A Modern Féktárcsák Működése és Jellemzői: Anyagok, Hűtés és Fejlett Fékrendszerek
A járművek biztonságos üzemeltetéséhez elengedhetetlen a megbízható fékrendszer, melynek egyik központi eleme a féktárcsa. A féktárcsa funkciója a jármű fékezése, lassítása és megállítása. Ahhoz, hogy a fékrendszer a jármű biztonságos és folyamatos lassításához - esetleg vészfékezéséhez - féknyomatékot, azaz fékezési erőt generáljon, a féktárcsa mellett fékbetétre is szüksége van. A fékrendszer működése során fékezési erőt generál a féktárcsa és fékbetét kölcsönhatása által. A kölcsönhatás általi negatív nyomatékot továbbítja a tárcsa a kerékagyra, onnan pedig a keréktárcsára (felnire).
A Féktárcsa Története és Jelentősége
A féktárcsákat eredetileg a motorsport számára fejlesztették ki. A sportban elért sikerek után az 1960-as években már a közúti gépjárművek első kerekeire is felkerült a tárcsafék. A korábban használt dobféknek számos gyenge pontja volt a kialakításából származóan: hőmérsékleti problémák, torzulás, fékhatékonyság-csökkenés, nagy kopás és zaj jellemezte. A féktárcsa a dobfékekhez képest hatékonyabb, ezért általában a járművek első tengelyén tárcsafék található, mivel a járművek többségében a fékezés során az első kerekeknek fontosabb szerep jut.
A tárcsafék olyan fékberendezés, amely a kerékkel együtt forgó féktárcsára ható súrlódással lassítja, illetve állítja meg az autót. A féktárcsa és a fékbetétek súrlódása következtében jön létre a lassulás. Ez a mechanikai kapcsolat hőtermeléssel jár, ami a féktárcsák egyik legfontosabb jellemzője.
Hőkezelés és Féktárcsa Típusok
A fékezés során, a betét és a féktárcsa működésekor a fellépő súrlódás miatt rengeteg hőenergia keletkezik. Ennek a hőenergiának 90%-a a féktárcsán keresztül távozik a környezeti levegőbe. A féktárcsa hőelvezető képessége azonban korlátozott, ezért fontos, hogy azt minél előbb elvezesse a tárcsa, így elkerülve a túlmelegedés okozta károkat.
Belső Hűtésű (Bordás) és Tömör Féktárcsák
- Bordás (hűtött) féktárcsák: Ezeket a tárcsákat elsősorban az első tengelyen használják a jobb hűtés érdekében. Felületük sokkal nagyobb, és alkalmasabb a hőcserére. A két oldali súrlódó tárcsa felület bordákkal van összekötve, ami révén a felületek között járhat a levegő, valamint a bordák a felelősek a féktárcsák merevségéért. A féktárcsa forgása miatt keletkező centrifugális erő a szellőzőcsatornákon keresztül „kiszívja” a levegőt a féktárcsa belsejéből. Azok a kis levegőrészecskék, amelyek ennek következtében érintkezésbe kerülnek a féktárcsa felületével, elnyelik a hőenergiát és azt kifelé szállítják. Ezekkel a megmunkálásokkal sokkal hatékonyabb hűtés érhető el. Előnyük továbbá, hogy kevésbé érzékenyek a nedvességre.
- Tömör féktárcsák: Ezek a tárcsák jóval lassabban tudják leadni a hőt a környezetnek, hiszen itt csak két felület vezeti el a hőt, ellentétben a hűtött tárcsákkal, ahol a külső felületeken kívül a bordákkal összekötött belső felületek is biztosítják ezt.
Fúrt és Mart Féktárcsák
Léteznek fúrt és mart féktárcsák is. Előbbiek esetében a gyártó lyukakat fúr a tárcsába, ezáltal is növelve a hőelvezetési kapacitást, míg mart tárcsák esetében oldalsó bemarások által növelik a hőleadás képességét. A féktárcsa hűtését a menetszél is segíti, amely a tárcsa közepén lévő résekbe bejutva hűti a felületet.
Útmutató a fektárcsa centírozásához
Féktárcsa Anyagai és Fejlesztések
A féktárcsa anyagának szigorú követelményeknek kell megfelelnie, hiszen nagyon magas mechanikai- és hőterhelésnek van kitéve. Ezen terhelések mellett ki van téve a szórt víz, szállópor és az útról felverődő szennyeződések koptató hatásainak is.
Öntöttvas Féktárcsák
A legtöbb féktárcsa speciális szürke öntöttvasból, gömbgrafitos öntöttvasból készül. A tárcsák magas széntartalma növeli a hőelvezetési képességet.
Kerámia Féktárcsák
A kerámiákat (szénszálas vagy szénkerámia) egyre inkább használják a féktárcsák gyártására, különösen a prémium kategóriájú járművek esetében, főleg az áruk miatt. Ezeknek az előnyei a stabil szerkezet minden hőmérsékleti tartományban, kis súly, gyors fékreakció, rendkívül hosszú élettartam és a jó fékhatékonyság. Hátrányaik között szerepel a rossz hővezetőképesség (ami speciális fékbetéteket igényel) és a nagyon magas ár.
Bevonatos Féktárcsák
Számos gyártó elkezdett bevonatos féktárcsákat kínálni a fékjavításhoz. Az ilyen típusú féktárcsák speciális festékkel vannak bevonva, amely védi a féktárcsákat (nem a súrlódási felületet) a korrózió ellen. Ezáltal nem rozsdásodik a tárcsa, így elsősorban esztétikai szempontból lehet jó választás, különösen nyitottabb szerkezetű felniknél.
Féktárcsa Anyagok Összehasonlítása
| Tulajdonság | Speciális szürke/gömbgrafitos öntöttvas | Kerámia (szénszálas/szénkerámia) |
|---|---|---|
| Hővezető képesség | Jó | Rossz (speciális betét szükséges) |
| Stabilitás | Jó | Stabil minden hőmérsékleten |
| Súly | Magas | Kis súly |
| Fékreakció | Jó | Gyors |
| Élettartam | Átlagos | Rendkívül hosszú |
| Fékhatékonyság | Jó | Jó |
| Ár | Közepes | Nagyon magas |
| Alkalmazás | Széles körben, legtöbb járműben | Prémium kategóriás járművek |
Hogyan kerülhetnek egy fék 10 000 dollárba? A karbon kerámia zsenialitása
A Féktárcsa Kopása és Deformációja: Problémák és Megoldások
A féktárcsák súrlódó felületei hajlamosak a felmelegedés okozta deformációra. Ez a jelenség kellemetlen zajképződést és rezgéseket okozhat a fékezés során. Ez az oka annak, hogy a fékgyártó cégek arra törekednek, hogy megtalálják a féktárcsák kialakításának legoptimálisabb módját, amivel elkerülhető a deformáció.
Tapasztalatok Dacia Logan MCV féktárcsa cseréjével kapcsolatban
Az esetek többségében a kellemetlen és veszélyes rezgéseket az angol szakirodalomban DTV (Discs Thickness Variation), vagyis a változó vastagságú féktárcsa okozza. Ez a probléma általában úgy jelentkezik, hogy kb. 3000 - 6000 km-el a beszerelés után válik zavaróvá a vibráció fékezéskor. A féktárcsa hullámosodása (változó vastagsága) úgy alakul ki, hogy a fékrendszer hibás geometriai tényezői miatt egy idő után bizonyos területeken rendellenes kopás alakul ki a fékbetéttel érintkező felületeken.
Karbantartás és Csere
A féktárcsa karbantartást nem igényel, de az állapotát rendszeresen ellenőrizni kell. A féktárcsa fékező hatását a fékbetét hozza létre, amely gyorsabban kopik a tárcsánál, ezért sűrűbben szorul cserére. Fontos tudni, hogy minden fékbetét csere alkalmával ellenőriztetni kell a féktárcsák állapotát is. A gyártók minden autótípusra meghatározzák a minimális féktárcsa vastagságot; egy átlagos féktárcsa megengedett kopása legfeljebb 2-3 mm lehet. A kopott féktárcsa rossz hőelvezetést biztosít, könnyen elreped, deformálódik, a fékfolyadék felforrhat. Fontos biztonsági előírás, hogy mindig cserélje ki mindkét féktárcsát a tengelyen, és minden esetben, amikor féktárcsát cserél, ki kell cserélni a fékbetéteket is.
A Vibráció Problémájának Megoldása
A vastagsági különbségek mértékétől függően rázó, pulzáló hatást gyakorol az egész fékrendszerre. Ennek a problémának a megoldását nem a tárcsa cseréje jelenti, és a hagyományos tárcsa felszabályozás sem oldja meg a helyzetet, mert a hiba többnyire néhány ezer kilométer múlva ismét jelentkezni fog. Az egyetlen tökéletes és gyors mód, hogy megszüntessük ezt a problémát, a járműre szerelt féktárcsa saját helyén történő felszabályozása. Jelenleg ezt a műveletet a már bevált Pro-Cut rendszerrel lehet a legpontosabban kivitelezni, mivel mikroprocesszoros giroszkópja segít a fékrendszer geometriájának visszaállításában.
A Fékrendszer Kiegészítő Elemei: Fékrásegítők és Fékasszisztensek
Az alap fékrendszert további, különböző feladatokat ellátó szerelvények egészítik ki. Ezek egyrészt csökkentik a gépkocsivezető által a pedálon kifejtendő működtető erőt, másrészt a biztonságos fékezés érdekében futóművenként összehangolják a fékerők nagyságát. Feladatuk a komfortosabb és hatékonyabb fékezés megvalósítása.
Vákuumos Fékrásegítő
A nagyobb tömegű gépkocsiknál a gépkocsivezető által kifejtett pedálerő már viszonylag nagy pedál áttételnél is kevésnek bizonyul a hatóságilag előírt fékhatás elérésére, ezért fékrásegítőt szerelnek be. Ezek közös jellemzője, hogy működésükhöz segédenergia szükséges. A vákuumos fékrásegítő a pedálerővel arányosan növeli a főfékhenger dugattyújára ható működtető erőt. A főfékhengert közvetlenül a vákuumos rásegítőre szerelik, a két egység között a működtető erőt egy beállítható hosszúságú nyomórúd adja át.
A vákuumos fékrásegítő háza acéllemezből sajtolással készül, bár az utóbbi évtizedek fejlesztései a tömeg csökkentésére irányultak, így 2013-ban több gyártó bemutatott alumínium ötvözetből készült vákuumos fékrásegítőt is. A rásegítő házának két részét peremezéssel rögzítik egymáshoz. Nagy átmérőjű dugattyú támasztja meg a rásegítő két részét egymástól elválasztó, elasztomerből készült membránt. Ennek pereme látja el egyúttal a két házrész közötti tömítés feladatát is.
A fékpedállal mozgatott működtető rudazatba kettős szelepet építenek be. Miután kialakult a legnagyobb vákuum, a szelep lezár, és így tárolja a vákuumot a rásegítőben. A visszacsapó szelep megakadályozza továbbá, hogy a kartergáz és a benzingőz bejuthasson a rásegítő belsejébe. A fékrásegítő élettartamát alapvetően az elasztomer membrán, a tömítések és a szennyeződések ellen védő gumi harmonikák anyaga és minősége határozzák meg.
A Vákuumos Fékrásegítő Működése
A vákuumos fékrásegítő membránjának mindkét oldalán a motor, vagy a vákuumszivattyú által létrehozott nyomás alakul ki. Fékoldási helyzetben a működtető rudazatba beépített kettős szelep egymással összeköti a belső két kamrát. A fékpedál lenyomásakor a vezérlő dugattyú előre mozdul, és a rászerelt tömítés felfekszik a belső vállon, így a membrán előtti és mögötti terek összeköttetése megszűnik.
Amikor a fékpedál tovább mozdul, kinyílik a kettős szelep belső része. A membrán mögötti térbe a rudazat nyakrészénél lévő szivacs szűrőn keresztül a környezetből levegő áramlik be, emiatt növekszik ebben a kamrában a nyomás és a membránra ható erő. A pedálerő és a rásegítő erő összege a rudazat zárt belső terébe beépített, meghatározott Shore keménységű, de alakváltozásra képes gumi tárcsa szélét összenyomja, aminek közepe kidudorodik és visszahat a fékpedálra.
Amikor a főfékhenger dugattyúja elmozdul, záródik a kettős szelep. A fékpedál benyomott állapotban marad és így kialakul a részfékezési állapot. A membrán két oldalán kialakult a nyomáskülönbség, de az tovább nem változik. A fékpedál további lenyomásakor, teljes fékezéskor a kettős szelep nem záródik be, és kialakul a lehető legnagyobb rásegítés, ez az úgynevezett kivezérlési pont.
Ha meghibásodás miatt nincs vákuum, a fékpedál rudazata a főfékhenger dugattyúját úgy mozdítja el, hogy közben nem alakul ki a rásegítő hatás.
Kétmembrános Vákuumos Fékrásegítők
Nagyobb tömegű gépkocsiknál nagyobb fékező nyomás szükséges, ezért nagyobb átmérőjű rásegítőt kell beépíteni. A tapasztalatok szerint azonban a vákuumos fékrásegítő membránjának átmérőjét 10” fölé nem célszerű növelni, mert akkor működés közben a dugattyú már könnyen félrebillen és megszorul. Emiatt nem növekszik a fékező nyomás. Nagyobb tömegű gépkocsiknál és azoknál, melyeket gyárilag vonóhoroggal is ellátnak, nagyobb rásegítő hatásra van szükség. Ezt két membrános kivitellel valósítják meg, ahol mindkét membrán bal és jobb oldali kamráit átvezető csatornákkal kötik össze. A két membrándugattyú ugyanarra a működtető rudazatra fejt ki erőt, a működtetéséhez pedig az egy membránoshoz hasonló szeleprendszert építenek be. Fontos, hogy a két membrán átmérője nem egyforma.
Vákuumszivattyúk Típusai
A vákuumot az Otto-motoroknál az alapjárati fordulatszámon a szívócsőben kialakuló 0,7-0,8 bar vákuum biztosítja, ami energiaforrásként használható. A motorfék használatakor az alapjáratinál nagyobb fordulatszám és vákuum alakul ki. Dízelmotoros, elektromos és hibrid autóknál, valamint stop-start rendszereknél azonban villanymotorral hajtott vákuumszivattyúkat alkalmaznak a fékrásegítő energiaellátására, mivel itt a belsőégésű motor nem mindig jár, vagy a vákuum alacsonyabb. Benzines automataváltós autóknál hidegindítás után a kis vákuum miatt szintén szükség lehet rá.
Dugattyús Vákuumszivattyú
Kettős működésű dugattyús vákuumszivattyút szerelnek be például a Mercedes személygépkocsikba, melyet a Pierburg gyárt. A dugattyú alatti és feletti térhez egy-egy szívó és nyomószelep tartozik. Ha a megfelelő vákuum kialakult, a két tér között egy ötödik szelep is kinyit és összeköti a két részt egymással. A vákuumszivattyú hajtása a belső égésű motorról hullámokkal ellátott tárcsa segítségével történik, amelyet a vezérműtengely forgat. A kimeneti részénél két csőcsatlakozót találunk, a nagyobb átmérőjűhöz csatlakoztatják a vákuumos fékrásegítőt. A beépített ötödik szelep ennek a csatlakozónak elsőbbséget biztosít.
Forgólapátos Vákuumszivattyú
A forgólapátos vákuumszivattyúknál a házhoz képest excentrikusan beszerelt forgórészben vannak a lapátok, melyeket a centrifugális erő szorít a ház belső felületére. A szívó részen a lapátok közötti kamrák térfogata növekszik, ez látja el energiával a vákuumos fékrásegítőt. Szállító képessége a fordulatszámon kívül az excentricitás nagyságától is függ. A lapátok és a ház közötti jó tömítéshez megfelelő kenőolaj-ellátás szükséges. A lapátok általában kopásálló műanyagból készült csapok körül mozognak, vagy hidrodinamikus kenéselmélet alapján felúsznak a ház falán képződött kenőolaj-filmen. A moduláris rendszerben készülő egylapátos Wabco vákuumszivattyúk különböző méretekben kaphatók, és a motor kenőolajkörébe vannak bekötve. Hajtásuk történhet közvetlenül a vezérműtengelyről, az adagoló szivattyúról, vagy a vezérműszíj segítségével a főtengelyről.
Membrános Vákuumszivattyú
Kisebb vákuum igény esetén, ha a fékrásegítőn kívül mást nem kell ellátni, membrános vákuumszivattyú is alkalmazható.
Fejlett Fékasszisztens Rendszerek
A Mercedes szimulátorában végzett vizsgálatok eredményei azt mutatták, hogy az esetek 70%-ában még hirtelen fékezésnél sem volt elég nagy a pedálerő ahhoz, hogy elérhető legyen a legnagyobb fékrásegítés. A gépkocsiba beépített rásegítő tehát nincs megfelelően kihasználva, nem valósul meg a lehető legnagyobb fékerő, így a gépkocsi lassulása kisebb, és a fékút hosszabb. Ezen probléma kiküszöbölésére fejlesztették ki az aktív vákuumos fékrásegítőt, mely a Mercedes-Benz és a Lucas közös fejlesztésének eredménye volt.
Aktív Vákuumos Fékrásegítők
Az aktív fékrásegítő jól hasznosítható a gépkocsivezetést támogató, különböző asszisztens rendszereknél, melyek nem csak a komfortot, hanem a biztonságot is növelik. Pánikszerű fékezéskor a gépkocsivezetők ugyan elég gyorsan reagálnak, de nem elég nagy erővel nyomják a fékpedált. Ezért a fékrendszerben késlekedve alakul ki az ABS szabályozás kezdetéhez szükséges fékező nyomás. Rövidebb a fékút, ha már a fékezés kezdetén, amikor a gépkocsi még nagy sebességgel halad, a lehető legnagyobb fékerő kialakul. Ezt a fékasszisztenssel valósítható meg.
- Első generáció: A vákuumos fékrásegítő fékpedálhoz csatlakozó rudazatát elektromos elmozdulás érzékelővel látták el, mely az elektronikának jelet ad. Ha a fékpedál elmozdulásának sebessége egy előre meghatározott küszöbértéket átlép, aktiválja a vákuumos fékrásegítő elektromágneses szelepét, amely kinyit, és a membrán mögötti kamrába atmoszférikus nyomású levegőt enged be.
- Második generáció: Az alapfeladat ellátásán kívül, amikor a vezető az emelkedőn bizonyos ideig nyomva tartja a fékpedált, automatikusan működésbe hozza az elektromágneses szelepet, és az aktív vákuumos fékrásegítő tartja befékezve a gépkocsit („hill holder” funkció). Induláskor a gázpedál elmozdulásával arányosan automatikusan kifékeződik.
- Harmadik generáció: A gépkocsi üres és terhelt állapotában egy adott lassulás azonos pedálerővel érhető el. A fékasszisztens előnyös hatását jól bizonyítják a végrehajtott mérések: 100 km/h sebességről normál fékezéssel 73 m megtétele után áll meg a gépkocsi. Kedvező útviszonynál 100 km/h sebességnél a fékutat 33 m-re csökkentheti.
Mechanikus Fékasszisztensek
A Continental Teves 2000-óta gyártja sorozatban a mechanikus működésű fékasszisztenst, melynek előnye, hogy beszerzése egyszerűbb és olcsóbb, mint az elektronikus változaté. Ennél a vákuumos fékrásegítő belső részét egészítik ki egy újabb mechanikus egységgel. A beépített kiegészítő mechanikával a vákuumos fékrásegítő egy bizonyos fékpedál lenyomási sebesség felett gyorsabban éri el a kivezérlési pontot (maximális rásegítés).
Mechanikus működésű aktív fékrásegítőt gyárt az amerikai TRW konszern is. A fékpedál gyors lenyomásakor, amikor a sebesség egy bizonyos küszöbértéknél nagyobb, a mechanikus részbe szerelt záró golyók radiálisan elmozdulnak. A hüvely elmozdul, és feltámaszkodik a reteszelő lemezen, megakadályozva a golyók további elmozdulását. A reakciótárcsán képződő erőt a golyókosár a szelepház felé közvetíti, és megszűnik a visszahatás a fékpedál felé. A szelepház nyitott helyzetben marad a fékezés végéig, így az atmoszféra nyomása teljesen megtölti a vákuumos fékrásegítő membránja mögötti jobb oldali kamrát, és a rásegítő a lehető legnagyobb nyomáskivezérlést valósítja meg. A másodperc töredéke alatt nagy fékezőnyomás valósul meg, anélkül, hogy ehhez a pedálerőt növelni kellene. Valójában a fékpedálon kifejtendő erő nagyon gyorsan csökkenni fog, hozzávetőleg megegyezik a tengelykapcsoló működtetéséhez szükséges erővel.
Az amerikai TRW mechanikus fékasszisztensénél a vákuumos fékrásegítő szelepházába egy erős állandó mágnest szerelnek be. Amikor hirtelen fékpedál lenyomásnál a működtető szelep megközelíti a mágnest, az magához húzza azt és nem tud visszazárni. Így a nyitott szelepen keresztül azonnal beáramlik a teljes atmoszférikus nyomás és kialakul a lehető legnagyobb rásegítés. Ezt a változatot alkalmazzák a Renault személygépkocsikban is. A vákuumos fékrásegítő a pedálerőt 6,5-szeresére növelheti.
EVA (Emergency Valve Assistant)
Az EVA vészfékezésnél a vákuumos fékrásegítőnél egy hidromechanikus szerkezettel jelentős mértékben megnöveli a rásegítést, így a fékező nyomás nagyon gyorsan eléri az ABS szabályozási küszöbértéket. Ez a szerkezet a fékpedál lenyomásának sebességétől függően aktiválódik, és nagy fékező teljesítményt eredményez kis pedálerő hatására. A fékpedál visszaengedését követően automatikusan visszakapcsol normál fékrásegítő működésre.
Vásárlási Tippek és Gyártók
A féktárcsák ára meglehetősen széles spektrumon mozog. Vásárláskor vegyük figyelembe az autónk teljesítményét és a felhasználás módját. Érdemes minőségi terméket választani, hiszen a fékrendszer a biztonság alapja.
A legnagyobb féktárcsa márkák egyike a német ATE, amely sok modellnél gyári beszállító. Ajánlott féktárcsa márkák továbbá a német TRW, TEXTAR, ZIMMERMANN, FERODO, BREMBO, JURID, melyek kiváló minőségű termékeket kínálnak. A középkategóriás féktárcsák között is találhatóak jó minőségű márkák, mint például a NIPPARTS, LPR, JAPANPARTS, ROADHOUSE, CIFAM, QH, VEMO, MAPCO.
Az angol EBC féktárcsák külön említést érdemelnek, mivel közöttük megtalálható az EBC Turbo Groove fúrt/mart féktárcsa, amelyet mindenki számára ajánlanak, aki igazán sportosan vezet.