Φρένα
H AIXMH ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ
Συνήθως, όταν ακούμε για ενεργητική ασφάλεια, το μυαλό μας πηγαίνει στις
επιδόσεις και την οδική συμπεριφορά του αυτοκινήτου. Το 99% των μέσων
οδηγών σε όλον τον κόσμο, όταν αντιληφθεί κάποιον κίνδυνο καταφεύγει στα
φρένα για να αποφύγει το ατύχημα. Και το νόημα της ενεργητικής ασφάλειας
είναι ακριβώς αυτό: η πρόληψη του ατυχήματος. H καθημερινή πρακτική
χιλιάδων οδηγών είναι ένα άτυπο δημοψήφισμα που βγάζει τα φρένα πρώτα και
με διαφορά σαν το πιο σημαντικό σύστημα ενεργητικής ασφάλειας του
αυτοκινήτου.
του Πέτρου Σακελλαρίου
H ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ των φρένων εξελίσσεται αθόρυβα, με εξαίρεση τον διαφημιστικό
θόρυβο για το σύστημα ABS, αλλά αυτό δε σημαίνει πως δεν είναι σημαντική.
Αντίθετα πρόκειται για πολύ υψηλή τεχνολογία, που πολλές φορές προέρχεται
μάλιστα από την αεροπορική βιομηχανία, όπως και στην περίπτωση του ABS. Ας
δούμε όμως αναλυτικά τις αρχές λειτουργίας και τα υποσυστήματα των φρένων
των σύγχρονων αυτοκινήτων.
Κατ? αρχήν, από εδώ και πέρα, με τον όρο «φρένα» θα αναφερόμαστε στα
εξαρτήματα στα οποία παράγονται οι δυνάμεις τριβής οι οποίες «φθείρουν» την
κίνηση του αυτοκινήτου, ενώ «σύστημα φρένων» θα ονομάζουμε κάθε διάταξη
εξαρτημάτων που επιτρέπει στον οδηγό να ακινητοποιήσει ή να μειώσει την
ταχύτητα του οχήματός του με άμεσο ή έμμεσο τρόπο, ή να διατηρήσει ακίνητο
το όχημα, αν αυτό είναι σταματημένο.
Τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένα σύγχρονο σύστημα φρένων είναι
τα ακόλουθα:
- Πηγή ισχύος
- Διάταξη ελέγχου (συνήθως το πεντάλ και ο κύριος κύλινδρος)
- Διάταξη μετάδοσης της δύναμης φρεναρίσματος
- Τα φρένα (δίσκοι ή ταμπούρα)
- Διάφορες συμπληρωματικές διατάξεις στην περίπτωση ρυμούλκησης
Με τον όρο πηγή ισχύος εννοούμε τα μέρη εκείνα του συστήματος φρένων που
παρέχουν και ελέγχουν την απαιτούμενη ενέργεια για το φρενάρισμα. Ανάλογα
με την πηγή ισχύος, τα συστήματα φρένων κατατάσσονται ως εξής:
- Συστήματα στα οποία όλη η δύναμη φρεναρίσματος προέρχεται
μόνο από τη μυϊκή δύναμη του οδηγού.
- Συστήματα στα οποία η μυϊκή προσπάθεια του οδηγού
υποβοηθείται και από μια τουλάχιστον μηχανική πηγή ισχύος.
- Συστήματα στα οποία ο οδηγός καταβάλλει ελάχιστη μυϊκή
προσπάθεια και η ενέργεια για το φρενάρισμα προέρχεται από
άλλες πηγές ισχύος.
- Αδρανειακά συστήματα και συστήματα βαρύτητας που εφαρμόζονται
μόνο σε ρυμουλκούμενα οχήματα.
H μετάδοση της δύναμης φρεναρίσματος από την πηγή ισχύος και τη διάταξη
ελέγχου (δηλαδή το πεντάλ, στις περισσότερες εφαρμογές) στα φρένα γίνεται
από τη διάταξη μετάδοσης. Αυτή στα υδραυλικά φρένα και στα αερόφρενα δεν
είναι τίποτα άλλο από το κύκλωμα των σωλήνων. Στα μηχανικά φρένα η μετάδοση
γίνεται με συρματόσχοινα. 'Ενα σύγχρονο υδραυλικό σύστημα ή σύστημα
αεροφρένων μπορεί να έχει απλό ή πολλαπλό κύκλωμα μετάδοσης. Στο πολλαπλό
κύκλωμα η δύναμη φρεναρίσματος ή μέρος της εξακολουθεί να μεταδίδεται σε
περίπτωση αστοχίας τμήματος του κυκλώματος.
Κάθε αυτοκίνητο έχει συνήθως περισσότερα από ένα συστήματα φρένων. Αυτά,
ανάλογα με τη χρήση τους και τον τρόπο λειτουργίας τους, είναι:
- Το κυρίως σύστημα φρένων, με το οποίο ο οδηγός επιβραδύνει ή
ακινητοποιεί το αυτοκίνητο. Το σύστημα λειτουργεί προοδευτικά.
- Το δευτερεύον σύστημα φρένων, που αντικαθιστά το κυρίως
σύστημα σε περίπτωση αστοχίας του πρώτου. Τα φρένα με κυρίως και
δευτερεύον σύστημα είναι συνήθως κοινά, όμως τα δυο συστήματα
έχουν διαφορετικά κυκλώματα σωλήνων.
- Το χειρόφρενο, που διατηρεί το όχημα ακίνητο ακόμα και σε δρόμο
με κλίση.
- Διάφορα συστήματα επιβράδυνσης (retarding) του οχήματος, όταν
κινείται σε κατήφορο. Συναντώνται μόνο σε μεγάλα φορτηγά και
λεωφορεία και βοηθούν στη σταθεροποίηση ή και μείωση της
ταχύτητας στις μεγάλες κατηφόρες.
- Αυτόματα συστήματα φρένων σε ρυμουλκούμενα οχήματα, τα οποία
ενεργούν αυτόματα σε περίπτωση σκόπιμης ή μη απόσπασης από το
ρυμουλκό.
TA ΦΡΕΝΑ ΤΩΝ ΕΠΙΒΑΤΙΚΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ
Στα επιβατικά αυτοκίνητα το πιο συνηθισμένο σύστημα φρένων είναι το
υδραυλικό. 'Ενα τυπικό υδραυλικό σύστημα φρένων φαίνεται στην εικόνα 1.
Στα σύγχρονα αυτοκίνητα υπάρχει σύστημα υποβοήθησης κενού (σέρβο κενού), το
οποίο μειώνει αρκετά τη δύναμη που πρέπει να ασκήσει ο οδηγός στο πεντάλ,
χωρίς να χάνεται μεγάλο μέρος από την αίσθηση και την προοδευτικότητα των
φρένων. Δεν αποκλείεται όμως και η χρήση συστημάτων υποβοήθησης, στα οποία
δεν απαιτείται καθόλου η μυϊκή προσπάθεια του οδηγού.
Τη δύναμη φρεναρίσματος μεταφέρει στα φρένα το ειδικό υγρό που κυκλοφορεί
στο κύκλωμα σωληνώσεων του συστήματος. Το υγρό πιέζεται μέσα στους σωλήνες
από ένα έμβολο που κινείται μέσα σε έναν κύλινδρο, τον κύριο κύλινδρο. O
τρόπος λειτουργίας του κύριου κυλίνδρου φαίνεται στην εικόνα 2. Πρόκειται
για τον κύριο κύλινδρο ενός συστήματος φρένων με διπλό κύκλωμα. Τα δυο
κυκλώματα (που θα τα ονομάζουμε I και II) τροφοδοτούνται με υγρό από το
δοχείο 1 μέσω των οπών τροφοδοσίας 3 και 5. Πατώντας το πεντάλ, το έμβολο 6
καλύπτει την οπή τροφοδοσίας 5 και πιέζει το υγρό στο κύκλωμα I μέσω της
βαλβίδας 10. Ταυτόχρονα, η αύξηση της πίεσης και η συμπίεση του ελατήριου 4
κινεί το έμβολο 8 που καλύπτει την οπή τροφοδοσίας 3 και έτσι πιέζει το
υγρό στο κύκλωμα II μέσω της βαλβίδας 7. H πίεση που αναπτύσσεται είναι
ανάλογη με τη δύναμη που ασκείται στο πεντάλ. Σε περίπτωση αστοχίας του
κυκλώματος I το έμβολο 6 προχωρεί χωρίς αντίσταση μέχρι να έρθει σε επαφή
με το έμβολο 8, οπότε η δύναμη του πεντάλ μεταδίδεται απ? ευθείας σε αυτό
το έμβολο και από εκεί στο κύκλωμα II. Σε περίπτωση αστοχίας του κυκλώματος
II η πίεση του κυκλώματος I ακινητοποιεί το έμβολο 8 στο τέρμα της
διαδρομής του και έτσι λειτουργεί μόνο το κύκλωμα I. H αστοχία ενός από τα
δυο κυκλώματα γίνεται αντιληπτή από την αύξηση της νεκρής διαδρομής του
πεντάλ, τη μείωση της απόδοσης των φρένων και την απώλεια υγρού από τον
αντίστοιχο θάλαμο του δοχείου υγρών φρένων.
Στα παλιότερα συστήματα η δύναμη στο έμβολο εφαρμοζόταν απ? ευθείας από το
πεντάλ με κάποιο λόγο μετάδοσης. 'Ομως συχνά η δύναμη που έπρεπε να
ασκείται στο πεντάλ ήταν πολύ μεγάλη. 'Ετσι, για λόγους άνεσης του οδηγού
και αύξησης της απόδοσης των φρένων, διαδόθηκε σιγά-σιγά η χρήση του απλού
μηχανισμού της εικόνας 3 και σήμερα έχει γενικευτεί. Πρόκειται για τη
συσκευή υποβοήθησης (σέρβο) κενού, που παρεμβάλλεται μεταξύ του πεντάλ και
του κυρίου κυλίνδρου. Το πεντάλ κινεί το έμβολο 3 και το έμβολο 1 κινεί το
έμβολο του κυρίου κυλίνδρου. 'Οταν δεν φρενάρουμε, τότε δεξιά και αριστερά
από το διάφραγμα υπάρχει υποπίεση (κενό), που κυμαίνεται από 0,5 ως 0.9
bar. H υποπίεση δημιουργείται συνδέοντας τη βαλβίδα 2 με την πολλαπλή
εισαγωγής (εάν το αυτοκίνητο είναι βενζινοκίνητο) ή με μιαν αντλία κενού
(στην περίπτωση που ο κινητήρας είναι ντίζελ). Στο φρενάρισμα η πίεση δεξιά
από το διάφραγμα γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική. 'Ετσι, στο έμβολο 1
ασκείται, εκτός από τη δύναμη του εμβόλου 3 (δηλαδή τη δύναμη του πεντάλ),
και μια πρόσθετη δύναμη λόγω της διαφοράς της πίεσης στις δυο πλευρές του
διαφράγματος. 'Ετσι τελικά στον κύριο κύλινδρο ασκείται μεγαλύτερη δύναμη.
Αν τώρα αστοχήσει το σέρβο κενού, δηλαδή για κάποιο λόγο δεν δημιουργείται
διαφορά πίεσης, το έμβολο 3 εξακολουθεί να κινεί μηχανικά το έμβολο 1,
οπότε το σύστημα φρένων λειτουργεί κανονικά χωρίς υποβοήθηση. Το κύριο
πλεονέκτημα αυτού του συστήματος υποβοήθησης είναι ότι λειτουργεί καλά κάτω
από οποιεσδήποτε κλιματολογικές συνθήκες. Το κύριο μειονέκτημα είναι ότι
λόγω της μικρής διαφοράς πίεσης στις δυο πλευρές του διαφράγματος πρέπει,
για να υπάρχει αποτέλεσμα, το μέγεθος της συσκευής να είναι μεγάλο, οπότε
καταλαμβάνει πολύ χώρο στο διαμέρισμα του κινητήρα.
Εναλλακτικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν, όπως ήδη αναφέραμε, συστήματα στα
οποία δεν απαιτείται η μυϊκή προσπάθεια του οδηγού. Σε αυτά τα συστήματα
πηγή ισχύος είναι μια αντλία υγρού, που συχνά είναι η αντλία υποβοήθησης
του τιμονιού. H διάταξη ελέγχου του συστήματος αποτελείται από το πεντάλ
που κινεί μια βαλβίδα με έμβολο αντίδρασης, που δίνει πληροφορίες και
κάποια αίσθηση στο πόδι του οδηγού. Το πλεονέκτημα τέτοιων συστημάτων είναι
ο μικρός όγκος τους και η γρηγορότερη απόκριση. 'Ομως η εμφάνιση
οποιασδήποτε διαρροής έχει σαν αποτέλεσμα την απώλεια της πίεσης του
συστήματος.
Παραπάνω έγινε λόγος για δυο κυκλώματα υγρού. Αυτό βέβαια γίνεται για
λόγους ασφαλείας και είναι απαίτηση της νομοθεσίας. Υπάρχουν αρκετοί
συνδυασμοί διπλού κυκλώματος. Στους γερμανικούς κανονισμούς τυποποίησης DIN
αναφέρονται με κωδικές ονομασίες οι εξής:
- TT. Σε αυτόν το συνδυασμό το ένα κύκλωμα ενεργεί μόνο στους
μπροστινούς τροχούς και το άλλο μόνο στους πίσω.
- K. Εδώ τα δύο κυκλώματα ενεργούν διαγώνια, δηλαδή το ένα ενεργεί
εμπρός αριστερά/πίσω δεξιά και το άλλο εμπρός δεξιά/πίσω
αριστερά.
- HT. Το ένα κύκλωμα ενεργεί σε όλους τους τροχούς και το άλλο
μόνο στους μπροστινούς.
- LL. Το ένα κύκλωμα ενεργεί σε όλους τους τροχούς και το άλλο
στους μπροστινούς και τον ένα πίσω.
- HH. Και τα δυο κυκλώματα ενεργούν σε όλους τους τροχούς.
O ΚΑΤΑΝΟΜΕΑΣ ΠΙΕΣΗΣ
'Οσο πιο δυνατό είναι ένα φρενάρισμα τόσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση του
βάρους του αυτοκινήτου στους μπροστινούς τροχούς. Τότε η πρόσφυση των πίσω
τροχών μειώνεται, με αποτέλεσμα να έχουν την τάση να μπλοκάρουν πιο εύκολα.
Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται και όταν το αυτοκίνητο είναι άδειο. 'Ετσι
προκαλείται αστάθεια κατά το φρενάρισμα, με κίνδυνο περιστροφής του
αυτοκινήτου περί τον κατακόρυφο άξονά του (τετ-α-κε). Για να υπάρχει
ευστάθεια στο φρενάρισμα πρέπει οι μπροστινοί τροχοί να μπλοκάρουν πριν από
τους πίσω. Υπάρχει λοιπόν η ανάγκη ρύθμισης της πίεσης των πίσω φρένων
ανάλογα με το φορτίο του πίσω άξονα. Αυτό επιτυγχάνεται με τον κατανομέα
πίεσης.
H αρχή λειτουργίας του φαίνεται στην εικόνα 4. H παραμόρφωση της πίσω
ανάρτησης χρησιμοποιείται σαν μέτρο της φόρτισης του πίσω άξονα και
μεταδίδεται μηχανικά με έναν μοχλό στο ελατήριο 4 (ελατήριο ελέγχου) του
κατανομέα. Το ελατήριο αυτό ελέγχει ένα έμβολο (5) με βαθμίδες διαφορετικής
διατομής. Στην αρχή ενός φρεναρίσματος το ελατήριο πιέζει το έμβολο προς τα
επάνω και έτσι η βαλβίδα 1 που επικοινωνεί με τον κύριο κύλινδρο μένει
ανοιχτή και τροφοδοτεί με υγρό υπό πίεση τα φρένα μέσω της βαλβίδας 2. Αυτό
συνεχίζεται μέχρι η πίεση στα πίσω φρένα αυξηθεί τόσο ώστε να υπερνικήσει
την αντίσταση του ελατηρίου 4 και να προκαλέσει τη συμπίεσή του, οπότε η
βαθμίδα του εμβόλου κλείνει τη βαλβίδα 1. Στη φάση αυτή στην οποία
βρίσκεται ο κατανομέας στην εικόνα 4, η πίεση στα πίσω φρένα διατηρείται
μικρότερη ή το πολύ ίση με την πίεση του υπόλοιπου κυκλώματος χάρη στην
ύπαρξη μιας βαλβίδας ασφαλείας στο κέντρο του εμβόλου, που επιτρέπει την
επιστροφή υγρού στο κύκλωμα σε περίπτωση ανάπτυξης μεγαλύτερης πίεσης στα
πίσω φρένα. Σε κάθε μεταβολή του ύψους της πίσω ανάρτησης (δηλαδή της
φόρτισης του πίσω άξονα) μεταβάλλεται η παραμόρφωση του ελατηρίου 4 και
επομένως και η δύναμη που απαιτείται για να συμπιεστεί ώστε να κλείσει η
βαλβίδα 1. Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται η ευστάθεια του αυτοκινήτου στα
δυνατά φρεναρίσματα, είτε είναι φορτωμένο είτε όχι.
TO ΑΝΤΙΟΛΙΣΘΗΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΕΔΗΣΗΣ (ABS)
Παρόλην την ευστάθεια που εξασφαλίζει ο κατανομέας πίεσης, το αυτοκίνητο με
μπλοκαρισμένους τροχούς χάνει την κατευθυντικότητά του και ακολουθεί
ευθύγραμμη πορεία εφαπτομενική της τροχιάς που είχε πριν το φρενάρισμα.
Οποιαδήποτε αλλαγή πορείας με το τιμόνι είναι αδύνατη αν δεν περιστρέφονται
οι τροχοί. Σε καταστάσεις πανικού τα αντανακλαστικά και του πιο έμπειρου
οδηγού δύσκολα θα λειτουργήσουν για να μειώσει την πίεση στο πεντάλ των
φρένων και να ελευθερώσει τους τροχούς. Στους γλιστερούς δρόμους της
Ελλάδας όλοι μας έχουμε βρεθεί σ? αυτήν τη δυσάρεστη θέση. Το πρόβλημα
αυτό, όπως είναι γνωστό, λύνουν τα διάφορα συστήματα ABS, που γίνονται όσο
περνάει ο καιρός πιο προσιτά και διαδίδεται περισσότερο η χρήση τους.
Για να καταλάβουμε πώς λειτουργεί το σύστημα ABS, πρέπει να δούμε τι
συμβαίνει από φυσική άποψη σ? έναν τροχό αυτοκινήτου που φρενάρει. Στην
εικόνα 5 φαίνονται οι δυνάμεις που ασκούνται στη διαμήκη διεύθυνση σε αυτόν
τον τροχό και, στην εικόνα 6, η μεταβολή του συντελεστή πρόσφυσης, όσο
αυξάνεται η ολίσθηση φρεναρίσματος, δηλαδή ο λόγος της διαφοράς της
ταχύτητας του αυτοκινήτου και της περιφερειακής ταχύτητας περιστροφής του
τροχού προς την ταχύτητα του αυτοκινήτου. H ολίσθηση φρεναρίσματος
μετριέται σε ποσοστό επί τοις %. Κατά το φρενάρισμα στον τροχό ασκείται στο
διαμήκη άξονα δύναμη αντίστασης ίση με το γινόμενο του συντελεστή πρόσφυσης
επί τη συνιστώσα βάρους που ασκείται στον τροχό.
Αρχικά, όσο αυξάνεται η δύναμη στο πεντάλ του φρένου, αυξάνεται η ολίσθηση
φρεναρίσματος και ο συντελεστής πρόσφυσης. Επομένως αυξάνεται και η
αντίσταση στη διαμήκη κίνηση του τροχού. H αντίσταση αυτή, σύμφωνα με το
νόμο δράσης και αντίδρασης, είναι ίση και αντίθετη με μια δύναμη (που δεν
είναι άλλη από τη δύναμη αδράνειας) η οποία ασκείται στο κέντρο του τροχού
και τείνει να διατηρήσει την κίνηση του αυτοκινήτου. Το ζεύγος των δυο
δυνάμεων δημιουργεί μια ροπή που τείνει να συνεχίσει την περιστροφή του
τροχού, τη ροπή πρόσφυσης. Από την άλλη πλευρά, το φρένο ασκεί στον τροχό
μια ροπή που τείνει να τον σταματήσει και λέγεται ροπή φρένου. 'Οσο η ροπή
πρόσφυσης είναι μεγαλύτερη από τη ροπή φρένου, ο τροχός περιστρέφεται και ο
έλεγχος του αυτοκινήτου διατηρείται. Τότε λέμε ότι βρισκόμαστε στην περιοχή
ευστάθειας. Αυξάνοντας όμως συνεχώς την πίεση στο φρένο έρχεται κάποια
στιγμή που η ροπή φρένου γίνεται μεγαλύτερη. Τότε ο τροχός ακινητοποιείται
(μπλοκάρει), ο έλεγχος του αυτοκινήτου χάνεται και περνάμε στην περιοχή
αστάθειας. Παρατηρώντας την καμπύλη της εικόνας 6 βλέπουμε ότι ο
συντελεστής πρόσφυσης αγγίζει μια μέγιστη τιμή στο σύνορο των περιοχών
ευστάθειας και αστάθειας και κατόπιν πέφτει γρήγορα και πρακτικά εξισώνεται
με τον συντελεστή τριβής ολίσθησης μεταξύ του οδοστρώματος και του
ελαστικού. Το καλύτερο φρενάρισμα επιτυγχάνεται όταν ο συντελεστής
πρόσφυσης διατηρεί τη μέγιστη τιμή που έχει πριν την είσοδο στην περιοχή
της αστάθειας.
Αυτό ένας έμπειρος οδηγός μπορεί να το καταφέρει αυξάνοντας και μειώνοντας
διαδοχικά την πίεση στο πεντάλ του φρένου. Το ίδιο πράγμα κάνει και το ABS,
αυξομειώνοντας απ? ευθείας την πίεση στο υγρό του συστήματος φρένων. 'Ενας
αισθητήρας ταχύτητας παρακολουθεί συνέχεια την κίνηση του τροχού. Αν ο
τροχός αρχίσει να μπλοκάρει υπάρχει μια απότομη αύξηση στην περιφερειακή
επιβράδυνση του τροχού και την ολίσθηση. 'Οταν αυτά τα μεγέθη ξεπεράσουν
κάποια προκαθορισμένη τιμή, η ηλεκτρονική μονάδα επεξεργασίας του
συστήματος δίνει εντολή σε μια διάταξη βαλβίδων σωληνοειδούς τύπου να
μειώσουν την πίεση στο υγρό φρένων μέχρι να απομακρυνθεί ο κίνδυνος
μπλοκαρίσματος του τροχού. Μόλις γίνει αυτό η πίεση στο κύκλωμα αυξάνεται
πάλι έτσι ώστε η απόδοση των φρένων να είναι η μέγιστη δυνατή. Αυτό
συμβαίνει διαδοχικά πολλές φορές, με αποτέλεσμα το βέλτιστο φρενάρισμα,
κοντά στο όριο του συντελεστή πρόσφυσης του τροχού.
'Ενα καλό σύστημα ABS πρέπει να λαμβάνει υπόψη τους ακόλουθους παράγοντες:
- Μεταβολές στην πρόσφυση των τροχών λόγω αλλαγής της ποιότητας
του οδοστρώματος ή του φορτίου των τροχών (π.χ. στις στροφές).
- Ανωμαλίες του οδοστρώματες που γίνονται πρόξενοι ταλαντώσεων.
- Φαινόμενα υστέρησης των φρένων λόγω παραμόρφωσης του κυκλικού
σχήματος των τροχών.
- Διαφορά στο συντελεστή πρόσφυσης στη δεξιά και αριστερή πλευρά
και εν συνεχεία μετάβαση σε ομογενές οδόστρωμα (κάτι που
αποτελεί σχεδόν κανόνα στους Ελληνικούς δρόμους).
- Το εύρος της αυξομείωσης της πίεσης στο κύκλωμα να είναι όσο το
δυνατόν μικρότερο για να αποφεύγονται οι ταλαντώσεις στο
σύστημα μετάδοσης.
Οι ωφέλειες από την εφαρμογή του συστήματος ABS είναι πολλές. Το αυτοκίνητο
διατηρεί την ευστάθειά του στο φρενάρισμα (όπως και με τον κατανομέα
πίεσης), ενώ ταυτόχρονα διατηρεί και την κατευθυντικότητά του. Επίσης,
επειδή με τη χρήση του ABS ο συντελεστής πρόσφυσης αγγίζει τη μέγιστη τιμή
του (κορυφή της καμπύλης στην εικόνα 6) η επιβράδυνση, που εξαρτάται από
αυτόν, είναι η μέγιστη δυνατή και η απόσταση φρεναρίσματος μειώνεται
σημαντικά.
Όσον αφορά τον τρόπο λειτουργίας του συστήματος, υπάρχουν αρκετές
παραλλαγές ανάλογα με τον τύπο διπλού κυκλώματος φρένων που χρησιμοποιείται
και τον αριθμό αισθητών και διόδων (δρόμων) ελέγχου. Συστήματα τεσσάρων
δρόμων με τέσσερις αισθητές χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με διπλό διαγώνιο
κύκλωμα φρένων (K) ή διπλό κύκλωμα με χωριστά κυκλώματα για τους εμπρός και
πίσω τροχούς (TT). Συστήματα τριών ή δυο δρόμων με τρεις αισθητές
χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με διπλό κύκλωμα με χωριστά κυκλώματα για
τους εμπρός και πίσω τροχούς (TT). Συστήματα δυο δρόμων με δυο αισθητές
χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με διπλό διαγώνιο κύκλωμα φρένων (K) ή διπλό
κύκλωμα με χωριστά κυκλώματα για τους εμπρός και πίσω τροχούς (TT). Τέλος
συστήματα ενός δρόμου με έναν αισθητή χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με
διπλό κύκλωμα με χωριστά κυκλώματα για τους εμπρός και πίσω τροχούς (TT).
Την καλύτερη απόδοση έχουν το σύστημα τεσσάρων δρόμων με τέσσερις αισθητές
και διπλό διαγώνιο κύκλωμα (K), καθώς και το σύστημα τριών δρόμων με τρεις
αισθητές και διπλό κύκλωμα εμπρός-πίσω (TT). Σε όλες τις άλλες παραλλαγές
εμφανίζονται προβλήματα ευστάθειας του αυτοκινήτου σε δρόμους με
διαφορετικούς συντελεστές πρόσφυσης δεξιά-αριστερά, στους οποίους μάλιστα
ξαφνικά αλλάζει η ποιότητα του οδοστρώματος και αποκτούν ομογενή
χαρακτηριστικά πρόσφυσης σε όλο τους το πλάτος.
Ένα τυπικό σύγχρονο σύστημα ABS φαίνεται στην εικόνα 7.
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΩΝ
Οι αυτοκινητοβιομηχανίες, με εξαίρεση τη Χόντα που εξέλιξε το δικό της
σύστημα (το ALB), προμηθεύονται τα συτήματα ABS που τοποθετούν στα
αυτοκίνητά τους από εξειδικευμένους προμηθευτές, όπως για παράδειγμα η
BOSCH και η LUCAS. 'Ετσι στην αγορά κυκλοφορούν από τον κάθε προμηθευτή
διάφορα συστήματα. Από αυτά, μόνο της Μπος αναφέρονται σαν ABS επειδή τα
τρία αυτά αρχικά είναι σήμα κατατεθέν της γερμανικής εταιρείας.
H Μπος διαθέτει στην αγορά δυο τύπους ABS, το ABS 2 και το ABS 3. Στο ABS 2
το ABS και η μονάδα υποβοήθησης λειτουργούν ανεξάρτητα. Το σύστημα είναι
τριών δρόμων για διπλό κύκλωμα εμπρός-πίσω και τεσσάρων δρόμων για διπλό
διαγώνιο κύκλωμα φρένων. Στο σύστημα τριών δρόμων υπάρχουν τρεις βαλβίδες
σωληνοειδούς τύπου, με τρεις θέσεις λειτουργίας η κάθε μια,και μια
ηλεκτρική αντλία επιστροφής. Στην πρώτη θέση λειτουργίας των βαλβίδων, όταν
δεν έχει επέμβει το ABS, ο κύριος κύλινδρος συνδέεται άμεσα με τα φρένα
όλων των τροχών. Στη δεύτερη θέση η σύνδεση του κύριου κυλίνδρου με το
φρένο του τροχού που μπλοκάρει διακόπτεται, με αποτέλεσμα η πίεση στο
αντίστοιχο μέρος του κυκλώματος να παραμένει σταθερή. Στην τρίτη θέση, υγρό
από το μπλοκαρισμένο φρένο επιστρέφει στο υπόλοιπο κύκλωμα μέσω της
αντλίας, με αποτέλεσμα την πτώση της πίεσης και την απελευθέρωση του
μπλοκαρισμένου τροχού. Μόλις συμβεί αυτό η βαλβίδα επανέρχεται στην αρχική
της θέση. H διαδικασία επαναλαμβάνεται όσο διαρκεί το δυνατό φρενάρισμα.
Στο σύστημα τεσσάρων δρόμων η λειτουργία είναι η ίδια, όμως υπάρχουν
τέσσερις βαλβίδες σωληνοειδούς τύπου.
Στο ABS 3 το σύστημα υποβοήθησης -που δεν είναι σέρβο κενού- και το ABS
αποτελούν και κατασκευαστικά και από άποψη λειτουργίας μια μονάδα. Τα
πλεονεκτήματα είναι σημαντικά, όχι μόνο για τον οδηγό αλλά και για τον
κατασκευαστή, αφού σ? αυτό το σύστημα η εγκατάσταση είναι απλούστερη και ο
χώρος που καταλαμβάνει μικρότερος. 'Ενας υδραυλικός συσσωρευτής γεμίζει με
υγρό που προέρχεται από μια εμβολοφόρο αντλία. H πίεση από το συσσωρευτή
ασκείται σε μια βαλβίδα που ανοιγοκλείνει από το πεντάλ. H βαλβίδα ασκεί
πίεση στο θάλαμο του συστήματος υποβοήθησης και τελικά η πίεση ασκείται στα
έμβολα του κύριου κυλίνδρου. H μη άμεση σύνδεση του πεντάλ με τον κύριο
κύλινδρο σημαίνει ότι σε περίπτωση αστοχίας ενός από τα δυο κυκλώματα
φρένων, η αίσθηση του πεντάλ δεν αλλάζει κι έτσι αποφεύγεται η υστέρηση
στην αντίδραση του οδηγού, που συνήθως παρατηρείται σε τέτοιες περιπτώσεις
λόγω στιγμιαίου πανικού. 'Ομως στη συνέχεια κάποιο ηχητικό ή φωτεινό σήμα
ελέγχου ειδοποιεί τον οδηγό για την αστοχία, που αλλιώς δε θα γινόταν
αντιληπτή. 'Οταν λειτουργεί το ABS το υγρό που αποστραγγίζεται κατά τη
διαδικασία μείωσης της πίεσης πρέπει να αναπληρωθεί από το υγρό του θαλάμου
υποβοήθησης. Γι? αυτό, στην αρχή της λειτουργίας του συστήματος, μια
βαλβίδα συνδέει το θάλαμο υποβοήθησης με τον κύριο κύλινρο και, μέσω των
σωληνοειδών βαλβίδων του ABS, με τα φρένα. Το υγρό που αποστραγγίζεται για
να μειωθεί η πίεση αναπληρώνεται από το υγρό που περιέχει ο θάλαμος
υποβοήθησης, ενώ τα έμβολα του κύριου κυλίνδρου μπορούν ακόμα να αυξήσουν
την πίεση του φρεναρίσματος. Κατά τα άλλα η μείωση της πίεσης στα φρένα
γίνεται με σωληνοειδείς βαλβίδες τριών σημείων λειτουργίας, όπως
περιγράφτηκε στο ABS 2. H ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου είναι και αυτή η ίδια
με τις απαραίτητες προσθήκες για τον έλεγχο της λειτουργίας του συστήματος
υποβοήθησης.
Το σύστημα ALB της Χόντα είναι ένα απλοποιημένο ABS δυο δρόμων. Τη
λειτουργία του συστήματος ρυθμίζει η κίνηση του μπροστινού τροχού με την
καλύτερη πρόσφυση. Αυτό σημαίνει ότι σε φρεναρίσματα πανικού ο ένας
μπροστινός τροχός μπλοκάρει, οπότε το αυτοκίνητο χάνει τη μισή του
κατευθυντικότητα. Στον πίσω άξονα η λειτουργία του συστήματος ρυθμίζεται
από την κίνηση του τροχού με τη μικρότερη πρόσφυση. 'Ετσι οι πίσω τροχοί
δεν μπλοκάρουν και εξασφαλίζεται η ευστάθεια του αυτοκινήτου κατά το
φρενάρισμα. Στο σύστημα ALB η υποβοήθηση αποτελεί ξεχωριστή μονάδα που
λειτουργεί ανεξάρτητα.
'Ενα άλλο σύστημα είναι το Mark II της Teves. Εδώ η υποβοήθηση είναι μέρος
του συστήματος, όπως και στο ABS 3. Στο φρένο κάθε τροχού υπάρχει μια
βαλβίδα εισόδου και μια εξόδου του υγρού. 'Οταν ο τροχός τείνει να
μπλοκάρει αρχικά κλείνει η βαλβίδα εισόδου και, αν δεν υπάρξει αποτέλεσμα,
ανοίγει η βαλβίδα εξόδου, οπότε μειώνεται η πίεση αφού το υγρό επιστρέφει
στο ρεζερβουάρ υγρού φρένων. Τα μπροστινά φρένα ελέγχονται ανεξάρτητα το
ένα από το άλλο, ενώ πίσω η λειτουργία του συστήματος ρυθμίζεται από τον
τροχό με τη μικρότερη πρόσφυση.
H Λούκας αρχικά παρουσίασε το σύστημα SCS. Πρόκειται για ένα μηχανικό
σύστημα δυο δρόμων. Οι μπροστινοί τροχοί σε αυτό το σύστημα ελέγχονται
ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, ενώ η πίεση στους διαγωνίως πίσω τροχούς
ρυθμίζεται υδραυλικά με βαλβίδες μείωσης της πίεσης. Αυτές οι βαλβίδες
είναι ρυθμισμένες έτσι ώστε οι πίσω τροχοί να μην μπλοκάρουν σε φρενάρισμα
στην ευθεία. Το σύστημα ενεργοποιείται με μηχανικό τρόπο από ένα σφόνδυλο
που σε κανονικές συνθήκες περιστρέφεται με την ταχύτητα του μπροστινού
άξονα. 'Οταν ο τροχός αρχίσει να μπλοκάρει, ο σφόνδυλος διατηρεί, λόγω
αδράνειας, την αρχική του ταχύτητα και περιστρέφεται πιο γρήγορα από τον
άξονα. 'Ετσι μετατοπίζεται, χάρη σε έναν ειδικό μηχανισμό, πάνω στον άξονα
και ενεργοποιεί τη βαλβίδα αποστράγγισης του υγρού. H πίεση πέφτει, ο
τροχός επιταχύνει και ο σφόνδυλος απομακρύνεται από τη βαλβίδα που έτσι
ξανακλείνει. 'Ενα πολύπλοκο σύστημα εμβόλων και μοχλών ελέγχουν έναν
συμπλέκτη και έτσι συμπλέκουν και αποσυμπλέκουν το σφόνδυλο, ανάλογα με τη
φάση λειτουργίας στην οποία βρίσκεται το σύστημα. H λειτουργία αυτή
επαναλαμβάνεται όσο διαρκεί το έντονο φρενάρισμα.
Στη συνέχεια η Λούκας συνεργάστηκε (εξαγοράστηκε) με τη Μπος και άρχισε να
κατασκευάζει τα ηλεκτρονικά συστήματα της τελευταίας. Πρόσφατα παρουσίασε
το σύστημα ABS-F που λειτουργεί με σωληνοειδείς βαλβίδες δύο (αντί για
τριών) σημείων λειτουργίας σε συνδυασμό με απλές βαλβίδες ελέγχου ροής. H
κατασκευή αυτή είναι φτηνότερη και το «κλώτσημα» στο πεντάλ των φρένων όταν
τίθεται σε λειτουργία το ABS είναι πιο μαλακό. Το σύστημα ABS-F είναι
τεσσάρων δρόμων και η συσκευή υποβοήθησης είναι ενσωματωμένη σε αυτό.
ΔΙΣΚΟΙ KAI ΤΑΜΠΟΥΡΑ
Μέχρι τώρα δεν μιλήσαμε για τα ίδια τα φρένα, τις επιφάνειες δηλαδή στις
οποίες φθείρεται με τριβή η κινητική ενέργεια του αυτοκινήτου. 'Οπως είναι
γνωστό υπάρχουν δυο είδη φρένων: οι δίσκοι και τα τύμπανα (ταμπούρα).
Τα δισκόφρενα, όπως μαρτυρά και το όνομά τους, αποτελούνται από έναν
μεταλλικό δίσκο και μια σιαγόνα με τακάκια από ειδικό υλικό τριβής, που
σφίγγει τον δίσκο και από τις δυο πλευρές. H τριβή που αναπτύσσεται έτσι
φθείρει την κίνηση του αυτοκινήτου. H λειτουργία των δισκόφρενων είναι
προοδευτική και τα τακάκια φθείρονται ομοιόμορφα και από τις δυο πλευρές. H
θερμότητα διαχέεται πιο εύκολα και μάλιστα υπάρχουν και ειδικά δισκόφρενα
με οπές εξαερισμού, τα αεριζόμενα δισκόφρενα. H λειτουργία τους είναι πιο
αθόρυβη και χάνουν δυσκολότερα την αποτελεσματικότητά τους σε παρατεταμένα
φρεναρίσματα. 'Εχουν όμως και ένα μειονέκτημα. Τα τακάκια φθείρονται πιο
γρήγορα απ? ότι στα ταμπούρα, ιδίως στα βαρύτερα οχήματα. 'Ετσι το κόστος
συντήρησής τους παρουσιάζεται αυξημένο.
Στα ταμπούρα οι σιαγόνες βρίσκονται στην κοίλη πλευρά ενός τυμπάνου και
πιέζουν τα τακάκια στην εσωτερική περιφέρεια του τυμπάνου, όπως φαίνεται
στις εικόνες 8 και 9. Στις εικόνες αυτές βλέπουμε διάφορα είδη ταμπούρων.
Στην εικόνα 8 τα τακάκια είναι αρθρωμένα στο ένα τους άκρο και το έμβολο
του συστήματος φρένων κινεί το άλλο τους άκρο. Τα ταμπούρα αυτά λέγονται
τύπου Σίμπλεξ. Εδώ βλέπουμε τρεις τρόπους μετάδοσης της κίνησης: απ?
ευθείας, με σφήνα και με κάμα σχήματος S. Κοινό χαρακτηριστικό αυτών των
τύπων ταμπούρου είναι ότι τα δυο τακάκια συμπεριφέρονται διαφορετικά κατά
το φρενάρισμα. Το τακάκι με τον αριθμό 1 ονομάζεται πρωτεύον και όταν
ακουμπήσει στο τύμπανο η περιστροφή του τροχού τείνει να το παρασύρει προς
εκείνο και το πιέζει με ακόμα περισσότερη δύναμη στο τύμπανο, λόγω της
τριβής που αναπτύσσεται. Σε ακραίες καταστάσεις το φαινόμενο αυτό οδηγεί σε
γρήγορο μπλοκάρισμα του φρένου (φαινόμεμενο αυτομπλοκαρίσματος ή, στα
αγγλικά, self locking brake effect). Το τακάκι με τον αριθμό 2 ονομάζεται
δευτερεύον και η περιστροφή του τροχού τείνει να το απομακρύνει από το
τύμπανο μειώνοντας έτσι τη συμβολή του στο φρενάρισμα. 'Ενα ακόμη πρόβλημα
αυτών των ταμπούρων, εκτός από το φαινόμενο του αυτομπλοκαρίσματος, είναι η
ανομοιόμορφη φθορά στα τακάκια. Το πρόβλημα αυτό λύνεται μόνο στην
περίπτωση που τα τακάκια κινούνται με κάμα S, αλλά η απόδοση του φρένου
είναι μειωμένη και το φαινόμενο αυτομπλοκαρίσματος εξακολουθεί να αποτελεί
κίνδυνο.
Στην εικόνα 9 βλέπουμε δυο πιο σύγχρονες σχεδιαστικές λύσεις για ταμπούρα,
που όμως εφαρμόζονται μόνο σε φορτηγά και λεωφορεία. Πρόκειται για τα
ταμπούρα τύπου Ντούο. Τα τακάκια πιέζονται και με τα δυο άκρα τους στο
τύμπανο. 'Ετσι δεν υπάρχει πλέον πρωτεύον και δευτερεύον τακάκι, ο κίνδυνος
του αυτομπλοκαρίσματος απομακρύνεται και τα τακάκια φθείρονται ομοιόμορφα.
ΑΛΛΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΦΡΕΝΩΝ
Το θέμα όμως των φρένων δεν εξαντλείται εδώ. H τεχνολογία έχει προχωρήσει
ακόμα περισσότερο στα βαρέα οχήματα. Σε αυτά το μέσο μετάδοσης της πίεσης
είναι πεπιεσμένος αέρας, αντί για υγρό. Κατά τα άλλα οι αρχές λειτουργίας
του συτήματος φρένων παραμένουν οι ίδιες με αυτές που περιγράφτηκαν πιο
πάνω. 'Ομως στα οχήματα αυτά χρησιμοποιούνται διάφορα συστήματα
σταθεροποίησης της ταχύτητάς τους σε δρόμους με μεγάλες κατηφορικές
κλίσεις, τα οποία λειτουργούν ανεξάρτητα από τα φρένα. 'Ετσι αποφεύγεται η
κόπωση των φρένων. Τα συστήματα αυτά μπορούν να λειτουργούν ταυτόχρονα με
τα φρένα στο φρενάρισμα, αυξάνοντας έτσι την απόδοσή τους. Μια μορφή
τέτοιων συστημάτων είναι τα φρένα εξάτμισης ή κλαπέτα. Σε αυτά ένα κλαπέτο
φράζει την εξαγωγή του κινητήρα μετατρέποντάς τον σε συμπιεστή και
αυξάνοντας πολύ τις αντιστάσεις μέσα σε αυτόν. Τέτοιο σύστημα έχουν τα
αστικά λεωφορεία της Αθήνας κι εκεί οφείλεται ο χαρακτηριστικός θόρυβος που
κάνουν όταν φρενάρουν. Μια άλλη μορφή είναι οι υδραυλικοί επιβραδυντές
(retarders). Πρόκειται ουσιαστικά για έναν μετατροπέα ροπής του οποίου η
μια φτερωτή είναι ακινητοποιημένη και η άλλη κινείται από το διαφορικό. H
τριβή που αναπτύσσεται στο υγρό του μετατροπέα φθείρει την κίνηση. Με
ανάλογο τρόπο λειτουργούν και οι ηλεκτρομαγνητικοί επιβραδυντές που η
λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρικής επαγωγής. Και στους
δυο τύπους επιβραδυντών αναπτύσσονται μεγάλες θερμοκρασίες και έτσι πρέπει
να λαμβάνεται μέριμνα για την ψύξη τους. Το θέμα όμως του ελέγχου της
ταχύτητας των μεγάλων οχημάτων μπορεί να αποτελέσει ξεχωριστό άρθρο και γι?
αυτό ίσως επανέλθουμε σε επόμενο τεύχος.
Το σίγουρο από όσα είπαμε παραπάνω είναι ότι η τεχνολογία στα φρένα έχει
κάνει και εξακολουθεί να κάνει σιωπηρά και μεγάλα βήματα σε όλα τα μέτωπα.
'Ερευνες γίνονται για νέα ανθεκτικά και πιο οικολογικά υλικά τριβής, ενώ τα
συστήματα ABS εξελίσσονται συνεχώς. Για αυτά και άλλα πολλά οι 4T
παρακολουθούν από πολύ κοντά (και αυτό δεν είναι σχήμα λόγου) τις εξελίξεις
και θα σας ενημερώσουν μόλις υπάρχει κάτι θετικό και σίγουρο._Π.Σ.