garniturilor de frână cauzată de temperatură. De asemenea, producătorii acordă mai multă atenție reducerii vibrațiilor și a zgomotelor de scârțâit. Plăcuțele de bună calitate dispun de un strat intermediar care reduce zgomotele și vibrațiile.
Se pare că sistemele de frânare vor avea în curând mult mai puțin de lucru decât în prezent. Dezvoltarea automobilelor hibride și electrice face ca sistemele de recuperare a energiei să devină o alternativă tot mai serioasă la frâne. Sistemele de recuperare cunoscute până de curând de la mașinile de Formula 1 sunt din ce în ce mai populare. Energia generată în timpul frânării nu mai este transformată în căldură și pierdută iremediabil, ci este transformată în schimb în energie electrică. Desigur, recuperarea energiei nu va înlocui frânele cu disc convenționale și nici nu va fi suficientă în timpul frânărilor bruște. Cu toate acestea, poate reduce cu ușurință uzura discurilor de frână și a plăcuțelor de frână în timpul condusului ușor, de zi cu zi. Vom afla în curând dacă experții au avut dreptate în previziunile lor.