Wibracje odczuwane podczas hamowania w kabinie pojazdu, w szczególności na kole kierownicy i pedale hamulca potrafią być prawdziwą zmorą dla kierowców, mechaników oraz producentów samochodów ( i układów hamulcowych). Tego rodzaju zjawiska należą do grupy zagadnień NVH (Noise, Vibration, Harshness), czyli ogólnie pojętego komfortu hamowania do którego zaliczają się także piski. O ile niepożądane dźwięki pochodzące od układu hamulcowego są tylko uciążliwe i irytujące dla użytkownika pojazdu i otoczenia, to drgania potrafią być nie tylko nieprzyjemnie ale i niebezpiecznie. Mają też niekorzystny wpływ na trwałość innych elementów pojazdu, jak np. drążków, przekładni kierowniczych, czy innych elementów zawieszenia i układu kierowniczego. Porównując ilość reklamacji dotyczących pisków i drgań dowiadujemy się, że to właśnie wibracje są podawane jako częstsze niedomagania układu hamulcowego. Tak więc te zjawiska mają „większy ciężar gatunkowy” niż piski ponieważ występują częściej, bywają niebezpieczne, mają negatywny wpływ na inne zespoły samochodu oraz są trudniejsze jest ich usunięcia bo często niełatwo jest znaleźć prawdziwą ich przyczynę.

Jaka jest więc natura tych drgań ? Są to wibracje o niskich częstotliwościach (poniżej 1000 Hz) pochodzące od kół jezdnych. Z fizycznego punktu widzenia są to pulsacje (szybkie zmiany) momentu hamownia danego koła (problem często dotyczy tylko jednego koła). Fakt, iż dzisiejsze samochody są szybsze i bardziej skomplikowane niż te kilka czy kilkadziesiąt lat temu sprawia, że odczuwane dolegliwości związane z wibracjami są częstsze i bardziej wyraźne niż w przeszłości (możemy powiedzieć że współczesne samochody są bardziej „czułe”).

Istnieje bardzo wiele podobnych do siebie zjawisk związanych z drganiami odczuwanymi podczas hamownia, które mogą mieć zupełnie różną pierwotną przyczynę. Praktycznie jednak zawsze tym bezpośrednim „medium” powodującym odczuwanie wibracji jest tarcza hamulcowa. Niestety to właśnie dlatego jest ona często niesłusznie obwiniana za wszystkie problemy związane z tymi zjawiskami. W rzeczywistości rzadko się zdarza, że to właśnie tarcza jest tą pierwotną przyczyną za sprawą której układ hamulcowy działa nieprawidłowo. W praktyce są to rzadkie i raczej odosobnione przypadki. Sekretem, dobrej tarczy hamulcowej jest jej wysoka jakość wykonania. Jako element konstrukcyjny wydaje się dość prosty, ale najważniejsze parametry decydujące o tym czy tarcza nie będzie sprawiała problemów są dość specyficzne. Aby zapewnić płynność hamowania (brak pulsacji momentu hamowania), tarcza powinna być jak najbardziej jednorodna zarówno pod względem geometrycznym jak i materiałowym. Najważniejszym parametrem tarczy (nowej ale i używanej) jest tzw. DTV ( z angielska Disc Thickness Variation), czyli różnica grubości bieżni hamującej. Może ona być mierzona w kierunku promieniowym oraz po obwodzie. To co decyduje o tym czy tarcza już jako nowo założona nie będzie powodowała drgań jest DTV mierzone po obwodzie (zazwyczaj na 3 różnych promieniach). Może zdziwić jak małe wartości decydują o tym czy tarcza jest prawidłowo wykonana.

W przypadku tarcz do samochodów osobowych i lekkich dostawczych DTV dobrze wykonanej tarczy powinno być mniejsze niż 15 µm (After Market). Producenci części OE mają często limity jeszcze bardziej wymagające np.: poniżej 10 µm. Widzimy więc jak precyzyjnie powinna być obrobiona bieżnia tarczy hamulcowej (za pomocą toczenia albo szlifowania). Jeśli mamy tarczę o grubości nominalnej np. 28 mm i zamierzamy ją sprawdzić w wielu punktach po obwodzie (na tym samym promieniu) to wartości przez nas zmierzone mogą się od siebie różnić nie więcej niż 0,01 mm (0,015 mm). Bez odpowiedniego sprzętu trudno prawidłowo wykonać takie pomiary. Jeśli z jakiegoś powodu tarcza ma zbyt duże wartości DTV to będzie ona źródłem wibracji przy hamowaniu. Dla różnych samochodów mogą to być różne wartości, ale próg powyżej którego tarcza wywołuje odczuwalne drgania zaczyna się już od ok 30 µm, a na pewno po przekroczeniu ok. 50 µm tarcze (zwłaszcza przednie) w każdym rodzaju samochodów będą powodowały wyraźne drgania. Zdarzają się tarcze z DTV ok 100 µm (po pewnym przebiegu), w takich przypadkach podczas hamownia trudno jest nawet utrzymać kierownicę w rękach – a mówimy tu o wartościach zaledwie 0,1 mm! Innym ważnym geometrycznym parametrem mówiącym o jakości tarczy jest jej bicie osiowe (mierzone względem jej płaszczyzny mocowania do piasty). Wartość tego bicia powinna być mniejsza niż 0,05 mm. Tarcza hamulcowa będąca tak precyzyjnym i ważnym elementem układu hamulcowego ma jeszcze wiele innych ważnych wymiarów geometrycznych, ale z punku widzenia wibracji najważniejsze są zmiana grubości (po obwodzie) DTV oraz jej bicie osiowe (boczne). Przechodząc do właściwości dotyczących materiału z jakiego wyprodukowana jest tarcza ważne z tego punku widzenia są zarówno parametry materiału (żeliwa szarego) np. skład chemiczny, wytrzymałość na rozciąganie, twardość, ale również brak naprężeń odlewniczych. Może się zdarzyć, pomimo spełniania dolnych limitów dotyczących np. twardości jej rozkład na powierzchni tarczy nie jest niejednorodny, co w konsekwencji będzie powodowało zjawiska wywołujące drgania. Innym aspektem są naprężenia odlewnicze, które może mieć tarcza dobrze obrobiona mechanicznie (niskie DTV i bicie osiowe). W takim przypadku po nagrzaniu tarczy do wysokich temperatur podczas jazdy , jej materiał dąży do odprężenia co sprawia, że bicie osiowe może wzrosnąć powyżej limitu (DTV może pozostać niskie). Duże bicie osiowe tarczy i dłuższa jazda bez hamowania np. po autostradzie spowodują po jakimś czasie wzrost DTV i drgania.

Dlaczego tak małe wartości DTV powodują duże drgania przy hamowaniu? Przeanalizujmy co się dokładnie dzieje podczas hamowania. Jeśli wykonujemy hamowanie to naciskając pedał hamulca powodujemy pośrednio wysunięcie się tłoczków w zaciskach. Z powodu dość wysokiego przełożenia hydraulicznego w układzie hamulcowym pojazdu określonemu skokowi pedału hamulca odpowiada dużo mniejszy skok tłoka zacisku: np. 50- krotnie lub więcej. Wyobraźmy sobie teraz, że nasza tarcza ma DTV 100 µm (czyli 0,1 mm). Podczas hamowania przy każdym jej obrocie klocek hamulcowy wymuszony ruchem tarczy również porusza się cyklicznie o 0,1 mm uruchamiając tłok w zacisku. Upraszczając temat i zakładając, że siła na pedale i tłoku zacisku byłaby stała, to pedał hamulca musiały oscylować o dobre kilka mm z częstotliwością nawet 20 Hz (co odpowiada częstotliwości obrotów koła). M.in. z powodu bezwładności i tłumienia pedał hamulcowy poddany sile nacisku przez stopę kierowcy nie może aż tak oscylować. Więc z każdym obrotem tarczy nierówno zużytej (DTV) klocek jest cyklicznie dociskany o dużą wartość siły do bieżni. Zakładając, że współczynnik tarcia klocek –tarcza jest stały to przy zmiennej sile nacisku mamy oscylacje momentu hamowania, czyli drgania. Teoretycznie można by te drgania złagodzić zwiększając efekt tłumienia i elastyczność układu hamulcowego np. poprzez dłuższe i bardziej elastyczne przewody hamulcowe, ale przez to uzyskalibyśmy efekt bardziej „miękkiego” pedału, a przecież tego nie chcemy. Tak jak wspomniano na początku współczesne samochody są bardziej „wrażliwe” na zjawiska związane z drganiami m.in. z powodu zwiększania przełożenia w układzie hydraulicznym (zwiększa się masa pojazdu, ale siła na pedale hamulca pozostaje ta sama albo się nawet zmniejsza) i dużej sztywności (przewodów hamulcowych, zacisków, niskiej ściśliwości klocków w celu jak najlepszego „czucia” hamulca).

Ogromna większość tarcz hamulcowych sprzedawanych w Polsce jest raczej dobrej jakości. Co się więc dzieje, że po kilku/kilkunastu tysiącach kilometrów w wielu pojazdach zaczyna występować zjawisko drgań o które najczęściej obwiniane są tarcze hamulcowe?

Istnieje kilka podstawowych mechanizmów generowania DTV i co za tym idzie drgań na zimno („Cold Judder”). Praktycznie zawsze tego typu zjawiska mają miejsce przy hamowaniach z niewielkimi intensywnościami i średnią lub dużą prędkością. Najczęstszą przyczyną tego zjawiska jest zbyt duże bicie osiowe tarczy zamontowanej ma piaście. Jak wcześniej wspomniano sama tarcza posiada bicie mierzone względem jej płaszczyzny mocowania. Po zamontowaniu na piastę bicie tarczy sumuje się z biciem piasty i może się zdarzyć, że to sumaryczne bicie na tyle duże, że w konsekwencji spowoduje nieregularne zużycie tarczy na jej obwodzie (duże DTV).

Bicie tarczy montowanej na piaście powinno być zawsze zmierzone za pomocą czujnika zegarowego i wynosić poniżej 0,1 mm, a według niektórych zaleceń nawet mniej niż 0,07 mm. W nowych samochodach nie jest to problemem. Jednak podczas wymiany zużytych tarcz na nowe może się zdarzyć, że piasta nie zostanie dobrze oczyszczona z rdzy, czy brudu a nowa dobra tarcza, po zamontowaniu będzie z tego powodu miała zbyt duże bicie. W takim przypadku DTV, czyli drgania przy hamowaniu nie pojawią się od razu, ale będą się sukcesywnie pojawiały wraz z pokonywanymi kilometrami. Użytkownik, który będzie delikatnie używał hamulców i więcej jeździł np. po autostradzie szybciej zauważy pogorszenie tego stanu rzeczy. Tarcza obracając się z każdym obrotem ociera o klocki i delikatnie się zużywa w określonym miejscu powodując zwiększanie się DTV. Może się zdarzyć, że samochód który ma problemy z wibracjami na zimno jeżdżąc po drogach ekspresowych lub autostradach w pewnym momencie zaczyna być użytkowany głównie w warunkach miejskich i stopniowo problemy mogą zacząć ustępować. Podczas normalnych zahamowań klocki wyrównują powierzchnię tarczy i DTV może ulec zmniejszeniu.

Drugą częstą przyczyną powstawania wibracji na zimno jest za duży tzw. moment resztkowy zacisku. Zacisk hamulcowy po ustąpieniu w nim ciśnienia (odpuszczeniu pedału hamulca) nie powinien już hamować. W rzeczywistości praktycznie wszystkie hamulcowe hydrauliczne posiadają pewien mały moment resztkowy spowodowany delikatnym tarciem klocków tarczę. Chodzi o to, żeby ten moment był jak najmniejszy, np. poniżej 2 Nm. Zdarza się, że nawet dobrze zaprojektowany hamulec nagle zwiększa ten moment resztkowy. Jedną z takich sytuacji jest np. mocne wciśnięcie pedału hamulca przez kierowcę przy włączonym silniku i zatrzymanym pojeździe (działające serwo i ciśnienie w zacisku dochodzące do 60-80 barów). W takich warunkach każdy zacisk (hydrauliczny) zwiększa swój moment resztkowy do np. 5-10 Nm i więcej, a pozostaje on dopóki klocki nie zużyją się o kilka setnych milimetra. Taka sytuacja może się utrzymywać przez kilkaset kilometrów. W przypadku starszych, używanych aut zwiększony moment resztkowy hamulca jest powodowany najczęściej jego złym stanem technicznym np. korozją prowadnic zacisku, zapieczonymi tłoczkami, zablokowanymi z powodu brudu lub korozji klockami hamulcowymi w jarzmie hamulca, itp.

Następnym czynnikiem wpływającym negatywnie na pojawianie się drgań na zimno mogą być klocki hamulcowe dużo zużywające tarcze przy niskich temperaturach i niewielkich naciskach (warunki jazdy autostradowej). Zdarza się kombinacja dwóch lub suma wszystkich trzech w/w czynników. Wtedy nawet tarcza najlepszej jakości po zamontowaniu będzie miała zbyt duże bicie, zaciski nie będą „odpuszczać” po zahamowaniu, a dodatkowo materiał klocków będzie dość agresywny. W takiej sytuacji problem wibracji będzie murowany już po niewielkim przebiegu, a dodatkowo będzie bardziej ewidentny jeśli kierowca będzie jeździł szybko i mało hamował.

Jeszcze innym czynnikiem powodującym wibracje na zimno może być korozja materiału ciernego klocka do tarczy hamulcowej. W niektórych przypadkach np. po kilkudniowym parkowaniu samochodu w wilgotnych warunkach może się zdarzyć, że na powierzchni tarczy w miejscu kontaktu z klockiem na tarczy zostaje ślad po materiale ciernym powodując w tym miejscu niejednorodność współczynnika tarcia na obwodzie tarczy. Bywa że po kilkudziesięciu kilometrach jazdy miejskiej tarcza się oczyści i drgania znikną. Może się stać coś odwrotnego, niejednorodność będzie się pogłębiać a drgania będą się nasilać – zwłaszcza podczas sportowej ostrej jazdy.

Fakt istnienia drgań na gorąco jest niezaprzeczalny i obserwowany zarówno na pojazdach jak i w warunkach laboratoryjnych, natomiast jego natura i mechanizm jego powstawania nie jest dobrze poznany.

Warunki w jakich może się objawiać to zjawisko bywają różne, zawsze jednak swój udział ma to podwyższona temperatura i zazwyczaj niskie lub średnie opóźnienia hamowania.

Pewne nieprawidłowości, które można nazwać pulsowaniem przy hamowaniu mogą się pojawić nawet przy małych prędkościach np. 50 km/h. Poniżej możemy obserwować tarczę przy temperaturze około 600 °C i niskiej prędkości. Na zdjęciu po lewej stronie jest tarcza i klocek hamulcowy producenta „A”, a na prawym klocek producenta „B”. Pierwszy rodzaj materiału ciernego ze zdjęcia po lewej stronie powoduje bardzo nierównomierny rozkład temperatury na tarczy i co za tym idzie oscylacje ciśnienia, a przede wszystkim momentu hamownia. Można to zaobserwować bardzo dobrze w warunkach laboratoryjnych (na dynamometrze). Ta niejednorodność polega na tym, że jedna połowa na obwodzie jest ciemnia (chłodniejsza), a druga wyraźnie jaśniejsza (bardziej gorąca). Takie przypadki zdarzają się częściej w samochodach dostawczych.

Bardzo wiele problemów może pojawić się w warunkach hamowania autostradowego (duża prędkość i mała intensywność hamownia). W takich przypadkach na powierzchni tarczy w przeciwieństwie do przypadku opisanego powyżej (Rys. 3) pojawia się wiele „gorących plam” (hot spots) na obwodzie bieżni tarczy (Rys. 5).

Mechanizm powstawania tych zjawisk nie jest dokładnie znany, ale istnieją badania stanowiskowe i drogowe w celu sprawdzenia, czy dany układ hamulcowy ma tendencję do takich nieprawidłowych zachowań. Może mieć na nie wpływ konstrukcja tarczy, która ułatwia jej chwilowe wypaczanie przy hamowaniu o dużej energii. Bardzo często jednak najbardziej krytycznym elementem jest materiał cierny klocka, który ma zdecydowanie największy wpływ na powstawanie wibracji na gorąco. Zazwyczaj tego typu zjawiska się nasilają i są nieodwracalne. Na powierzchni tarczy w miejscu lokalnego jej przegrzania dochodzi do zmiany struktury żeliwa, a co za tym idzie zwiększenia jaj twardości. To powoduje w konsekwencji nierównomierności w zużyciu bieżni także przy hamowaniach przy niskich temperaturach. W takich przypadkach nawet przetoczenie tarczy nie zlikwiduje problemu , bo zmiany w strukturze żeliwa nie są tylko powierzchniowe.

Istnieją jeszcze inne przypadki związane z wibracjami przy hamowaniu. Mogą one występować zarówno „na zimno” jak i „na gorąco”. Zazwyczaj w wyższych temperaturach problemy się nasilają. Sytuacje takie mogą następować w wyniku nieregularnego rozkładu filmu między materiałem ciernym a tarczą (tzw. trzeciej warstwy). W konsekwencji powoduje to, że współczynnik tarcia po obwodzie tarczy będzie zmienny (czytaj, wibracje przy hamowaniu). Może być to spowodowane różnymi czynnikami, np. nieprawidłowym docieraniem albo właściwościami materiału ciernego. Na powierzchni tarczy widoczne są nieregularne przebarwienia świadczące o takiej sytuacji (Rys. 6).

Z opisywanych powyżej zagadnień i przykładów wynika jak złożone i różnorodne mogą być problemy związane z wibracjami przy hamowaniu. Niestety przy analizie czy reklamacjach dotyczących tych aspektów bardzo często niesłusznie „obwinia się” tylko tarcze hamulcowe. Nawet renomowanym producentom pojazdów i układów hamulcowych zdarzają się sytuacje, że wypuszczają jakiś model na rynek, a pewien ich odsetek jest reklamowany z powodu drgań hamulców. Jest to spowodowane złożonością zjawisk zachodzących w hamulcach, oraz bardzo różnymi warunkami w jakich mogą one występować. Niestety niektórych efektów nie da się dokładnie zasymulować obliczeniowo i przewidzieć na etapie projektowania. Dopiero w fazie rozwoju udaje się niektóre zjawiska zidentyfikować, skwantyfikować i wyeliminować albo zmniejszyć. W testach drogowych używa się specjalnej subiektywnej skali (wg SAE) według której wyszkoleni kierowcy testowi oceniają intensywność drgań na pojeździe. W przypadku samochodów używanych najczęstszymi przyczynami są nieprawidłowy montaż tarcz, zły stan techniczny zacisków, dobór klocków, brak docierania, wielokrotne przegrzanie hamulców. Często też ogólnie zły stan techniczny pojazdu (np. luzy w układzie kierowniczym) może powodować odczuwanie drgań pochodzące od hamulców którego by nie było gdyby stan samochodu był nienaganny.

Artykuł sponsorowany przez firmę Lumag