Műhely

“Fából vaskarika” – avagy mi az a karbonfék

A versenysportban nem elég a motorerő, legalább annyira fontos a fékerő is. Ezen segít a karbon.
Euromotor2
MotoStar

Az elmúlt években egyre többen követjük figyelemmel a különböző gyorsasági autó- és motorversenyek közvetítéseit, sőt aki teheti élőben is meglátogat egy-két versenyt. Ezeken legtöbbször a félelmetes csúcs- és kanyarsebességek, látványos kigyorsítások nyűgöznek le minket, azonban – mint az utcai közlekedés vonatkozásában is már-már közhellyé vált tény – a fékezések ugyanolyan fontosságúak, mint a fenti látványelemek. Mert az nyilvánvaló, hogy ha nincs meg esetleg a szükséges motorerő, amellyel az egyik versenyző a plexi mögé kuporodva a célegyenesben lealázná az ellenfelét, akkor a célegyenes végi visszafordító előtt, féktávon bebújva mégis elsőként kezdheti meg a következő kört és a technikás részeken minél később kezdődő, rövid féktávok segítségével eliszkolhat.

A közvetítések közben, motoros médiumokban, tuning-termék ismertetőkben, ha valami űr-extra-tudományos műszaki megoldásról van szó, általában a karbon-szó a top 3-ban van. Nehéz? Karbon! Melegszik? Karbon! Nem néz ki jól? Karbon! Ja, és nincs fék? Karbon! De előbb egy kis bemelegítés.

Miként is áll meg a motorkerékpár? A motor a haladása közben tömegéből és sebességéből adódóan adott mozgási energiával rendelkezik. Fékezéskor a fékbetéteket a féktárcsa/fékdob súrlódó-felületére passzírozva ezt igyekszünk a bekanyarodáshoz/megálláshoz megfelelő szintre vagy nullára csökkenteni, de mivel ez áldozatok nélkül nem megy, az energiát hővé alakítjuk, amely a fékrendszer elemeit, illetve ezen keresztül a környezetet melegíti. A fékezés hatására a motor eleje “összeül”, az összenyomott első rugók a kereket az útfelületre nyomják, a gumiabroncs összenyomódik és ezáltal nagyobb felületen érintkezve még inkább növeli a súrlódási erőt, amely a lassulást még jobban elősegíti. Ennyire egyszerű! Mi ezzel mégis a probléma?


A féktárcsa hőtérképe, és a Boeing 787 karbonfékje

A fékbetétek súrlódó-felületre való passzírozásakor fellépő igénybevétel hatására ezek az elemek kopnak. A súrlódás másik következménye az energia felzabáltatása közben a melegedés, amely gyorsítja a kopást, illetve csökkenti a fék hatékonyságát. A melegedés hatására a fékbetétek anyagába beszivárgott nedvesség „felforr”, a gőzbuborékok a súrlódó felületek közé kerülve csökkentik a fék hatékonyságát. A fékfolyadék melegedése sem kívánatos jelenség, mivel abban a forráspont feletti hőmérséklet hatására gőzbuborék-képződés indul meg, ezek viszont összenyomhatók, a levegős fék limitált hatékonysága pedig mindenki számára ismert (a gőzbuborékok szétpukkanásakor fellépő kavitációról és a fékfolyadék „víz-imádatáról” nem is beszélve, ez külön cikket érdemel).

A versenymotoroknál egy csúcssebességről történő fékezéskor a féktárcsa a kezdeti 3-400°C-ról akár 1000°C-ra is felmelegedhet, amelyet az acél vagy szürke öntöttvas tárcsák már nem nagyon hagynak szó nélkül, az ebben a hőmérséklet-tartományban való üzemelés pedig a fenti problémákat tovább súlyosbítja.

További gubancok jöhetnek, amikor a fék hatékonyságát méretváltoztatással akarjuk növelni: ha a féktárcsa átmérőjét növeljük, nagyobb erőkaron fejti ki hatását a fékbetét: fékezési nyomaték = erőkar x fékezőerő, azaz nagyobb erőkar x fékezőerő = nagyobb fékezési nyomaték. A nagyobb féktárcsa viszont több anyagot igényel, tehát nehezebb, mindezt megforgatva tehetetlenségi nyomatéka méretéből és tömegéből adódóan még nagyobb, azaz kanyarodáskor nem nagyon akar majd az eredeti forgási síkjából kitérni, tehát a kormányzási erő-szükséglet nagyobb lesz. Hát akkor csökkentsük a tárcsa vastagságát (ezzel tömegét) és csak a nagy átmérőre koncentráljunk! Logikusnak tűnik, ezzel viszont a hőleadási képesség csökken, a működési hőmérséklet magasabb lesz, amely hatékonyság-csökkenést, hosszabb féktávot, továbbá gyorsabb kopást, tárcsa-vetemedést, stb. okoz. Ajjaj, melegszik a helyzet!


A MotoGP-ben alapkövetelmény a karbon féktárcsa

A méretnövelés tehát segíthet, de kompromisszumokat kell kötni. A komoly fékezéskor erős melegedés lép fel, amit viszont az acél/öntött vas nem visel el. Kell egy könnyű, kopásálló, magas hőmérsékletet elviselő anyag. Na itt jött a képbe a karbon! A karbon fékeket először nagy teljesítményű és nagyméretű katonai repülőgépeken alkalmazták, ahol a magas költséget ellensúlyozta a kisebb tömeg, az alacsony karbantartási igény és a hosszú élettartam. Szériagyártásban gépjárműveken először a Porsche alkalmazott karbon-kerámia fékeket 2001-ben, majd mások is követték (pl. Bentley, Ferrari, Audi), de a magas költségek miatt az exkluzívabb típusok kivételével nagy tömegben még mindig nem alkalmazzák ezeket.

A MotoGP történetében a 70-es években jelentek meg a tárcsafékek, amelyek hatékonysága idővel egyre nőtt még a „hagyományos” anyagok alkalmazásával is. Ma azonban a királykategóriában már csak vizes körülmények között alkalmazzák ezeket, száraz versenyek esetén a karbon-fékek teljesen kiszorították az ősöket (a kisebb kategóriákban a karbon-fék nem engedélyezett).

A karbon-fékek előnyeit hosszan lehet sorolni, a legfontosabbakat megpróbáltuk csokorba szedni: A karbon alkalmazásával kiváló hatékonyságú fékrendszert kapunk, a tárcsa és a betétek gond nélkül elviselik a komolyabb fékezésekkor fellépő magas hőmérsékleteket is. A versenyek során fellépő 1000°C körüli hőmérsékleteket jelenleg kizárólag a karbon-fékekkel képesek lekezelni: ez a rendszer a teljes versenytávon biztosítani képes a megfelelő fékhatást.

Jó hővezetése, energiaelnyelő-képessége és hőállósága mellett üzemi hőfokát elérve kopásállósága még szélsőséges körülmények között is megfelelő, ebből következően élettartama az acéltárcsákénak többszöröse, illetve elenyésző a „fékpor” mennyisége.


A drága, exkluzív autók fékrendszerében is megjelenik a karbon

A specifikus felhasználási területeken (pl. repülőgépek) a bekerülési költséget ellensúlyozza az alacsony karbantartási költség és a kis tömegből adódó üzemanyag-megtakarítás, így ezen esetekben gazdaságosnak minősíthető. A versenysportban a komoly költségeket a versenyeredményekből adódó és ezekhez társuló marketing és PR bevételek is kifizetődővé teszik a csapatok számára.

További előny, hogy a karbontárcsa tömege kb. fele az acéltárcsáénak, amely több szempontból is előnyös: kisebb az első futómű rugózatlan tömege, kisebb a sokat emlegetett giroszkóp hatás, tehát könnyebb a kanyarodás, nagyobb a stabilitás; kisebb a tehetetlenségi nyomaték, tehát a forgó tömeg felgyorsítási és lelassítási hajlandósága is nagyobb; a versenysportban kevésbé lényeges, de a fogyasztásra is jó hatással van az előbbiek miatt. A karbon-fék esetén a tárcsa, a betétek és hozzájuk való nyergek esetén már „mérhető” a súlycsökkenés.

Ahogyan az előnyök között többször megjegyzésre került, a karbon fékek egyik nagy hátránya, hogy igen érzékenyek a hőmérsékletre: üzemi hőmérsékleti tartományuk alsó értéke alatti értékek esetén (400°C) fékhatás gyakorlatilag nincs, ilyenkor azonban kopásuk is jelentős. A kb. 1000°C-os felső határ felett már szintén jelentős kopási igénybevétel léphet fel, tehát alapvető fontosságú a hőmérséklet két említett érték között tartása a kiváló fékhatás és a tartósság elérése érdekében.

Nedves körülmények között az üzemi hőmérséklet elérése és annak megtartása még nehezebb az „extra hűtés” miatt, így a fékhatás gyengesége és a fokozott kopás miatt ilyen körülmények között nem használhatók ki a karbon előnyei. Ilyenkor a jó öreg „vasszerkezetek” kerülnek elő, amely azonban teljesen más beállításokat igényel ahhoz, hogy a motor ugyanolyan viselkedési tulajdonságokat mutasson, mint a „szenes”: látható, hogy verseny közbeni motorcsere esetén milyen fontos a jó „vizes” beállítás ahhoz, hogy a tartalékmotoron a pilótának ne kelljen újratanulni a gépjárművezetést.


A karbon féktárcsa felülete

A karbon-fékek ára talán a legfájdalmasabb dolog, mivel a karbon féktárcsák és betétek gyártása egy igen komplikált és még inkább nagyon lassú technológiai eljárás (akár több hónap is lehet!).

Hogyan használandó a karbon-fék? A karbon fékek használati módja főképp az üzemi hőmérséklethez kötődő tulajdonságok miatt alapvetően eltér az acéltárcsás fékekétől. Mivel hideg állapotban a fékhatás elenyésző, először fel kell melegíteni a tárcsát és a betéteket. Ezt követően a fékhatás megérkezik, de hogyan? A kb. 400°C-os küszöb eléréséig, a fékezés első pillanataiban nem történik „semmi”, majd amint ezt átlépi a hőmérséklet (kb. 100°C/0,1 sec) a fékhatás megérkezik, de olyan brutálisan, hogy pontosan emiatt kell a pilótának nagyon észnél lennie, ha nyeregben akar maradni. Ezért is fontos, hogy a versenyző a felvezető és bemelegítő körön, de még az éles verseny első kanyarjaiban is nagyon figyeljen – hasonlóan a gumiabroncsokhoz, a fékeknek is melegedniük kell.

Érdemes még foglalkozni a felhasznált anyagokkal, mit is jelent ez a „karbon” varázsszó? A versenysportban és az utcai célokra használt anyagok és működésük között alapvető különbség van. A versenygépeken ún. karbon-karbon tárcsákat használnak, míg utcai használatra ún. karbon-kerámiát alkalmaznak, de mi a különbség a kettő között?

A karbon-karbon féktárcsák és fékbetétek akár még a versenyek során látványos, vörösen izzó állapotukban is képesek tartósan és megfelelően üzemelni, míg ilyen körülmények között a fém tárcsák már anyagszerkezeti változást szenvednének. A karbon-karbon megfogalmazás mögött kétféle állapotú karbon elegye áll: a szilárdságot biztosító szénszálak és az anyagszerkezetet megerősítő amorf szén (mint az elektromos motorok szénkeféiben) keveréke. A hátrányoknál emlegetett extrém költség-vonzata a gyártási technológia és annak ideje miatt adódik, amelynek részletes bemutatása szintén egy külön cikk témája lehetne. A karbon-karbon tárcsák oxidációs tulajdonságai következtében limitált élettartamuk miatt mégsem alkalmasak az utcai járműveken való használatra, még az exkluzív márkák is más megoldást kerestek.

A karbon-kerámia, mint féktárcsa és fékbetét anyag a hétköznapi autókban (már amennyire a Porsche-k, Ferrari-k és társaik agy nevezhetők…) történő, elérhető(?) költségű alkalmazás kapuit megnyitó választás volt, mivel e párosítás előállítási költsége a karbon-karbonénak kb. negyede. Tulajdonságait tekintve szintén kiemelhető a kiváló fékhatás még erősen felmelegedett állapotban is, illetve a karbon-karbonnal ellentétben már „hideg” állapotban is működőképes. A kopási és élettartambeli tényezői sokkal jobbak az acéltárcsákénál (utóbbi kb. 4-szerese az acélénak, még a betét tekintetében is), de mindezek ellenére még a fent hivatkozott negyedár sem elég alacsony ahhoz, hogy teljesen leváltsák a nagy elődöket a szériagyártású járművek esetén.

A kerámia önmagában is alkalmazható bizonyos alkatrészek esetén, a féktárcsa és fékbetétek gyártásához azonban csak, mint egy kompozit anyag egyik összetevője jöhet szóba: a belé ágyazott szénszálak megadják a kellő merevséget a kerámia kemény, hő- és kopásálló tulajdonságai mellé, illetve azok a tárcsa felületéről történő hőelvezetésben is nagy szerepet játszanak.

A karbon-kerámia tárcsákhoz használt fékbetétek érdekessége, hogy az azok anyagában levő fém összetevő az üzemeltetés első szakaszában szükséges „összekoptatási fázis” során vékony filmréteget hoz létre mind a betét, mind pedig a tárcsa felületén, amely két fémréteg között jön majd létre fékezés során a súrlódás oroszlánrésze.


Egy igazán versenyképes fékrendszerhez nem csak egy jó tárcsa kell

Tehát akkor miért is kell nekünk a karbon-fék? Egyelőre úgy tűnik, hogy marad a versenyzők és a Porsche-, Ferrari-tulajdonosok “úri huncutsága”, a hétköznapi használatban a jelenlegi megoldások jó eséllyel még sokáig megmaradnak, mivel előállítási költségük és hatékonyságuk megfelel a jelenlegi nagyszériás közlekedési eszközök komfortos, biztonságos és gazdaságos üzemeltetéséhez. De mint minden technikai fejlesztés esetében, itt is elmondható, hogy amennyiben kifogynak az acéltárcsa-bányák és kipusztulnak az utolsó fékbetét-ültetvények is, van alternatíva, hogy akkor is meg tudjanak majd állni járműveink.


Nekünk, utcai halandóknak jó lesz a gyári rendszer is. Főleg ha a Brembo vagy az EBC fékalkatrészek gyártója szállítja azt.

Bármilyen motorkerékpárhoz és autóhoz utángyártott és gyári fékbetétekért, féktárcsákért kattintsatok ide. Jó árakon, gyors szállítási határidővel rendelhetitek meg az új fék-alkatrészeiteket!

Comments

comments