ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΦΡΕΝΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΦΡΕΝΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΣΠΟΥΔΑΣΤΡΙΑ ΚΟΜΛΙΚΗ ΜΑΡΙΑ Α.Ε.Μ : 5178 ΕΠΟΠΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ ΚΑΒΑΛΑ ΜΑΙΟΣ 2014

2 ΕΓΚΡΙΝΕΤΑΙ Ο ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΚΟΜΛΙΚΗ ΜΑΡΙΑ

3

4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΦΡΕΝΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ ΦΟΙΤΗΤΡΙΑΣ ΚΟΜΛΙΚΗ ΜΑΡΙΑ Α.Ε.Μ : 5178 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΙΩΑΝΝΗΣ Θ. ΑΡΑΜΠΑΤΖΗΣ ΚΑΒΑΛΑ ΜΑΙΟΣ 2014

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Αισθάνομαι την ανάγκη να επισημάνω την απέραντη ευγνωμοσύνη μου στους γονείς μου και στον αρραβωνιαστικό μου, για όλα όσα μου έχουν προσφέρει στη διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων και την αμέριστη υποστήριξη τους σε κάθε μου επιλογή. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Ιωάννη Θ. Αραμπατζή για την εμπιστοσύνη και την αφιέρωση πολύτιμου χρόνου ώστε να ολοκληρωθεί η εργασία αυτή.

6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα πτυχιακή εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια της ολοκλήρωσης σπουδών μου στο τμήμα Μηχανολογίας του Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύματος Καβάλας. Αποτελεί εργασία μελέτης και κατανόησης του συστήματος πέδησης του αυτοκινήτου και ανάλυσης των υλικών κατασκευής των φρένων με έμφαση στα κεραμικά φρένα. Θα ήθελα για μια ακόμη φορά να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Ιωάννη Θ. Αραμπατζή για τον πολύτιμο χρόνο που αφιέρωσε ώστε να ολοκληρωθεί η εργασία αυτή. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον μηχανικό αυτοκινήτων κ. Καραμανώλη Αβραάμ για τις πολύτιμες συμβουλές που μου έδωσε ώστε να μπορέσω να πετύχω το δυνατόν καλύτερο αποτέλεσμα στην εργασία αυτή.

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ ΑΣΦΑΛΕΙΑ Γενικά Ενεργητική Ασφάλεια Παθητική Ασφάλεια ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΕΔΗΣΗΣ Γενικά Κύρια συστήματα πέδησης Δυνάμεις πέδησης του αυτοκινήτου Αντιμπλοκαριστικό σύστημα πέδησης (ABS) (ANTI LOCK BRAKING SYSTEM) Απαιτήσεις απο το σύστημα ABS Λειτουργία του συστήματος A.B.S Εξαρτήματα συστήματος ABS Οι βλάβες του συστήματος ABS ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΦΡΕΝΑ Εισαγωγή Είδη κεραμικών υλικών Λίγο Ιστορία Μηχανικό Θαύμα Booster... 45

8 3.5 Υδραυλικός «πολλαπλασιασμός» Τακάκια Λίγη Θεωρία Xειρόφρενo ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΔΗΣΗΣ ΚΑΙ ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΤΟΥΣ Ιστορική αναδρομή Υλικά κατασκευής δισκοφρένων Τα συνθετικά - κεραμικά υλικά Η διαδικασία κατασκευής των συνθετικών - κεραμικών δισκοφρένων 57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΦΡΕΝΑ Γενικά Τα πρώτα βήματα Κόστος Κατασκευάζοντας ένα CD ( composite disk) Κατασκευάζοντας έναν κεραμικό δισκό Συγκρίσεις Ανταγωνισμός Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΔΙΚΤΥΟ... 77

9 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα Το πρώτο αυτοκίνητο με ABS ήταν το πρωτοποριακό Jensen FF του 1966, αλλά για μοντέλο ευρείας παραγωγής η πρωτιά ανήκει στη Mercedes S- Class W116 και στην ΒΜW Σειρά 7 του 1978 με σύστημα της Bosch. Σήμερα το ABS είναι υποχρεωτικό σε όλα τα αυτοκίνητα Εικόνα Το αντισπίν καταστέλλει άμεσα τέτοιες καταστάσεις που μπορεί να φέρουν σε δύσκολη θέση τον οδηγό Εικόνα Το πρώτο ολοκληρωμένο σύστημα ESP (έκδοση 5.0 του 1995 ζύγιζε 4,3 κιλά, ενώ η 10η γενιά που λανσαρίστικε, μόλις 1,6 κιλά! Εικόνα Σετ Φρένων Εικόνα Εικόνα Μια τετραπίστονη δαγκάνα Εικόνα Ένα ολοκληρωμένο κιτ φρένων Εικόνα Ο κεραμικός δίσκος των Mercedes AMG με την οκταπίστονη δαγκάνα Εικόνα Ο κεραμικός δίσκος της Porsche με την εξαπίστονη δαγκάνα. Από εδώ ξεκίνησαν όλα Εικόνα Carbon - Carbon - Carbon... 72

10 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Διάγραμμα Διάγραμμα Συγκριτικό διάγραμμα τυπικών τιμών συντελεστή τριβής για τα διάφορα υλικά κατασκευής δισκοφρένων (SGL BRAKES GmbH, 2002) Διάγραμμα Συγκριτικά διαγράμματα τυπικών τιμών πυκνότητας και μέγιστης θερμοκρασίας λειτουργίας για τα διάφορα υλικά κατασκευής δισκοφρένων Διάγραμμα Λεπτομέρεια της δομής ενός κεραμικού δισκοφρένου (SGL BRAKES GmbH, 2002) Διάγραμμα Η τυπική διαδικασία κατασκευής των κεραμικών δισκοφρένων (SGL BRAKES Διάγραμμα Ακτινική κατανομή συντελεστή τριβής (πάνω) και θερμοκρασίας (κάτω) σε οργανικό τακάκι που επιβραδύνει κεραμικό δίσκο. Ο συντελεστής τριβής, στο μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του υλικού τριβής, παραμένει περίπου σταθερός με μέγιστη τιμή 0,4, ενώ εξίσου ομαλή είναι και η διακύμανση της θερμοκρασίας, χάρις στην εξαιρετική θερμοαγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου. Οι μαντεμένιοι και οι «carbon- carbon» δίσκοι έχουν συντελεστή μεγαλύτερο από 0,5, αλλά και προβλήματα Διάγραμμα Εναλλακτικοί τρόποι διαμόρφωσης των εσωτερικών καναλιών στο δίσκο της Porsche. Τα πτερύγια της ομάδας 7 έχουν επίπεδη κορυφή, παράλληλη προς τις επιφάνειες τριβής. Συγκολλώνται με τα απέναντι πτερύγια της ομάδας 8 ώστε να δημιουργηθούν νεύρα τα οποία δεν θα επιτρέψουν την αξονική συμπίεση του δίσκου όταν αυτός «πατηθεί» από τα τακάκια, κατά το φρενάρισμα. Τα πτερύγια της ομάδας 5 συνδυάζονται με τα πτερύγια της ομάδας 6 και «κουμπώνουν» έτσι ώστε να αποτρέπουν τη σχετική συστροφή των δύο ημι- δίσκων, μεταξύ τους. Τέλος, τα πτερύγια της ομάδας 11 δεν μεταφέρουν φορτίο. Απλώς αυξάνουν την επιφάνεια απαγωγής της θερμότητας στο εσωτερικό των καναλιών

11 Διάγραμμα Η πατέντα του Roland Martin σε δύο «μισούς δίσκους» οι οποίοι, όταν συγκολληθούν μεταξύ τους, σχηματίζουν μια εσωτερική δομή καναλιών με εξαιρετική αεροδυναμική συμπεριφορά ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα Διάγραμμα κυκλώματος συμβατικού υδραυλικού συστήματος πέδησης Σχήμα Δυνάμεις που επενεργούν στον τροχό του αυτοκινήτου Σχήμα Κύκλος ισορροπίας δυνάμεων ή κύκλος Kamm Σχήμα Δυνάμεις που επενεργούν σε όλο το αυτοκίνητο Σχήμα Υπερστροφή του αυτοκινήτου Σχήμα Υποστροφή του αυτοκινήτου Σχήμα Σχήμα 4.7: Διαφορά φρεναρίσματος αυτοκινήτου σε ευθεία χωρίς σύστημα ABS και με Σχήμα Διαφορά φρεναρίσματος αυτοκινήτου σε στροφή χωρίς σύστημα ABS και με σύστημα ΑΒS Σχήμα Διάγραμμα δυνάμεων τριβής και πλάγιας ευστάθειας του αυτοκινήτου σε συνάρτηση με το συντελεστή ολίσθησης του τροχού Σχήμα Διάγραμμα λειτουργίας του συστήματος ABS Σχήμα Διάταξη εξαρτημάτων συστήματος ABS Σχήμα Αισθητήρας στροφών Σχήμα Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου Σχήμα Τυπικό διάγραμμα συνδεσμολογίας εξαρτημάτων συστήματος ABS Σχήμα Τυπικό διάγραμμα λειτουργίας ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου.. 38 Σχήμα Ενδεικτική λυχνία ABS

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία αποτελεί εργασία μελέτης και κατανόησης του συστήματος πέδησης του αυτοκινήτου και ανάλυσης των υλικών κατασκευής των φρένων με έμφαση στα κεραμικά φρένα. Εκπονήθηκε με βάση διάφορα επιστημονικά άρθρα. Περιληπτικά, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική αναφορά στην ασφάλεια του αυτοκινήτου και του οδηγού και συγκεκριμένα στην ενεργητική και παθητικά ασφάλεια. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το σύστημα πέδησης και οι δυνάμεις που επενεργούν σε αυτό καθώς επίσης και στο Αντιμπλοκαριστικό σύστημα πέδησης ABS. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα φρένα και τα συστήματα γύρω από αυτό καθώς και οι λειτουργίες τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται τα υλικά κατασκευής του συστήματος πέδησης. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κεραμικά φρένα, οι ιδιότητες τους και ο ανταγωνισμός που υπάρχει και η σύγκριση τους με φρένα άλλων υλικών. Μετά το τέλος του πέμπτου κεφαλαίου παρουσιάζονται τα γενικά συμπεράσματα της εργασίας.

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ 1. ΑΣΦΑΛΕΙΑ 1.1 Γενικά Η ασφάλεια των αυτοκινήτων, ενεργητική και παθητική, βασίζεται πλέον ως επί το πλείστον σε ηλεκτρονικά συστήματα που υπόσχονται αποτελεσματική πρόληψη και προστασία από τα ατυχήματα. Το μέλλον της αυτοκίνησης μπορεί να ακούγεται πια ανιαρό και αυτοματοποιημένο, αλλά σίγουρα θα είναι πολύ πιο ασφαλές! Η όλο και μεγαλύτερη ανάγκη για μείωση των ατυχημάτων, τα οποία προκαλούνται από την αυξανόμενη πυκνότητα της κυκλοφορίας και τις υψηλότερες ταχύτητες και τα οποία έχουν ως συνέπεια μεγάλους αριθμούς νεκρών και τραυματιών, οδήγησε την παγκόσμια αυτοκινητοβιομηχανία σε εντατικές προσπάθειες για βελτίωση τόσο της ενεργητικής όσο και της παθητικής ασφάλειας των οχημάτων. Ως «Ενεργητική Ασφάλεια» ορίζεται το σύνολο των τεχνολογιών και των μερών που επιτρέπει στο όχημα και στον οδηγό να αποφύγει ένα ατύχημα (τιμόνι, φρένα, αναρτήσεις ελαστικά, κ.τ.λ.), ενώ στον όρο «Παθητική Ασφάλεια» συμπεριλαμβάνεται κάθε σύστημα που στοχεύει στην προστασία των επιβατών στην περίπτωση που συμβεί ατύχημα. Ας γνωρίσουμε τα πιο βασικά συστήματα κάθε κατηγορίας, ρίχνοντας στο τέλος και μια ματιά στις νέες τάσεις και εφαρμογές, που αρχίζουν να εξοπλίζουν τα νέα αυτοκίνητα. 1.2 Ενεργητική Ασφάλεια ABS: Το Σύστημα Αντιμπλοκαρίσματος Τροχών ή ABS (Anti- lock Braking System) που εφαρμόστηκε αρχικά στην αεροπορική βιομηχανία, στοχεύει στην αποτροπή του μπλοκαρίσματος των τροχών στην περίπτωση που υπάρξει απότομο φρενάρισμα, έτσι ώστε αφ ενός ο οδηγός να έχει «τιμόνι» και να μπορεί να εκτελεί

14 ελιγμούς για να αποφύγει το πιθανό εμπόδιο και αφ έτερου να μειωθεί η απόσταση ακινητοποίησης. Ειδικοί αισθητήρες «διαβάζουν» την περιστροφική ταχύτητα του κάθε τροχού και όταν ανιχνευτεί το μπλοκάρισμα ενός από αυτούς, δίνεται εντολή από την κεντρική μονάδα ECU, ώστε να ελαττωθεί μέσα σε εκατοστά του δευτερολέπτου η πίεση πέδησης ( με την βοήθεια ηλεκτροβαλβίδων), για να απελευθερώσει η δαγκάνα το δίσκο και να τον ξαναφρενάρει μετά ( πλέον με ικανότητα πάνω από 15 φορές το δευτερόλεπτο!). Τα σύγχρονα ABS είναι τετρακάναλα και διαθέτουν αισθητήρα και ικανότητα σχετικού ελέγχου σε κάθε τροχό ξεχωριστά, ενώ είναι απαλλαγμένα από το χαρακτηριστικό τρέμουλο του πεντάλ φρένων των πρώτων γενεών. Εικόνα Το πρώτο αυτοκίνητο με ABS ήταν το πρωτοποριακό Jensen FF του 1966, αλλά για μοντέλο ευρείας παραγωγής η πρωτιά ανήκει στη Mercedes S- Class W116 και στην ΒΜW Σειρά 7 του 1978 με σύστημα της Bosch. Σήμερα το ABS είναι υποχρεωτικό σε όλα τα αυτοκίνητα EBD, ο συνεργάτης: Το EBD (Electronic Brake Distribution) συνδυάζεται με το ABS με σκοπό την κατανομή της πίεσης του συστήματος πέδησης ανάμεσα στους δυο άξονες. Για παράδειγμα, σε μια ευθεία το EBD αυξάνει την πίεση στους πίσω τροχούς, ώστε το αυτοκίνητο να επιβραδύνει πιο σύντομα

15 Στις στροφές η αναλογία πίεσης στον πίσω άξονα είναι φυσικά μικρότερη, ώστε να αποφευχθεί το φαινόμενο της υπερστροφής. Καθιερωμένο θεωρείται πλέον και το σύστημά που βοηθάει στο φρενάρισμα του πανικού EBA ( Emergency Brake Assist), ενώ η Alfa Romeo λανσάρισε πρόσφατα το prefil, ένα σύστημα που αν αντιληφθεί απότομο άφημα του γκαζιού, αυξάνει την πίεση στο κύκλωμα πέδησης, έτσι ώστε πατώντας ο οδηγός το μεσαίο πεντάλ, να έχει άμεση απόκριση και μικρότερες αποστάσεις φρεναρίσματος. Αντισπίν, ASR, TCS, ή όπως αλλιώς: Αν το ABS ελέγχει το μπλοκάρισμα των τροχών, το αντισπίν κοντρολάρει το σπινάρισμα των κινητήριων τροχών, Ίδιοι αισθητήρες με αυτούς του ABS αντιλαμβάνονται την περιστροφική ταχύτητα του κάθε κινητήριου τροχού και όταν υπάρξει διαφορά περιστροφής, τότε δίνεται εντολή από την κεντρική υπολογιστική μονάδα, ώστε να φρενάρει ο τροχός που σπινάρει. Αν αυτό δεν είναι αρκετό, τότε η ηλεκτρονική μονάδα του κινητήρα επεμβαίνει και στον κινητήρα, μειώνοντας τις στροφές λειτουργίας του. Ανάλογα με τον κατασκευαστή, το σύστημα περιορισμού ονομάζεται «TCS» ( Traction Control System), «ASR» (Acceleration Slip Regulation), κ.α. Εικόνα Το αντισπίν καταστέλλει άμεσα τέτοιες καταστάσεις που μπορεί να φέρουν σε δύσκολη θέση τον οδηγό. Το ESP (Electronic Stability Program) άρχισε να προσφέρεται σε μαζική παραγωγή από την Bosch το 1995 (τα πρώτα αυτοκίνητα ήταν πάλι η τότε Mercedes S-Class και η ΒΜW Σειρά 7), στοχεύει στη διατήρηση της

16 δυναμικής ισορροπίας του οχήματος και χρησιμοποιεί τους ίδιους αισθητήρες με το ABS για τη μεταφορά των δεδομένων, σε ξεχωριστή ωστόσο μονάδα επεξεργασίας. Βέβαια, για τη λειτουργία του ESP απαιτούνται και περισσότερα "αισθητήρια όργανα", όπως αυτό που αντιλαμβάνεται τη γωνία του τιμονιού ή τη θέση του γκαζιού, αλλά και αισθητήρες πλευρικής επιτάχυνσης και περιστροφής (yaw sensor), που "διαβάζουν" αντίστοιχα το μέγεθος της αποσταθεροποίησης και την απόκλιση του οχήματος από τον κάθετο άξονά του. Όταν διαπιστωθεί διατάραξη της ισορροπίας του οχήματος από τον αισθητήρα περιστροφής, τότε η μονάδα ελέγχου δίνει εντολή στο σύστημα πέδησης να ενεργοποιηθεί ανεξάρτητα σε κάθε τροχό, μειώνοντας το φαινόμενο υποστροφής ή υπερστοφής. Αν αυτό δεν είναι αρκετό, τότε ο εγκέφαλος του κινητήρα μειώνει και τη ροπή. Στα τελευταίας γενιάς συστήματα υπάρχει και αισθητήρας κλίσεων για αποτροπή των ανατροπών ειδικά σε SUV οχήματα. Στα περασμένης γενιάς ESP η ταχύτητα επεξεργασίας των δεδομένων ήταν περιορισμένη, με αποτέλεσμα τα εν λόγω συστήματα είναι αρκετά ευαίσθητα. Σήμερα όμως η ταχύτητα τους είναι εξαιρετικά μεγάλη, με αποτέλεσμα την ακριβέστερη και ταχύτερη επεξεργασία των δεδομένων, άρα και καλύτερη απόδοση του όλου συστήματος. Αν και «ESP» είναι η συνηθισμένη ονομασίας του, υπάρχουν εταιρείες που υιοθετούν άλλες ονομασίες, όπως «DSC» η ΒΜW, «PSM» η Porsche, «VDC» η Alfa Romeo, κ.α. EDL, CBC: Ένα από τα συστήματα που έχουν άνθιση τελευταία είναι ο ηλεκτρονικός έλεγχος του διαφορικού, που επιτρέπει την ομαλή μετάδοση της ροπής στους τροχούς και κατ επέκταση στο οδόστρωμα. Αν κάποιος από τους κινητήριους τροχούς σπινάρει, τότε το EDL (Electronic differential lock) αντιλαμβάνεται την όλη κατάσταση, μειώνει τη ροπή στον τροχό που ολισθαίνει και την μεταβιβάζει σε αυτόν με την καλύτερη πρόσφυση. Στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα ηλεκτρονικό "μπλοκέ" διαφορικό, το οποίο συνεργάζεται άψογα με τα συστήματα ESP και ASR. Το γνωρίσαμε πρώτα στα μοντέλα της Audi

17 Από την άλλη μεριά, η BMW προσφέρει το CBC (Cornering Brake Control), που μειώνει τους κινδύνους αποσταθεροποίησης ενός αυτοκινήτου όταν ο οδηγός φρενάρει πάνω σε μια στροφή Το ευρωπαϊκό κοινοβούλιο αποφάσισε την τοποθέτηση του ηλεκτρονικού συστήματος ευστάθειας (ESC, Electronic Stability Control) στο στάνταρ εξοπλισμό όλων των νέων επιβατικών και επαγγελματικών αυτοκινήτων που θα κυκλοφορήσουν στην ευρωπαϊκή αγορά από το Ο κανονισμός έχει ήδη περάσει από το κοινοβούλιο και το μόνο που απομένει είναι να πέσουν οι υπογραφές και των αρμοδίων του συμβουλίου. Η ύπαρξη του ESC στο βασικό εξοπλισμό όλων των νέων αυτοκινήτων είναι κάτι ανάλογο με ότι είχε γίνει με το ABS και στόχος της Κομισιόν είναι η βελτίωση της οδικής ασφάλειας, που προκύπτει από την τεχνολογική αναβάθμιση των σύγχρονων αυτοκινήτων. Εικόνα Το πρώτο ολοκληρωμένο σύστημα ESP (έκδοση 5.0 του 1995 ζύγιζε 4,3 κιλά, ενώ η 10η γενιά που λανσαρίστηκε, μόλις 1,6 κιλά! Υπάρχουν δεκάδες συστήματα που βοηθούν τον οδηγό να ελέγχει το αυτοκίνητο έτσι ώστε να αποφεύγονται οι δύσκολες καταστάσεις. Ακόμα και οι αισθητήρες βροχής και φώτων που ενεργοποιούν τους κατάλληλους μηχανισμούς ταχύτητας και χωρίς ο οδηγός να παίρνει τα χέρια του από το τιμόνι, αποτελούν με τον τρόπο τους συστήματα ενεργητικής ασφάλειας. Όπως και τα LED φώτα ημέρας εμπρός, τα LED πίσω φώτα, τα run flat ελαστικά, η σωστή εργονομία και θέση οδήγησης, η ορατότητα, ο σωστός

18 κλιματισμός, που θα διατηρήσει "φρέσκο" τον οδηγό, και το Opel Eye, που "διαβάζει" τις πινακίδες του ορίου ταχύτητας και απαγόρευσης/προσπέρασης και εμφανίζει τις σχετικές ενδείξεις στον πίνακα οργάνων ή Head Up Display. Ακόμα και συστήματα που βοηθούν στην καλύτερη λειτουργία του κινητήρα, που θα εξασφαλίσει με τη σειρά του μεγαλύτερη ικανότητα σε ένα προσπέρασμα, αποτελούν στοιχεία ενεργητικής ασφάλειας. Τίποτα όμως δεν μπορεί να υποκαταστήσει τον οδηγό και τους νόμους της φυσικής. Άλλωστε η διεθνής νομολογία δεν επιτρέπει σε κανένα σύστημα να ανακτήσει 100% τον έλεγχο του αυτοκινήτου και τα πάντα λειτουργούν βοηθητικά. Μέχρι σήμερα τουλάχιστον 1.3 Παθητική Ασφάλεια Ζώνη Ασφαλείας: Χωρίς αμφιβολία το σημαντικότερο σύστημα παθητικής ασφάλειας είναι η ζώνη ασφαλείας. Η Volvo είναι η πρώτη που το εφάρμοσε στα αυτοκίνητα της το 1959, ενώ η Αεροπορία το είχε από το Στην Ευρώπη, η Γαλλία έκανε υποχρεωτική την ζώνη Ασφαλείας στις αστικές περιοχές το 1973 και η Σουηδία το 1975 έκανε υποχρεωτική τη χρήση τους στα μπροστινά καθίσματα. Από το 1993 είναι υποχρεωτικό σε όλη την Ευρώπη να υπάρχουν ζώνες ασφαλείας για όλες τις θέσεις στα αυτοκίνητα. Οι ζώνες ασφαλείας ελαττώνουν σημαντικά τον κίνδυνο θανάτου ή σοβαρού τραυματισμού. Αμάξωμα: Σίγουρα ένα από τα βασικά στοιχεία ενός αυτοκινήτου σχετικά με την παθητική του ασφάλεια είναι το αμάξωμα ή, με άλλα λόγια, τα θεμέλιά του. Οι κατασκευαστές φροντίζουν για τη σχετική ακαμψία της καμπίνας των επιβατών, έχοντας μεριμνήσει να την περιφρουρήσουν με ενισχυμένα υλικά, μπάρες στις πόρτες, ανθεκτικές τραβέρσες, αλλά και εμπρός και πίσω ζώνες ελεγχόμενης παραμόρφωσης. Αυτές είναι έτσι σχεδιασμένες με μαλακότερα υλικά, ώστε να απορροφούν την ενέργεια που εκλύεται σε μια σύγκρουση. Μπορεί να στραπατσάρονται, αλλά η καμπίνα των επιβατών μένει το δυνατόν άθικτη. Σήμερα όλα τα αμαξώματα σχεδιάζονται με ειδικά προγράμματα σε πανίσχυρους υπολογιστές, γίνονται χιλιάδες εικονικές

19 δοκιμές πρόσκρουσης, βασισμένες σε μαθηματικά μοντέλα, και έτσι, όταν έρθει η ώρα της δοκιμής των πρωτότυπων, τα αποτελέσματα είναι λίγο-πολύ γνωστά, με αποτέλεσμα να εξοικονομούνται χρόνος και χρήμα. Αερόσακοι: Ο αερόσακος είναι γνωστός και ως συμπληρωματικό προς τη ζώνη ασφαλείας σύστημα συγκράτησης - SRS (supplementary restraint system). Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει ένα σάκο σχεδιασμένο κατάλληλα, έτσι ώστε κατά τη διάρκεια μιας πρόσκρουσης να φουσκώνει και να προφυλάσσει τον/τους επιβάτες στους οποίους απευθύνεται από βίαια χτυπήματα στις εσωτερικές επιφάνειες του αυτοκινήτου. Η εντολή για την ενεργοποίηση δίνεται από μια κεντρική μονάδα, που παίρνει στοιχεία από αισθητήρες αρνητικών g και ενεργοποιεί έναν πυροκροτητή, που δημιουργεί μια μίνι έκρηξη σε ειδικό υλικό με βάση τη νιτρική αμμωνία, τα αέρια του οποίου (άζωτο ή αργό) φουσκώνουν τον αερόσακο. Μετά από χιλιοστά του δευτερολέπτου, ο αερόσακος ξεφουσκώνει για προστασία από την υπερβολική αύξηση της πίεσης στο εσωτερικό του αυτοκινήτου (κυρίως όταν τα παράθυρα είναι κλειστά). Αερόσακοι άρχισαν να χρησιμοποιούνται επίσημα στην Αμερική το 1974 από τη Chevrolet, αλλά το μειωμένο ενδιαφέρον έφερε το 1976 τη διακοπή της παραγωγής τους. Το 1980 η Mercedes τους έφερε ξανά στο προσκήνιο με την S-Class W126. Από το 1986 άρχισε να προσφέρεται και αερόσακος συνοδηγού. Το 1987 η Porsche 944 Turbo έγινε το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με δύο στάνταρ αερόσακους. Σήμερα, εκτός από τους μετωπικούς, υπάρχουν πλευρικοί, για προστασία από τις αντίστοιχες συγκρούσεις, αεροκουρτίνες, κολόνες, αλλά και γονάτων οδηγού! Η Toyota πρόσφατα παρουσίασε και αερόσακους για τη ζώνη ασφαλείας των πίσω επιβατών, όπως και για ανάμεσα στο πίσω κάθισμα! Σήμερα οι πιο εξελιγμένοι μετωπικοί αερόσακοι λειτουργούν με βάση και το βάρος των επιβατών και έχουν πολλαπλά στάδια ανοίγματος για αποτελεσματικότερη προστασία. Ο αερόσακος φουσκώνει μέσα σε 40 χιλιοστά του δευτερολέπτου και η ταχύτητα ανοίγματος συνήθως είναι χλμ./ώρα. Εδώ πρέπει να

20 τονιστεί, ότι ο αερόσακος ενεργοποιείται υπό συγκεκριμένες συνθήκες και ταχύτητες άνω των χλμ./ώρα. Crash tests: Σημαντικό ρόλο στην παρατήρηση της συμπεριφοράς των αυτοκινήτων στις συγκρούσεις παίζουν τα crash tests. Με τη βοήθεια των ηλεκτρονικών υπολογιστών σήμερα, οι κατασκευαστές είναι σε θέση να πραγματοποιούν χιλιάδες εικονικές συγκρούσεις και να δίνουν κατάλληλες προδιαγραφές στα πρωτότυπα, που θα δοκιμαστούν στη διάρκεια της εξέλιξης ενός μοντέλου. Έτσι γίνεται εξοικονόμηση χρόνου και χρήματος. Φυσικά δοκιμές πρόσκρουσης γίνονται και στα έτοιμα προς παραγωγή μοντέλα, ενώ crash tests σε αυτοκίνητα παραγωγής πραγματοποιούν και ανεξάρτητοι οργανισμοί, όπως ο Euro NCAP, βαθμολογώντας το κάθε αυτοκίνητο ξεχωριστά. Ενεργά προσκέφαλα και άλλα: Στις μέρες μας έχει επεκταθεί η χρήση των ενεργών προσκέφαλων. Σε περίπτωση σύγκρουσης στο πίσω μέρος, τα προσκέφαλα αυτά μετακινούνται προς τα εμπρός μέσα σε 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου, συγκρατώντας μαλακά το κεφάλι, όταν κινηθεί πάλι προς τα πίσω. Αποσπώμενα πεντάλ, κολόνα τιμονιού που υποχωρεί, είναι μερικά πιο απλά συστήματα παθητικής ασφάλειας, για να πάμε και σε πιο σοφιστικέ, όπως οι αυτόματα εκτιναζόμενες μπάρες/προσκέφαλα για τους πίσω επιβάτες ανοιχτών τετραθέσιων αυτοκινήτων, σε περίπτωση ανατροπής

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ 2. ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΕΔΗΣΗΣ 2.1 Γενικά Το σύστημα πέδησης ανήκει στα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας του αυτοκινήτου. Είναι ένα από τα πλέον καθοριστικά συστήματα του αυτοκινήτου για την ασφαλή κίνησή του. Από την εμφάνιση των τροχοφόρων μέχρι σήμερα το σύστημα πέδησης έχει υποστεί σημαντικές βελτιώσεις και αλλαγές. Τα απλά μηχανικά φρένα έχουν γίνει σήμερα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα. Το σύστημα πέδησης επιτρέπει στον οδηγό να μειώνει την ταχύτητα του οχήματος, να το ακινητοποιεί σε κατάλληλη απόσταση και χρόνο και να το κρατά σταματημένο ανεξάρτητα από την κλίση του δρόμου. Τα είδη των συστημάτων πέδησης που χρησιμοποιούνται σήμερα διακρίνονται σε κύρια και βοηθητικά συστήματα πέδησης. Κύρια συστήματα πέδησης είναι εκείνα που έχουν σαν βασικό προορισμό τη μείωση της ταχύτητας και την ακινητοποίηση του οχήματος ενώ τα βοηθητικά συστήματα ενισχύουν την προσπάθεια του οδηγού για καλύτερη απόδοση του συστήματος πέδησης. 2.2 Κύρια συστήματα πέδησης Τα κύρια συστήματα πέδησης διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: Τα υδραυλικά φρένα: Η δύναμη πέδησης που ασκεί ο οδηγός στο πεντάλ μεταφέρεται στα κυλινδράκια των τροχών μέσω ενός υδραυλικού συστήματος. Τα αερόφρενα: Η δύναμη πέδησης που ασκεί ο οδηγός στο πεντάλ μεταφέρεται στους κυλίνδρους πέδησης (φυσούνες) των τροχών με την βοήθεια πεπιεσμένου αέρα και από εκεί μέχρι τους δίσκους και τα ταμπούρα, μηχανικά. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιείται σε βαριά οχήματα. Τα μηχανικά φρένα: Σε αυτά η δύναμη πέδησης που ασκεί ο οδηγός μεταφέρεται στους τροχούς μέσω μοχλών και ντιζών. Τα μηχανικά φρένα δεν

22 χρησιμοποιούνται σήμερα στο αυτοκίνητο ως κύριο σύστημα πέδησης. Χρησιμοποιούνται σαν φρένα στάθμευσης με το μηχανισμό ενεργοποίησης του χειρόφρενου. Βοηθητικά συστήματα πέδησης: Τα βοηθητικά συστήματα πέδησης διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες: Τα σερβόφρενα. Χρησιμοποιούν την υποπίεση του κινητήρα για να ενισχύσουν την δύναμη πέδησης που ασκεί ο οδηγός στο πεντάλ του φρένου. Έτσι αυξάνουν την πίεση στο υδραυλικό κύκλωμα των φρένων και το αυτοκίνητο φρενάρει καλύτερα. Τα ηλεκτρόφρενα. Χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια. Ο μηχανισμός τοποθετείται στο κεντρικό άξονα μετάδοσης της κίνησης και επιβραδύνονται μόνον οι πίσω τροχοί. Χρησιμοποιούνται σε βαριά οχήματα για την επιβράδυνσή τους ανεξάρτητα από το κύριο σύστημα πέδησης. Το ABS. Χρησιμοποιείται για την αποφυγή μπλοκαρίσματος των τροχών σε φρεναρίσματα πανικού και σε ολισθηρό οδόστρωμα. Έτσι το όχημα παραμένει σταθερό στην πορεία του και ελεγχόμενο από τον οδηγό. 2.3 Δυνάμεις πέδησης του αυτοκινήτου Ένα αυτοκίνητο μεταβάλλει συνεχώς την κατάστασή του καθώς φρενάρει, επιταχύνει, αλλάζει διεύθυνση, ή σταματά. Οι καταστάσεις αυτές δημιουργούν ένα μεγάλο αριθμό δυνάμεων που μπορούν να συνοψισθούν στον όρο δυναμική του αυτοκίνητου. Εάν το σύνολο των δυνάμεων που επιδρούν στο αυτοκίνητο μας δίνουν άθροισμα ίσο με το μηδέν, τότε το αυτοκίνητο είναι σταματημένο. Εάν το αποτέλεσμα είναι διαφορετικό του μηδενός, τότε το αυτοκίνητο είναι σε κατάστασή κίνησης. Οι δυνάμεις αυτές μπορούν να ταξινομηθούν σε τέσσερις κατηγορίες:

23 i. τις κινητήριες δυνάμεις, που προέρχονται από τον κινητήρα και προκαλούν την κίνηση του αυτοκινήτου. Σχήμα Διάγραμμα κυκλώματος συμβατικού υδραυλικού συστήματος πέδησης. Σχήμα Δυνάμεις που επενεργούν στον τροχό του αυτοκινήτου

24 ii. iii. iv. τις δυνάμεις πλευρικής κατεύθυνσης, που είναι υπεύθυνες για την αλλαγή διεύθυνσης του αυτοκινήτου, τις δυνάμεις πρόσφυσης, που είναι οι κάθετες δυνάμεις από τον τροχό προς το έδαφος και εξαρτώνται από το βάρος του αυτοκινήτου, τις δυνάμεις πέδησης, που επενεργούν αντίθετα από την κατεύθυνση κίνησης του τροχού. Οι δυνάμεις πέδησης εξαρτώνται από τον συντελεστή τριβής μεταξύ ελαστικού και οδοστρώματος και από τη δύναμη πρόσφυσης. Για να διατηρηθεί η σταθερότητα του αυτοκινήτου, πρέπει οι δυνάμεις που επενεργούν στους τροχούς, και συγκεκριμένα το άθροισμα των κινητηρίων δυνάμεων και το άθροισμα των πλευρικών δυνάμεων, να μην υπερβαίνουν τα όρια πρόσφυσης των ελαστικών. Το όριο αυτό βρίσκεται μέσα στον κύκλο του Kamm. Αν κάποια από τις δυνάμεις αυτές γίνει μεγαλύτερη και βγει έξω από τον κύκλο τότε το αυτοκίνητο γίνεται ασταθές. Η ιδιότητα της επιφάνειας που καθορίζει αν είναι περισσότερο ή λιγότερο ολισθηρή είναι γνωστή ως συντελεστής τριβής. Η απόσταση πέδησης έχει άμεση σχέση με το συντελεστή τριβής. Μία υψηλή τιμή του συντελεστή τριβής υποδηλώνει μία μη ολισθηρή επιφάνεια, όπως π.χ. στεγνή καινούργια άσφαλτο, ενώ μία χαμηλή τιμή υποδηλώνει μία ολισθηρή επιφάνεια, π.χ. έναν παγωμένο δρόμο

25 Σχήμα Κύκλος ισορροπίας δυνάμεων ή κύκλος Kamm. Όταν ένας τροχός μπλοκάρει και δεν περιστρέφεται αλλά γλιστράει πάνω στο δρόμο, τότε παρατηρείται το φαινόμενο της ολίσθησης του τροχού. Η ολίσθηση των τροχών κυμαίνεται από 0% έως 100%. Ολίσθηση 0% σημαίνει ότι ο τροχός περιστρέφεται ελεύθερα, ενώ ολίσθηση 100% σημαίνει ότι ο τροχός είναι μπλοκαρισμένος. Εκτός από τις δυνάμεις στις οποίες υπόκεινται οι τροχοί, υπάρχουν και άλλες δυνάμεις που επηρεάζουν τη δυναμική του αυτοκινήτου, όπως π.χ. η αντίσταση του ανέμου. Ένας ισχυρός πλευρικός άνεμος προκαλεί την εκτροπή του αυτοκινήτου. Το άθροισμα όλων αυτών των δυνάμεων που εξασκούνται στο αυτοκίνητο και τείνουν να προκαλέσουν την περιστροφή του αυτοκινήτου γύρω από τον κάθετο άξονα είναι γνωστές ως ροπές εκτροπής του αυτοκίνητου. Όταν η ροπή εκτροπής του αυτοκινήτου είναι μέσα στα όρια συνθηκών οδήγησης, το αυτοκίνητο κινείται στην επιθυμητή διαδρομή που ορίζεται από τον οδηγό. Όταν όμως διαγράφεται από το αυτοκίνητο μια άλλη καμπύλη τροχιά, εκτός της επιθυμητής διαδρομής, τότε ασκούνται στο αυτοκίνητο μία από τις δύο ροπές εκτροπής που είναι δυνατόν να υπάρξουν, ως προς το οριζόντιο επίπεδο, και ορίζονται ως υπερστροφή και υποστροφή

26 Σχήμα Δυνάμεις που επενεργούν σε όλο το αυτοκίνητο. Σχήμα Υπερστροφή του αυτοκινήτου. Όταν η ροπή εκτροπής εμφανίζεται ως υπερστροφή, τότε το πίσω μέρος του αυτοκινήτου τείνει να ολισθήσει έξω από την επιθυμητή καμπύλη τροχιάς. Το φαινόμενο της υπερστροφής συνήθως παρατηρείται όταν οι πίσω τροχοί μπλοκάρουν σε ολισθηρό οδόστρωμα. Όταν η ροπή εκτροπής εμφανίζεται ως υποστροφή, τότε το μπροστινό μέρος του αυτοκινήτου τείνει να ολισθήσει έξω από την επιθυμητή καμπύλη τροχιάς

27 Σχήμα Υποστροφή του αυτοκινήτου Το φαινόμενο της υποστροφής συνήθως παρατηρείται όταν οι μπροστινοί τροχοί βρεθούν ξαφνικά σε παγωμένες επιφάνειες, χαλίκια κτλ που προκαλούν την ολίσθησή τους. 2.4 Αντιμπλοκαριστικό σύστημα πέδησης (ABS) (ANTI LOCK BRAKING SYSTEM) Απαιτήσεις από το σύστημα ABS Η όλο και μεγαλύτερη ανάγκη για μείωση των ατυχημάτων, η οποία προκαλείται από την αυξανόμενη πυκνότητα της κυκλοφορίας και τους υψηλούς αριθμούς νεκρών και τραυματιών, οδήγησε τα τελευταία χρόνια την αυτοκινητοβιομηχανία σε εντατικές προσπάθειες, να βελτιώσει την ενεργητική και την παθητική ασφάλεια. Σημαντική συμβολή στην ενίσχυση της ενεργητικής ασφάλειας προσφέρει το σύστημα αντιμπλοκαρίσματος τροχών ABS

28 Σχήμα Σχήμα 4.7: Διαφορά φρεναρίσματος αυτοκινήτου σε ευθεία χωρίς σύστημα ABS και με ABS Όταν ένας, όχι πολύ έμπειρος, οδηγός αυτοκινήτου βρίσκεται μπροστά σε κίνδυνο, έχει την τάση να πατάει "τέρμα" το φρένο. Με αυτόν τον τρόπο όμως κάνει τους τροχούς να μπλοκάρουν και το αυτοκίνητο να μην ελέγχεται. Σε τέτοιες ακριβώς περιπτώσεις που ο οδηγός δεν μπορεί εύκολα να ελέγξει τις αντιδράσεις του, επεμβαίνει το σύστημα αντιμπλοκαρίσματος τροχών ABS. Το ABS (σύστημα αντιμπλοκαρίσματος των τροχών) ελέγχει την πίεση των υγρών των φρένων που εφαρμόζεται στο κυλινδράκι κάθε τροχού από την αντλία των φρένων, ώστε να μην μπλοκάρει κανένας τροχός ακόμη και όταν το φρένο έχει πατηθεί με μεγάλη δύναμη

29 Σχήμα Διαφορά φρεναρίσματος αυτοκινήτου σε στροφή χωρίς σύστημα ABS και με σύστημα ΑΒS Εξασφαλίζει έτσι την ικανότητα πλήρους ελέγχου του αυτοκινήτου και την ευστάθεια πορείας κατά το φρενάρισμα. Στο σχήμα φαίνεται η πορεία που θα ακολουθήσει ένα αυτοκίνητο εάν μπλοκάρουν κατά το φρενάρισμα οι αριστεροί τροχοί οι οποίοι κινούνται σε έδαφος με μικρότερο συντελεστή τριβής από του δεξιούς τροχούς. Το αυτοκίνητο, χωρίς ABS, θα περιστραφεί προς τη δεξιά πλευρά, με αποτέλεσμα να φύγει από την πορεία του, ενώ το αυτοκίνητο με ABS θα παραμείνει στη διεύθυνση κίνησής του χωρίς ιδιαίτερο πρόβλημα. Στο παραπάνω φαίνεται η πορεία που θα ακολουθήσει ένα αυτοκίνητο, εάν μπλοκάρουν κατά το φρενάρισμα πανικού οι τροχοί. Το αυτοκίνητο, χωρίς ABS, θα στρίψει με κατεύθυνση τη στροφή αλλά και ταυτόχρονη περιστροφή του αυτοκινήτου με αποτέλεσμα να φύγει από την πορεία του, ενώ το αυτοκίνητο με ABS θα παραμείνει στη διεύθυνση κίνησης επάνω στη στροφή, χωρίς ιδιαίτερο πρόβλημα

30 Το ABS προσφέρει στον οδηγό, εκτός από τη διατήρηση της σταθερότητας και του ελέγχου του αυτοκινήτου κατά το φρενάρισμα τόσο στην ευθεία όσο και στις στροφές, και τις παρακάτω λειτουργίες. i. Ενώ εφαρμόζεται δύναμη φρεναρίσματος και πριν ενεργοποιηθεί ο μηχανισμός του ABS, η δύναμη κατανέμεται μεταξύ των μπροστινών και πίσω τροχών, έτσι ώστε να μη μπλοκάρουν οι πίσω τροχοί πολύ νωρίς και να εξασφαλιστεί η σταθερότητα του αυτοκινήτου. ii. Επιτυγχάνεται συχνά το ιδανικό διάστημα πέδησης. iii. Το σύστημα αντιμπλοκαρίσματος τροχών ABS εκμεταλλεύεται σχεδόν πλήρως τα όρια που δίνονται από τις φυσικές ιδιότητες των ελαστικών και του οδοστρώματος Λειτουργία του συστήματος ABS Η απόδοση ενός συστήματος πέδησης εξαρτάται από διάφορους παράγοντες που έχουν άμεση ή έμμεση σχέση με το σύστημα και επηρεάζουν τη συνολική επιβράδυνση του αυτοκινήτου. Οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η συνολική απόδοση του συστήματος πέδησης είναι: i. η λειτουργική κατάσταση του συστήματος πέδησης και ιδιαίτερα ο συντελεστής τριβής που αναπτύσσεται ανάμεσα σε ταμπούρο - σιαγόνες ή ανάμεσα σε δισκόπλακα - τακάκια. ii. η κατάσταση των ελαστικών και του οδοστρώματος και ο συντελεστής τριβής μεταξύ ελαστικών και οδοστρώματος. Κατά το φρενάρισμα λοιπόν, αναπτύσσεται μία δύναμη τριβής μεταξύ ελαστικού και οδοστρώματος. Ταυτόχρονα δημιουργείται μία ολίσθηση ανάμεσα στο ελαστικό και την επιφάνεια του οδοστρώματος. Όσο πιο μεγάλος είναι ο συντελεστής τριβής και όσο πιο μικρό το ποσοστό της ολίσθησης των τροχών, τόσο καλύτερη είναι και η απόσταση φρεναρίσματος. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται η συνάρτηση μεταξύ της δύναμης τριβής και της ολίσθησης για μία τυπική περίπτωση σε στεγνό οδόστρωμα. Μέσα στο γραμμοσκιασμένο πεδίο η δύναμη φρεναρίσματος που μπορεί να

31 μεταδοθεί, φθάνει τη μέγιστη τιμή της. Αυτό είναι επίσης το πεδίο, μέσα στο οποίο λειτουργεί ρυθμιστικά το σύστημα ABS. Σχήμα Διάγραμμα δυνάμεων τριβής και πλάγιας ευστάθειας του αυτοκινήτου σε συνάρτηση με το συντελεστή ολίσθησης του τροχού. Όταν μπλοκάρει ένας τροχός, επομένως, έχει ολίσθηση 100% και η δύναμη τριβής είναι κατά κανόνα μικρότερη από εκείνη που εμφανίζεται σε τροχό που κυλάει ακόμα. Το σύστημα ABS δημιουργεί τέτοιες συνθήκες δυνάμεων πέδησης στον τροχό ώστε η ολίσθηση να παραμένει μέσα στο γραμμοσκιασμένο πεδίο. Έτσι εξασφαλίζεται η μέγιστη δύναμη τριβής. Ταυτόχρονα απομένει μία αρκετά μεγάλη δύναμη πλάγιας ευστάθειας για την ικανότητα εκτέλεσης ελιγμών και την ευστάθεια πορείας Για να επιτύχει τις παραπάνω ιδανικές συνθήκες πέδησης, το σύστημα ABS ελέγχει την πίεση των υγρών των φρένων. Ο έλεγχος της πίεσης των υγρών των φρένων περιλαμβάνει τρία βασικά στάδια λειτουργίας του συστήματος:

32 την αύξηση της πίεσης την συγκράτηση της πίεσης σε σταθερή τιμή την μείωση της πίεσης. Η αρχική αύξηση της πίεσης προέρχεται από την δύναμη που ασκεί ο οδηγός στο πεντάλ του φρένου. Στη συνέχεια η συγκράτηση, η μείωση και η αύξηση πάλι της πίεσης γίνεται από το ίδιο το σύστημα. Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται ο τρόπος λειτουργίας του συστήματος. Σχήμα Διάγραμμα λειτουργίας του συστήματος ABS. Στο παραπάνω διάγραμμα φαίνεται η μεταβολή της ταχύτητας του αυτοκινήτου, η μεταβολή της ταχύτητας του τροχού και η πίεση φρεναρίσματος. Ενώ η ταχύτητα του οχήματος μειώνεται σταθερά, όπως φαίνεται από την καμπύλη του διαγράμματος, η επιβράδυνση των τροχών δεν είναι σταθερή αλλά παρουσιάζει διακυμάνσεις. Στο τμήμα ΟΑ υπάρχει μια μεγάλη επιβράδυνση των τροχών μετά από την απότομη αύξηση της πίεσης

33 φρεναρίσματος που οφείλεται στη δύναμη που ασκεί ο οδηγός στο πεντάλ των φρένων. Τη στιγμή αυτή οι αισθητήρες στροφών πληροφορούν την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του συστήματος για την ολίσθηση των τροχών. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ενεργοποιεί την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα του συστήματος που μειώνει την πίεση στο υδραυλικό κύκλωμα των φρένων (τμήμα ΑΒ), με την βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων. Στην συνέχεια γίνεται συγκράτηση της πίεσης και τη μείωση της επιβράδυνσης του τροχού (τμήμα ΒΓ). Η μείωση της επιβράδυνσης διαρκεί μέχρι να μηδενισθεί η ολίσθηση των τροχών. Έτσι η επιβράδυνση των τροχών έρχεται σε αντιστοιχία με την επιβράδυνση του αυτοκινήτου (τμήμα ΓΔ) οπότε αυξάνεται η πίεση των υγρών στο κύκλωμα των φρένων. Η αύξηση της πίεσης των υγρών γίνεται από την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα και συγκεκριμένα από την αντλία υψηλής πίεσης. Ο κύκλος αυτός λειτουργίας (τμήμα ΑΒ - ΒΓ - ΓΔ) μπορεί να επαναληφθεί πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Με τον τρόπο αυτό το σύστημα ABS δημιουργεί ίδιες συνθήκες επιβράδυνσης τροχών και αυτοκινήτου Εξαρτήματα συστήματος ABS Στα κύρια εξαρτήματα του συστήματος ABS περιλαμβάνονται τα παρακάτω εξαρτήματα επιπλέον από αυτά που περιλαμβάνονται σε ένα συμβατικό σύστημα φρένων. Αισθητήρες στροφών: Οι αισθητήρες στροφών των τροχών ανιχνεύουν την ταχύτητα περιστροφής καθενός τροχού και παράγουν σήματα εξόδου

34 Σχήμα Διάταξη εξαρτημάτων συστήματος ABS. Σχήμα Αισθητήρας στροφών. Τα σήματα αυτά πληροφορούν την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου για την ολίσθηση ή όχι των τροχών

35 Ο αισθητήρας στροφών είναι αισθητήρας επαγωγικού τύπου. Αποτελείται από ένα πηνίο τυλιγμένο γύρω από ένα μόνιμο μαγνήτη (σχήμα 2.12.). Μπροστά από τον αισθητήρα περιστρέφεται ένας οδοντωτός τροχός. Κατά την περιστροφή του οδοντωτού τροχού μπροστά από τον αισθητήρα παράγεται μία εναλλασσόμενη τάση. Η συχνότητα της παραγόμενης τάσης είναι ανάλογη με την περιστροφή του τροχού. Το σήμα της παραγόμενης τάσης πληροφορεί την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου για την περιστροφή των τροχών. Ο οδοντωτός τροχός τοποθετείται στο ημιαξόνιο του τροχού, στο μουαγίε, στο διαφορικό ή στον κεντρικό άξονα. Ο αισθητήρας στροφών τοποθετείται, σε σταθερή θέση, σε απόσταση από τον οδοντωτό τροχό από 1mm έως 1,5 mm Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου: Η ηλεκτρονική μονάδα έλεγχου (εγκέφαλος) του ABS, με βάση τα σήματα από τους αισθητήρες στροφών των τροχών, στέλνει σήματα λειτουργίας προς την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα του ABS, για τον έλεγχο της πίεσης των υγρών που εφαρμόζεται στο κυλινδράκι κάθε τροχού, ώστε να αποτραπεί το μπλοκάρισμα των τροχών. Είναι λοιπόν ή ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου ένας μικρός ηλεκτρονικός υπολογιστής πολλών καναλιών. Δέχεται από τους αισθητήρες των στροφών τα ηλεκτρικά σήματα που είναι μεγέθη ανάλογα προς την ταχύτητα των τροχών και αναφέρονται στην επιτάχυνση, την επιβράδυνση και την ολίσθηση. Με βάση τα σήματα που δέχεται υπολογίζει την ταχύτητα επιβράδυνσης των τροχών και δίνει εντολή στην υλεκτροϋδραυλική μονάδα και τις ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες του συστήματος για τη μείωση, τη συγκράτηση ή την αύξηση της πίεσης του κυκλώματος. Συνήθως δύο ξεχωριστά ηλεκτρονικά κυκλώματα στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου εξασφαλίζουν την ομαλή λειτουργία του συστήματος. Ένα σύστημα αυτοδιάγνωσης, ανάλογο με αυτό που υπάρχει στα ηλεκτρονικά συστήματα ψεκασμού ελέγχει την κατάσταση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, καθώς και των καλωδιώσεων. Εάν υπάρχει κάποιο πρόβλημα

36 στο σύστημα, τότε ανάβει η ενδεικτική λυχνία (ABS) που υπάρχει στο ταμπλό των οργάνων. Έτσι, ενημερώνεται ο οδηγός ότι υπάρχει βλάβη στο σύστημα και πρέπει να πάει στο συνεργείο. Σχήμα Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Το ίδιο το σύστημα μπορεί να τεθεί εκτός λειτουργίας εάν υπάρχει σοβαρό πρόβλημα. Όταν υπάρχει κάποια δυσλειτουργία και έχει ανιχνευθεί κάποιος κωδικός βλάβης, η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του ABS διακόπτει τη τάση τροφοδοσίας του ρελέ που τροφοδοτεί την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα. Τότε το σύστημα ABS δε λειτουργεί και στην περίπτωση αυτή το σύστημα πέδησης λειτουργεί όπως ένα συμβατικό σύστημα πέδησης. Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου του συστήματος ABS μπορεί να είναι τοποθετημένη στον χώρο του κινητήρα, στο εσωτερικό της καμπίνας των επιβατών ή να είναι ενσωματωμένη μαζί με την ηλεκτροϋδραυλική μονάδα. Ηλεκτροϋδραυλική μονάδα: Η ηλεκτροϋδραυλική μονάδα του ABS λειτουργεί σύμφωνα με τα σήματα της ηλεκτρονικής μονάδας του για τον έλεγχο της πίεσης των υγρών που εφαρμόζεται στα κυλινδράκια των 4 τροχών

37 Σχήμα Τυπικό διάγραμμα συνδεσμολογίας εξαρτημάτων συστήματος ABS. Η ηλεκτροϋδραυλική μονάδα είναι ο ενεργοποιητής του συστήματος και περιλαμβάνει: Tον ηλεκτροκινητήρα και την αντλία, που διοχετεύουν το υγρό των φρένων το οποίο αφαιρέθηκε κατά τη μείωση της πίεσης από το κυλινδράκι του τροχού, πάλι πίσω στο αντίστοιχο κύκλωμα των φρένων. Tο συσσωρευτή της πίεσης του κυκλώματος, που διατηρεί την πίεση του συστήματος. Tης ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες για τη ρύθμιση της πίεσης του κυκλώματος

38 Tον αποσβεστήρα παλμών. Με τη λειτουργία των ηλεκτρομαγνητικών βαλβίδων παρουσιάζεται αυξομείωση ση της πίεσης των υγρών των φρένων. Σχήμα Τυπικό διάγραμμα λειτουργίας ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου. Σχήμα Ενδεικτική λυχνία ABS. Αυτό δημιουργεί παλμικές δονήσεις στο σύστημα που φθάνουν μέχρι το πεντάλ φρένων του οδηγού. Οι παλμικές αυτές δονήσεις αποσβέ

39 νονται από τον αποσβεστήρα παλμών που υπάρχει στην διάταξη της ηλεκτροϋδραυλικής μονάδας. τα διάφορα ρελέ όπως το ρελέ της αντλίας, το ρελέ λειτουργίας έκτακτης ανάγκης κτλ. 2.5 Οι βλάβες του συστήματος ABS Οι βλάβες του συστήματος ABS είναι: i. βλάβες εξαρτημάτων όπως οι αισθητήρες στροφών, οι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες, το μοτέρ της αντλίας και τα ρελέ του κυκλώματος. ii. βλάβες λόγω χαλαρής ή κακής συνδεσμολογίας των καλωδιώσεων iii. καμένη ενδεικτική λυχνία. iv. βλάβη στην ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου. Όλες οι παραπάνω βλάβες ανιχνεύονται με την βοήθεια της διαγνωστικής συσκευής. Μετά από κάθε επισκευή ή αντικατάσταση εξαρτημάτων θα πρέπει να γίνεται μηδενισμός των βλαβών από τη μνήμη της ηλεκτρονικής μονάδας ελέγχου. Ο έλεγχος του αισθητήρα στροφών μπορεί να γίνει επίσης με ένα απλό πολύμετρο, ή με την βοήθεια ενός παλμογράφου, αφού παράγει εναλλασσόμενη τάση, όπως ένας επαγωγικός αισθητήρα. Κατά την επισκευή θα πρέπει τα ανταλλακτικά που χρησιμοποιούνται να είναι τα προτεινόμενα από τον κατασκευαστή. Οι τιμές των ροπών σύσφιξης των εξαρτημάτων κατά την επανα-συναρμολόγηση πρέπει να είναι οι σωστές και να εξασφαλίζεται η κατάλληλη συνοχή όλων των συναρμολογούμενων εξαρτημάτων

40 ΤΡΙΤΟ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. ΦΡΕΝΑ 3.1 Εισαγωγή 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. 3.2 Είδη κεραμικών υλικών Τα κεραμικά υλικά μια μακρά ιστορία στη βιομηχανία των ηλεκτρικώνηλεκτρονικών κυρίως λόγω της υψηλής τους ηλεκτρικής αντίστασης. Και άλλες ιδιότητες τους όμως έχουν συμβάλλει στην μέχρι τώρα διάδοση τους, όπως η αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες, η αντοχή στη διάβρωση και τη φθορά με το χρόνο, ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής, η καλή χημική συμπεριφορά και κυρίως η αντοχή σε δυνάμεις θλίψεις. Πιο πρόσφατα, μια νέα οικογένεια κεραμικών έχει κάνει την εμφάνισή της. Τα νέα αυτά υλικά παρουσιάζουν μηχανικές ιδιότητες τόσο εντυπωσιακές, που άρχισαν να τα κάνουν ελκυστικά στις νέες κατασκευές

41 Στη δεκαετία του 90 το γυαλί και τα προϊόντα του καταλαμβάνουν το 53% της αγοράς των κεραμικών, τα νέα κεραμικά υλικά το 20%, τα κεραμικά υψηλών θερμοκρασιών ( πυρίμαχα) το 6%, οι διάφορες πορσελάνες το 9% και διάφορα υλικά αργίλου (πηλού) το υπόλοιπο ποσοστό. Εικόνα Σετ Φρένων Τα κεραμικά υλικά περιέχουν μεταλλικά και μη μεταλλικά στοιχεία ( συχνά με τη μορφή οξειδίων, καρβιδίων και νιτριδίων) και υπάρχουν σε μια μεγάλη ποικιλία συνθέσεων και μορφών. Τα περισσότερα έχουν κρυσταλλική δομή αλλά, σε αντίθεση με τα μέταλλα, είναι διάφανη σε μικρά πάχη, κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και της θερμότητας και με σημεία τήξης πολύ υψηλά. Μια μη κρυσταλλική δομή είναι επίσης πιθανή στα στερεά κεραμικά. Αυτή η άμορφη κατάσταση αναφέρεται και σαν μορφή γυαλιού και τα υλικά είναι γνωστά σαν γυαλιά. Οι κατηγορίες των κεραμικών υλικών είναι οι εξής: Κεραμικά προϊόντα αργίλου (πηλού) Κεραμικά πυρίμαχα υλικά

42 Κεραμικά ηλεκτρομαγνητικών εφαρμογών Κεραμικά γυαλιά Κεραμικά μηχανολογικών εφαρμογών Οι ιδιότητες τους είναι οι εξής: Υψηλό σημείο τήξης Αντοχή στη φθορά- τριβή Μεγάλη σκληρότητα Ευθραυστότητα Μεγάλη αντοχή σε θλίψη Αντοχή στην οξείδωση- διάβρωση Μικρή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα Το υψηλό κόστος των κεραμικών μηχανολογικών εφαρμογών αποτελεί ακόμα και σήμερα φραγμό για την ευρεία διάδοσή τους. Αν επιτευχθεί μείωση κόστους στο μέλλον κατασκευές όπως μηχανές αυτοκινήτων, στροβιλοκινητήρες (τούρμπο), αεριοστρόβιλοι, έδρανα, αντλίες, βαλβίδες και ένα πλήθος άλλων εφαρμογών, όπου απαιτείται υψηλή θερμοκρασία και αντοχή, θα υιοθετήσουν τα νέα αυτά υλικά Λίγο Ιστορία Τα φρένα με δίσκους δεν είναι κάτι καινούργιο. Για πρώτη φορά το 1902, ο Frederick William Lanchester χρησιμοποίησε δύο δίσκους που όταν πιέζονταν ο ένας πάνω στον άλλο, η τριβή που δημιουργούταν επιβράδυνε το αυτοκίνητο. Μετά όμως από σχεδόν μισό αιώνα που αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιήθηκε μόνο σε αγωνιστικές εφαρμογές, η Citroen τα εγκατάστησε σε αυτοκίνητο παραγωγής. Το DS (ναι, ο βάτραχος!) ήταν λοιπόν το πρώτο αυτοκίνητο παραγωγής με δισκόφρενα. Μετά τη δεκαετία του 90 όλα σχεδόν τα αυτοκίνητα έχουν, τουλάχιστον στους εμπρός τροχούς, δισκόφρενα

43 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. Εικόνα 3.2 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

44 φροντίζει να δροσίζει το καυτά εξωτερικά τοιχώματα του δίσκου και να γίνεται καλύτερη απαγωγή θερμότητας. Ένα απλό διάγραμμα για να δείτε πως λειτουργεί συνολικά το σύστημα φρένων. Διάγραμμα 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 μηχανό- 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 τριπλασιαστεί ή τετραπλασιαστεί πριν ακόμα ασκηθεί, μέσω του boοster, στον πρωτεύοντα κύλινδρο των φρένων

45 3.4 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. 3.5 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

46 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. Εικόνα Μια τετραπίστονη δαγκάνα

47 Εικόνα Ένα ολοκληρωμένο κιτ φρένων 3.6 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, ημίμεταλλικά 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

48 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. 3.7 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

49 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. 3.8 Xειρόφρενo 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

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ 4. ΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΕΔΗΣΗΣ ΚΑΙ ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΤΟΥΣ 4.1 Ιστορική αναδρομή Από την πρώτη στιγμή που εμφανίστηκε το πρώτο ποδήλατο όχημα με κινητήρα εσωτερικής καύσης για την υποβοήθηση του αναβάτη, εμφανίστηκε η ανάγκη για ένα μηχανικό σύστημα που θα μείωνε την ταχύτητα του οχήματος ή θα την διατηρούσε αν κινούνταν σε κατωφέρεια (Hohmann C. et al, 1999). Τα πρώτα συστήματα πέδησης χρησιμοποιούσαν έναν μηχανισμό από δαγκάνες με τριβείς από καουτσούκ οι οποίοι πίεζαν το πλαϊνό μέρος του ρόπτρου ή του ελαστικού του τροχού, όταν εμφανίστηκαν οι πρώτοι τροχοί με ελαστικά. Την πίεση αυτή την ασκούσε το χέρι του αναβάτη σε ένα μοχλό και μεταφερόταν μέσω ενός συρματόσχοινου στις δαγκάνες Όσο όμως οι ιπποδυνάμεις των κινητήρων αυξάνονταν αυτά τα συστήματα αποδείχθηκαν ανεπαρκή και δεν μπορούσαν να αντεπεξέλθουν στο έργο τους και έτσι σήμερα τα συναντούμε μόνο σε ποδήλατα. Αυτό συμβαίνει διότι τα συγκεκριμένα συστήματα έχουν το μικρότερο βάρος σχετικά με όλα τα υπόλοιπα. Στη συνέχεια εμφανίστηκαν τα συστήματα πέδησης που χρησιμοποιούσαν ταμπούρα. Αυτά αποτελούνταν από ένα κοίλο κυλινδρικό τύμπανο στην εσωτερική επιφάνεια του οποίου πίεζαν δύο σιαγόνες επενδυμένες με ειδικά υλικά τριβής. Το τύμπανο ήταν πακτωμένο στο κέντρο του τροχού και περιστρεφόταν μαζί του, ενώ οι σιαγόνες ήταν εδρασμένες στον άξονα περιστροφής. Η δύναμη πίεσης μεταφερόταν από το χέρι ή το πόδι του αναβάτη που πίεζε ένα μοχλό, με συρματόσχοινο. Αυτό το σύστημα αποτέλεσε μεγάλη βελτίωση καθώς τα υλικά τριβής είχαν πολύ μεγαλύτερη απόδοση και πολύ μεγαλύτερη αντοχή. Ακόμη, καλύτερη απόδοση

51 επιτυγχάνονταν λόγω μεγαλύτερης επιφάνειας τριβής. Όμως, καθώς και πάλι τα τελευταία είκοσι χρόνια οι ιπποδυνάμεις των κινητήρων έχουν αυξηθεί και έχει γίνει επιτακτική η ανάγκη για καλύτερο έλεγχο του οχήματος, έγιναν εμφανή τα δύο κύρια μειονεκτήματα αυτού του συστήματος πέδησης. Αυτά είναι το μεγάλο βάρος και η πολύ μικρή ικανότητα απαγωγής της θερμότητας ακόμη και όταν τα ταμπούρα είναι αεριζόμενα. Έτσι φτάσαμε στο τελευταίο σύστημα πέδησης που εφαρμόζεται σχεδόν καθολικά σήμερα με διάφορες μορφές. Αυτό χρησιμοποιεί συνήθως έναν μεταλλικό δίσκο ο οποίος είναι πακτωμένος στον τροχό και περιστρέφεται μαζί του και μία δαγκάνα η οποία είναι πακτωμένη σε σταθερό σημείο σε σχέση με τον δίσκο και περιέχει δύο πλακίδια επενδυμένα με ειδικά υλικά τριβής τα οποία πιέζουν το δίσκο αναπτύσσοντας τριβή μεταξύ τους για να επιτευχθεί η πέδηση. Στις σύγχρονες μοτοσικλέτες υψηλών επιδόσεων ολόκληρο το σύστημα πέδησης αποτελείται από δύο μεγάλης διαμέτρου μεταλλικούς δίσκους στον εμπρός τροχό οι οποίοι συνεργάζονται με δύο δαγκάνες αντίστοιχα και έναν μεταλλικό δίσκο με μια δαγκάνα στον οπίσθιο τροχό. Η δύναμη πέδησης στις δύο εμπρός δαγκάνες μεταφέρεται από το χέρι του αναβάτη μέσω κλειστού υδραυλικού κυκλώματος. Ο αναβάτης πιέζει με έναν μοχλό ένα έμβολο το οποίο μέσω ενός ειδικού υδραυλικού υγρού και σύμφωνα με την αρχή του Pascal, πιέζει ένα ή και περισσότερα έμβολα - επιτυγχάνοντας έτσι και πολλαπλασιασμό της δύναμης του αναβάτη τα οποία με τη σειρά τους πιέζουν τα τακάκια επάνω στους δίσκους. Αυτό το σύστημα πέδησης έχει όλα τα πλεονεκτήματα του συστήματος με τα ταμπούρα, αλλά έχει πολύ μεγαλύτερη ικανότητα απαγωγής της παραγόμενης θερμότητας και αρκετά μικρότερο βάρος. Αυτοί είναι και οι λόγοι για τους οποίους έχει επικρατήσει. Όμως, αν και η ικανότητά του να απάγει την παραγόμενη θερμότητα είναι βελτιωμένη σε σχέση με τα προηγούμενα, λόγω σχεδιασμού, και μπορεί να βελτιωθεί με τη διάνοιξη οπών και αυλακών στην επιφάνεια τριβής των δίσκων, εντούτοις οι

52 περιορισμοί προέρχονται από το ίδιο το υλικό κατασκευής των δίσκων και την ικανότητά του να ανταπεξέλθει στο θερμικό σοκ που του προκαλούν ένα ή περισσότερα, διαδοχικά φρεναρίσματα από υψηλή ταχύτητα. Έτσι δεν είναι ασύνηθες το φαινόμενο της δημιουργίας ρωγμών ή πλαστικών παραμορφώσεων στους δίσκους πέδησης λόγω των μεγάλων τάσεων που αναπτύσσονται εντός τους από την απότομη και κατακόρυφη αύξηση της θερμοκρασίας τους κατά τη διάρκεια πέδησης από πολύ υψηλή ταχύτητα (Yevtushenko A. et al. 1995, Mackin T. J. et al. 2002). 4.2 Υλικά κατασκευής δισκοφρένων Οι έρευνες κυρίως του τομέα της αεροναυπηγικής οδήγησαν στην κατασκευή δίσκων τριβής από διάφορα μείγματα μεταλλικών στοιχείων και συνθετικών υλικών με κυριότερους τους δίσκους από φαιό χυτοσίδηρο, διάφορα είδη ατσαλιού, από μείγμα αλουμινίου εμπλουτισμένου με σωματίδια οξειδίων και καρβιδίων (AL-MMC), συνθετικούς δίσκους από ίνες άνθρακα και συνδετικό υλικό γραφίτη (CC) και συνθετικούς δίσκους από ίνες άνθρακα και συνδετικό υλικό κεραμικό (CMC). Η πιο συνηθισμένη μορφή αυτού του υλικού αποτελείται από ίνες άνθρακα και συνδετικό υλικό καρβίδιο του πυριτίου (C/SiC). Αυτά τα δύο υλικά έχουν μικρότερη πυκνότητα, άρα και μικρότερο βάρος από τους συνηθισμένους δίσκους από φαιό χυτοσίδηρο ή ατσάλι, αλλά και σαφώς καλύτερη συμπεριφορά στα θερμικά σοκ. Το βασικό τους μειονέκτημα είναι το κατά πολύ υψηλότερο κόστος τους. Αυτός είναι και ο βασικός λόγος για τον οποίο έχουν βρει εφαρμογή μόνο στον τομέα των αγωνιστικών μοτοσικλετών του παγκοσμίου πρωταθλήματος ταχύτητας. Άλλος ένας παράγων που δεν έχει επιτρέψει την εφαρμογή των Carbon/Carbon δίσκων συγκεκριμένα, σε μοτοσικλέτες για καθημερινή χρήση, είναι ότι ο συντελεστής τριβής τους δεν είναι σταθερός και μεταβάλλεται με τη θερμοκρασία και την υγρασία (Blanco C. et al. 1997)

53 Διάγραμμα Συγκριτικό διάγραμμα τυπικών τιμών συντελεστή τριβής για τα διάφορα υλικά κατασκευής δισκοφρένων (SGL BRAKES GmbH, 2002). Οι βασικοί παράγοντες που καθορίζουν την επιλογή υλικού για τα δισκόφρενα πρώτης τοποθέτησης από τους κατασκευαστές είναι κατά σειρά προτεραιότητας: Το κόστος Η διάρκεια ζωής Η θερμική ικανότητα Ο συντελεστής τριβής Το βάρος Η συνηθέστερη επιλογή υλικού για δίσκους πρώτης τοποθέτησης είναι το ατσάλι σε διάφορους τύπους. Αυτό συμβαίνει διότι πλεονεκτεί στους δύο βασικούς παράγοντες που είναι το κόστος και η διάρκεια ζωής επειδή τα είδη του ατσαλιού που χρησιμοποιούνται είναι σε κάποιο βαθμό ανοξείδωτα με αποτέλεσμα να μην φθείρονται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Όσον αφορά τους δίσκους αντικατάστασης από ανεξάρτητους κατασκευαστές, για υψηλών επιδόσεων μοτοσικλέτες, το επικρατέστερο

54 υλικό είναι ο φαιός χυτοσίδηρος. Αυτό συμβαίνει γιατί οι συγκεκριμένοι δίσκοι έχουν μικρότερο βάρος, και μεγαλύτερο συντελεστή τριβής. Διάγραμμα Συγκριτικά διαγράμματα τυπικών τιμών πυκνότητας και μέγιστης θερμοκρασίας λειτουργίας για τα διάφορα υλικά κατασκευής δισκοφρένων Οι συνθετικοί δίσκοι, προς το παρόν, τοποθετούνται μόνο σε αγωνιστικές, πρωτότυπες μοτοσικλέτες της υψηλότερης κατηγορίας του παγκόσμιου πρωταθλήματος ταχύτητας. Σε αυτό το επίπεδο ο παράγων κόστος δεν έχει κανένα βάρος, όπως και η διάρκεια ζωής. Έτσι προτιμούνται τα υλικά που έχουν το μέγιστο συντελεστή τριβής, το μικρότερο βάρος και την υψηλότερη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας. 4.3 Τα συνθετικά - κεραμικά υλικά Στο πεδίο της επιστημονικής έρευνας, όσον αφορά στα συνθετικά υλικά κατασκευής συστημάτων πέδησης, το πλήθος των βιβλιογραφικών αναφορών είναι πολύ περιορισμένο (Blanco et al, 1996). O βασικός λόγος για αυτό το γεγονός είναι ότι το μεγαλύτερο μέρος των ερευνών γίνεται από την βιομηχανία, η οποία προστατεύει τις έρευνές της με διπλώματα ευρεσιτεχνιών. Ο άνθρακας (Carbon) ως στοιχείο, βρίσκεται στη φύση σε κρυσταλλική μορφή, συνήθως με τη μορφή γραφίτη ή διαμαντιού. O όρος carbon θα έπρεπε να αναφέρεται μόνο στο στοιχείο του άνθρακα. Όσον αφορά στα υλικά από carbon, αυτά θα μπορούσαν να οριστούν με ακρίβεια ως διάφορες μορφές γραφίτη. Όμως θα ήταν καλύτερο, να χρησιμοποιείται ο όρος carbon μαζί με έναν επιθετικό προσδιορισμό, όπως ενεργοποιημένος, πυρολυτικός κτλ. Τα υλικά carbon μπορούν να

55 ταξινομηθούν στις παρακάτω κύριες κατηγορίες. Υπάρχουν carbon υλικά τα οποία όταν υποστούν θερμική κατεργασία στους 3000οC περίπου, δεν μετασχηματίζονται σε τρισδιάστατη, γραφιτική, κρυσταλλική μορφή. Αυτά τα υλικά περιγράφονται ως non - graphitic και non - graphitizable, δηλαδή ως carbon υλικά τα οποία δεν μπορούν να υποστούν γραφιτοποίηση. Υπάρχουν carbon υλικά τα οποία όταν υποστούν θερμική κατεργασία στους 3000 C, περίπου, μετασχηματίζονται σε τρισδιάστατη, γραφιτική, κρυσταλλική μορφή. Αυτά τα υλικά περιγράφονται ως initially non - graphitic, αλλά graphitizable. Δηλαδή ως carbon υλικά τα οποία δεν είναι γραφιτικής μορφής, αλλά μπορούν να μετασχηματιστούν σε γραφίτη. Ένα υλικό carbon που μπορεί να υποστεί γραφιτοποίηση (graphitizable), όταν υποστεί θερμική κατεργασία στους 3000 C γίνεται γραφιτικό. Μια μελέτη με ακτίνες X ενός non - graphitizable, non - graphitic υλικού carbon που έχει υποστεί θερμική κατεργασία στους 900 C και ενός non - graphitic, αλλά graphitizable υλικού που έχει υποστεί θερμική κατεργασία στην ίδια θερμοκρασία, δεν θα μπορούσε να ξεχωρίσει μεταξύ τους τα δύο υλικά, αν και η δομή τους είναι πολύ διαφορετική. Για τη διακρίβωση μεταξύ των δύο δομών, γίνεται χρήση οπτικού μικροσκοπίου. Χρησιμοποιώντας απλό πολωμένο φως, το οποίο αντικατοπτρίζεται πάνω σε γυαλισμένη επιφάνεια από το carbon υλικό, παρατηρείται ότι το non - graphitizable υλικό είναι ισότροπο, ενώ το graphitizable είναι ανισότροπο, παρουσιάζοντας οπτική αντίδραση κατά το επίπεδο πόλωσης του προσπίπτοντος φωτός. Γενικά, από τα υλικά carbon που προέρχονται από το ξύλο ή άλλες πρώτες ύλες και δεν λιώνουν κατά τη θερμική τους κατεργασία, προκύπτουν ισότροπα υλικά. Αντιθέτως, από τα υλικά carbon που προέρχονται από την πίσσα ή άλλες πρώτες ύλες και λιώνουν κατά τη θερμική τους κατεργασία, προκύπτουν ανισότροπα υλικά. Η ειδοποιός διαφορά μεταξύ των δύο τύπων carbon υλικού, είναι ο σχετικός προσανατολισμός των γραφιτικών κόκκων από τους οποίους αποτελούνται. Στα ισότροπα non - graphitizable carbon υλικά, οι γραφιτικοί κόκκοι είναι μικροί, τυχαία διατεταγμένοι και ενωμένοι μεταξύ τους

56 σε όλες τις κατευθύνσεις με ισχυρούς, χημικούς δεσμούς. Στα ανισότροπα graphitizable carbon υλικά, οι γραφιτικοί κόκκοι είναι μεγαλύτεροι, διατεταγμένοι παράλληλα και ενωμένοι μεταξύ τους με ισχυρούς, χημικούς δεσμούς. Διάγραμμα Λεπτομέρεια της δομής ενός κεραμικού δισκοφρένου (SGL BRAKES GmbH, 2002). Τα ισότροπα carbon υλικά έχουν δομές οι οποίες σχετίζονται με τις πρώτες ύλες από τις οποίες προήλθαν, πχ. ξύλο, ρητίνη ή ίνες PAN. Τα ανισότροπα carbon υλικά οφείλουν τη δομή τους σε ένα αρωματικό, πτητικό σύστημα υγρών κρυστάλλων, αποκαλούμενο μεσοφάση, το οποίο δημιουργείται μέσα στην πίσσα κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης και εξανθράκωσής της

57 Για την κατασκευή των συνθετικών δισκοφρένων χρησιμοποιούνται ίνες PAN, που είναι non - graphitizable carbon υλικό και συνδετικό graphitizable carbon υλικό προερχόμενο από πίσσα ή από τη θερμική διάσπαση μεθανίου. Σε αυτό ακριβώς το συνδετικό υλικό έγκειται και η διαφορά μεταξύ των συνθετικών (CC) και των κεραμικών (CMC) δισκοφρένων. Στα κεραμικά δισκόφρενα το συνδετικό υλικό είναι καρβίδιο του πυριτίου SiC, το οποίο είναι ένα κεραμικό υλικό υψηλής σκληρότητας και μεγάλης αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες που συνήθως χρησιμοποιείται σαν τεχνητό διαμάντι και σαν κοπτικό εργαλείο σε εργαλειομηχανές κοπής (τόρνους, φρέζες κτλ). 4.4 Η διαδικασία κατασκευής των συνθετικών - κεραμικών δισκοφρένων Είναι φυσιολογικό να μην μπορεί να περιγραφεί επακριβώς και αναλυτικά η διαδικασία κατασκευής των συνθετικών ή των κεραμικών δισκοφρένων, καθώς κάθε βιομηχανία χρησιμοποιεί ξεχωριστή διαδικασία για την κατασκευή διαφορετικών δισκοφρένων, από διαφορετικές πρώτες ύλες και με διαφορετικά αποτελέσματα. Όμως είναι δυνατόν να δοθεί μια γενική περιγραφή των τυπικών διαδικασιών που ακολουθούνται στα διάφορα στάδια κατασκευής

58 Διάγραμμα Η τυπική διαδικασία κατασκευής των κεραμικών δισκοφρένων (SGL BRAKES Αρχικά, λοιπόν, σχεδιάζεται ο δίσκος. Σύμφωνα με το σχέδιο, κατασκευάζεται το καλούπι από το οποίο θα προκύψει το προϊόν. Από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του δίσκου υπολογίζονται οι ποσότητες των πρώτων υλών που θα χρησιμοποιηθούν στο πρώτο στάδιο κατασκευής. Σε αυτό το στάδιο γίνεται η δημιουργία του οπλισμού του δίσκου από τις carbon ίνες PAN. Σε έναν ειδικό αναδευτήρα αναμειγνύονται μικρού μήκους ίνες (< 2mm) με ειδική εποξική ρητίνη σε αναλογία 70/30 περίπου. Στη συνέχεια το μείγμα τοποθετείται στο καλούπι και συμπιέζεται για να εξέλθει ο αέρας που έχει πιθανώς εγκλωβιστεί εντός του καλουπιού. Όταν το μείγμα στερεοποιηθεί, εισέρχεται σε ειδικό φούρνο υψηλής πίεσης. Αυτό γίνεται για να γίνει πυρόλυση της ρητίνης και να μείνει από αυτήν μόνο ο άνθρακας που υπήρχε στο μόριό της, ο οποίος και ενώνεται χημικά με τον άνθρακα των carbon ινών PAN. Μέχρι αυτό το σημείο, η διαδικασία κατασκευής των (CC) και των (CMC) δίσκων είναι κοινή. Στη συνέχεια, ο δίσκος που προορίζεται να γίνει (CC) μπαίνει σε έναν άλλο φούρνο υψηλής θερμοκρασίας και περιβάλλοντος αερίου υδρογονάνθρακα στον οποίο μένει για διάστημα ενός ως δύο μηνών μέχρις ότου να χτιστεί η δομή του συνδετικού carbon υλικού, από τη χημική αντίδραση του άνθρακα των ινών και της ρητίνης με τον αέριο υδρογονάνθρακα

59 Ο δίσκος που προορίζεται να γίνει (CMC), αφού βγει από το φούρνο της πυρόλυσης, εμποτίζεται ξανά με ρητίνη και τοποθετείται πάλι στο φούρνο της πυρόλυσης. Όταν ολοκληρωθεί αυτός ο κύκλος, ο δίσκος τοποθετείται σε έναν άλλο φούρνο υψηλής θερμοκρασίας όπου θα μείνει για ένα εικοσιτετράωρο περίπου, σε περιβάλλον υγρού πυριτίου, μέχρις ότου χτιστεί η δομή του συνδετικού καρβιδίου του πυριτίου από τη χημική αντίδραση του πυριτίου με τον άνθρακα των ινών και της ρητίνης. Αυτός είναι και ο λόγος που απαιτείται και δεύτερος κύκλος εμποτισμού με ρητίνη, και πυρόλυσης. Για να υπάρχει ικανή ποσότητα άνθρακα να αντιδράσει με το πυρίτιο. Το τελευταίο στάδιο κατασκευής είναι κοινό και για τους δύο τύπους δισκοφρένων και αφορά στην τελική διαδικασία φινιρίσματος του προϊόντος, ούτως ώστε να είναι έτοιμο να περάσει στην εφαρμογή

60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ 5. ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΦΡΕΝΑ 5.1 Γενικά Η λέξη "κεραμικό" προέρχεται από το προάστιο Κεραμεικός της Αρχαίας Αθήνας και αναφερόταν αρχικά στην αγγειοπλαστική κεραμική, για ψημένα προϊόντα από πηλό. Σήμερα ο όρος κεραμικά υλικά έχει ευρύτερη χρήση και περιλαμβάνει όλα τα ανόργανα μη μεταλλικά υλικά που έχουν υποστεί θερμική κατεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες (>1000 C) είτε κατά το στάδιο της επεξεργασίας είτε κατά το στάδιο της εφαρμογής. Τα παραδοσιακά κεραμικά είναι τα πήλινα αντικείμενα, τούβλα και κεραμίδια. Στα κεραμικά περιλαμβάνονται επίσης το τσιμέντο και το γυαλί. Ως προηγμένα κεραμικά αναφέρονται υλικά τα οποία είναι χρήσιμα για τις ηλεκτρικές, ηλεκτρονικές, οπτικές ή μαγνητικές ιδιότητές τους. Τα κεραμικά υλικά αποτελούνται από ενώσεις με ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς, όπως: Οξείδια (π.χ. Al2O3) Καρβίδια (π.χ. B4C) Νιτρίδια (π.χ. Si3N4) Βορίδια (π.χ. Nd2Fe14B) Συνήθεις ιδιότητες των κεραμικών είναι: αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες μονωτικές ιδιότητες, ή ημιαγώγιμη συμπεριφορά με διάφορες μαγνητικές και διηλεκτρικές ιδιότητες αντίσταση στην παραμόρφωση - ευθραυστότητα χαμηλές τιμές στις μηχανικές ιδιότητες

61 Στην πράξη, οι ιδιότητες των κεραμικών υλικών έχουν μεγάλες διαφορές από υλικό σε υλικό, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τους κεραμικούς υπεραγωγούς υψηλών θερμοκρασιών (π.χ.yba2cu 3 O 7 -x). 5.2 Τα πρώτα βήματα Καλά τα φρένα από ανθρακονήματα, λένε πολλοί, αλλά μόνο για την πίστα. Απόδειξη της «ανικανότητάς» τους, το αδιαμφισβήτητο γεγονός ότι δεν μπόρεσαν, τόσα χρόνια τώρα, να εκτοπίσουν τους παραδοσιακούς μαντεμένιους δίσκους από τα υπεραυτοκίνητα δρόμου. Και μιλάμε για αυτοκίνητα των οποίων οι ιδιοκτήτες έχουν τη δυνατότητα και τη διάθεση να πληρώσουν όσο-όσο, προκειμένου να διαθέτουν τέτοια «τεχνολογία γοήτρου» στους τροχούς τους. Οι δίσκοι από ανθρακονήματα αποδείχθηκαν ότι καλύτερο για τα αυτοκίνητα της Formula 1, αλλά στην καθημερινή κυκλοφορία, παρά τις προσπάθειες εξέλιξής τους ώστε να «μαζικοποιηθούν», δεν μπόρεσαν να ξεπεράσουν τα όρια του «αναξιόπιστου έως επικίνδυνου». Σύμφωνα με τη Mercedes, «αν ένα υλικό δίσκου δεν μπορεί να συνεργαστεί τέλεια με ένα σύστημα ABS, τότε είναι ακατάλληλο για χρήση σε συμβατικά αυτοκίνητα». Και ο δίσκος από ανθρακόνημα, είναι ένας δίσκος που μπορεί στην κυριολεξία να «τρελάνει» ακόμα και το πιο εξελιγμένο σύστημα αυτόματης κατανομής της πέδησης αν χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε αλλού εκτός από συνθήκες αγώνα. Βασικό του μειονέκτημα, η αστάθειά του ως προς το συντελεστή τριβής, όταν η θερμοκρασία του είναι, αντίστοιχα, κυμαινόμενη. Αυτός είναι κι ο λόγος που οι οδηγοί της F1 κάνουν τα «φακιρικά» τους κατά τη διάρκεια του γύρου σχηματισμού, πριν στηθούν στη γραμμή της εκκίνησης. Στόχος τους είναι να «προσδώσουν» στους δίσκους τους μια κάποια θερμοκρασία για να μην αιφνιδιαστούν, μετά την εκκίνηση, όταν θα βρεθούν χωρίς φρένα μπροστά από την πρώτη στροφή του αγώνα. Κάτι τέτοιο όμως μπορεί να γίνει σωστά μόνο με απότομα στιγμιαία πατήματα του πεντάλ του

62 φρένου - σε αντίθετη περίπτωση, η επιφάνεια του δίσκου θα «γυαλίσει» κι ο συντελεστής τριβής θα πάει περίπατο μέχρις ότου η φθορά του αποκαλύψει νέο, παρθένο υλικό. Για την ίδια ακριβώς αιτία οι οδηγοί μοιάζουν σαν να κινούνται...«σπαστικά» (με συνεχείς μικροεπιταχύνσεις και φρεναρίσματα) όταν ακολουθούν το αυτοκίνητο του αλυτάρχη, κατά τη διάρκεια της «ουδετεροποίησης» του αγώνα. Ακόμα χειρότερα είναι τα πράγματα όταν βρέχει. Η υγρασία απορροφάται από το υλικό των δίσκων και επηρεάζει σημαντικά την απόδοσή τους, μέχρι τουλάχιστον να ανέβει ξανά η θερμοκρασία σε επίπεδα τέτοια που να προκαλέσουν την πλήρη «ξήρανσή» τους. Τα πλεονεκτήματά τους όμως, στους αγώνες, είναι απαράμιλλα, σε σύγκριση με τους δίσκους από μαντέμι, έστω και αν ο συντελεστής τριβής και των δύο είναι παραπλήσιος (με ελαφρά υπεροχή του μαντεμιού). Το κυριότερο πλεονέκτημα των δίσκων από ανθρακονήματα είναι η αντοχή τους στις υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που δίνει τη δυνατότητα στους σχεδιαστές των συστημάτων πέδησης να χρησιμοποιήσουν πολύ υψηλές πιέσεις λειτουργίας, ακόμα και σε περιπτώσεις όπου τα φρεναρίσματα είναι παρατεταμένα, χωρίς τον παραμικρό κίνδυνο να χάσει ο δίσκος τη μηχανική συνοχή του. Το στοιχείο αυτό είναι πολύ σημαντικό κι από τη στιγμή που θα χρειαστεί να συγκρίνουμε και τη συνολική θερμική ενέργεια που μπορεί να «φορτωθεί» στιγμιαία καθένας από αυτούς τους δίσκους χωρίς να αποσυντεθεί. Στον τομέα της πρόσφυσης, όσο κι αν αυτό φαίνεται παράξενο, οι δίσκοι από ανθρακονήματα είναι ότι καλύτερο εφευρέθηκε μετά το ground effect. Το πολύ μικρότερο βάρος τους (μόλις το 40%, σε σύγκριση με αυτό των μαντεμένιων) δημιουργεί ένα σημαντικά βελτιωμένο λόγο «φερόμενου προς μη φερόμενο βάρος», αποτρέποντας τους τροχούς από το αναπηδήσουν αλλά και κάνοντας τη ζωή του πέλματος του ελαστικού πολύ πιο άνετη, όταν οι ιπποδυνάμεις και τα πλευρικά φορτία αρχίζουν να ξεπερνούν ένα μέγεθος

63 Και μια και μιλάμε για αγώνες - αλλά και για «αγωνιστικές» ταχύτητες - δεν πρέπει να παραβλέπουμε και το σημαντικό περιορισμό των γυροσκοπικών φαινομένων που επιφέρει η χρήση ελαφρών δίσκων από ανθρακονήματα. Για όλους αυτούς τους λόγους, οι δίσκοι αυτοί εκτόπισαν οριστικά το «μαντέμι» από όλα τα είδη αγώνων στα οποία οι κανονισμοί δεν έχουν επιβάλει τη διατήρησή του. Αλλά και για όλους τους λόγους που αναφέραμε στην αρχή, οι δίσκοι από ανθρακονήμαια δεν μπόρεσαν να βρουν μια θέση στο δημόσιο δρόμο. 5.3 Κόστος Ο λόγος του υψηλού κόστους των δίσκων από ανθρακονήματα οφείλεται στα πολύ ακριβά υλικά τους (τουλάχιστον 300 ευρώ, ανά κιλό νημάτων «μεσαίας» ποιότητας, τη στιγμή που κάθε δίσκος χρειάζεται τουλάχιστον 2 κιλά) αλλά και στη χρονοβόρα διαδικασία παραγωγής τους. Αρκεί μόνο να αναφέρουμε ότι, στο τελικό στάδιο, κάθε δίσκος πρέπει να «φουρνιστεί» για έναν έως δύο μήνες, διαρρεόμενος συνεχώς από αέριο υδρογονάνθρακα ο οποίος πυρολύεται και εναποθέτει (μόριο προς μόριο!) τον άνθρακά του μέχρι να «κτιστεί» η δομή του δίσκου... Και για να γίνει αντιληπτή η φράση «να κτιστεί η δομή του δίσκου», φανταζόμαστε το δίσκο σαν ένα κομμάτι μπετόν αρμέ όπου τα ανθρακονήματα είναι οι μπετόβεργες και το τσιμέντο οι «υπεραραιές» εναποθέσεις μοριακού άνθρακα οι οποίες, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, συσσωματώνονται σε μορφή γραφίτη. Τώρα φανταστείτε όλα αυτά, να συμβαίνουν για εβδομάδες επί εβδομάδων, σε θερμοκρασίες «γραφιτοποίησης» και θα καταλάβετε ότι, πέρα από το κόστος των ίδιων των ανθρακονημάτων, θα πρέπει να συνυπολογίσουμε και το ενεργειακό κόστος. Χωρίς να παραβλέψουμε και την απόσβεση του ίδιου του (πανάκριβου) φούρνου ο οποίος «κλείνεται» για μήνες, μέχρι να ολοκληρωθεί η διαδικασία δόμησης κάθε παρτίδας δίσκων

64 Λίγα χρόνια πριν, κάποιοι σκέφτηκαν κάτι πολύ απλό. «Τι θα γινόταν, αν ο γραφίτης μπορούσε να ρευστοποιηθεί και να χυθεί γύρω από τα ανθρακονήματα, εμποτίζοντάς τα, σαν να ήταν πραγματικό τσιμέντο»; Η απάντηση είναι απλή: οι δίσκοι θα ήταν σημαντικά φτηνότεροι, αφού η διαδικασία παραγωγής τους θα ολοκληρωνόταν μέσα σε ελάχιστο χρόνο. Τα μειονεκτήματά τους όμως ως προς τη «θερμοκρασιακή αστάθεια» του συντελεστή τριβής τους θα παρέμεναν άλυτα. Ο γραφίτης θα παρέμενε «γραφίτης» και θα απαιτούσε μια πολύ υψηλή θερμοκρασία προτού αρχίσει να αποδίδει ικανοποιητικά, ως υλικό τριβής. Στο διάστημα αυτό, το φρενάρισμα δεν θα επιβράδυνε το αυτοκίνητο αλλά θα ζέσταινε το γραφίτη μέχρι αυτός να φρενάρει. Ώσπου, κάποιος σκέφτηκε ότι το «αδελφό» στοιχείο του άνθρακα, το πυρίτιο, μπορούσε να ρευστοποιηθεί σε όχι ιδιαίτερα υψηλές θερμοκρασίες. Και πως θα μπορούσε να πάρει τη θέση του γραφίτη, έστω κι αν η θερμική του αντοχή ήταν, σε πρώτη φάση, αρκετά χαμηλότερη. Τα υπόλοιπα θα τα φρόντιζε, από μόνη της, η Χημεία. Η τεχνολογία, άλλωστε, ήταν γνωστή από τα πυραυλικά συστήματα εδώ και χρόνια. Πριν αρχίσουμε να αναλύουμε τη διαδικασία κατασκευής των δίσκων (μέσα από την οποία θα καταλάβουμε καλύτερα και τις διαφορές τους), ας κάνουμε μια σημαντική διευκρίνιση. Μέχρι τώρα, αποκαλούσαμε τους «παραδοσιακούς» δίσκους από ανθρακονήματα ως δίσκους ανθρακονημάτων! (Ή ως δίσκους carbon ) Κι αυτό, ως τώρα, δεν απείχε πολύ από το να είναι σωστό. Το κακό είναι ότι οι δίσκοι για τους οποίους θα συζητήσουμε στη συνέχεια, παρόλο που αποκαλούνται «κεραμικοί», στην ουσία βασίζουν τη δομή τους στο ίδιο πλέγμα ανθρακονημάτων που έχουν και οι δίσκοι από ανθρακονήματα. Για να ξεχωρίζουμε τα πράγματα, από εδώ και μπρος θα αποκαλούμε τους παραδοσιακούς δίσκους ως carbon-carbon και τους κεραμικούς ως carbon-ceramic. O πρώτος όρος σημαίνει δίσκο από γραφίτη, ενισχυμένο από πλέγμα ανθρακονημάτων. Ο δεύτερος, δίσκο από κεραμικό υλικό, ενισχυμένο με το ίδιο ακριβώς, πλέγμα ανθρακονημάτων

65 Μέχρι τώρα, με τον όρο carbon-carbon, οι κατασκευαστές εννοούσαν δίσκο από ανθρακόνημα/γραφίτη σε συνδυασμό με τακάκι από ανθρακόνημα / γραφίτη. Αυτή η σύνθεση υλικού τριβής και δίσκου, έχει πλέον αρχίσει να προβιβάζεται σε carbon carbon - carbon! Παρόμοιο πρόβλημα όμως αντιμετωπίζουν κι οι κεραμικοί δίσκοι, δεδομένου ότι, μέχρι στιγμής, μπορούν να συνεργαστούν τόσο με οργανικά όσο και με κεραμικά τακάκια. Οπότε, με μόνη τη λέξη ceramic, δεν τα έχουμε εννοήσει όλα! Κι αυτό, θα ισχύει μέχρι τη στιγμή που τα κεραμικά θα αποτελέσουν και το αποκλειστικό υλικό για τα τακάκια αυτού του είδους των δίσκων...) 5.4 Κατασκευάζοντας ένα CD ( composite disk) Παίρνουμε ανθρακονήματα σε μέγεθος που να μην ξεπερνά τα λίγα χιλιοστά, αν θέλουμε να φτιάξουμε κεραμικό δίσκο. Τα αφήνουμε κάπως μακρύτερα, αν ο δίσκος που φτιάχνουμε είναι «carbon-carbon». Υπολογίζουμε το βάρος των ανθρακονημάτων που θα χρησιμοποιήσουμε να βρίσκεται περίπου στο 40% του τελικού βάρους που θα έχει ο δίσκος μας μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής του. Με άλλα λόγια, αν ο κάθε μαντεμένιος δίσκος της 911 Turbo ζυγίζει 8 κιλά, ας υπολογίσουμε ότι ο «carbon-carbon» θα ζυγίζει 3-3,5 κιλά και ο κεραμικός 3,5-4 κιλά. Άρα χρειαζόμαστε κάπου ενάμιση κιλό ανθρακονήματα, για έναν τέτοιου μεγέθους δίσκο. Υπολογίζουμε τον τελικό όγκο που θα έχει ο δίσκος μας και βάζουμε σε έναν αναμικτήρα υγρή ρητίνη ίσου όγκου με το 70% του τελικού όγκου που θα έχει ο δίσκος. Η χημική σύστασή της ρητίνης αυτής αποτελεί κάποιο «διαστημικό» μυστικό αλλά είναι παραπλήσια με αυτή που χρησιμοποιούμε για τις θαλάσσιες κατασκευές μας, από «φάιμπερ». Προσθέτουμε στον αναμικτήρα και τα ανθρακονήμτα (τώρα ο συνολικός όγκος του υλικού μας είναι περίπου ίσος με αυτόν του δίσκου) και ανακατεύουμε έντονα. Συνεχίζουμε μέχρι τα ανθρακονήμτα να έχουν εμποτιστεί τελείως από τη ρητίνη και να έχουν ισοκατανεμηθεί πλήρως μέσα στη μάζα της

66 Το πολύ μικρό μήκος των ανθρακονημάτων και ο τυχαίος προσανατολισμός τους μέσα στη μάζα του δίσκου, διασφαλίζουν την «ισοτροπία» στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Κάποιοι θεωρούν ότι μπορούν να πετύχουν ακόμα καλύτερες ιδιότητες με μεγάλου μήκους νήματα, κατάλληλα προσανατολισμένα. Παίρνουμε την «μαύρη λάσπη» που δημιουργήσαμε στον αναδευτήρα και που αποτελείται από ανθρακονήμτα και ρητίνη και την χύνουμε στο καλούπι που έχει το σχήμα του δίσκου. Πρεσάρουμε ώστε να εξαφανιστούν τελείως οι πόροι αέρα και περιμένουμε να ολοκληρωθεί ο πολυμερισμός της ρητίνης. Μόλις το αντικείμενο στερεοποιηθεί, το βγάζουμε από το καλούπι και το ψήνουμε σε ένα φούρνο υψηλής θερμοκρασίας (και σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου) έτσι ώστε η ρητίνη να πυρολυθεί. Και με την έννοια «πυρολυθεί» εννοούμε το σπάσιμο του μορίου της, έτσι ώστε όποια άτομα σε αυτό δεν είναι άνθρακας, να απομακρυνθούν σε αέριο μορφή. Ο άνθρακας ( υπό μορφή «σκληρού εξανθρακώματος»), θα συνεχίσει να καλύπτει τα ανθρακονήματα με τον ίδιο τρόπο που τα κάλυπτε και η ρητίνη πριν από την πυρόλυσή της. Απλώς, το πάχος επικάλυψης θα είναι τώρα μικρότερο, εξαιτίας της «ελλειπούσας» μάζας ρητίνης που έχει διαφύγει, σε αέριο μορφή, κατά τη διάρκεια της πυρόλυσης. Αν βγάλουμε τώρα το αντικείμενο μας από το φούρνο, θα έχουμε στα χέρια μας μια πορώδη, μαύρη «φρυγανιά» με ανύπαρκτη μηχανική αντοχή. Μέχρι το σημείο αυτό, η διαδικασία για την κατασκευή ενός δίσκου «carboncarbon» είναι ολόιδια με αυτή ενός δίσκου «carbon-ceramic». Προκειμένου να μετατρέψουμε τη φρυγανιά σε δίσκο «carbon- carbon» θα πρέπει να «κτίσουμε» το εσωτερικό των πόρων της με γραφίτη με έναν τρόπο που ήδη τον έχουμε περιγράψει. Θα χρησιμοποιήσουμε ένα φούρνο υψηλών θερμοκρασιών (πάνω από 2000 οc) και μέσα του θα τοποθετήσουμε τη «φρυγανιά» σε τέτοια θέση ώστε, για κάποιες εβδομάδες, να περνούν από μέσα της οργανικά αέρια, σαν να ήταν καπνός τσιγάρου που περνάει από το φίλτρο του. Τα αέρια, μόλις θα έρχονται σε επαφή με τη διάπυρη φρυγανιά, θα πυρολύονται και θα εναποθέτουν στα τοιχώματα των

67 πόρων διαδοχικές επικαθίσεις από τον άνθρακα που θα αφήνουν «πίσω τους». Ύστερα από κάποιο διάστημα, οι πόροι θα αρχίσουν, σιγά-σιγά, να φράζουν όπως ακριβώς κι η καμινάδα από την αιθάλη του τζακιού. Μόνο που εδώ δεν έχουμε αιθάλη αλλά «ευγενή» μορφή άνθρακα: το γραφίτη. Και μάλιστα κρυσταλλωμένο έτσι ώστε να διαθέτει εξαιρετικές μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. ( Και όχι μόνο «κρυσταλλωμένο» αλλά και «αγκιστρωμένο χημικά» στα τοιχώματα των πόρων, σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς με αυτά, σαν να ήταν μοριακή προέκτασή τους). Το ζητούμενο αυτής της διαδικασίας, με άλλα λόγια, ήταν να μπορέσουμε να κάνουμε ολόκληρη τη μάζα του δίσκου να αποκτήσει τέτοια χημική συνοχή σαν να ήταν ένας ενιαίος- μεγαλομοριακός- κρύσταλλος γραφίτη Κατασκευάζοντας έναν κεραμικό δισκό Εδώ, τα πράγματα είναι πολύ πιο απλά, από τη στιγμή που έχουμε την ψημένη πορώδη φρυγανιά στα χέρια μας. Το πρώτο πράγμα που έχουμε να κάνουμε είναι να ξαναεμποτίσουμε τη φρυγανιά με ρητίνη και να την ψήσουμε για μιαν ακόμη φορά, έτσι ώστε το πάχος των εξανθρακωμάτων που περιβάλλουν τις ίνες να είναι αισθητά μεγαλύτερο απ ότι στην προηγούμενη περίπτωση. Ύστερα και από αυτό, το δεύτερο ψήσιμο, η φρυγανιά είναι έτοιμη να «πυριτιωθεί». Ο φούρνος που θα χρησιμοποιήσουμε τώρα έχει θερμοκρασία 1700 οc και η φρυγανιά θα χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο απ όπου θα διέλθει το ρευστό πυρίτιο, εν κενό. Στην περίπτωση όμως αυτή, το πυρίτιο δεν πρόκειται να βουλώσει απλώς τους πόρους, μετατρέποντας τη φρυγανιά σε «συμπαγές σώμα». Τα πράγματα, τώρα, είναι πολύ πιο σύνθετα και ενδιαφέροντα. Από τη γυμνασιακή Χημεία ξέρουμε ότι όταν ένα πυρίτιο (Si) συναντήσει ένα άτομο άνθρακα (C ), υπό καθεστώς υψηλών θερμοκρασιών, σχηματίζεται το μόριο του καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Μια κρυσταλλική ένωση εξαιρετικά

68 σκληρή αλλά και εντυπωσιακά ευθερμαγωγή, σε βαθμό που να θυμίζει, ούτε λίγο ούτε πολύ, το ίδιο το διαμάντι. Στο σημείο αυτό είναι εμφανής κι ο λόγος που θέλουμε, εξ αρχής, να έχουμε παχύ στρώμα εξανθρακώματος γύρω από τα ανθρακονήματα. Το ζητούμενο είναι να «αναλωθούν» αυτά τα εξανθρακώματα στη χημική αντίδραση δημιουργίας του καρβιδίου χωρίς το πυρίτιο να μπορέσει να φτάσει μέχρι τα ανθρακονήματα,. Αυτά, πρέπει να μείνουν χημικώς, «ανέγγιχτα» ώστε να διατηρήσουν την αντοχή της δομής του δίσκου στους σημειακούς εφελκυσμούς. Η συνέχεια της χύτευσης του πυριτίου μέσω των πόρων της «φρυγανιάς» είναι απλή. Μόλις οι πόροι γεμίσουν από πυρίτιο και σταματήσει η ροή, ο δίσκος φουρνίζεται σε υψηλή θερμοκρασία ώστε να ολοκληρωθεί η αντίδραση του πυριτίου με τον άνθρακα, στη συνέχεια, παραμένει σε υψηλή θερμοκρασία για κάμποσες ώρες, μέχρι να εξομαλυνθούν τελείως οι μηχανικές τάσεις στο εσωτερικό του. Αν όλη η διαδικασία έχει ξεκινήσει από το πρωί, τότε, μέχρι να έρθει το βράδυ (ή, έστω, το επόμενο πρωί) ο δίσκος είναι έτοιμος να μονταριστεί στο μεταλλικό «αφαλό» του και να χρησιμοποιηθεί. Κάντε τώρα μια σύγκριση με τους χρόνους ( και τα κόστη) που απαιτεί η ολοκλήρωση της κατασκευής ενός «carbon-carbon» δίσκου και θα καταλάβετε ότι εδώ έχουμε να κάνουμε με μια αληθινή επανάσταση. 5.5 Συγκρίσεις Έναν πολύ ανθεκτικότερο δίσκο, φυσικά! Ένα δίσκο με την ίδια περίπου μηχανική αντοχή με τον «carbon- carbon» ( αφού και οι δύο διαθέτουν τον ίδιο, περίπου, αριθμό ανθρακονημάτων) αλλά με πολύ σκληρότερη επιφάνεια, γεγονός που διασφαλίζει ότι ο δίσκος αυτός θα διαρκέσει πολύ περισσότερο. Η ίδια η Porsche εγγυάται πως οι κεραμικοί δίσκοι των αυτοκινήτων της διαρκούν τουλάχιστον χιλιόμετρα, κάτω από φυσιολογικές συνθήκες χρήσης. Κι όλοι καταλαβαίνουμε ότι αυτό που θεωρείται «φυσιολογικό» για μια 911 Turbo (αν ο ιδιοκτήτης της δεν είναι

69 απλός poser) δεν είναι καθόλου φυσιολογικό για τους δίσκους, οποιουδήποτε είδους και αν είναι αυτό. Το μεγάλο μειονέκτημα των δίσκων από μαντέμι ή από «carbon- carbon» είναι η οξείδωσή τους από το οξυγόνο της ατμόσφαιρας όταν η θερμοκρασία τους φτάσει σε υψηλά επίπεδα. Εκεί ακριβώς οφείλεται και η ταχύτατη φθορά τους όταν καταπονούνται κάτω από αγωνιστικές συνθήκες ή σε κάποιο «μπριόζο» παρατεταμένο, βουνίσιο κατέβασμα. Οι μαντεμένιοι δίσκοι, βέβαια, δεν χρειάζεται να ανεβάσουν θερμοκρασίες για να οξειδωθούν. Το καταφέρνουν, μια χαρά, ακόμα και εν στάση, ιδιαίτερα όταν συμπυκνώνεται πάνω τους η υγρασία της ατμόσφαιρας. Και με το δεδομένο ότι είναι ευαίσθητοι και στη χημική διάβρωση, ένα μεγάλο μέρος της μάζας τους μπορεί να χαθεί από το καθημερινό πέρασμα από σημεία όπου ο δρόμος αλατίζεται για να διαλυθεί ο πάγος. ( Αυτός και μόνον ο λόγος, δικαιολογεί την ύπαρξη των δίσκων από ανοξείδωτο ατσάλι, παρά τον αισθητά χαμηλότερο συντελεστή τριβής τους). Οι κεραμικοί δίσκοι δεν αντιμετωπίζουν πρόβλημα οξείδωσης, ακριβώς εξαιτίας της υψηλής χημικής σταθερότητας του καρβιδίου ενώ δεν απορροφούν και υγρασία, με αποτέλεσμα ο συντελεστής τριβής τους να παραμένει αναλλοίωτος, ανεξαρτήτως των εξωτερικών συνθηκών

70 Διάγραμμα Ακτινική κατανομή συντελεστή τριβής (πάνω) και θερμοκρασίας (κάτω) σε οργανικό τακάκι που επιβραδύνει κεραμικό δίσκο. Ο συντελεστής τριβής, στο μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειας του υλικού τριβής, παραμένει περίπου σταθερός με μέγιστη τιμή 0,4, ενώ εξίσου ομαλή είναι και η διακύμανση της θερμοκρασίας, χάρις στην εξαιρετική θερμοαγωγιμότητα του καρβιδίου του πυριτίου. Οι μαντεμένιοι και οι «carbon- carbon» δίσκοι έχουν συντελεστή μεγαλύτερο από 0,5, αλλά και προβλήματα

71 Εικόνα Ο κεραμικός δίσκος των Mercedes AMG με την οκταπίστονη δαγκάνα Εικόνα Ο κεραμικός δίσκος της Porsche με την εξαπίστονη δαγκάνα. Από εδώ ξεκίνησαν όλα. 5.6 Ανταγωνισμός Ποιος είναι ο «εφευρέτης» των κεραμικών δίσκων; Η SGL, η Mercedes ή η Porsche; Και οι τρείς κατασκευαστές δηλώνουν «πρωτοστάτες» στην εξέλιξη των κεραμικών δίσκων αλλά τα πράγματα περιπλέκονται από τη στιγμή που η SGL δηλώνει ότι οι κεραμικοί δίσκοι της συνεξελίχθηκαν από κοινού με την

72 Porsche, παρ όλο που είναι γνωστό πως την τεχνολογία υλικών και διαδικασιών κατασκευής τους, εξελίσσει από κοινού με τη Mercedes. Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή, πηγαίνοντας πέντε χρόνια πίσω, όταν η Porsche προβληματιζόταν για το πώς θα μπορούσε να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα των ακτινικών αεραγωγών στους composite δίσκους από ανθρακονήματα. Μέχρι και την εμφάνιση των αξονικών ανεμιστήρων στους δίσκους της Ferrari F2001, όλη η ικανότητα των αεριζόμενων δίσκων να απάγουν τη θερμότητά τους βασιζόταν στην παροχή αέρα μέσα από τα ακτινικά κανάλια εξαερισμού. Μια παροχή αέρα η οποία εξαρτιόταν, για κάθε αριθμό στροφών του τροχού, Εικόνα Carbon - Carbon - Carbon στην ικανότητα του δισκόφρενου να λειτουργήσει σαν φυγοκεντρική αντλία, δημιουργώντας ικανή υποπίεση στις εισόδους των καναλιών που 6ρίοκονται στην εσωτερική διάμετρό του. Βέβαια, δεν αρκεί μόνον η επίτευξη ικανής παροχής αέρα στο εσωτερικό του δίσκου για να ψυχθεί αυτός αποτελεσματικά - χρειάζεται και η σωστή σχεδίαση των εσωτερικών επιφανειών ώστε να βελτιστοποιηθεί η επαφή τους με τη ροή του αέρα. Για να γίνουν όμως όλα αυτά τα πράγματα σωστά, απαιτούνται ειδικά καλούπια και «καρδιές», χωρίς, και πάλι, να διασφαλίζεται το ποθητό αποτέλεσμα. Την οριστική λύση για τη διαμόρφωση «αεροδυναμικά τέλειων» καναλιών μέσα σε δίσκους την έδωσε ο μηχανικός Roland Martin με μια εξαιρετικά απλή όσο και ιδιοφυή ιδέα την οποία η Porsche φρόντισε να πατεντάρει τον Απρίλιο του 1998, χωρίς να γνωρίζει ότι αν καθυστερούσε λίγους μήνες ακόμα, η ίδια ιδέα θα είχε κατοχυρωθεί, συμπτωματικά, στο Πανεπιστήμιο

73 της Στουτγάρδης! Την ιδέα του Martin την είχε περιλάβει το πανεπιστήμιο - ως «δευτερεύουσα αξίωση» - σε μια αίτηση για πατέντα που κατέθεσε για λογαριασμό μίας εταιρίας composite κατασκευών. Το κύριο όμως θέμα της πανεπιστημιακής αυτής ευρεσιτεχνίας ήταν παντελώς άσχετο με τη δουλειά του Martin: επρόκειτο για μιαν ειδική διάταξη ινών σε δίσκο από ανθρακονήματα, που, εν αγνοία του πανεπιστημίου, είχε ήδη κατοχυρωθεί ως πνευματική ιδιοκτησία της γαλλικής εταιρίας Le Carbon Lorraine, οκτώ χρόνια νωρίτερα. Τι ήταν όμως αυτό που σκέφτηκε ο Roland Martin και το οποίο απετέλεσε το «σήμα κατατεθέν» των δίσκων της Porsche; Την απάντηση μπορείτε να τη δείτε στα συνοδευτικά διαγράμματα 5.2 και 5.3. Όπως βλέπετε, ο Martin σκέφτηκε ότι ο ευκολότερος τρόπος για να αποκτήσουν «τέλειο σχήμα» τα αεροδυναμικά κανάλια στο εσωτερικό ενός δίσκου είναι να κατασκευαστούν δύο δίσκοι, συμμετρικοί ο ένας προς τον άλλο, που όταν κολληθούν «ράχη με ράχη» να δημιουργήσουν ένα δίσκο με τέλεια «γράμμωση» στο εσωτερικό του! Το μεγάλο κέρδος από την ιδέα του Martin, πέρα από τα αεροδυναμικά της οφέλη, είναι η απλοποίηση του τρόπου κατασκευής των δίσκων και η μείωση του κόστους τους. Τα δύο «μισά», από τη στιγμή που θα βγουν από το καλούπι τους, δεν χρειάζονται την παραμικρή μηχανουργική επεξεργασία το μόνο που μένει να γίνει είναι επάλειψη των προς συγκόλληση επιφανειών με ρευστό κεραμικό, φούρνισμα και τέλος! Και κάπως έτσι, με την απλή αυτή ιδέα, η Porsche θα μπορεί, για τα επόμενα 15 χρόνια, να έχει το πάνω χέρι στην παραγωγή αεριζόμενων κεραμικών δίσκων. Αλλά και να εισπράττει δικαιώματα από όλους όσους θα ήθελαν να κατασκευάσουν δίσκους «αεροδυναμικά ποιοτικούς». Τι σημασία έχει αν όλοι οι άλλοι παιδεύονταν με την εξέλιξη υλικών και τεχνολογιών, με τα οποία η Porsche δεν έχει την παραμικρή ανάμιξη; Η καλύτερη ιδέα ήταν, τελικά, η δική της!

74 Συμπεράσματα Το μεγάλο πλεονέκτημα των κεραμικών δίσκων είναι ο σταθερός συντελεστής τριβής τους σε ένα τεράστιο εύρος θερμοκρασιών. Δεν χρειάζονται χρόνο για να ανεβάσουν θερμοκρασία, στο πρώτο πάτημα του πεντάλ, όσο ελαφρό κι αν είναι αυτό. Κατά συνέπεια, μπορούν να συνεργαστούν τόσο με ένα σύστημα ABS όσο και με ένα σύστημα ελέχγου τoυ yaw, μέσω των φρένων. Διάγραμμα Εναλλακτικοί τρόποι διαμόρφωσης των εσωτερικών καναλιών στο δίσκο της Porsche. Τα πτερύγια της ομάδας 7 έχουν επίπεδη κορυφή, παράλληλη προς τις επιφάνειες τριβής. Συγκολλούνται με τα απέναντι πτερύγια της ομάδας 8 ώστε να δημιουργηθούν νεύρα τα οποία δεν θα επιτρέψουν την αξονική συμπίεση του δίσκου όταν αυτός «πατηθεί» από τα τακάκια, κατά το φρενάρισμα. Τα πτερύγια της ομάδας 5 συνδυάζονται με τα πτερύγια της ομάδας 6 και «κουμπώνουν» έτσι ώστε να αποτρέπουν τη σχετική συστροφή των δύο ημι- δίσκων, μεταξύ τους. Τέλος, τα

75 πτερύγια της ομάδας 11 δεν μεταφέρουν φορτίο. Απλώς αυξάνουν την επιφάνεια απαγωγής της θερμότητας στο εσωτερικό των καναλιών. Διάγραμμα Η πατέντα του Roland Martin σε δύο «μισούς δίσκους» οι οποίοι, όταν συγκολληθούν μεταξύ τους, σχηματίζουν μια εσωτερική δομή καναλιών με εξαιρετική αεροδυναμική συμπεριφορά. Από την άλλη, μπορούν να συνεχίσουν να απoδίδουν ικανοποιητικά ακόμα κι αν η θερμοκρασία τoυς φτάσει σε πoλύ μεγάλα ύψη. Και τo καλό με αυτoύς τους δίσκους είναι ότι η θερμοκρασία επιφάνειας αργεί πολύ να ανέβει καθώς τα «ευθερμαγωγό» υλικά από τα οποία αποτελείται (καρβίδιο και νήματα γραφίτη) μεταφέρουν τα θερμικά φορτία σε ολόκληρη τη μάζα του δίσκου, με ταχύτατο ρυθμό. Εξού και η προσπάθεια της Porsche, όπως εξηγήσαμε να δημιουργήσει όσο γίνεται τελειότερα «κανάλια εξαερισμού» στο εσωτερικό των δίσκων της, εν