مستقل از کلاس و نوع خودروها و به طور کلی وسایل نقلیه، هر خودرویی نیازمند یک نوع سیستم ترمز است تا بتواند از حالت حرکت در سریع‌ترین حالت ممکن به وضعیت سکون بازگردد. برای دستیابی به این مهم، تقریبا از همان ابتدای خلق خودروهای بخار، حتی این گاری‌های مکانیزه به ترمز مجهز بودند. ترمزهایی که واقعا حتی برای توقف گاری در سرعت بالا نیز کارآمد نبودند.
در گذر زمان، سیستم ترمز خودروها بسیار پیشرفته‌تر و بهینه‌تر شد تا جایی که توان توقف آن‌ها از میزان توان تولید شده از سوی پیشرانه‌ها فراتر رفت. در این مقاله تنها به بررسی رایج‌ترین انوع سیستم‌های ترمز و تکنولوژی‌های وابسته به آن می‌پردازیم که به صورت گسترده در صنعت خودرو امروز نیز به کار گرفته می‌شوند.
یک واحد و دو مفهوم
پیش از ورود به بررسی انواع سیستم‌های ترمز، باید بدانیم که توان یا قدرت ترمزگیری یک سیستم ترمز بر اساس واحد اسب بخار (یا وات/ واحد کار) قابل اندازه‌گیری است که از قضا با واحد اندازه‌گیری توان تولیدی یک پیشرانه برابر است.
حقیقت آن است که پیشرانه با مصرف سوخت اقدام به تولید نیرو می‌کند که برای انجام یک کار بخصوص به کار گرفته می‌شود. این کار با واحد وات (W) یا اسب بخار (HP) یا برخی واحدهای دیگر قابل اندازه‌گیری است. سیستم ترمز نیز دقیقا کاری مشابه با پیشرانه اما در خلاف جهت انجام می‌دهد. وظیفه پیشرانه تولید توان و گشتاور برای به حرکت درآوردن خودرو است در حالی که وظیفه سیستم ترمز، کم کردن سرعت و توقف خودرو است. این دقیقا همان کار پیشرانه اما در جهت عکس است. در نتیجه این کار نیز در واحد مشابه وات یا اسب بخار قابل اندازه‌گیری است.
پس در صورت شنیدن جمله‌ای شبیه به اینکه توان ترمز این خودرو برابر با ۸۰۰ اسب بخار است، تعجب نکنید.
بزرگترین تمایز ترمزها
در دوران ابتدایی خلقت خودروها، پیشرانه‌ها بسیار ضعیف و پیش پا افتاده بودند. با رشد سریع توان و گشتاور خروجی پیشرانه‌ها، نیاز به یک سیستم ترمز قدرتمندتر احساس شد. در نتیجه سیستم‌های ترمز نیز به موازات تکنولوژی پیشرانه‌سازی رشد کرد، اما به سرعت مشخص شد که طراحی و ساخت یک سیستم ترمز قدرتمند بسیار ساده‌تر، کم زحمت‌تر و ارزان‌تر از ساخت یک پیشرانه قدرتمند است. به این ترتیب بسیار سریع توان سیستم ترمز خودروها از توان خروجی پیشرانه آن‌ها پیشی گرفت و سیستم ترمز در عمل قدرتمندتر از پیشرانه عمل کرد.
به عنوان مثال یک خودرو رایج از خانواده پراید را در نظر بگیرید. این خودرو در حدود ۸۰ اسب بخار قدرت از پیشرانه ۱.۳ لیتری چهار سیلندر خود تولید می‌کند. این در حالی است که سیستم ترمز کاملا معمولی و رایج این خودرو شاید به سادگی تا ۲۰۰ اسب بخار قدرت داشته باشد. به عبارت دیگر، در حالت تئوری این خودرو در قابلیت دستیابی به سرعت صفر از ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت، بسیار قوی‌تر از دستیابی به سرعت ۱۰۰ از صفر کیلومتر بر ساعت عمل می‌کند. این مهم به دلیل وابستگی به بسیاری از شرایط جانبی نظیر ضریب اصطکاک سطح، ضریب سایش تایرها، عرض تایرها، دمای هوا، شدت ترمزگیری، وجود یا عدم وجود سیستم ترمز ضد قفل و … در عمل بسیار متفاوت از تئوری است اما هنچنان به صورت آزمایشگاهی قابل اندازه‌گیری است.
حال تصور کنید خودرویی چون بوگاتی شیرون با ۱۵۰۰ اسب بخار قدرت پیشرانه، توان ترمزگیری فراتر از ۳۰۰۰ اسب بخار دارد. به صورت عمومی می‌توان گفت که سیستم ترمز خودروها معمولا به مراتب قدرتمندتر از توان تولیدی پیشرانه آن‌ها است اما این اختلاف در خودروهای سوپراسپرت و ابرخودروها به دلیل داشتن توان بسیار بیشتر پیشرانه، کمتر می‌شود.
انواع سیستم ترمز
با وجود داشتن تنوع در اقسام مختلف سیستم‌های ترمز، عملکرد همه آن‌ها به صورت کلی در قالب دو ساختار اصلی امروزی کاسه‌ای و دیسکی تقسیم‌بندی می‌شوند.
ترمزهای کاسه‌ای (Drum)
سیستم ترمز خودروها از ابتدای قرن بیستم، تقریبا همگی به شکل نمونه درام (Drum/طبل) یا کاسه‌ای ساخته شدند. این دست ترمزها از یک بخش دوار و یک بخش ثابت تشکیل شده‌اند. بخش دوار کاسه نام دارد و به همراه چرخ خودرو گردش می‌کند اما بخش ثابت که به محور خودرو متصل است، کفشک‌ها یا لنت‌های ترمز را شامل می‌شود. این کفشک‌ها فاصله مشخص و از پیش تعیین شده‌ای با کاسه دارند، اما این فاصله به کمک نیرو مکانیکی (سیم یا اهرم) یا نیرو هیدرولیک (فشار روغن ترمز یا فشار باد) قابل تغییر است.
با فشرده شدن پدال ترمز، نیرو سیال هیدرولیک داخل مسیر ترمز به پمپ ترمز وارد شده و با بیرون راندن دو قطعه، باعث فاصله گرفتن دو کفشک از یکدیگر و کمتر شدن فاصله کفشک و کاسه می‌شود. این مهم باعث اصطکاک میان کفشک‌های ثابت و کاسه متحرک شده و نیروی اعمال شده در قالب اصطکاک موجب کاهش سرعت کاسه و چرخ می‌شود. این نیرو وارده خود به حرارت حاصل از اصطکاک تبدیل شده و از بین می‌رود.
مزایا و معایب
+ فرایند تولید ارزان
+ نیازمندی کم به رسیدگی و سرویس
+ توان ترمزگیری بالا در مقایسه با ابعاد فیزیکی
+ مقاوم در برابر پاشش آب و گل و لای
+ مقاومت در برابر تاب برداشتن
+ طول عمر بالا
– تبادل حرارتی بسیار ضعیف
– افت چشمگیر عملکرد در صورت داغ شدن
– نیازمند نظافت دو بار در سال
– سرویس و تعمیرات دشوارتر
ترمزهای دیسکی (Disk)
ترمزهای دیسکی در مقایسه با ترمزهای کاسه‌ای، یک تکنولوژی نوین‌تر و به روز‌تر به حساب می‌آیند. البته نباید فراموش کرد که فراگیری این تکنولوژی، خود به دهه ۱۹۵۰ میلادی باز می‌گردد، اما در مقایسه با ترمز کاسه‌ای، بسیار جدیدتر است.
با این وجود مکانیزم و عملکرد آن تقریبا با ترمز کاسه‌ای یکسان است. تفاوت اینجا است که در ترمزهای دیسکی، بخش دوار به‌جای کاسه، از نوع دیسک است. یک صفحه دایره‌ای صیقل خورده ساخته شده از آلیاژ چدن (فیبر کربن در نسخه‌های خاص) که با چرخ خودرو می‌چرخد. در عوض بخش ثابت، حالا در قالب یک مجموعه به نام کالیپر ترمز (Brake Caliper) گرد هم آمده که متشکل از یک تا هشت پیستون فعال شونده با فشار سیال (روغن یا باد) و لنت‌های ترمز است. با اعمال نیرو ترمز و وارد آمدن فشار سیال بر پیستون‌های داخل کالیپر، دو لنت ترمز در دو طرف دیسک به یکدیگر نزدیک‌تر شده و به اصطلاح دیسک را گاز می‌گیرند. این مهم به افزایش شدید اصطکاک میان دیسک و لنت خودرو انجامیده و چرخ را از حرکت باز می‌دارد. نیرو اعمال شده در قالب اصطکاک و حرارت بسیار زیاد از بین می‌رود.
ترمزهای دیسکی از ابتدای دهه ۱۹۷۰ میلادی به صورت استاندارد و اجبار بین‌المللی تقریبا از سوی همه خودروسازان جهانی در محور جلو به کار گرفته شدند، اما امروز و بعد از سالیان دراز، استفاده از آن در محور عقب خودروها بیشتر به مانند یک انتخاب شخصی و یک سیاست شرکتی است و اجباری در آن نیست.
مزایا و معایب
+ تبادل حرارتی عالی
+ افت کمتر عملکرد فنی در حرارت بالا
+ حفظ پیوسته‌تر و یکنواخت‌تر نیرو ترمز
+ سرویس بسیار ساده‌تر و سریع‌تر
+ توان ترمزگیری قابل قبول
– هزینه بالاتر تولید
– حساس به برخور آب و گل و لای
– سهولت در تاب برداشتن
– طول عمر کوتاه‌تر
تکنولوژی‌های وابسته به سیستم ترمز
جدا از دو نمونه سیستم ترمز رایج مطرح شده، برخی دیگر از تکنولوژی‌های وابسته به این سیستم هستند که در راستای بهبود عملکرد و ارتقا بهینگی سیستم ترمز طراحی شده و معمولا ارتباط مستقیمی به نوع و مکانیزم سیستم ترمز ندارند.
ترمز ضد قفل
ترمز ضد قفل یا همان ترمز ABS، یک سیستم جانبی کنترلی بر مجموعه سیستم ترمز یک خودرو است که در دهه ۱۹۷۰ میلادی و ابتدا از سوی شرکت بوش (Bosch) آلمان توسعه یافت. این سیستم که اولین بار به صورت تولید انبوه برای مرسدس بنز W116 به کار گرفته شد، در حقیقت مجموعه‌ای از سنسورها و شیرهای الکترونیکی در مسیر پرفشار سیستم ترمز است که به هنگام اعمال ترمز سنگین و در صورت قفل شدن هر چرخ (صفر شدن سرعت دورانی چرخ)، ترمز آن چرخ را رها کرده و در صورت افزایش بیش از حد سرعت، دوباره نیرو ترمز را اعمال می‌کند. این عمل ده‌ها بار در ثانیه محقق شده و موجب می‌شود چرخ‌های خودرو حتی در لغزنده‌ترین حالت ممکن، قفل نکند. این مهم باعث می‌شود که به هنگام ترمزگیری نیز خدشه‌ای به فرمان‌پذیری خودرو وارد نشود.
بازیابی نیرو ترمز
از دیدگاه علم فیزیک، پیشرانه خودروهای امروزی سوخت فسیلی یا انرژی الکتریکی را مصرف می‌کنند تا در عوض، خودرو را به حرکت درآورند تا کار در واحد وات یا اسب بخار انجام شود. اما سیستم ترمز چه می‌کند؟
سیستم ترمز نیز کار مشابهی انجام می‌دهد. این سیستم با ایجاد اصطکاک بسیار شدید، نیرو تولید شده پیشرانه را به انرژی حرارتی بدل می‌کند تا کار در تغییر ماهیت فیزیکی نیرو، از شکلی به شکل دیگر انجام بگیرد. به بیان دیگر خروجی پیشرانه‌های فسیلی یا الکتریکی به منظور تولید توان، ایجاد حرارت و آلایندگی است، در حالی که خروجی سیستم ترمز ایجاد اصطکاک و حرارت بسیار زیاد است.
این اصطکاک و حرارت بسیار زیاد در خودروهای رایج روزمره قابل بازیابی نیست و در حقیقت این انرژی قابل توجهی است که به صورت حرارت از بین می‌رود. در خودروهای الکتریکی یا هیبرید اما به دلیل کارکرد متفاوت موتورهای الکتریکی، قابلیتی وجود دارد که از طریق آن می‌توان از حرکت دورانی چرخ‌ها و نیرو هدر رفته حاصل از ترمزگیری را بازیابی کرد. این تکنولوژی به «بازیابی نیرو ترمز» یا Regenerative Braking مشهور است و یکی از مهم‌ترین تکنولوژی‌های به کار رفته در بهینگی و افزایش بازده خودروهای هیبرید و الکتریکی و البته یکی از روش‌های ترمزگیری (کمک ترمز) ویژه این کلاس از خودروها است.
ترمزهای داخلی
ترمزهای درونی یا Inboard Brakes به سبک طراحی از سیستم ترمز گفته می‌شود که مستقل از کاسه‌ای یا دیسکی بودن، به جای قرارگیری در پشت چرخ‌ها، در بخش بیرونی دیفرانسیل‌ها و در درون ساختار بدنه خودرو قرار دارد و باقی مکانیزم‌ها و نوع عملکرد با هر نوع سیستم ترمز معرفی شده کاملا یکسان است.
این سیستم ترمز چندان نوین نیست و استفاده از آن به دوران استفاده از ترمزهای دیسکی باز می‌گردد. محبوبیت این دست ترمزها در خودروهای مسابقه‌ای است، اما خودروهایی چون جگوار تیپ E، XJ، هامر H1، سیتروئن 2CV، DS،SM و مرسدس بنز W198 300SL از مشهورترین خودروهای تولید شده با ترمزهای Inboard یا داخلی هستند.
مهم‌ترین مزیت استفاده از سیستم ترمزهای داخلی، سبک‌تر شدن وزن تعلیق نشده (وزن قطعات و متعلقات زیر سیستم تعلیق)، سبک‌تر شدن چرخ‌ها و تایرها و در نتیجه افزایش پایداری و کاهش تکانه‌های وارد بر خودرو بر اثر عبور از ناهواری‌ها و در نهایت بهبود کیفیت سواری است. همچنین توان ترمزگیری به دلیل کاهش هدررفت نیرو، در ترمزهای داخلی اندکی بهتر از نسخه‌های رایج و معمولی است. در عوض به دلیل جایگیری دور از دسترس و دشوار آن‌ها، سرویس کردن ترمزهای داخلی کمی دشوارتر و هزینه انجام آن اندکی بالاتر از ترمزهای رایج دیسکی است. همچنین استفاده از این نوع ترمزها نیازمند طراحی مهندسی ابتدایی است و نمی‌توان هر خودرویی را به این دست ترمزها تجهیز کرد.
ترمز اضطراری
ترمز اضطراری یا E-Brake که در زبان پارسی به ترمز دستی مشهور است در حقیقت یک سیستم ترمز اضافه مکانیکی است که نه تنها برای حفظ حالت سکون خودرو به هنگام پارک کاربرد دارد، بلکه این سیستم به دلیل تکیه بر ساختار کاملا مکانیکی (اهرمی یا سیمی)، مستعد بروز ایرادهایی که سیستم ترمز سیالی (روغنی یا بادی) از خود نشان می‌دهد نیست. در نتیجه این سیستم طول عمر بالاتری دارد و در شرایط بحرانی و هنگام از کار افتادن سیستم ترمز اصلی می‌تواند به عنوان ترمز پشتیبان یا همان ترمز اضطراری مورد استفاده قرار بگیرد.
مستقل از نوع عملکرد این ترمز به صورت دستی، پایی یا دکمه‌ای (استفاده از موتور برقی بجای نیرو دست یا پا)، این ترمز در هر دو مدل دیسکی و کاسه‌ای وجود دارد. بیش از ۹۵ درصد خودروهای سبک تولیدی در جهان، این ترمز را بر محور عقب خود به کار می‌گیرند. البته استثناهایی مانند سیتروئن زانتیا (بیشتر محصولات خانواده سیتروئن)، این سیستم را بر محور جلو قرار داده است.
جفت کالیپرترمز دیسکی
برخی ترمزهای دیسکی دارای دو کالیپر ترمز مجزا بر روی هر واحد دیسک هستند. این نوع ترمزها برای دو منظور استفاده می‌شود. استفاده از سطح اصطکاک بیشتر به منظور ارائه توان بالاتر در ترمزگیری دلیل اول است در حالی که در برخی نمونه‌ها نظیر بسیاری از خودروهای سوپراسپرت، کالیپر دوم نقش ترمز اضطراری را بازی می‌کند.
استفاده از کالیپر جفت به منظور ارائه توان ترمزگیری بالاتر چندان رایج نیست و تنها بر برخی از خودروهای تولید انبوه نظیر یک سری محدود از محصولات برند مایباخ از مرسدس بنز به کار گرفته شد، اما همچنان در بازار افترمارکت به عنوان کیت ارتقا توان ترمزگیری قابل خریداری است. در نتیجه در بیشتر خودروهای مجهز به کالیپر جفت، کالیپر کوچک‌تر در حقیقت ترمز اضطراری مکانیکی است.
سیستم کمک ترمز سروو
پس از سال‌ها تحقیق توسط مهندسان و کارشناسان طراح، کمک ترمزی تحت عنوان سروو با هدف بهتر کردن عملکرد قطعه و افزایش قدرت وارده به پدال، پا به دنیای خودروسازی گذاشت. این سیستم از سه قطعه شیر هوا، دیافراگم پلاستیکی و یک فنر ساخته شده و در بین سیلندر ترمز و پدال مربوطه قرار می‌گیرد.
پیش از شرح شیوه کار سروو در ابتدا بهتر است که در خصوص عملکرد شیر هوا توضیحی بدهیم؛ این قطعه به صورت مستقیم با کمک یک لوله میانی به منیفولد ورودی هوای موتور متصل می‌شود تا با هدف اعمال خلا نسبی، هوای میان دو سمت دیافراگم را بگیرد.
شیوه کار کمک ترمز سروو
شیوه کار در کمک ترمز سروو به این صورت است که پس از فشار دادن پدال مربوطه توسط راننده، نیروی به‌وجود آمده به واسطه یک اتصال مکانیکی، شیر هوا را بسته تا هوای خارجی به سمت پشت دیافراگم هدایت شود. با ورود این هوا، اختلاف فشاری ایجاد می‌شود که منجر به افزایش قدرت ورودی از پدال شده و نیروی بیشتری را به سمت سیلندر اصلی هدایت می‌کند.
اما پس از اینکه راننده پای خود را از روی پدال بردارد، شیر هوا مجدد باز می‌شود و از طرفی فنر موجود در سیستم به بازگشت پدال و اتصالات کمکی آن به حالت اولیه کمک می‌کند. در واقع سروو، کمکی برای سیستم ترمز است و ایراد در آن منجر به از کار افتادن ترمز خودرو نمی‌شود؛ بلکه راننده را مجبور به وارد کردن نیروی بیشتری به پدال می‌کند.
تهیه و تنظیم: تیم تولید محتوا خودرو45
