Co možná nevíte o svém automobilu: Brzdy aneb zastavit se nakonec musí (7. díl)

Brzdová soustava je nejdůležitější částí vozidla z hlediska aktivní bezpečnosti. Zajišťuje jeho zpomalení, zastavení, ale také zamezuje samovolnému pohybu vozu. V naprosté většině současné brzdové systémy pracují na principu vzájemného tření konkrétních jeho částí, čímž se snižuje pohybová energie, jež se na brzdících prvcích mění v energii tepelnou.

První brzdy se objevily na kočárech

Kočáry a vozy tažené koňmi nikdy neoplývaly nějakou tou mechanizací a bezpečnostními prvky. Nicméně primitivní brzdné systémy se na nich vyskytovaly poměrně hojně. Koně totiž dokázali vůz rozjet na poměrně vysokou rychlost, ale zastavit jej jen pomocí koňských sil nebylo jen tak. Proto se používaly jednoduché pákové mechanismy, na jejichž konci byl upevněn dřevěný hranol, jenž se po zatáhnutí páky přitiskl přímo na ráfek kola. Někdy byl hranol potažen i kůží, aby byl brzdný účinek výraznější. Stejný princip se dostal i na první automobily, které měly kola opatřena železnou či plnou pryžovou obručí. Pak se ovšem na scéně objevily pneumatiky plněné vzduchem, pro než to nebylo nejvhodnější řešení.

V roce 1897 jistý Brit jménem Herbert Frood začal experimentovat s různými povrchy ve snaze najít ten, který by vykazoval nejlepší vlastnosti při tření a byl by tak vhodný jako materiál na brzdové obložení. To se mu podařilo. Záhy založil společnost Ferodo, jež se na brzdové systémy specializovala a jež existuje dodnes. Froodovy objevy daly vzniknout bubnovým brzdám, přičemž na počátku 20. století se objevily hned dvě varianty.

První, kterou používal na svých prvních vozech například Gottlieb Daimler, měla podobu tzv. vnější bubnové brzdy. Na obvod brzdového bubnu byl navlečen ocelový pás, který byl při brzdění soustavou pák napínán a tím působil brzdícími elementy na rotující buben. Čím více se napnul, tím větší nastalo tření mezi bubnem a pásem, až se vůz zastavil. Problém ovšem spočíval v rychlém opotřebení pásu a navíc se celý brzdový systém snadno zanášel nečistotami, čímž klesala jeho účinnost. Druhá varianta představovala dnes dobře známý buben s brzdovými čelistmi umístěnými v jeho nitru. Tento princip si v roce 1902 nechal patentovat Louis Renault.

Je zajímavé, že i když se bubnové brzdy staly po dlouhá desetiletí hlavním typem brzdového systému používaného na automobilech, nebyly vynalezeny jako první. Dnes běžné kotoučové brzdy je totiž předběhly. Už v roce 1898 Američan Elmer Ambrose Sperry sestrojil elektromagnetické kotoučové brzdy, které zkoušel na přední nápravě automobilu. Ovšem princip diskových brzd si jako první nechal patentovat Angličan William Lanchester, a to v roce 1902. Diskové brzdy se ale začaly ve větší míře na automobilech používat až v 50. letech 20. století. Problém totiž spočíval v tom, že kovové brzdové destičky bez obložení vydávaly při brzdění nesnesitelný skřípot a brzdové disky snadno praskaly. Teprve postupem času se našly vhodnější materiály.

Ani brzdy se neobešly bez vylepšení

Těsně před první světovou válkou měla naprostá většina aut mechanické bubnové brzdy. Vlastně byly tehdy jediné použitelné a s delší životností. Ovšem v roce 1918 přišel Malcolm Loughead, pozdější spoluzakladatel letecké firmy Lockheed, s myšlenkou hydraulických brzd. Systém využíval brzdovou kapalinu jako prostředníka přenosu brzdné síly mezi brzdovým pedálem, hydraulickým pístem a brzdovým mechanismem na všech kolech. Brzdění bylo pak mnohem snazší a také účinnější. Hydraulické brzdy podle Lougheadova principu se poprvé objevily hned v roce 1918 na vozech značky Duesenberg, vlastně se v automobilech používají dodnes.

Postupem času se výkonnost automobilů zvyšovala, ovšem hydraulické bubnové brzdy přestávaly překotnému vývoji stačit. Proto se koncem 50. a začátkem 60. let začaly prosazovat „znovuobjevené“ kotoučové brzdy. V letectví nebo u závodních aut už nějakou dobu sloužily ku prospěchu věci, přelom oněch dvou desetiletí je přivedl i do komerčních vozů. V Evropě se průkopníkem hydraulických kotoučových brzd stalyJaguar a Citroen se svými modely C-Type a DS.

Před tím však poněkud nenápadně přišel na svět ještě jeden vynález, bez kterého moderní automobily nemůžou být. V roce 1936 si německý koncern Bosch přihlásil patent na protiblokovací systém kol při brzdění. Ovšem tehdy to byla především teoretická úvaha, do praktického využití bylo ještě daleko. Funkční protiblokovací systém sestrojil až Chrysler, a to v roce 1966, ale nefungoval ideálně. Proto se firma spojila se společností Bendix a výsledkem byl první vůz vybavený systémem ABS nazvaným Sure Brake – Chrysler Imperial z roku 1971. Všechna kola vozu byla vybavena senzory, jež byly napojeny na tříkanálovou řídicí jednotku. O sedm let později se o slovo přihlásil opět Bosch, když vyvinul první funkční elektronicky řízený vícekanálový systém ABS. V roce 1984 pak německá firma Tevis, začala vyrábět systém ABS řízený mikroprocesorem.

Brzdové systémy a jejich součásti

Hydraulický brzdový systém se obecně skládá z brzdového pedálu, posilovače, dvouokruhového hlavního válce s nádobkou, brzdového potrubí, omezovače brzdového tlaku a brzd na přední i zadní nápravě. Jak už bylo zmíněno, brzdy běžně dělíme na bubnové a kotoučové, ty první jsou na ústupu, najdeme je jen na starých vozech a také na zadních nápravách nových levnějších nebo malých vozů. Brzdové systémy rozlišujeme i podle počtu brzdových okruhů. Jednookruhové se už v podstatě nevyskytují, dnes se nejčastěji setkáváme s dvouokruhovými brzdovými systémy, existují i víceokruhové.

Bubnové brzdy

Princip bubnových brzd spočívá v tlaku brzdových čelistí na vnitřní stranu bubnu, jenž je pevně spojen s kolem a rotuje. Vzájemným působením obou těchto elementů dochází ke tření, které má brzdný účinek, čím se brzdové čelisti více roztahují, tím je větší. Čelisti v bubnech na zadní nápravě bývají napojeny i na systém parkovací brzdy, v tomto případě jde zpravidla o záležitost mechanickou, nikoliv hydraulickou.

A jaké jsou výhody či nevýhody bubnových brzd? Díky tomu, že jsou brzdové čelisti uzavřeny uvnitř bubnu, je celý mechanismus chráněn proti nečistotám z vnějšího okolí. Oproti kotoučovým brzdám má brzdové obložení v bubnových poměrně dlouhou životnost. Na druhou stranu je neoddiskutovatelným faktem, že jejich výkonnost je proti kotoučům mnohem menší, i díky celkově menším rozměrům. Navíc se snadno přehřívají, hlavně při dlouhodobém brzdění, a pak výrazně vadnou a ztrácejí účinek. Pokud se bubnové brzdy výrazně přehřejí, může dojít i k deformaci celého bubnu.

Kotoučové brzdy

U tohoto typu brzdového systému jsou hlavními brzdnými elementy brzdové kotouče a brzdové destičky v třmenech. Brzdného účinku se dosahuje stejným způsobem, jako u brzd bubnových, tedy třením, a to mezi diskem a destičkami. Třmeny slouží pro uchopení destiček a zároveň v nich je uložen brzdový píst. U sportovních a luxusních automobilů se používá i více pístů (zpravidla jsou dva nebo čtyři), ty pak způsobují rovnoměrnější rozvedení tlaku na plochu destičky. Třmeny u dnešních automobilů jsou tzv. plovoucí, dříve se ale používaly konstrukčně složitější pevné třmeny.

Brzdové kotouče bývají vyrobeny z temperované nebo legované ocelové litiny kvůli odolnosti vůči tepelnému a mechanickému namáhání. Pro vysokovýkonné a sportovní vozy se ale v naprosté většině používají kotouče z uhlíkových vláken a keramických materiálů. Kotouče se vyrábějí v jednoduchém provedení nebo s dutou konstrukcí a vnitřním chlazením. Ta spočívá ve spojení dvou tenčích kotoučů pomocí žeber mezi nimi, které výrazně zlepšují chlazení díky proudění vzduchu v radiálně uspořádaných vzduchových kanálech. Jiné typy kotoučů jsou vybaveny otvory po stranách, díky nimž při brzdění nedochází k jejich intenzivnímu zahřívaní a rychleji se chladí. Můžeme se setkat i s kotouči opatřenými drážkami v třecí ploše. Ty napomáhají rychlému čistění disku, dokážou i odvádět vodu a tím zlepšovat brzdný účinek na mokru a za deště a také indikují stupeň opotřebení disku.

Co se týče výhod a nevýhod kotoučových brzd, tak především jsou lehčí, výkonnější a přesnější než brzdy bubnové. Jejich výroba je však dražší, nicméně výměna opotřebovaných třecích segmentů je mnohem jednodušší. Kotoučové brzdy jsou vystaveny nečistotám a vlivům z okolí, jsou ale méně náchylné na přehřívání. Pokud je vůz vybaven jen kotoučovými brzdami, musí se systém parkovací brzdy řešit poněkud složitěji, než je tomu u bubnových brzd.

Nouzová brzdová soustava

Přichází na řadu při poruše provozních brzd, zde musí působit alespoň na jedno kolo na každé straně vozidla. Nouzovou brzdovou soustavou se obvykle stává neporušený okruh dvou či víceokruhového brzdového systému. Její roli v některých případech zastává brzda parkovací.

Parkovací brzdová soustava

Slouží k zajištění stojícího vozidla proti samovolnému pohybu. Zpravidla působí na kola zadní nápravy s tím, že u hydraulických brzd je nutné brzdný účinek zajistit mechanicky, protože hydraulický systém při vypnuté pohonné jednotce nefunguje.

Brzdová kapalina

Přenosovým médiem hydraulického tlaku mezi hlavním brzdovým válcem a brzdovými písty je brzdová kapalina. Ta je ve velké většině případů vyrobena na základě alkoholových sloučenin, je toxická, ale nesmí v brzdovém okruhu způsobovat korozi či poškozovat chemickými látkami jeho jednotlivé části, především pak různé těsnící elementy. Brzdová kapalina putuje v hydraulickém obvodu brzdového systému, během provozu absorbuje vzdušnou vlhkost, což je důvod k pravidelným výměnám. S nadměrnou přítomností vysrážené vody v brzdovém okruhu se snižuje bod varu brzdové kapaliny a zhoršuje účinnost celého brzdového systému. Proto se má brzdová kapalina měnit v periodách dvou až čtyř let.

Posilovač brzd

Moderní automobily si už bez posilovače brzdného účinku nedokážeme představit. Nachází se mezi pedálem a hlavním brzdovým válcem, kde znásobuje sílu, kterou řidič při brzdění vyvíjí na brzdový pedál. Velmi výrazně zvyšuje komfort brzdění, ovšem nesmí se tak dít na úkor přesnosti a citlivosti brzdové soustavy. Rozlišujeme posilovače vakuové a hydraulické. První zmiňovaný, nebo také podtlakový, najdeme ve většině současných vozů. Jeho nevýhodou je fakt, že funguje jen při běžícím motoru. Po jeho vypnutí se účinek projeví jen krátce potom a pouze při jednom až třech sešlápnutích brzdového pedálu. Hydraulický posilovač se používá především u dieselů a přeplňovaných motorů a pracuje s vyšším tlakem, než je tomu u vakuového.

Protiblokovací systém (ABS)

Myšlenka či princip protiblokovacího systému se, jak už víme, objevila poprvé před druhou světovou válkou. Patří tak k nejstarším asistentům aktivní bezpečnosti vozidel. ABS zabraňuje zablokování kola při brzdění přerušovaným dávkováním brzdné síly, tím se kolo stále odvaluje a neztrácí adhezi na vozce. Díky ABS si tak vůz zachovává ovladatelnost i na kluzké vozovce a zároveň je stabilnější než automobily bez něj. Systém pracuje na základě vyhodnocování údajů o pohybu kol ze snímačů otáček u každého z nich. Pokud řídicí jednotka dostane ze snímače informaci, že se kolo zablokovalo, krátkodobě sníží tlak v brzdovém pístu, čímž se kolo opět roztočí. Běžně dokážou systémy ABS uvolnit kolo dvanáctkrát až šestnáctkrát za sekundu.

Určitou nevýhodou je skutečnost, že na suchém povrchu systém ABS prodlužuje brzdnou dráhu (tedy ve srovnání s vozidly bez něj). Na mokré nebo zledovatělé vozovce se ale brzdné dráhy vyrovnávají nebo jsou se systémem ABS kratší. Hlavní výhodou ovšem je, že s ABS má řidič automobil stále pod kontrolou. Je zajímavé, že členové asociace evropských výrobců aut ACEA se v roce 2004 doprovodně bez nátlaku úřadů dohodli, že v Evropské unii musí mít ABS každé nově homologované vozidlo.

Protiprokluzový systém (ASR)

S ABS úzce souvisí další bezpečnostní asistenční systém. Tím je protiprokluzový systém neboli ASR. S ním přišla opět společnost Bosch, která jej vytvořila na základě dalšího vývoje jejího elektronicky řízeného systému ABS. ASR zabraňuje protáčení kol při rozjíždění či jakékoliv výraznější akceleraci, a to především na kluzkém povrchu. ASR svými zásahy snižuje krouticí moment přenášený na kola a dělá to buď prostřednictvím přibrzďování prokluzujícího kola, nebo elektronickým zásahem do chodu motoru, nejčastěji snížením výkonu a omezením otáček.

Systém elektronického rozdělování brzdné síly (EBV)

Systém EBV se začal v posledních pár letech objevovat opět v souvislosti s tradičním ABS. Jeho princip spočívá v samočinném elektronicky řízeném rozdělování brzdového tlaku mezi přední a zadní nápravu. Podle potřeby optimalizuje činnost brzd na zadní nápravě a tím ulehčuje těm na přední, jež jsou pak méně namáhány a méně se zahřívají. Brzdění je tak s EBV účinnější, efektivnější a daleko přesnější než u mechanického rozdělování brzdného účinku, Proto mají vozy s EBV kratší brzdnou dráhu.

Brzdový asistent (BAS)

Tento bezpečnostní pomocný systém pracuje v mezních či kritických situacích, tedy při tzv. kritickém brzdění. Výrobci automobilů brzdový asistent označují různě, princip je však u všech velmi podobný. Liší se vlastně ve způsobu získávání informací potřebných k zásahu brzdového asistenta. Základem je urychlení náběhu potřebné či maximální brzdní síly. Brzdový asistent spolupracuje se snímačem u brzdového pedálu a reaguje na jeho pohyb.

Řídicí jednotka brzdového asistentu vyhodnocuje sílu, jakou řidič na pedál vyvíjí i jakou rychlostí jej sešlapuje, což okamžitě konfrontuje s rychlostí vozidla. Pokud poměry všech hodnot překračují mezní hodnoty, brzdový asistent se aktivuje a do procesu brzdění adekvátně zasahuje. Vypíná se až po úplném uvolnění brzdového pedálu. Brzdový asistent spolupracuje i s posilovačem brzd a ABS. Zkracuje tak dobu k dosažení maximálního brzdného účinku, což samozřejmě zkracuje i brzdnou dráhu.

Elektronický stabilizační systém (ESP)

U moderních automobilů bývá brzdový asistent součástí tzv. elektronického stabilizačního systému neboli ESP. I v tomto případě existuje mnoho různých stabilizačních systémů různých výrobců rozličných pojmenování, nicméně fungování je u všech obdobné. Obecně lze říci, že ESP pomocí řízených zásahů do brzdového systému, do řízení motoru i převodovky vozidlo v kritických situacích stabilizuje. ESP spolupracuje nebo zahrnuje i další bezpečnostní asistenční systémy, jako ABS, ASR atd. Aby mohl ESP správně fungovat, musí vyhodnocovat data z mnoha senzorů. Nejčastěji to bývají snímač tlaku brzdové kapaliny, polohy plynového pedálu, otáček u každého kola, podélného a příčného zrychlení, natočení volantu a snímač rychlosti otáčení vozu.

Dá se říci, že zavedení ESP do praxe v 90. letech byl stejný přelom, jako příchod systému ABS v 60. a 70. letech. Prvním vozem s ESP se stal model Mercedes-Benz třídy E z roku 1995. Ovšem právě Mercedes byl nucen systém ESP montovat i do levnějších vozů kvůli skandálu s losím testem o dva roky později. Tento zkušební manévr byl a je velmi populární u skandinávských motoristických novinářů, odkud se rozšířil do celé Evropy i dále. A právě v onom roce Mercedes-Benz třídy A losím testem neprošel a převrátil se. Výrobce zareagoval tak, že „áčko“ vybavil ESP dodatečně.

I u tohoto asistenčního systému musíme zmínit společnost Bosch, která se jeho vývojem a vylepšováním dlouhodobě zabývá, ale především je jeho největším výrobcem. Určitě je potěšitelným faktem, že ESP už není jen výbavou pro drahé nebo nestabilní vozy. Od listopadu 2011 totiž nařízením Evropské komise musejí mít ESP všechny nově homologované vozy a od minulého roku i všechny nově prodané automobily v EU.