Από την πρώτη μέρα που τα αυτοκίνητα  ”έσυραν” τις ξύλινες ρόδες τους στους δρόμους, ο μόνος τρόπος για να αποφύγουν τα ατυχήματα ήταν τα φρένα! Από τότε μέχρι και σήμερα η τεχνολογία έχει κάνει αλματώδη πρόοδο και σίγουρα σε μερικά χρόνια από τώρα, τα αυτοκίνητα θα φρενάρουν από μόνα τους. Τα φρένα λοιπόν, όπως και οι περισσότερες πανέξυπνες εφευρέσεις, είναι βασικά κάτι πολύ απλό. Το αυτοκίνητο όταν προχωράει έχει κινητική ενέργεια. Όταν εμείς πατάμε φρένο, τα τακάκια τρίβονται με τους δίσκους και ένα μέρος της, μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Ο αέρας που περνάει γύρω από τους δίσκους, τους ψύχει (διώχνει την θερμότητα στο περιβάλλον) και όλη αυτή η διαδικασία συνεχίζεται όσο εμείς πατάμε το φρένο. Τόσο απλά!
Σε αυτό το σημείο λοιπόν πρέπει να πούμε πως υπάρχουν πολλών ειδών συστήματα φρένων, αλλά λόγω χώρου και τεχνικής “βαρύτητας” θα αναφερθούμε μόνο στα φρένα αυτοκινήτων, που χρησιμοποιούν δίσκους.

Τι είναι;

Τα δισκόφρενα, όπως εννοεί και η λέξη είναι ένα σύστημα δύο πραγμάτων. Περιλαμβάνει ένα δίσκο και μια “δαγκάνα”. Η δαγκάνα με τη σειρά της αποτελείται από ένα ή περισσότερα πιστόνια, τα τακάκια και είναι ενωμένη με τη μία μεριά ενός σωλήνα με υγρό φρένων.

 

Τα πιστόνια με την πίεση που δέχονται από το υδραυλικό κύκλωμα σπρώχνουν τα υλικά τριβής (τακάκια) πάνω στο δίσκο. Όσο περισσότερη πίεση ασκεί το υγρό των φρένων, τόση περισσότερη τριβή δημιουργείται, με αποτέλεσμα περισσότερη θερμότητα. Όση περισσότερη είναι η θερμική ενέργεια όμως, τόσο η κινητική ενέργεια μειώνεται. Οι δαγκάνες με ένα πιστόνι ονομάζονται μονοπίστονες, αυτές με τέσσερα τετραπίστονες και ούτω καθεξής. Όσο περισσότερα τα πιστόνια τόσο μεγαλύτερη και η επιφάνεια που ασκείται η δύναμη, με αποτέλεσμα να προκαλείται περισσότερη θερμότητα στον ίδιο χρόνο. Οι δίσκοι με τη σειρά τους μπορεί να είναι απλοί ή αεριζόμενοι. Οι απλοί είναι μεταλλικές επιφάνειες πάχους 1 με 2 εκατοστών. Αεριζόμενοι δίσκοι από την άλλη, είναι αυτοί οι οποίοι έχουν ανάμεσα στην εσωτερική και εξωτερική πλευρά τους μικρούς θύλακες ή απλά μερικά εκατοστά κενό (βλ. παραπάνω εικόνα) όπου μπορεί να εισέρχεται αέρας. Αυτός ο αέρας φροντίζει να δροσίζει το καυτά εξωτερικά τοιχώματα του δίσκου και να γίνεται καλύτερη απαγωγή θερμότητας.

 

 


Μηχανικό θαύμα!

Η δύναμη λοιπόν πίσω από όλα αυτά, ξεκινάει από το αδύναμο πόδι μας! Όσο και αν αυτό φαίνεται περίεργο, ένα απλό πάτημα στο μεσαίο πετάλι μπορεί να σταματήσει μια μάζα πάνω από ένα τόνο. Όλα αυτά φυσικά δεν είναι μαγικά, είναι μηχανο- υδραυλικά..!

Το πετάλι του φρένου είναι ουσιαστικά ένας μοχλός.  Η απόσταση από το σημείο που ασκείτε τη δύναμη με το πόδι σας, μέχρι ένα σταθερό σημείο που είναι στερεωμένος ο μεταλλικός βραχίονας, απέχει 3 με 4 φορές από όσο ο κύλινδρος από το ίδιο σταθερό σημείο. Το πετάλι συνεπώς δρα ως μοχλός! Η δύναμη λοιπόν του ποδιού σας έχει ήδη τριπλασιάστεί ή τετραπλασιαστεί πριν ακόμα ασκηθεί, μέσω του boοster, στον πρωτεύοντα κύλινδρο των φρένων.


Τι είναι όμως το booster;

Μεταξύ του πρωτεύοντα κυλίνδρου και του πεταλιού του φρένου, υπάρχει μια αντλία κενού ή booster όπως ονομάζεται πιο συχνά. Αυτό το εξάρτημα μας βοηθάει να διπλασιάσουμε ή και να τετραπλασιάσουμε τη δύναμη του ποδιού μας πριν φτάσει στον κύλινδρο. Θα έχετε νιώσει πολλές φορές πως με σβηστή τη μηχανή το πετάλι του φρένου πιέζεται πολύ δύσκολα. Αυτό συμβαίνει γιατί με τον κινητήρα σβηστό δεν λειτουργεί η αντλία κενού και έτσι κάνουμε όλη τη δουλειά μόνοι μας. Εδώ να επισημάνουμε πως ακόμα και με σβηστό τον κινητήρα μπορούμε να φρενάρουμε, απλά απαιτείται πολύ περισσότερη πίεση από μέρους μας. Μέσα στην αντλία κενού υπάρχουν δύο “διαμερίσματα” που στο ένα υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση και στο άλλο κενό. Το κενό δημιουργείται από ένα σωληνάκι που καταλήγει στην εισαγωγή του αυτοκινήτου. Ανάμεσά τους υπάρχει ένα διάφραγμα και πάνω σε αυτό, με τη βοήθεια ενός ελατηρίου, είναι ενωμένο το έμβολο του πρωτεύοντα κυλίνδρου. Κάθε φορά λοιπόν που πατάμε φρένο, αυτή η διαφορά πίεσης μας υποβοηθά να σπρώξουμε το έμβολο 2 ή και 4 φορές πιο εύκολα, αναλόγως του διαφράγματος! Ήδη μια δύναμη πέντε κιλών από το πόδι μας μπορεί να γίνει 100 κιλά πριν ακόμα χρησιμοποιήσουμε την επόμενη “βοήθεια”.


Υδραυλικός “πολλαπλασιασμός”.

Όλα όμως τα μέχρι τώρα μηχανικά κόλπα δεν είναι αρκετά για να φρενάρουν τα όλο και πιο βαριά σύγχρονα αυτοκίνητα. Αυτό που χρειάζεται είναι ένα σωστά σχεδιασμένο υδραυλικό κύκλωμα. Ας δούμε ένα παράδειγμα. Σκεφτείτε πως έχουμε δύο σύριγγες. Η αριστερή έχει 5 εκατοστά διάμετρο και η δεξιά 15 εκατοστά. Αυτές οι δύο σύριγγες είναι ενωμένες μεταξύ τους με ένα εύκαμπτο σωλήνα που ξεκινάει από το στόμιο της αριστερής και τελειώνει στο στόμιο της δεξιάς. Με απλά μαθηματικά μπορούμε να υπολογίσουμε τις επιφάνειες του πιστονιού που έχει η κάθε μία. Για την αριστερή προκύπτει 19,6 και για την δεξιά 177 περίπου. Τα μεγέθη αυτά μας βοηθάνε να καταλάβουμε το εξής. Το αριστερό πιστόνι είναι περίπου 9 φορές μικρότερο σε επιφάνεια από το δεξί και πως οποιαδήποτε δύναμη ασκηθεί από το αριστερό θα είναι περίπου 9 φορές μεγαλύτερη όταν θα ασκηθεί από το δεξί! Μέχρι εδώ καλά λοιπόν. Το μόνο πρόβλημα είναι πως για να ισχύει αυτή η αναλογία θα πρέπει το αριστερό πιστόνι να κινηθεί 9 φορές πιο μακριά από ότι θα κινηθεί το δεξί. Αν τώρα σκεφτείτε πως η αριστερή σύριγγα είναι αυτό που συμπιέζετε όταν πατάτε φρένο και η δεξιά, το πιστόνι που σπρώχνει τα τακάκια στο δίσκο θα καταλάβετε σχεδόν τα πάντα για τη θεωρία των φρένων.


Μια τετραπίστονη δαγκάνα.


Ένα ολοκληρωμένο κιτ φρένων


Τακάκια

Ίσως το πιο σημαντικό μέρος στα φρένα είναι τα υλικά τριβής. Τα τακάκια λοιπόν, όπως είναι ευρέως γνωστά, δεν είναι τίποτα παραπάνω από ένα στερεό κοκτέιλ από ειδικά υλικά πάνω σε μια μεταλλική βάση. Αυτή η βάση είναι το σημείο που ακουμπούν τα έμβολα και κάθε φορά που πατάμε φρένο, τη σπρώχνουν προς τον δίσκο. Εδώ σίγουρα θα σκεφτείτε πως δύο μεταλλικές πλάκες έχουν πολύ λιγότερη τριβή όταν τρίβονται μεταξύ τους, από δύο λαστιχένιες. Είναι πιο δύσκολο να τρίψεις λάστιχο με λάστιχο, παρά μέταλλο με μέταλλο. Τα πρώτα τακάκια λοιπόν ήταν σε ένα μεγάλο βαθμό από καουτσούκ, αλλά αν τα σημερινά αυτοκίνητα ήταν εξοπλισμένα με αυτά, θα έπρεπε με το τέλος της κάθε βόλτας να πηγαίνουμε στο συνεργείο για αλλαγή…Σίγουρα έπρεπε να βρεθεί μια καλύτερη λύση.

  • Τα πιο συνηθισμένα υλικά για τακάκια σήμερα, είναι οργανικά, ημί-μεταλλικά πορώδη, μεταλλικά και κεραμικά. Τα οργανικά είναι ίσως τα πιο κοινά και τα συναντάμε στα περισσότερα αυτοκίνητα. Είναι σχετικά μαλακά με αποτέλεσμα να φρενάρουν αμέσως, να μην κάνουν θόρυβο και να μην τρώνε τους δίσκους. Όταν όμως ξεπεράσουν κάποια θερμοκρασία το φρενάρισμα αρχίζει και γίνεται μια περιπέτεια.
  • Τα πορώδη τακάκια έχουν περίπου 40% μεταλλικά μέρη και αυτό έχει ως αποτέλεσμα πολύ μεγαλύτερη θερμότητα άρα και αποτελεσματικότερο φρενάρισμα. Τα συναντάμε σε γρηγορότερα και πιο ακριβά αυτοκίνητα και το μόνο μειονέκτημα είναι πως θέλουν λίγο χρόνο για να έρθουν σε θερμοκρασία σωστής λειτουργίας και όταν τρώγονται βγάζουν μια  μαύρη σκόνη που πάει παντού…
  • Τα μεταλλικά τακάκια τα βρίσκουμε συνήθως σε αγωνιστικές εφαρμογές αλλά και σε λάτρεις της γρήγορης οδήγησης που πάνε συχνά σε πίστες. Βλέπετε αυτά τα τακάκια κάνουν πολύ θόρυβο σε κάθε επαφή τους με τους δίσκους και χρειάζονται αρκετά χιλιόμετρα για να φτάσουν σε θερμοκρασία ώστε να αρχίσουν να λειτουργούν. Η ζημιά σε δίσκους και η σκόνη τους τα κάνει ανυπόφορα σε οδήγηση στους δρόμους.
  • Τέλος υπάρχουν και τα τακάκια που συνδυάζουν ένα μικρό ποσοστό μεταλλικών ινών (χαλκού και όχι σιδήρου) με κεραμικά υλικά. Ο συνδυασμός αυτός προσφέρει μικρότερη φθορά και καλύτερη αποβολή της θερμότητας.

 

 

ABS

Το ABS είναι ίσως το πιο υποβιβασμένο και αδικημένο σύστημα στο σύγχρονο αυτοκίνητο. Όταν είχε πρωτοεμφανισθεί, οι περισσότεροι έλεγαν ότι ο καλός οδηγός έχει ABS εγκατεστημένο στο δεξί του πόδι, ότι του χαλάει το φρενάρισμα τελευταία στιγμή πριν από τη στροφή και άλλα τέτοια χιουμοριστικά… Η αλήθεια είναι πως επειδή ούτε το 10% των οδηγών δεν ξέρει να φρενάρει κάτω από ακραίες συνθήκες, το ABS ήταν και παραμένει σωτήριο. Όταν βάλουμε βροχή και χιόνι μέσα στη εξίσωση, ακόμα και οδηγοί αγώνων δεν μπορούν να φρενάρουν καλύτερα. Επιστημονικά αποδεδειγμένο!!
Συστήματα ABS υπάρχουν πολλά, αλλά για το σκοπό αυτού το άρθρου θα μείνουμε μόνο στις βασικές αρχές του. Πώς μας σώζει δηλαδή κάθε φορά που, ενώ κοιτάμε τη βιτρίνα, η κίνηση μπροστά μας σταματάει.

Το ABS είναι τα αρχικά του Anti-lock braking system και αποτελείται από τέσσερα βασικά μέρη. Σένσορες ταχύτητας σε κάθε τροχό ή στο διαφορικό, μια αντλία, βαλβίδες σε κάθε τροχό και την κεντρική μονάδα ελέγχου.
Οι σένσορες που ενημερώνουν τον εγκέφαλο του ABS για το τι γίνεται σε κάθε ρόδα συνήθως βρίσκονται στους δίσκους ή στις πλήμνες, αλλά και στα διαφορικά.
Οι βαλβίδες βρίσκονται σε κάποιο σημείο του σωλήνα που περιέχει το υγρό φρένων και μπορεί μετά από εντολή του εγκεφάλου να ανοίξει τελείως, εν μέρει ή να κλείσει.
Όταν το ABS κλείσει τις βαλβίδες, η πίεση στο κύκλωμα ελαττώνεται, ακόμα και την ώρα που ο οδηγός έχει το πόδι του πατημένο τέρμα στο φρένο. Άρα όταν θα πρέπει τα πιστόνια να ξαναπιέσουν τα τακάκια για να συνεχιστεί το φρενάρισμα, ο οδηγός δεν μπορεί να κάνει κάτι. Εδώ έρχεται να βοηθήσει η αντλία, η οποία ανεβάζει πάλι την πίεση και το υγρό σπρώχνει πάλι τα έμβολα μέχρι να ακινητοποιηθεί τελείως το όχημα.

 


Λίγη θεωρία.

Σκεφτείτε πως ένα αυτοκίνητο χρειάζεται 5 δευτερόλεπτα για να σταματήσει εντελώς από τα 100 χιλιόμετρα, αν εφαρμοστεί η τέλεια πίεση στο πετάλι του φρένου. Αυτό σημαίνει πως ο κάθε τροχός θα φρενάρει σταδιακά από τα 100 χλμ χωρίς να μπλοκάρει καθόλου. Σε ένα αυτοκίνητο με ABS, την δύσκολη αυτή δουλειά κάνει ένας υπολογιστής που “παρατηρεί” με σένσορες σε κάθε τροχό, απότομες επιβραδύνσεις. Αυτό σημαίνει πως αν ο οδηγός από τα 100 χλμ πατήσει με όλη του τη δύναμη φρένο, οι τροχοί θα ακινητοποιηθούν σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο (και όχι τα 5 που είναι το ιδανικό). Το σύστημα λοιπόν θα το αντιληφθεί και θα αρχίσει να αφαιρεί πίεση από τα πιστόνια του τροχού που επιβράδυνε απότομα. Στη συνέχεια όταν ο τροχός αρχίσει να επιταχύνει ξανά (προηγουμένως δεν γύριζε καθόλου), το σύστημα επαναφέρει πάλι πίεση στα σωληνάκια των φρένων και αρχίζει να τον επιβραδύνει ξανά. Αυτή η κυκλική διαδικασία μπορεί να γίνεται πολλές φορές το δευτερόλεπτο μέχρι ο οδηγός να σηκώσει το πόδι του ή το όχημα να ακινητοποιηθεί. Είναι αυτός ο συνεχόμενος παλμός που μας σπρώχνει το πόδι από το πετάλι του φρένου. Το ABS λοιπόν, προσπαθεί να επιβραδύνει τους τροχούς με  τον ίδιο περίπου ρυθμό που επιβραδύνει και το υπόλοιπο αυτοκίνητο.


και τέλος λίγο χειρόφρενο…

Σε αυτοκίνητα με δισκόφρενα και στους τέσσερις τροχούς, το χειρόφρενο πρέπει να λειτουργεί με έναν ξεχωριστό μηχανισμό και υδραυλικό κύκλωμα ή καλώδιο. Αυτό συμβαίνει γιατί σε περίπτωση που το βασικό υδραυλικό κύκλωμα των φρένων δεν λειτουργεί, το χειρόφρενο, που είναι και η τελευταία λύση πριν τα προπορευόμενα αυτοκίνητα, πρέπει να δουλεύει.

 

Τεχνικό Τμήμα AG Tuning

Οι φωτογραφίες/βίντεο είναι από εξωτερικές πηγές.