Brzdy a brzdový systém automobilu

Brzdová sústava je najdôležitejšou časťou vozidla z hľadiska aktívnej bezpečnosti. Zabezpečuje jednak jeho spomalenie a tiež zaisťuje vozidlo proti samovoľnému pohybu. Brzdové sústavy v drvivej väčšine pracujú na princípe zväčšovania odporu trenia. Pri brzdení vozidla sa znižuje pohybová energia, ktorá sa mení na teplo. Že sa nejedná o malé množstvo energie dokazuje aj nasledovný výpočet.

Zoberme si dnes priemerne vážiace auto o hmotnosti 1300 kg, ktoré potrebujeme zastaviť z rýchlosti 90 km/h (25 m/s). Pohybovú – kinetickú energiu takéhoto vozidla môžme vyjadriť zo vzťahu:

E=0,5 mv²=0,5*1300*25² = 406 250 J

Takže pri spomaľovaní až po úplné zastavenie (pri zanedbaní účinkov odporov vozidla pri jazde), sa premení vypočítané množstvo energie na teplo a unikne bez úžitku do okolitého prostredia. Len pre laické porovnanie, takéto množstvo energie spotrebujeme na dosiahnutie bodu varu takmer litra vody.

Prevádzková brzdová sústava

Slúži na spomalenie rýchlosti vozidla, respektíve na jeho úplne zastavenie. Prevádzkové brzdy ovláda iba noha (pravá) vodiča, ich účinok musí byť odstupňovaný (regulovateľný), musí pôsobiť optimálnym účinkom na všetky kolesá a pri brzdení sa nesmie vozidlo vychýliť z priameho smeru.

Prevádzkové brzdy možno deliť podľa konštrukcie na kotúčové a bubnové. Od používania bubnových bŕzd sa v poslednej dobe upúšťa a na prednej náprave sa už pri novo predávaných vozidlách nevyskytujú. Na zadnej náprave sú prítomné iba v prípade ľahkých, malých a lacných  vozidiel. Dôvody budú popísané ďalej v texte.

Núdzová brzdová sústava

Ako už názov napovedá, plní úlohy pri poruche prevádzkových bŕzd a musí pôsobiť aspoň na jedno koleso z každej strany vozidla. Núdzová brzdová sústava býva zvyčajne neporušený okruh dvojokruhového brzdového systému alebo to môže byť brzda parkovacia.

Parkovacia brzdová sústava

Slúži na zaistenie stojaceho vozidla proti neželanému pohybu (ručná brzda).

Jednookruhový a dvojokruhový brzdový systém

V dnešnej dobe sa jednookruhový systém už nepoužíva. Používajú sa výhradne dvoj alebo viac okruhový brzdový systém, čím sa výrazne eliminuje riziko úplného zlyhania brzdného účinku v prípade poruchy jedného brzdového okruhu. Dvojokruhové brzdné systémy možno potom rozdeliť podľa zapojenia okruhov na:

• bežné (jeden okruh predné, druhý zadné brzdy),
• bežné zdvojené (jeden okruh predné a zadné, druhý len predné),
• diagonálne (napr. zo strany na stranu ľavé predné a pravé zadné a pravé predné a ľavé zadné koleso).

Dvojokruhový brzdový systém.

Pojmy používané pri brzdovom systéme

• Brzdná sila [N] – sila pôsobiaca proti smeru pohybu vozidla, dosahujúca najväčšej účinnosti na hranici adhézie kolesa s povrchom vozovky.
• Ovládacia sila brzdy [N] – sila vynakladaná na brzdenie buď vodičom, alebo iným ovládacím mechanizmom.
• Brzdiaca sila [N] – sila, ktorá vzniká priamo v brzde, účinkom ovládacej sily a prostredníctvom prevodu brzdy vyvoláva spomaľujúcu silu na brzdových komponentoch.
• Čas brzdenia [s] – čas, ktorý uplynie od okamihu, keď vodič začne pôsobiť na brzdu vozidla až do okamihu, kedy prestane brzdiť alebo keď sa vozidlo úplne zastaví.
• Dráha brzdenia [m] – dráha prejdená vozidlom v čase brzdenia.
• Čas (dráha) oneskorenia brzdy – meria sa od okamihu, keď vodič začne pôsobiť na brzdu, až do okamihu, keď sa účinok brzdy začne prejavovať samotným brzdením vozidla.
• Čas (dráha) nábehu brzdenia – meria sa od okamihu, keď sa účinok bŕzd začne prejavovať, až do okamihu, keď dosiahne svojej plnej výšky.
• Účinná doba brzdenia – čas alebo dráha, odkedy sa účinok brzdy začne prejavovať reálnym brzdením, trvajúca až do okamihu, keď vodič prestane brzdiť alebo keď vozidlo zastaví.
• Brzdné spomalenie [ms-2] – klesanie rýchlosti vozidla za 1 s, spôsobené účinkom brzdového systému.
• Brzdná dráha [m] – celková dráha brzdenia.
• Brzdný sklon [°] – sklon svahu, na ktorom možno vozidlo brzdou udržať v pokoji, je tiež meradlom efektívnosti parkovacej brzdy.
• Brzdový výkon [W] – súčin brzdnej sily [N] a rýchlosti vozidla [ms-1].
• Slabnutie brzdného účinku – zmenšenie brzdného účinku z dôvodu nadmerného prehriatia brzdných komponentov vplyvom extrémov (vysoká rýchlosť, jazda z kopca) alebo častého brzdenia.
• Adhézna sila – najväčšia sila, ktorú možno preniesť pri kontakte kolesa s vozovkou. Ak prekročí brzdná sila veľkosť adhéznej sily, koleso sa prestane otáčať, zablokuje sa a začne sa šmýkať. Takto zablokované koleso je schopné prenášať menšiu brzdiaci silu a zároveň stráca svoju vodiacu funkciu.

Brzdová kvapalina

Je základným prvkom pre prenos sily medzi hlavným brzdovým valcom a brzdovými valcami (piestikmi) na kolesách. Nachádza sa v hydraulickom brzdovom obvode, pričom je veľmi dôležité aby bola chemicky neutrálna, nepôsobila korozívne na kovové časti brzdového systému a chemicky agresívne na gumové tesnenia. Väčšina brzdových kvapalín je vyrobená na báze alkoholových zlúčenín. Najčastejšie je to glykol a glykoléterové zmesi so špeciálnymi prísadami. Ich nevýhodou je, že absorbujú vzdušnú vlhkosť, sú toxické a taktiež pri kontakte s lakovaným povrchom môže dôjsť k jeho poškodeniu. Pohlcovanie vody a následné zníženie bodu varu je hlavný dôvod, prečo je životnosť kvapaliny obmedzená, najčastejšie na 2 až 4 roky. Podľa výrobcu je potom nutné ju kompletne vymeniť. Absorbovaná vlhkosť má totiž nežiaduci vplyv na vlastnosti kvapaliny, pretože sa v nej môžu vytvoriť bublinky vodných pár, a to už pri pomerne nízkej teplote sa môže prejaviť výrazným znížením účinku bŕzd. Brzdová kvapalina, ktorá obsahuje len 3,5% vody, má bod varu výrazne znížený na cca 140 °C až 160 °C.

Požiadavky na brzdovú kvapalinu sú podrobne stanovené v amerických predpisoch DOT 3, DOT 4 a DOT 5:

• Minimálna stlačiteľnosť.
• Vysoký bod varu (napr. 260 °C).
• Fyzikálna stálosť pri vysokej teplote a nízky bod tuhnutia (-60 °C).
• Dlhá životnosť.
• Minimálna a konštantná viskozita.
• Miešateľnosť s ostatnými brzdovými kvapalinami.

Brzdové platničky a brzdové čeľuste

Brzdové platničky a čeľuste sú časti brzdového systému, pomocou ktorých sa vytvára tlak na brzdový kotúč (bubon), čo následne vedie k zabrzdeniu vozidla. Jedná sa o dve vzájomne spojené časti kovu a trecieho materiálu. Pri kotúčových brzdách je to podporná kovová platnička a prilepený trecí segment, pri bubnových brzdách je trecí segment prinitovaný alebo nalepený na kovové čeľuste.

Na trecie segmenty sú kladené nasledujúce požiadavky:

• Vysoká životnosť.
• Veľká tepelná a mechanická pevnosť.
• Stály súčiniteľ trenia aj pri vysokých teplotách, minimalizácia slabnúceho účinku bŕzd – fadingu pri opakovanom a dlhotrvajúcom brzdení.
• Minimálna citlivosť voči vode a nečistotám.
• Odolnosť proti vytváraniu sklovitej povrchovej vrstvičky pri vysokom tepelnom zaťažení.

Na výrobu trecích segmentov sa najčastejšie používajú minerálne, kovové alebo keramické organické materiály v práškovom alebo vláknitom vyhotovení, ktoré sú viazané organickými spojivami (syntetické živice, kaučuk – bubnové) alebo (sklenené, kovové alebo uhlíkové vlákna – kotúčové brzdy). Pri brzdení sa môže v kritických situáciách dosiahnuť teplota až 700 °C pri osobných autách, Formula 1 môže pri brzdení dosiahnuť teplotu až 1 200 °C. Brzdové segmenty osobných vozidiel disponujú súčiniteľom trenia väčším ako 0,4 a sú odolné do teploty približne 800 °C. Životnosť brzdových (trecích) segmentov závisí od typu vozidla, od jeho používania a od kvality povrchu vozoviek, po ktorých sa pohybuje. Počas brzdenia sa zvyšuje záťaž na prednej osi, pričom na zadnej osi sa znižuje. Logicky tým dochádza k väčšiemu opotrebovaniu predných brzdových platničiek a kotúčov než zadných.

Brzdové platničky

Bubnové brzdy

Ako už bolo spomenuté, oproti kotúčovým brzdám sú vo výraznej početnej menšine a pomaly miznú už aj so segmentu malých vozidiel. Pri osobných vozidlách sa používajú trecie bubnové brzdy s vnútornými bubnovými čeľusťami.

Výhody a nevýhody bubnových bŕzd

• Takmer celá brzda je umiestnená vo vnútri bubna a je chránená proti nečistotám.
• Veľmi jednoduché prispôsobenie pre funkciu parkovacej brzdy.
• Pomerne veľká životnosť brzdového obloženia.
• Oproti kotúčovej brzde vzhľadom na veľkosť menšia výkonnosť.
• Pokiaľ sú vystavené dlhodobému zahrievaniu, napr. vplyvom dlhodobého brzdenia, nastáva pokles brzdného účinku tzv. fading.
• Pokiaľ zahriatie presiahne určitú úroveň, môže dôjsť až k deformácii brzdového bubna.

Konštrukcia a princíp fungovania bubnových bŕzd

Brzdový bubon (2) je pomocou skrutiek pevne pripevnený ku kolesu vozidla a spolu sa otáčajú. Brzdové čelusti spolu s ostatnými časťami vytvárajúcimi prítlačnú silu sú prichytené  na štíte brzdy (1). Štít je pevne pripevnený k náprave vozidla a neotáča sa. Brzdové čeľuste (3) sú pritláčané rozperným ústrojenstvom na vnútornú plochu brzdového bubna a vzniknuté trenie vytvára potrebnú brzdnú silu. Požadovaná prítlačná (rozperná) sila môže byť vytvorená pomocou hydraulického brzdového valčeka (5) pre prevádzkovú brzdu alebo mechanicky rozpernú páku (6) pre parkovaciu brzdu. Aby nebol neúčinný zdvih pedála príliš veľký, je potreba vymedziť vôľu medzi čeľusťami a bubnom. U staršieho prevedenia sa vôľa určovala excentrickou skrutkou. Toto veľmi nepohodlné riešenie bolo postupne nahradené tzv. samostavom,teda zariadením, ktoré automaticky vymedzuje vôľu medzi čeľusťami a bubnom. Samostav funguje na princípe obmedzenej zvratnosti čeľuste.

Brzdový bubon je najčastejšie vyrobený zo šedej alebo temperovanej liatiny, zriedkavejšie sa používa oceľoliatina alebo zliatiny ľahkých kovov. Trecie plochy sa upravujú jemným sústružením, prípadne brúsením. Brzdový bubon musí mať vysokú odolnosť proti oteru, stálosť tvaru, rozmerov a dobrú tepelnú vodivosť materiálu z ktorého je vyrobený. Brzdový bubon nesmie tiež radiálne ani axiálne kmitať a nesmú v ňom vznikať vibrácie.

Kotúčové brzdy

Výhody a nevýhody kotúčových bŕzd

• Z konštrukčného hľadiska sú jednoduchšie, presnejšie, výkonnejšie a spoľahlivejšie.
• Pri dlhodobom brzdení dochádza iba k veľmi malej zmene súčiniteľu trenia.
• Vplyvom odstredivých síl vzniká samočistiaci účinok od prachových častí a nečistôt.
• Napriek rýchlejšiemu opotrebeniu trecích segmentov je výmena pomerne jednoduchá.
• Kvôli priamemu a teda blízkemu pôsobeniu piestikov na trecie segmenty, vzniká riziko vytvárania parných bublín v brzdovej kvapaline z dôvodu nadmerného prestupu tepla.
• Oproti bubnovej brzde je zložitejšia konštrukcia pre súčasnú funkciu prevádzkovej aj parkovacej brzdy.

Konštrukcia a princíp fungovania kotúčových bŕzd

Prvé kotúčové brzdy boli s tzv. pevným strmeňom, ktorý sa neskôr zjednodušil na prevedenie s jedným piestom – tzv. plávajúcim strmeňom.

V prípade kotúčovej brzdy s pevným strmeňom sú na oboch stranách strmeňa (4) umiestnené valčeky, v ktorých sa pohybujú piesty (2). Pri brzdení pritláčajú piestikmi brzdové platničky (1) z oboch strán na brzdový kotúč (3), pričom teleso strmeňa je nepohyblivé. V prípade kotúčových bŕzd s plávajúcim strmeňom je strmeň (4) umiestnený posuvne v pevnom držiaku (5). Piestik (2) tlačí brzdovú platničku (1) ku brzdovému kotúču a na druhej strane reakčná sila posúva strmeň (4), ktorý pritlačí druhú brzdovú platničku na kotúč na opačnej strane.

V prípade náročnejších podmienok využívania automobilov (športové), sa používajú dvoj alebo štvor piestikové prevedenia kotúčových bŕzd.

Brzdový kotúč býva najčastejšie vyrobený z temperovanej liatiny alebo oceľoliatiny, ktorá obsahuje legujúce prvky z dôvodu odolnosti pred vysokým tepelným a mechanickým namáhaním a vo väčšine prípadov má tvar taniera. Kotúč môže byť jednoduchej konštrukcie alebo dutej konštrukcie – kotúče s vnútorným chladením prúdiacim vzduchom. Pri tomto type kotúču vzniká tzv. ventilačný efekt, ktorý je spôsobený radiálne usporiadanými vzduchovými kanálmi v brzdovom kotúči. Pri športovo zameraných vozidlách sa môžeme stretnúť aj s kotúčami, ktoré majú ešte vyvŕtané kruhové otvory pre dosiahnutie nízkeho ohrevu pri brzdení a rýchleho ochladenia po brzdení. Tiež sa vyskytujú kotúče, ktoré majú na trecej ploche vytvorené drážky presne definovanej hĺbky. Tieto drážky umožňujú vizuálnu kontrolu opotrebenia kotúča, ale tiež zlepšujú jeho samočistiacu schopnosť a urýchľujú zabehnutie brzdových platničiek.

Hlavný brzdový valec a posilňovač brzdného účinku

Hlavnou úlohou brzdového valca je:

• rýchle vytvorenie požadovaného tlaku v každom brzdovom okruhu,
• v prípade potreby dovoliť zmenu objemu kvapaliny v závislosti na zmene teploty,
• schopnosť rýchleho zníženia tlaku v systéme (koniec brzdného účinku), pri rýchlom uvoľnení brzdového pedálu.

Hlavný brzdový valec býva najčastejšie skonštruovaný ako tandemový, to znamená, že v telese valca sa nachádzajú dva oddelené piesty za sebou.

1 – obal brzdného valca, 2 – tlačný piest primárny, 3 – tesniaca manžeta, 4 – doplňovací priestor 1. okruhu, 5 – ventilová podložka, 6 – čelná tesniaca manžeta, 7 – pracovný priestor prvého okruhu, 8 – čap, 9 – plávajúci piest sekundárny, 10 – doplňovací priestor 2. okruhu, 11 – pracovný priestor druhého okruhu, 12 – vyrovnávací otvor, 13 – doplňovací otvor, 14 – miska.

Brzdný účinok ovládame pomocou brzdného pedálu. Pedálom sa mechanicky prenáša sila spôsobená prítlakom vodičovej nohy na hlavný brzdový valec. Pedál väčšinou funguje aj ako páka. Medzi pedálom a brzdovým valcom sa nachádza dnes už takmer vždy ďalší prvok brzdového systému, a to posilňovač brzdného účinku. Pri osobných vozidlách sa takmer výhradne používa podtlakový posilňovač. Posilňovač musí byť skonštruovaný tak, aby v prípade jeho poruchy zostala brzdová sústava v činnosti a pritom ovládacia sila na brzdový pedál nepresiahla hodnotu 800 N.

Ako už z názvy vyplýva, funguje posilňovač na princípe podtlaku. S piestom valca je spojené tiahlo prechádzajúce stredom posilňovača, ktorým je ovládaný prepúšťací ventil. Ten pohybom púšťa do druhej časti posilňovača atmosférický tlak. Na membránu posilňovača tak začne pôsobiť z jednej strany podtlak desiatok kilopascalov a z druhej strany atmosférický tlak. Membrána posilňovača tak svojim pohybom posilňuje ľudskú silu vyvinutú na brzdový pedál. Tlak posilňovača nabieha postupne, tak aby bolo možné plynule ovládať brzdy. Podtlak je získavaný zo sacieho potrubia motora. Posilňovač funguje len pri bežiacom motore a krátko po jeho vypnutí 1-3 zošliapnutia brzdového pedála. Ak je posilňovač nefunkčný, prejaví sa to potrebou oveľa väčšej ovládacej sily na brzdový pedál.

Na čo si dať pozor pri funkčnosti brzdového systému?

• Citeľné vibrácie v brzdovom pedáli pri jeho zošliapnutí.
• Zošliapnutie pedálu je príliš tvrdé, elastické, mäkké, dlhšie ako obvykle.
• Vozidlo je pri brzdení nestabilné, vyskytujú sa vibrácie volantu alebo vychýlenie zo smeru.
• Veľké oneskorenie brzdného účinku na zošliapnutie pedálu.
• Samotné brzdenie je prudké, trhavé, či hlučné.
• Brzdná dráha je dlhšia ako obvykle.

Keďže brzdy sú pre bezpečnosť vozidla mimoriadne dôležité, netreba podceňovať ani jeden zo spomínaných faktorov a v prípade akéhokoľvek prejavu, je potreba okamžite vykonať kontrolu- opravu alebo obrátiť sa na odborný servis.