Τα φρένα του μέλλοντος: Το σύστημα πέδησης του μέλλοντος

Μέρος 2. Το σύστημα πέδησης των αυτοκινήτων του μέλλοντος

Μετά την ανάλυση της μεταμόρφωσης των αυτοκινήτων κατά τη διάρκεια της εξέλιξής τους στο πρώτο μέρος του άρθρου «Τα φρένα του μέλλοντος», θα επιχειρήσουμε να κατανοήσουμε πώς θα είναι το σύστημα πέδησης του μέλλοντος, δεδομένων των τρεχουσών τάσεων, όπως η περιβαλλοντική βιωσιμότητα και η εμφάνιση της αυτόνομης οδήγησης.

Περιβαλλοντική βιωσιμότητα και το σύστημα πέδησης: τι θα γίνει στο μέλλον;

Ας ξεκινήσουμε με την περιβαλλοντική βιωσιμότητα, και συγκεκριμένα με τη δυσκολότερη πρόκληση, τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Για να μειωθεί η ποσότητα CO2 που ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, πρέπει να μειώσουμε την κατανάλωση. Εκτός από τον τύπο κινητήρα που χρησιμοποιείται, τα επίπεδα κατανάλωσης εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το βάρος του οχήματος και, για αυτόν τον λόγο, το σύστημα πέδησης πρέπει να τροποποιηθεί ώστε να μειωθεί το βάρος.

Πώς μειώνεται το βάρος του συστήματος πέδησης

Οι τεχνολογίες που θα λάβουμε υπόψη μας εδώ για τη μείωση του βάρους του συστήματος πέδησης του αυτοκινήτου είναι οι δισκόπλακες φρένων, τα τακάκια φρένων και οι δαγκάνες.

Τεχνολογίες δισκόπλακων φρένων

Ας ξεκινήσουμε με τις δισκόπλακες φρένων, αναλύοντας τις βασικές τεχνολογίες, μερικές από τις οποίες κυκλοφορούν ήδη στην αγορά, ενώ άλλες θα διατεθούν στο άμεσο μέλλον:

δισκόπλακες από σύνθετο υλικό: χυτοσίδηρος και αλουμίνιο (BMW)

επιφάνεια πέδησης από χυτοσίδηρο και μουαγιέ από αλουμίνιο, μηχανικά ενωμένα με χαλύβδινους πείρους: αυτή η λύση μειώνει το βάρος κατά 15% περίπου σε σύγκριση με τη συμπαγή δισκόπλακα φρένου από χυτοσίδηρο.

δισκόπλακες από σύνθετο υλικό: χυτοσίδηρος και χάλυβας (MB)

από το 2014, η Mercedes προσφέρει στα μοντέλα high-end δισκόπλακα φρένου με επιφάνεια πέδησης από χυτοσίδηρο που προσαρμόζεται σφιχτά σε χαλύβδινο μουαγιέ. Η λύση, η οποία κατασκευάζεται από την Brembo ως εξοπλισμός πρώτης τοποθέτησης της Mercedes, μειώνει το βάρος κατά περίπου 15%.

Δισκόπλακες από σύνθετο υλικό: χυτοσίδηρος και χάλυβας (MB Aftermarket)

Σε αυτήν τη λύση από την Brembo, η επιφάνεια πέδησης από χυτοσίδηρο ενώνεται σε ένα χαλύβδινο μουαγιέ μέσω σύνθετης χύτευσης των δύο υλικών, το οποίο μειώνει το βάρος κατά 15% ενώ διατηρεί την απόδοση και το στυλ.

Δισκόπλακες από οικολογικό χυτό υλικό: χυτοσίδηρος και αλουμίνιο

Πρόκειται για μια λύση της Brembo που δεν έχει κυκλοφορήσει ακόμη στην αγορά, η οποία περιλαμβάνει δισκόπλακες από σύνθετο υλικό (χυτοσίδηρος για την επιφάνεια πέδησης και αλουμίνιο για το μουαγιέ) ενωμένες μέσω σύνθετης χύτευσης.

Δισκόπλακες dual-cast από χυτοσίδηρο και αλουμίνιο (πρώτης και δεύτερης γενιάς)

Κατάλληλες για αγωνιστικά μοντέλα και μοντέλα σπορ, οι δισκόπλακες πρώτης γενιάς αποτελούνται από δύο μέρη, την επιφάνεια πέδησης από χυτοσίδηρο και το μουαγιέ από αλουμίνιο, τα οποία ενώνονται μεταξύ τους μέσω σύνθετης χύτευσης, με μειωμένο βάρος κατά περίπου 20% και μεγαλύτερη ελαστικότητα του συστήματος, για μείωση του κινδύνου παραμόρφωσης μεταξύ της επιφάνειας πέδησης και του μουαγιέ.

Οι δισκόπλακες δεύτερης γενιάς χρησιμοποιούν διαφορετική θέση για τους πείρους που συνδέουν την επιφάνεια πέδησης στο μουαγιέ, η οποία βελτιώνει τον εξαερισμό της δισκόπλακας και αυξάνει την ικανότητα διάχυσης της θερμότητας και αντοχής στις θερμικές ρωγμές.

Πλευστές δισκόπλακες με μηχανική σύνδεση

Δισκόπλακες από χυτοσίδηρο με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα συνδεδεμένες σε μουαγιέ αλουμινίου με τη χρήση ελαστικών κουζινέτων που εγγυώνται καλή ελαστικότητα του συστήματος και αποτρέπουν τις παραμορφώσεις και τις ανεπιθύμητες δονήσεις.

Δισκόπλακες από σύνθετο υλικό: χάλυβας και ανοξείδωτος χάλυβας

Δισκόπλακες με χαλύβδινο μουαγιέ, μηχανικά συνδεδεμένες σε επιφάνεια πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα. Χάρη στη χρήση του χάλυβα, το πάχος τόσο της επιφάνειας πέδησης (8 mm το μέγ.) όσο και του μουαγιέ (2,5 mm) μπορεί να μειωθεί. Η επιφάνεια πέδησης μπορεί να αντέξει άνετα θερμοκρασίες έως 600°. Η μείωση βάρους είναι περίπου 30% σε σύγκριση με τις δισκόπλακες από χυτοσίδηρο, ωστόσο η αντοχή τόσο των δισκόπλακων όσο και των τακακιών είναι αυξημένη. Το μουαγιέ από φύλλα χάλυβα κατασκευάζεται με βαθιά εξέλαση, σε αντίθεση με τις οπές και τις εγκοπές που κατασκευάζονται με διάτρηση. Η επιφάνεια πέδησης κατασκευάζεται από ανοξείδωτο χάλυβα με ψυχρή διάτρηση. Στη συνέχεια, τα δύο εξαρτήματα συναρμολογούνται και η επιφάνεια στήριξης υποβάλλεται σε τελική διαδικασία λείανσης ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτούμενες τιμές ανοχής.

Συμπαγείς δισκόπλακες αλουμινίου

Αυτές οι δισκόπλακες παρουσιάζουν ορισμένες δυσκολίες λόγω των κρίσιμων χαρακτηριστικών που έχει το υλικό σε θερμοκρασίες άνω των 400°, ενώ προβλέπεται η χρήση ειδικών τακακιών φρένων. Η χρήση αλουμινίου καθιστά δυνατή τη μείωση του βάρους κατά περίπου 40% σε σύγκριση με μια παρόμοια δισκόπλακα από χυτοσίδηρο.

Δισκόπλακες carbon ceramic

Πλευστές δισκόπλακες που χρησιμοποιούν το υλικό carbon ceramic για την επιφάνεια πέδησης, με μείωση του βάρους έως 50% σε σύγκριση με τις δισκόπλακες από χυτοσίδηρο. Αυτή η τεχνολογία προσφέρει επίσης άλλα πλεονεκτήματα: απουσία θερμικής παραμόρφωσης, υψηλός και σταθερός συντελεστής τριβής και ανώτερη αντοχή (άνω των 200.000 χλμ.).

Πίνακας 1 - Μείωση βάρους δισκόφρενων

Στο γράφημα 1 συνοψίζονται οι λύσεις που εφαρμόστηκαν με την πάροδο του χρόνου για μείωση του βάρους της δισκόπλακας, οι οποίες αναφέρθηκαν παραπάνω. Από την αρχική τους χρήση στα supercar και στα αυτοκίνητα σπορ, αυτές οι λύσεις εφαρμόστηκαν σταδιακά στα κοινά αυτοκίνητα, τα οποία καταλαμβάνουν σημαντικότερο μερίδιο της αγοράς, και αυτή η τάση είναι πιθανό να συνεχιστεί στο άμεσο μέλλον.

Τεχνολογίες τακακιών φρένων: Έργο Lybra

Το έργο Lybra περιλαμβάνει τη χρήση αποστάτη από ίνες υάλου για τα τακάκια φρένων, αντί του κανονικού μεταλλικού αποστάτη. Συνεπώς, το καλούπι αυτού του αποστάτη δημιουργείται σε συνδυασμό με το υλικό τριβής σε μια διαδικασία κατασκευής που διαφέρει σημαντικά από αυτήν που χρησιμοποιείται επί του παρόντος για την κατασκευή των τακακιών φρένων, με τα παρακάτω πλεονεκτήματα:

μειωμένο βάρος τακακιού κατά περίπου 30%
μειωμένη θερμική αγωγιμότητα
εξάλειψη προβλημάτων διάβρωσης.

Αυτή η λύση είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για χρήση στους πίσω άξονες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, στα οποία η αναγεννητική πέδηση οδηγεί σε μειωμένη χρήση της δισκόπλακας, χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας και μικρότερη φθορά.

Τεχνολογίες δαγκάνας: ημισυμπαγής διαμόρφωση μετάλλου

Η ημισυμπαγής διαμόρφωση μετάλλου είναι μια διαδικασία που καθιστά δυνατή την κατασκευή δαγκάνας φρένου αλουμινίου από δευτερογενές αλουμίνιο (που προέρχεται από ανακυκλωμένο αλουμίνιο) και όχι από πρωτογενές αλουμίνιο (καθαρό αλουμίνιο που προέρχεται από την εξόρυξη βωξίτη, κραματοποιημένο με άλλο υλικό για την κατασκευή δαγκάνας φρένου), με δύο κύριους σκοπούς:

σεβασμός στο περιβάλλον, με μικρότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο, χάρη στη χρήση ανακυκλωμένου αλουμινίου
βελτιωμένα μηχανικά χαρακτηριστικά και ελαφρύτερες δαγκάνες χάρη στο μειωμένο πάχος με πανομοιότυπη μηχανική αντοχή.

Η τεχνολογία Brembo περιλαμβάνει τη χρήση δευτερογενούς αλουμινίου, το οποίο λιώνει στους 650°C και όχι στους 740° όπως στις συμβατικές διαδικασίες. Σε αυτήν τη θεοκρασία τήξης, το αλουμίνιο που προκύπτει βρίσκεται σε ημισυμπαγή κατάσταση και αποτρέπεται ο σχηματισμός προσμίξεων: η μεικτή ημισυμπαγής δομή διατάσσεται στο καλούπι με σφαιρική ή σφαιροειδή δομή, η οποία αυξάνει τη μηχανική αντοχή της δαγκάνας. Η Brembo αναπτύσσει επί του παρόντος διαδικασίες για τη χρήση της ίδιας τεχνολογίας για το αλουμίνιο, με σκοπό τη μείωση του βάρους της δαγκάνας κατά περίπου 8%.

Πώς μειώνονται τα σωματίδια που παράγονται από τα τακάκια φρένων

Ο χαλκός και άλλα μέταλλα που εναποτίθενται στους δρόμους λόγω της φθοράς των τακακιών φρένου έχουν αποδειχθεί τοξικά για ορισμένους υδρόβιους μικρο-οργανισμούς. Για αυτόν τον λόγο, το 2010, τόσο η πολιτεία της Καλιφόρνια όσο και της Ουάσινγκτον ψήφισαν νομοθεσία σύμφωνα με την οποία τα τακάκια φρένων που πωλούνται ή τοποθετούνται και στις δύο πολιτείες πρέπει να έχουν χαμηλότερα επίπεδα χαλκού και άλλων βαρέων μετάλλων. Αυτή η νομοθεσία «Better Brake Rules» είναι τοπικοί κανόνες που μπορεί να έχουν παγκόσμιες συνέπειες: και στις δύο πολιτείες, προβλέπονται 3 διαφορετικές κατηγορίες περιεκτικότητας σε επικίνδυνα μέταλλα, και από το 2025 θα μπορούν να πωλούνται μόνο τακάκια φρένων επιπέδου N, με ποσοστό χαλκού μικρότερο από 0,5% από το συνολικό βάρος του υλικού τριβής.

Έργο Cobra

Η Brembo, σε συνεργασία με το Mario Negri institute, την Italcementi και την Connecting Ambition, λαμβάνει μέρος στο Έργο Cobra, για μείωση των σωματιδίων φρένων, με τη χρήση νέας τεχνολογίας κατασκευής τακακιών φρένων που αντικαθιστά τις συμβατικές φαινολικές ρητίνες με νέο υλικό με βάση το τσιμέντο.

Οι φαινολικές ρητίνες αποτελούνται από φαινόλες και φορμαλδεΰδη: πρόκειται για μια ιδιαίτερα πτητική και συνεπώς πολύ επικίνδυνη ουσία, καθώς μπορεί να εισχωρήσει στην ανθρώπινη αναπνευστική οδό.

Τα νέα υλικά με βάση το τσιμέντο πρέπει να παρέχουν ισοδύναμη απόδοση με τα συμβατικά υλικά. Αυτό σημαίνει ότι πληρούν τα υψηλά πρότυπα απόδοσης που αναμένονται για τις πιο απαιτητικές εφαρμογές σπορ, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τις εκπομπές λεπτών σωματιδίων τους και τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο. Η νέα διαδικασία όχι μόνο μειώνει τα λεπτά σωματίδια κατά την πέδηση, αλλά καθιστά επίσης δυνατή τη μείωση της ενέργειας κατά τη διαδικασία παραγωγής, καθώς και της κατανάλωσης νερού. Η ουσία έχει ήδη εγκριθεί σύμφωνα με την οδηγία ECE-R90.

Project Cobra infographic: new process for manufacturing pads with cementitious materials

Εξηλεκτρισμός και αυτόνομη οδήγηση

Εκτός από τις μειωμένες εκπομπές και τα σωματίδια, μία πολύ σημαντική πρόσφατη τάση που αφορά το μέλλον του αυτοκινήτου - και συνεπώς των φρένων - είναι ο εξηλεκτρισμός και η αυτόνομη οδήγηση.