A raliautók fékrendszereinek speciális követelményei

A fékekkel szemben támasztott technikai követelmények lényegében azonosak az autósport összes ágában, legyen az pályaversenyzés, vagy egy raliverseny, a fékrendszerek feladata, hogy megállítsák az autót. Úgy kell ezt biztosítaniuk, hogy az irányíthatóság a lehető legjobb legyen, emellett meg kell birkózniuk a fékezés közben keletkező hővel is. A ralisportban a fékezési teljesítménnyel összefüggő legnagyobb korlát a kerékméret: murván túlnyomórészt 15 collos felniket használnak, ami miatt a maximális féktárcsaátmérő 300 milliméter körül van. Több kategóriában is ebben a méretben maximálják a féktárcsaátmérőt.

„Relatíve kis féktárcsával kell tudni megszabadulni az összes energiától, amit az autó a fékezés alatt állít elő” – mondja Peter Babbage, a brit PFC Brakes ügyvezető igazgatója, akiknek a legutóbbi ralisporttal kapcsolatos projektje a Renault-val az új Clio R3T-n folytatott közös munka. „Ez azt jelenti, hogy a féktárcsa anyagának meg kell tudnia tartani a strukturális integritását, de el kell vonnia a hőt is, megelőzve, hogy a féknyeregre túl nagy hő jusson.

Ha túl sok hő jut a féknyeregre, a fékolaj elkezd forrni, és ha ez egyszer megtörténik, vége a játéknak, a pedál nagyon hosszú úton, nagyon lágyan fog járni” – mondja Babbage. „A probléma az, hogy ha egyszer felforrt a fékolaj, a visszahűlés után sem fog a pékpedál normálisan működni, mivel levegő került a rendszerbe. Csak a szervizparkba visszatérve lehet megoldani a dolgot a fékek légtelenítésével.

Találtunk egy területet, ahol tudunk segíteni ezen a problémán, mégpedig a dugattyú fej és a dugattyú test közé egy elválasztó elemet helyeztünk” – árulja el a szakember. A megoldás egy hőelválasztó anyag, ami ugyanaz az anyag, mint amiből a rakéták burkolata is készül. „Képtelenül drága ez, de hihetetlen munkát végez a hőszigetelésben” – mondja Babbage.

Az eredmény egy három részből álló dugattyú, van a dugattyú fej, a dugattyú test és egy vékony szigetelő réteg. Az összehasonlító tesztek során a cég 10-20 Celsius fokos hőmérsékletcsökkenést állapított meg a féknyeregben a hőszigetelés használatával. Ez szignifikáns különbség, mivel a fékfolyadék felforrásakor – feltéve ha a fékrendszert a szándékolt alkalmazásnak megfelelően tervezték meg – gyakori, hogy csak néhány fokkal lépi túl a forráspontot. Éppen ezért a hőmérséklet csekély mértékű redukálása is csökkenti a fékfolyadék felforrásának esélyét.

Költség kontra teljesítmény

Elkerülhetetlen, hogy a fékrendszer alkatrészei egyfajta kompromisszumot képviseljenek bármilyen fajta versenyautóban. A tervezésben részt vevő különböző feleknek különböző programjaik lesznek az olyan faktorokat figyelembe véve, mint a költség vagy az elvárt teljesítmény. „Egyrészről lesznek olyan mérnökök, akik azt mondják, a féket a meghatározott kerék alá akarják beépíteni, és az legyen olyan könnyű és olyan merev, amilyen csak lehet” – meséli Babbage. „Amikor a beszerzési osztály is bevonásra kerül, ők már a lehető legolcsóbbat akarják.”

Mindehhez még hozzájön a szabályalkotó testületek egyre fokozódó törekvése, hogy az alkatrészek kontrollált költséggel rendelkezzenek. Az R5-ös specifikációjú autókra például készen vásárolható féknyergeket kell szerelni, nem pedig a kocsira egyedileg tervezettet, a négy darabos szett ára pedig nem haladhatja meg a 3200 angol fontot. „Ez azt jelenti, hogy a technikusaink még mindig a lehető legjobb teljesítményű féknyeregért dolgoznak, de néhány száz euróért kell ezeket előállítanunk, ami nehéz dolog” – magyarázza a PFC Brakes ügyvezető igazgatója.

A legutolsó generációs nagyteljesítményű féknyergek előállításához használt, az FEA (finite element analysis – végeselem analízis) alkalmazásával optimalizált gyártási technológiák ugyanakkor költségesek: az olyan tevékenység, mint amilyen az öttengelyű marás is, bár automatizált, emberi erőforrást igényel. Ahogyan Babbage hozzáteszi: „Még ha figyeli is csak a dolgozó a gépet, ki kell fizetni.” Az ilyen, autósporttal foglalkozó gyárban végzendő munkához szükséges tudással rendelkező gépkezelő alkalmazása pedig nem olcsó.

Ez vezette a gyártókat oda, hogy a CNC megmunkálás helyett a kovácsolást alkalmazzák a féknyereg házak előállításához. Tömeggyártásban a kovácsolás olcsóbb, mint a CNC megmunkálás, ugyanakkor a gyártás előkészítésének költségei a szerszámok előállítása miatt magasabbak. Az M-Sporttól Chris Williams világított rá arra, hogy a Fiesta R5 esetében nagy mennyiséget kellett rendelniük a féknyergekből azért, hogy effektíve alacsony költségen valósulhasson meg a gyártás.

Kontrol

A legnagyobb elvárás egy raliautó fékrendszerével kapcsolatban a kontrol: az egyetlen dolog, amit a pilóta érez, hogy a fék blokkolt-e vagy sem. „Ahhoz, hogy lehetővé tegyük a versenyző számára a fékerő pontos szabályzását, a lehető legmerevebb féknyeregre van szükségünk” – világít rá Babbage. „Aztán kompromisszumot kell kötni az autótervezőkkel a merevséget és a súlyt illetően. Van egy görbe – ami a merevség és a súly arányát mutatja –, ez az, ahol az FEA munka valóban képbe kerül, hogy a minimális súly mellett biztosítsuk a maximális merevséget.”

Terhelés alatt a féknyergek két különböző úton deformálódnak. A fékpedál megnyomásakor a fékfolyadék ébresztette erő megpróbálja a féknyerget szétnyitni, míg a kerék forgásából adódó erő csavaró hatásnak teszi ki a féknyerget. A fékezés első fázisában a féknyereg bármilyen mértékű szétnyílása növeli a dugattyúk közötti távolságot, így a fékpedál további lenyomása szükséges ahhoz, hogy a fékbetéteket a féktárcsához szorítsuk. Ahogyan a súrlódás növekszik, a féknyereg elkezd elcsavarodni, a dugattyúk közötti távolság csökken, a fékolaj így a munkahengerek felé mozdul. Ha a versenyző, tekintettel erre a fékolaj mozgásra nem engedi fel a fékpedált, a fékerő növekedni fog és a kerekek blokkolnak. „Minél inkább korlátozzuk ezt az elhajlást, annál konzisztensebb érzést kap a fékről a pilóta” – mondja Babbage.

Még a dugattyú és a féknyereg ház közötti tömítésnek is szerepe van. Természetüknél fogva a tömítéseknek megfelelőeknek kell lenni arra, hogy megakadályozzák a fékfolyadék munkahengerből történő elfolyását, a pilóta azonban egyúttal valamekkora kompresszibilitást is fog érezni a lágyabb pedál formájában. A fékgyártók sok erőfeszítést fordítanak arra, hogy a tömítés anélkül töltse be a szerepét, hogy a fékpedálra bármilyen hatással lenne.

A fékezési képességgel kapcsolatban egy másik faktor a pilóta magabiztossági szintjének alakulásában a fékbetét anyaga, mely egy olyan terület, amit az autó más részeinek, különösképpen a gumiknak fejlődése hajt. Ahogyan Babbage magyarázza: „A laza felületen elérhető tapadás fenomenális most már. Mivel megvan a tapadási szint, ez azt jelenti, hogy a versenyzők a tapadási határon mennek, és teljes felügyelet kell nekik a fékeken. A lehető legkésőbb akarnak fékezni, úgyhogy egy olyan fékbetét anyagra van szükségük, ami jól harap rögtön. Elképesztő, mekkora fékerőt akarnak, most jöttünk ki egy új súrlódó anyaggal, amiről azt hittük, túl agresszív lesz a raliban történő használatra, de úgy tűnik, tetszik a versenyzőknek.”

A féktárcsa méretének és kialakításának ugyancsak különleges hatása van a fékek gyorsasági szakasz teljesítése során mutatott viselkedését illetően, főként akkor, amikor fékezés során ébredő termikus terheléssel kell megbirkózniuk. Két aspektusa van a féktárcsának, melyek segítenek kezelni a teljes fékrendszerben keletkező hőt. Ezek egyrészt a rések a féktárcsa közepén, a másik pedig a hőtömeg. Egyértelmű, hogy minél nagyobbak a féktárcsán lévő lyukak, annál több hőt tud elszállítani a légáramlás. A féktárcsa hőtömege azt mutatja meg, hogy mennyi anyagot használtak fel a féktárcsa előállításához: egy nagyobb falvastagsággal rendelkező darab nagyobb hőt tárol el, így nagyobb termikus stabilitást biztosít.

„Ha egy nagyon vékony, könnyű féktárcsát használnak – mindenki ilyet szeretne –, nagyon gyors lesz a felmelegedés és lehűlés termikus ciklusa, ami a termikus fáradás problémájához vezethet” – mondja Babbage. „Amit mi szeretnénk, az a lehető legvastagabb féktárcsa anélkül, hogy a dolgok túl nehezek lennének, ami által sokkal egyenletesebb lesz a termikus ciklus. Minél vastagabb a féktárcsa, annál lassabban melegszik fel, általában alacsonyabb hőmérsékletet ér el, mint egy vékonyabb féktárcsa, és a lehűlés is hosszabb időt vesz igénybe, ami jó egyensúlyt biztosít a féktárcsa hőmérsékletét illetően, de csökkenti a hirtelen meghibásodás esélyét is.”

Érdekes módon az előírások hatására bevezetett költségkorlátozások a beszerzők akaratát visszhangozták, nem csak a fékrendszereket, hanem az alkatrészek széles spektrumát illetően. Ez egy pozitív eredmény a versenyzők számára, a gyártókat viszont arra ösztönzi, hogy jobb teljesítményt biztosítsanak alacsony áron.

Andrew