Kiedy w średniowieczu woźnica „wstrzymywał konie” to tak naprawdę rozpoczynał powolny proces utraty prędkości. Jeszcze w XVI wieku był to „normalny” proces – to od konia zależało kiedy i gdzie wytraci prędkość swoją i wozu, który ciągnął. Hamulce cierny zaczęto powszechnie stosować dopiero w XVII wieku. Jego konstrukcja opierała się na prostej drewnianej dźwigni, którą opuszczano na powierzchnię toczną koła. Mechanizm był prosty, ale działał i wynalazek stosowano w coraz większej ilości pojazdów konnych.
Problemem pierwszych hamulców była skuteczność. Hamulec cierny w postaci kawałka drewna szybko zużywał się i tylko spowalniał jazdę. Proces, który zwykle zaczynał się od ściągnięcia lejc gwarantował skuteczne zatrzymanie pojazdu, ale musiał być przemyślany. Pierwszy pojazd o własnym napędzie czyli ciągnik parowy Cugnota nie posiadał żadnych hamulców. Wynalazek „spowalniaczy” nie był rozwijany aż do początku XIX wieku. Czy posiadały go pierwsze bicykle? Nie, należało zeskoczyć z pędzącego pojazdu.
Bicykl bez hamulców
Źródło: 80 Rowerów
Rowerzyści jeszcze w latach 80-tych XIX wieku hamowali jak Fred Flinstone. Rolę hamulca pełniło obuwie posiadającego pojazd. Jazda jednośladem była niebezpieczna i „pełna wrażeń”. Pierwsze automobile spalinowe również korzystały z tego rozwiązania. W tym czasie opracowano również mechanizm spowalniający obroty wału napędowego, ale wciąż był to jedynie mechanizm spowalniający a nie prawdziwe hamulce. Początek konstrukcji nowoczesnego układu hamulcowego datuje się na połowę lat 80-tych XIX wieku.
Daimler i Maybach w swoich konstrukcjach pojazdów eksperymentowali z hamulcem w kształcie bębna. Problemem tych konstrukcji było to, że powierzchnię cierną stanowiły liny, którymi opleciono bęben. Lina po „spotkaniu” z metalem zużywała się z szybkim tempie. W 1899 roku konstruktorzy zastąpili liny cienkimi paskami blach, które naciągano za pomocą dźwigni. Pomimo wad jakościowych wynalazek okazał się skuteczny i szybko ewoluował do postaci znanego nam dziś hamulca bębnowego.
Długa dźwignia hamulca w pierwszym samochodzie
Źródło: Benz
Hamulec bębnowy o sposobie działania znanym do dziś datuje się na rok 1917, 15 lat wcześniej Louis Renault opatentował swój pomysł – jeszcze bez mechanizmu hydraulicznego, ale wykonany z trwałych materiałów. W bębnie znajdowały się szczęki i to one napierały na bęben wytwarzając tarcie. Ciekawostką był materiał, z którego wykonano okładziny. Był to … azbest – materiał, który dwie dekady później uznano za szkodliwy dla zdrowia. Był to jedyny tani materiał o odpowiednich właściwościach termicznych.
Brytyjczycy również mieli wkład w rozwój hamulców. Brytyjski Lanchester opatentował pomysł na hamulec tarczowy – również działający w oparciu o mechanikę a nie hydraulikę. Jak działały te wynalazki? Sprężyny, dźwignie – pomysłów było wiele, ale każdy z nich potrafił skutecznie wyhamować koła napędowe. „Wyhamować”, co oznaczało, że producenci przed hamowaniem zalecali „stopniowe wytracanie prędkości”. Każde nagłe pociągnięcie dźwigni lub naciśnięcie pedału wiązało się z utratą przyczepności i wypadkiem.
Jeszcze w latach 20-tych XX wieku „normą” były bębny umieszczone na tylnej osi pojazdu oraz hamulec na wał napędowy. Przy prędkościach rzędu 40-50 km/h to było wystarczające, ale coraz mocniejsze silniki i wyższe prędkości wymagały bardziej skutecznych rozwiązań. Hamulce bębnowe na wszystkich kołach zaczęto stosować dopiero w drugiej dekadzie XX wieku. W najtańszych konstrukcjach jeszcze w latach 30-tych stosowano hamulce tylko na tylnych kołach –
Przekrój hamulca bębnowego
Źródło: Wikimedia
Niestety hamulce mechaniczne potrafiły być zawodne a ich synchronizacja była trudna. Hamując z wyższych prędkości automobil mógł nagle zmienić tor jazdy. Wynalazek układu hydraulicznego był znany już w 1895 roku (Hugo Meyer), ale nie był doskonały z uwagi na problemy z konstrukcją pompy. Prace nad sprawnym układem hydraulicznym zajęły 22 lata. Jako pierwszy układ hydrauliczny, który można było zastosować do seryjnego pojazdu uznaje się konstrukcję Lockheada, którą zastosowano w samolotach.
Wcześniej, bo w 1914 roku bracia Duesenberg jako pierwsi do wyścigów wystawili bolid wyposażony w układ hamulcowy wykorzystujący ciśnienie cieczy do rozpierania szczęk hamulcowych. Konstrukcja ta nie była doskonała i stosowano ją tylko w wyścigówkach własnej marki. Większość europejskich producentów zaczęła kopiować rozwiązanie Lockheada i to właśnie ono stało się obowiązującym standardem. Duesenberg swoją konstrukcję rozwijał i zastosował w swoich szybkich limuzynach serii J.
Bębnowy układ hydrauliczny był przeznaczony głównie do samolotów, ale szybko trafił do samochodów co zawdzięczamy głównie brytyjskim i francuskim manufakturom. Ciśnienie płynu było odpowiedzialne za rozwarcie szczęk i wywołanie tarcia. Tarcie generowało temperaturę i zatrzymywało pojazd. Mechanizm początkowo nie był szczelny. Dochodziło do częstych wycieków i awarii sprawności, ale był to postęp jakościowy w stosunku do awaryjnej mechaniki. Niestety samochody były coraz szybsze.
Hamulce hydrauliczne w ciężarówce marki Knox z 1915 roku
Źródło: Wikimedia
Niestety, gdyż zatrzymywanie się z coraz wyższych prędkości wymagało coraz większych bębnów i tarcz. W 1928 roku znaleziono rozwiązanie problemu – poprzez chwilowe podniesienie ciśnienia w układzie skuteczność była wyższa. Tak oto powstało tzw. „servo” czyli wspomaganie układu. Ciśnienie z układu dolotowego skierowane do układu hamulcowego zwiększało skuteczność hamowania. Problem było blokowanie hamulców, które potrafiło zmienić tor jazdy hamującego pojazdu.
Na mokrej lub oblodzonej nawierzchni łatwo było o wypadek. Rozwiązaniem na to był układ, który opracowano na potrzeby lotnictwa. Gabriel Voisin i jego mechanizm przeciwdziałający blokowaniu kół był przełomem w technologii hamulców. Wynalazek z końca lat 20-tych (opisywany tutaj: „Lecę, bo chcę” ) pozwalał na skuteczne zatrzymanie się z każdej prędkości a sprytny mechanizm „kołków” wprawiał w ruch zablokowane koło. Wynalazek przejęło lotnictwo. Motoryzacja nie była na to gotowa.
Mechanizm i sposób działania hamulców nie zmieniał się aż do lat 50-tych. W powszechnym użyciu były hamulce bębnowe i jednoobwodowy układ. Kilku producentów stosowało hamulce tarczowe tylko na przedniej osi. W latach 50-tych 4 hamulce tarczowe stosował Jaguar w swoich wyścigówkach. Amerykańskie krążowniki nadal posiadały 4 bębny, wyjątkiem był Tucker ze swoimi tarczami. Jak wiadomo, amerykańskie koncerny skutecznie „rozprawiły się” z Tuckerem. W Europie tarcze zastosowano w Citroenie DS i układ zintegrowano z układem sterowania zawieszeniem.
Tucker 48 – pionier nowoczesnej motoryzacji
Źródło: The Drive
W latach 60-tych włoskie marki: Fiat, Lancia i Alfa Romeo w większości swoich konstrukcji stosowały 4 hamulce tarczowe. W większości, co oznaczało, że nawet w popularnych sedanach średniej klasy z tyłu zamiast bębnów montowano tarcze. Starsi Czytelnicy pamiętają słynną naklejkę informującą o tym, że Fiat posiada hamulce tarczowe. Tymczasem „Maluch” wjechał w XXI wiek hamując swoimi bębnami. W latach 70-tych Bosch w spółce z Mercedesem prowadził badania nad rozwojem wynalazku z lat 20-tych, ale nie dokonał rewolucji a jedynie wzbogacił go o elektronikę.
System antyblokujący Dunlop Maxaret zastosowany w Jensenach w latach 60-tych nie zapisał się trwale w historii motoryzacji, ale to właśnie od niego rozpoczęła się rewolucja w konstrukcji układów hamulcowych. Niestety był stosowany tylko na jednej osi. Bosch do rozwiązania znanego z samolotów wprowadził elektroniczne sterowanie, które znacznie poprawiło skuteczność ABS-u. W tym pomogły dodatkowe tłoczki. Większe skomplikowanie układu, ale i większa wydajność ze sportu motorowego przeniosło się na drogi publiczne.
Schemat układu Maxaret
Źródło: wikimedia
Podwójne tłoczki zaczęto stosować w latach 70-tych w dużych i ciężkich limuzynach a także w wyścigówkach. Co to oznaczało? Więcej klocków hamulcowych (nawet po 4 na koło), wyższe ciśnienie w układzie (większe i skuteczniejsze pompy), ale i możliwość szybkiego wytracenia dużych prędkości. Niestety stal, z której wykonywano tarcze hamulcowe przestała być materiałem skutecznie magazynującym i odprowadzającym ciepło. U progu lat 80-tych dokonała się prawdziwa rewolucja w dziedzinie materiałów, z które wykonywano tarcze hamulcowe.
Wentylowane tarcze nie były nowością – wynalazek był znany już w latach 30-tych. Nowością była mieszanka, z której odlano tarcze. W sporcie motorowym zaczęto stosować tarcze z dużą domieszką węgla lub w całości wykonane z włókna węglowego. Doskonale oddawały ciepło, ale szybko zużywały się co nie było problemem na torze czy na odcinku specjalnym. Wynalazek szybko przejeli tunerzy i producenci supersamochodów. Dla klientów, którzy byli w stanie wydać miliony na wymarzony pojazd, wydatek kilkunastu tysięcy na nowe tarcze nie stanowił problemu.
W czasie, gdy historia bębnów hamulcowych dobiegła końca, tarcze nadal rozwijano a mechanizm sterujący przyleganiem klocka do tarczy próbowano zastąpić elektromagnesami. Z szalonego pomysłu zrezygnowano, gdyż skuteczność rozwiązania była … dyskusyjna. Przykładem zbyt skomplikowanego układu hamulcowego stał się układ SBC, który zastosowano w Mercedesie w 2003 roku. Pomysł niestety nie przyjął się – nie był szczególnie awaryjny, ale wyświetlanie informacji o pozostałych „skutecznych hamowaniach” odstraszał klientów. Co później?
SBC – „szatański wynalazek”
Źródło: Mercedes
Pomimo obecnego rozwoju konstrukcji pojazdów układ hamulcowy u progu XXI wieku osiągnąć szczyt rozwoju. Wszelkie nowinki techniczne były jedynie uzupełnieniem 100-letniej konstrukcji. Czy to oznaczało, że nawet najmniejsze samochody wyposażono w układ hamulcowy z czterema tarczami? Nie, normą było to, że nawet modele z segmentu B posiadały hamulce bębnowe na tylnej osi i stan ten nie zmienił się do lat 20-tych XXI wieku. Po prostu lekki tył nie potrzebuje tak mocnego wytracania prędkości jak ciężki przód a okładziny uważa się za trwalsze od klocków.
Nowoczesny układ hamulcowy posiada dwa obwody, tzn. posiada dwie pompy hamulcowe lub jedną tzw. dwusekcyjną. Dzięki takiemu rozwiązaniu całkowita awaria hamulców nie jest możliwa lub mało prawdopodobna. W skrajnym przypadku jedno przednie i jedno tylne koło w razie awarii dwóch pozostałych umożliwi skuteczne (choć niestabilne) wytracenie prędkości. Rozwiązanie to powszechnie stosuje się od lat 60-tych XX wieku i jest dziś obowiązującym standardem. Jaki układ hamulcowy jest dziś powszechny?
Układ hamulcowy Brembo
Źródło: Brembo
Standardem jest układ ABS oraz czujnik zużycia okładzin, który pozwala na uniknięcie „przykrej niespodzianki” w postaci odgłosu zdzieranego metalu. Nowoczesne hamulce potrafią skutecznie i bezpiecznie zatrzymać każdy pojazd. Wymagają jednak współdziałania ze strony „dobrych” opon, czyli takich, których bieżnik pozwala na pewny kontakt pojazdu z nawierzchnią drogi. Standardem jest droga hamowania ze 100 km/h do zera na dystansie 35 metrów. Pół wieku temu takim „standardem” było 80 metrów. To najlepiej świadczy o rozwoju hamulców.