A fékrendszerek múltja és jövője

A saját járműveink fékjeivel ritkán foglalkozunk behatóbban. A beavatkozások többnyire kimerülnek a betét- és tárcsa cseréjében, sokan még a fékfolyadék kötelező csereintervallumát sem tartják be. Teszik mindezt úgy, hogy a fék biztonságtechnikai értelemben valószínűleg a közúti járművek legfontosabb alrendszere.

A múlt

Annak ellenére, hogy ma már nem kérdés a fék jelentősége, az autók megjelenségekor ma már megmosolyogtatóan kismértékű lassulást voltak képesek produkálni, és rendkívül komplikált, nehezen kezelhető rendszerek voltak.

A több mint száz évvel ezelőtti konstruktőrök sokkal jobban szerettek motort építeni, mint fékrendszert. Aztán győzött a realitás: túl erősek és gyorsak lettek a személygépkocsik az 1910-es és ’20-as évekre. Szükség volt rá, hogy a fékbe lehessen lépni. Helyesbítek: a legtöbb esetben is nem lépésről, hanem kézi beavatkozásról beszélünk: a szalagfékeket ugyanis kézzel kellett működtetni.

A tengelyre szerelt dobfékek az 1900-as évek elején már kísérleti fázisban voltak. Ezeket még kívülre építették, és a melegben történő, kellemetlenül nagy hőtágulás következtében szerpentineken nem volt tanácsos közlekedni velük. A szervizintervallum nagyjából 500 kilométer (!).

Pár évre rá a hátsó tengely két dobfékje a keréken belülre került, így kevésbé volt kényes az időjárási körülményekre. Ugyanis ekkor még csak a hátsó tengely volt fékezett. Így már 1600 kilométert is kibírtak szerviz nélkül.

A dobfék a mai napig jelen van az autóiparban, bár ma már csak a kisebb méretkategóriákban gyakori, ott is csak a hátsó tengelyen, esetleg kézifékként.

Mint minden sok pénzt érő dolog, a tárcsafék eredete is szövevényes. Mert bár szériában az 50-es években kezdték el használni, maga a fékezési elv már 1898-ban létezett, bizonyos Elmer Ambrose Sperry szerelte fel őket saját elektromos autójára, és a fék szintén teljesen elektromos működtetésű volt! Ebből is látszik, hogy az elektromos autózás és a brake-by-wire eredete sokkal régebbi, mint ahogy az elsőre gondolnánk.

1953-ban a Dunlop már előállt a maihoz nagyon hasonló tárcsafék-rendszerrel, amit a C-Type Jaguarba szereltek be. Nem ez volt az első tárcsafékes jármű, de technikai értelemben mégis mérföldkőnek számít.

Innentől jöttek a fejlesztések: nyeregtípusok, vákuumos rásegítés, hidraulika, légfék, ABS, és egyéb segédelektronikák.

Tárcsafékek altípusai

Úszónyerges tárcsafék: Mint mindennél, itt is hamar kutatni kezdték a lehetőségét a költségvetés lefaragásának. Hamar meg is született az azóta óriási számban elterjedt úszónyerges fékek családja, melyből több változat is fut az utakon. Lényegük azért közös: csak az egyik oldalon vannak dugattyúk, a nyereg másik oldala pedig működés közben szintén képes rászorulni a tárcsára, mivel nincs fix pozíciója. Innen az “úszó” elnevezés.

Az, hogy melyik oldalon nincs dugattyú, konstrukciófüggő, de az alapelv mindig az, hogy ott hagyják el a munkahengereket, ahol kevésbé hatékony a hűtés.

Úszó ökölnyerges tárcsafék: Ezt található meg a legtöbb kis- és középkategóriás személyautóban. A nevét onnan kapta, hogy a zárási mechanizmusa az ököl összeszorításához hasonlít. Nagyon jól eldugott, minden külső hatástól védett vezetőcsapok húzzák össze a nyereg mindkét oldalát. A szerelése könnyebb, mint a fix nyergesé, de ez általánosságban is elmondható. Nézzünk meg egy ilyet működés közben:

Keretes úszónyerges tárcsafék: Ez szinte teljesen ugyanaz, mint az előző, csak itt egy komplett keretet található a betétek körül. A dugattyú(sor) szorítása okán nem csak a saját oldalán lévő betétet nyomja, hanem egyúttal húzza magára a keretet is, így ez utóbbi is szorítja a másik betétet.

Kombinált úszónyerges tárcsafék: Mindkét előbb említett fékkel van egy kis gond, az elsővel pláne – mégpedig az, hogy csak korlátozottan terhelhetők a fix nyergeshez képest. Ezért, hogy a nagyobb tömegű járműveket se kelljen feltétlen fix nyerges rendszerrel ellátni, kitalálták a két úszós kombinációját, ami már kellő működtető erőt enged meg a kisteherautók kategóriájának is.

Anyagfelhasználás

Az, hogy mennyire terhelhető a féktárcsa/fékbetét, és hogy milyen hosszan tehetjük ezt meg, jelentős részben a megválasztott anyagoktól függ. Általánosságban véve a nyereg és a tárcsa szinte mindig valamilyen acél alappal rendelkezik, a fékbetéteknél kicsit nagyobb a szórás.

Nyilván a pontos összetétel nem publikus a gyártóknál, de az elemi felhasználásokat ismerjük: az ún. dörzsanyag, amely a tárcsával érintkezik, kötőanyagok (pl. gyanta), töltőanyagok (pl. vas-oxid), kenőanyagok (pl. grafit) és fémek (pl. acélszövet) mixtúrájából áll. Ma már nem mindegyik betét tartalmaz acélt, ezeket is gyártják keramikus eljárásokkal.

Ezen túlmenően az is világos, hogy a fékek aktív és passzív hűtésére rá is lehet segíteni. Erre szolgálnak például a különböző furatok, barázdák a féktárcsákon, vagy a tárcsa palástjába bemart mélyedések, melyekkel akár 20-30%-nyi hűtési hatékonyságot is nyerhetünk.

Mindenképp szót kell ejtenünk a karbon-kerámia féktárcsákról is, melyekről úgy hihetnénk, hogy a a tartóssága hívta életre, pedig nem ez volt a fő szempont. Az autósportban kritikus jelentőséggel bír a jármű tömege, ezért mindent elkövetnek a könnyítés érdekében. Egy teljes szett nyereggel nem nyom többet 6 kilónál a jelenlegi Formula-1-ben, acél esetén ennek közel a háromszorosával kell számolni.

E mellett természetesen az is igaz, hogy sokkal jobban bírja a hőterhelést az acélnál, és emiatt jóval később is használódik el.

Amin az elektromos autók elterjedése változtatott

A hibrid- és akkumulátoros elektromos autók elterjedésével lehetőség nyílt a fékezéskor fellépő kinetikus energia egy részének visszanyerésére elektromos töltés formájában, melyet visszajuttathatunk az akkumulátorba.

Ez a rekuperálás lehetőséget adott arra, hogy sokkal jobban kíméljük az azonos méretezésű fékrendszert, jóval hosszabb csereintervallumokat biztosítva ezzel a betéteknek és a tárcsáknak egyaránt.

A BEV járművek egyik jelenlegi hiányossága a tömeg: saját kategóriájukban több száz kilogrammal is többet nyomhatnak belső égésű motoros társaiknál. Ebből arra következtethetnénk, hogy ezek az autók erősebb fékeket kívánnak meg, de a regeneratív rásegítés rengeteget kompenzál ebből a hátrányból.

Szintén fontos megjegyezni, hogy a fent felsoroltak ellenére a gyártók rendre túlméretezik a fékeket az elektromos autók esetén is, így a vásárlók általában fokozott fékezési teljesítmény érzékelnek a korábban tapasztaltakhoz képest.

A jövőt tekintve a brake-by-wire rendszerek elterjedése szinte borítékolható, egyfelől a fokozott elektromosítás, másfelől a sokkal egyszerűbb programozhatóság miatt az önvezetés és a vezetéstámogató rendszerek számára.

Gyakran emlegetik érvként a rendszer mellett, hogy könnyebb, mert nem szükséges fékfolyadék, munkahenger, és egyéb elemek, melyek a hidraulikus rendszer részei voltak. Itt fontos megemlíteni, hogy ez ma még nem igaz, ugyanis a mai brake-by-wire rendszerrel felszerelt autókban redundáns alrendszerként ma is megtalálható a hidraulikus fék arra az esetre, ha valamilyen elektromos zavar keletkezne a járműben.