Ha nem fékezel, meghalsz

2010.03.23. 08:38
Először megbízható kellett, utána brutálisan erős, manapság pedig az adagolhatóságért és kezelhetőségért sír mindenki. Nézzük át a kezdetektől a mai profi versenyfékekig: mi változott és merre halad a fejlesztés?

A 70-es években felgyorsult a motorkerékpárok műszaki fejlődése, egyre erősebb és gyorsabb modellek jelentek meg. A soros négyhengeresek tömegéhez és teljesítményéhez az addig bevált és mindenki által alkalmazott dobfék már elégtelennek bizonyult. Hiába a kétkulcsos, nagy belső áttételű dobfék, a számos hátrányát már nem tudták megbocsátani a közel 100 lóerős, 200 kg feletti gépek.

Egyik komoly hátránya a tömeg, mert bizony nehéznek kellett lennie ahhoz, hogy erős legyen, ne deformálódjon a pofák feszítő erejétől. A nehéz, vastag falú dob rugózatlan tömegként is számottevő, de a legnagyobb probléma a melegedése és nehéz hűlése volt. A forró dob ismételt fékezéskor szinte hatását vesztette, öntisztulása gyenge volt, a vízre érzékenyen reagált.

1969-ban a Tokyo Motor Show-n bemutatták a soros négyes Honda CB750-et. Sokan megbámulták a prototípust: ez volt az első utcai tárcsafékes motorkerékpár. A rendszer futótűzként terjedt, ma már ritka az olyan motor, ahol legalább elöl nincs.

Ha közelebbről megnézzük az akkori tárcsafékeket, láthatjuk, hogy a '66-os prototípusnak már csak működési elvében és koncepciójában van köze a mai, korszerűnek tekinthető utódokhoz. Az első tárcsafékek általában a villa elé szerelt, rögzített (fix) féknyereggel és teljesen fix, tehát nem úszóágyazású tárcsával készültek. Ez az elrendezés is akkora előnyt jelentett a dobfékhez képest, hogy egészen a 80-as évek elejéig szinte csak ilyet láthattunk, legyen szó akár BMW-ről vagy Hondáról, illetve Brembóról vagy Nissinről. A változás csak annyi volt, hogy a nyereg a villa mögé került.

A tárcsafék könnyű, megbízható, jobban hűl, jobban tisztul, majdnem érzéketlen az esőre. Működtetése hidraulikus, sokkal kisebb kézerőt igényel, állítani nem kell. Ezek a fix nyergek általában kétdugattyúsak voltak, tehát a tárcsa mindkét oldalán egy-egy dugattyú volt, gyakran külön légtelenítési lehetőséggel.

A következő evolúciós lépcső az úszó nyereg volt, ahol az egyik oldalon volt egy, esetleg kettő dugattyú. Az egész féknyereg csapokon tudott elmozdulni. Ahogy a dugattyú nekifeszült a tárcsának, az erő-ellenerő fizikai törvény alapján az úszó nyereg ráhúzta a másik oldali betétet a tárcsára. Ezt először fix tárcsával, később pedig úszóval is alkalmazták. Ez a konstrukciós kialakítás annyira bevált, hogy a mai motorokon is megtalálható, a 90-es években pedig csak a supersport motorokon volt más rendszerű féknyereg.

A magyarázat elég prózai: a gyártása olcsó és relatíve jó fékerőt biztosít, ha rendszeresen karban van tartva. Az ára azért kedvező, mert egy darabból lehet megmunkálni, nem kell olajátvezető furat a nyereg másik oldalára és egy légtelenítő csavar elég rá. Hátránya, hogy a csapokat rendszeresen kell tisztítani és kenni, a porvédőket ellenőrizni, mert ha kosz megy alá, esetleg berozsdásodik és megszorul, akkor a nyereg rögzül és csak az egyik oldali betét, a dugattyú felőli fog fékezni. Amennyi erő kell az elcsúsztatáshoz, annyival kisebb fékerőt ad a túloldali fékbetét.

Persze ebben a konstrukciós kialakításban is vannak finomságok, sokat fejlesztették az elmúlt évtizedek alatt. Kulcskérdés a nyereg pontossága, könnyű mozgása, valamint a merevsége. A csúszócsapok kialakítása, pontossága is nagyon meghatározó. Egy ötvözött acél csap egy szinterfém hüvelyben, pontosan illesztve, professzionálisan megoldott porvédelemmel könnyen mozgó nyerget eredményez, nem lesz szorulás, fékerőt csökkentő billenés.

A nyereg anyaga is meghatározó. Egy ötvözött öntvény nyereg jelenti a kategória legalját, amellyel főleg a kezdetekben találkoztunk. A terepmotorokon ma a kovácsolt, berilliummal ötvözött, forgácsolt alumínium nyereg jelenti a csúcsot. Az ilyen könnyű és erős, minimális a deformációja. A rugalmas alakváltozás energiát emészt fel, az energia pedig csak a fékerőtől tud elszökni, minden nyeregdeformáció nagyon nagy veszteség a hatásosság rovására.

Ha tovább haladunk az időben, akkor a kilencvenes évek superbike-jain megjelentek a négydugattyús rendszerek és az úszó tárcsák. Itt a nyereg teljesen rögzített, a tárcsa pedig képes elmozdulni oldalirányban, mert menesztő csapokkal van felfogatva a középső részhez, amely a kerékagyhoz csavarozott. Természetesen az oldalirányú elmozdulás minimális, a millimétert sem éri el.

Csak a legkorábbi rendszerek voltak fix nyereggel és fix tárcsával szerelve; ez nem bizonyult okos megoldásnak, mert a tárcsa bármilyen kis hődeformációja visszahat a főhengerre és a fékkar pumpálni kezd, így az egész rendszer beremeg. Ez nem csak kellemetlen, hanem a fékerőt is csökkenti. Az úszó nyereg ezt kiküszöböli, a fix nyereg és úszó tárcsa esetében pedig a tárcsának van játéka; ott a csekély deformáció ki tud egyenlítődni.

Ha supersport alkalmazásról vagy sportos utcai motorról beszélünk, a négydugattyús féknyereg és az úszó tárcsa tekinthető ma is a legjobbnak. Voltak próbálkozások hatdugattyús fékekkel, de a könnyen megszoruló, kissé keresztbe álló hosszú betét, a nem egyforma erőt kifejtő dugattyúk miatt nem volt olyan hatékony, mint az egyszerűbb berendezés. Fokozottan igaz ez a használt, három-ötéves fékekre. Ráadásul a hosszú féknyereg (és betét) deformációra hajlamosabb volt, mint a kompakt négydugattyúsok, így az is csökkentette erejét.

A nyereg rugalmas deformációja a hatékonyság fő ellensége. Ez ellen két módszerrel tudunk védekezni: az anyagválasztással és a szerkezeti kialakítással. A kovácsolt, ötvözött alumínium, vagy az egy anyagból forgácsolt, öntött nyergek a legjobbak és persze a legdrágábbak. A sorozatgyártásban a nagy áttörés akkor történt, amikor a megmunkálási technológiák elértek arra a szintre, hogy olcsón, tömeggyártásban tudtak egy darabból forgácsolni négydugattyús nyergeket; a Sumitomo által 1998-ban készített Yamaha R1 első fék volt ilyen.

Az egy darabból forgácsolt nyeregbe kívülről tolták bele a dugattyúkat és csavaros dugóval zárták le. A korabeli tesztek kiemelték a hatásosságát és adagolhatóságát. Hamarosan a többi Yamaha is átvette ezt a féknyerget, kiszorítva például az FZR szintén Sumitomo-féle hatdugattyúsát.

Korábban a dugattyúkat belülről, a tárcsa felől szerelték és a két oldal csavarkötéssel volt összefogva. Így a gyártásnál könnyen tudtak átvezetőket fúrni bele. Ezzel a módszerrel is jó fék készíthető, a Brembo Gold Line sorozata ma is így készül. Persze az ő kínálatukban is megjelent az egy darabból készült ’monoblock’ nyereg, ami megtalálható a Ducati 1098-ason vagy a KTM RC8-ason. Ezek valóban szinte versenyszintű fékek, de áruk is ennek megfelelő.

Ne hagyjuk ki áttekintésünkből a kapcsolt, kombinált vagy összekötött fékrendszereket sem. Akárhogy is nevezzük az elvet, a lényege az, hogy az egyik fékkör (első vagy hátsó) működtetésével fékerő jut a másik fékkörre is.

Ennek elsősorban olyan túramotorokon van értelme, ahol a tengelytáv és a motor tömege is nagy, így a hátsó kerékre több terhelés jut. Talán a figyelmetlen vagy gyakorlatlan pilótát célozza meg a tervező, mert a versenymotorokon ennek nincs helye. Hiába van beállítva pontosan a féksorrend, a hátsó kereket kicsit túlfékezi, ha igazán sportos megállásra vagy féktávra kényszerülünk. Ez több okból sem kívánatos. Ne feledkezzünk meg arról, hogy a profik a hátsó féket szeretik másra is használni, mint puszta lassításra: a hátsó rugóstagot és kanyarban a kormányozottságot befolyásolják vele.

A rendszer műszaki megoldásainál sok érdekességet találunk, mérnökembernek csemege az ilyen motor. A Honda VFR-nél például az első féknyereg reakció erejét használják a hátsó fékkör rásegítésére. Ezzel a féksorrend eleve meghatározott: csak akkor ébredhet automatikus fékerő hátul, ha az elsővel már fékeztünk és ott nyerget terhelő erő ébred.

A féksorrend azért fontos, mert szükség van az első kerék tapadásához arra, hogy az első rugóstag kicsit összeüljön, az eredő súlypont helyzete dinamikusan változzon és nagyobb terhelő erő jusson az első kerékre. Profik ezt kezelik tudat alatt, amatőröknek (nekünk) segít a műszakilag beépített és meghatározott féksorrend.

A tervezők már a korai fázisban rájöttek arra, hogy a fékerő egekig fokozása a használhatóság rovására megy, mert az adagolhatóság látja kárát. Az ideális berendezés a kézerővel arányosan, esetleg nagy kézerőnél kicsit progresszíven adagolja a fékerőt.

Ha ezt el akarjuk érni, akkor a teljes rendszernek minimális rugalmasságúnak kell lenni, sem a fékcső, sem a nyereg nem deformálódhat jelentősen. Ez a linearitást szüntetné meg, rosszabb esetben nem tudnánk elég fékerőt kivezérelni, hiszen felemésztené az energiát. A rendszerben a legrugalmasabb elem a fékcső. Mivel két egymástól változó távolságú és helyzetű szerkezeti elemet kell összekötnie (fék főhenger és féknyereg), mindenképpen rugalmasnak kell lennie.

A gyártók általában gumi fékcsövet alkalmaznak, a sportosabb modelleken pedig fémszövettel burkolt speciális műanyag (teflon) csöveket. Ezt a köznyelv gyakran fém fékcsőnek egyszerűsíti. Ezeknél kisebb energia megy el a fékcső rugalmas alakváltozására, másrészről kisebb a modulációja: minden visszafelé jövő erőhatás, rezgés alig csillapítva jut vissza a főhengerbe, így a működtető kezére, lábára.

A fémszövésű fékcsőnek további hátránya, hogy kevésbé tartós, kevésbé ellenálló fizikai behatásoknak. Ha megtörik, azonnal cserélni kell, mert a belső csöve a törésnél elgyengül, a külső fém szövés pedig csak a belső cső tágulását akadályozza meg - nem záróréteg a folyadék szempontjából. A folyamatos hajlítgatás a gumicső rugalmasságát is növeli, szilárdságát csökkenti, így időszakos cseréje annak is javasolt. Fokozottan igaz ez a fémszövetű fékcsőre, ott az időszakos csere 2-4 évente javasolt.

A rugalmasság elleni harcban rendkívül fontos a munkahenger vagy féknyeregtest villapapucshoz való rögzítési módja is. Ha rugalmas a rögzítés, jelentős erő megy el az elem görbítgetésére, vagyis kisebb erő jut a fékezésre. Erre egyik válasz a radiálisan felszerelt féknyereg, amely egyenesen a versenysportból jött ki az utcára.

A versenypályán két ok miatt is alkalmazzák. Az egyik, hogy a nagyjából a tengely sugárirányában elhelyezett felfogató csavarok és a konzol nem vesznek fel nyíró terhelést, csupán húzót és nyomót. Erre sokkal könnyebb méretezni és a kívánt szilárdság kisebb tömeggel is megvalósítható. A másik praktikus szempont, hogy ezek a konzolok lehetőséget adnak a féktárcsák cseréjére, az átmérő csökkentésére vagy növelésére mindössze egy-egy távtartó berakásával vagy kiszerelésével. De miért kell nekik kisebb féktárcsa, ha a nagy is elfér? Hogy rosszabb legyen a fék? Majdnem.

A féktárcsa együtt forog a kerékkel, ott rugózatlan tömeget képez. A giroszkópikus erő, vagyis pörgettyűhatás miatt a forgási síkból való kitérítéséhez erőre van szükség. Ez azt jelenti, hogy a motor irányváltása nehézkesebbé válik, a szűk kanyarokba nehezebb lesz betenni. Azokon a versenypályákon, ahol a tempókülönbségek nem nagyok, de sok kanyar van, ott kisebb féktárcsát szerelnek fel. Így a motor jobban fordul és elégségesen fékez.

Ez a pörgettyűhatás magyarázat arra is, hogy miért nem szeretik a gyártók a 300-320 mm-nél nagyobb átmérőjű tárcsát. Nem csak a kerék kivételét nehezíti meg (nem fér el a ráf a nyeregtől, a kerékcsere alkalmával azt is le kell venni), hanem a motor kezelhetőségét, irányíthatóságát is rontja. Az úszó féktárcsák egyik előnye, hogy a belső részüket könnyebb anyagból lehet készíteni, a külső, féknyereg által markolt tárcsa pedig lehet kopásálló acél. A tömege jóval kisebb lesz, mint az egy anyagból készített fix tárcsának, ahonnan elindultunk a hatvanas évek végén.

A tárcsák kialakítása is sokat fejlődött, a 80-as években megjelentek a furatolt úszó, valamint a hullámos szélű furatolt tárcsák. Ezeknek az egyik legnagyobb előnyük, hogy jobban hűlnek a nagyobb felület, a furatok, illetve a hullámok által a betétek közé szállított levegő miatt. Mellesleg az éles peremek tisztító hatást fejtenek ki a betéteken.

Vannak egzotikus megoldások is, pl. a Buell által használt, a felni peremére rögzített féktárcsa. Ennek előnye, hogy a nagy átmérő miatt az erő nagy sugáron hat, így kisebb erő is azonos vagy nagyobb nyomatékot (fékerőt) ad a kerékre. A tárcsa és betét relatív sebessége nagy, így jól adagolható a fék, de a nagy sugár automatikusan hozza a nagyobb pörgettyűhatást. A nagy átmérő miatt a deformációja is nagyobb, a rendszer kényes az ütésre és nehéz is. A fizikában ritkán van előny hátrányok nélkül.

A betéteket sem hagyta az idő változatlanul. A korábban szinte kizárólagosan alkalmazott organikus alapanyagú, azbeszttel (kőlen vagy foszkő) dúsított betéteknek végét jelentette a felfedezés, hogy az azbeszt rákkeltő. Sajnálhatjuk, mert nagyon hatékony volt, jól bírta a hőt és nem változott jelentősen a sűrűsége és térfogata a hőfok emelkedésével. Kiváltására fémreszeléket próbáltak alkalmazni hasonló organikus (szerves) ágyazatban, de zajos volt és nem volt egyenletes a fékhatás.

A szerves ágyazat általában valamilyen szénmódosulat, van, ahol az azbesztet üvegporral, rézforgácsokkal vagy egyéb kőzúzalékokkal helyettesítik. Ezeknek előnye az állandó fékhatás – amíg nem melegszik túl – és a tárcsa kímélése.

Korszerűbbnek tekinthetők és a versenysportban szinte egyeduralkodók a szinter betétek. Ezeknél a kopó anyag (a köznyelv helytelenül ferodolnak nevezi, valószínűleg a Ferodo márkanévből származtatva) kb. 10-15 különböző por alakú alkotóelemből készül préseléssel. Alkotói jellemzően szinterfémek, de van közöttük réz, bronz és esetenként ólom is. A komponensek aránya határozza meg a betét viselkedését, súrlódási együtthatóját, hőtűrését, zaját és élettartamát.

Kitalálhatjuk, hogy ha egy betét magas súrlódási együtthatójú, akkor jobban koptatja a tárcsát és zajosabb is. Ha kíméletesebb a tárcsával, akkor esetenként hosszabb élettartamú és csendesebb. Sokféle kombináció létezik, azonban az ideális betét melegen is jól fog és a hőmérséklet változásával sem változik a súrlódási együtthatója.

A versenysportban sokat cserélgetik a betéteket, egy-egy csapat akár négy-öt féle betéttel készül egy adott pályára. Mindnek különböző az összetétele; gumi, hőfok vagy tárcsaátmérő alapján választják ki. Terepmotorosoknál többször látjuk, hogy egyes pályákon első tárcsavédővel mennek, másik pályán pedig nélküle. Ez nem csak az általános védelem miatt van. Amikor fent van, a betét és tárcsa akár ötven százalékkal melegebb. Ha olyan a betét, ami igényli a magasabb hőfokot és pont ez kell nekik, akkor felrakják.

A betéteket illesztik a tárcsa anyagához is. Előfordulhat, hogy egyes betétek nekünk nem jók, de a barátunk motorján nagyon jól fognak. Ennek oka, hogy az ő tárcsájának más az ötvözete, így az adott betét jobban „illik” hozzá. Ezzel magyarázható, hogy gyakran a gyári szerelésű betétek a legjobbak, de legalábbis a jobbak közül valók. A mérnökök ugyanis egy-egy modell esetében bekérnek vagy nyolc-tíz különbözőt, majd tesztelik. Aztán teljesítmény és ár alapján döntenek.

Az utóbbi időkben elterjedtek a négydugattyús nyergekhez a dugattyúnkénti betétek, tehát egy nyeregben négy betét van, mint a Brembo monoblock fékeiben. A magyarázat egyszerű. Hamar rájöttek arra, hogy a hosszú fékbetét előnytelen. Egyrészt a dugattyúk nem nyomják teljesen egyforma erővel, másrészt a legjobb hordozó anyagú fékbetétnek is van hődeformációja, torzulása. Ha a fékezéskor a betét deformálódik, akkor nem ér egyenletesen a tárcsához, így a fékerő csökken. Osztott betéttel ilyen nincs, mert rövid, nem tud keresztbe állni, deformációja minimális.

Az elmúlt öt-hat évben a szerkezeti kialakításban nagy különlegességek nem születtek, a tervezők az anyagválasztással és a főfékhenger- és a féknyereg-dugattyú arányaival voltak elfoglalva. Ez a két dolog nagyban meghatározza, hogy egy fék milyen karakterisztikájú és mennyire adagolható. Egy jól választott dugattyúaránnyal, egy tárcsához megfelelő betéttel, amit egy speciálisan ötvözött féknyereg ölel, nagyon jó féket készíthetünk. Ha a felsoroltakból valamit nem megfelelőre, vagy kevésbé jóra cserélünk, akkor a fék azonnal rosszabb lesz; sok-sok teszteredményt és sok beleölt energiát nullázunk le.