Hydrauliczne układy hamulcowe pokonały z nami ponad sto lat historii motoryzacji, ale ich era powoli się kończy. ZF, dostawca, który w ciągu zaledwie trzech lat wyprodukował ponad trzy miliardy komponentów hamulcowych, jasno zasugerował, że przyszłość należy do układów brake-by-wire – opartych na elektronice.

Hydraulika nie znika dlatego, że „była zła”. Od końcówki pierwszej wojny światowej zapewniała coraz skuteczniejsze zatrzymywanie aut, a przez dekady inżynierowie dokładali do niej serwo, ABS, kontrolę trakcji i całą resztę elektronicznych protez. Problem w tym, że współczesne samochody urosły, przytyły i zyskały systemy wspomagania kierowcy, które wymagają czegoś więcej niż pedał połączony rurkami z zaciskami.

Od pierwszych hamulców hydraulicznych do ery „suchego” hamowania

Hydrauliczne hamulce weszły do użytku w USA pod koniec I wojny światowej i od tego momentu stały się standardem. Przez dziesięciolecia ewoluowały: pojawiły się nowe materiały na tarcze i klocki, bardziej odporne płyny, układy podciśnieniowego wspomagania i kolejne generacje systemów ABS. Konstrukcja pozostała jednak ta sama – kierowca wciska pedał, w pompie rośnie ciśnienie, a płyn pcha tłoczki w zaciskach. ZF podkreśliło, że w świecie aut z rozbudowanymi systemami wspomagania, napędami elektrycznymi i sieciowo połączonym zawieszeniem taki mechaniczny łańcuch robi się anachroniczny. Zanim ciśnienie pojawi się w całym układzie, mija cenny ułamek sekundy, który w realnym ruchu i w ciężkim aucie przekłada się na dodatkowe metry drogi hamowania.

Jak działa brake-by-wire? Pedał, czujnik i silnik w zacisku

W układzie brake-by-wire pedał hamulca przestaje być pompą, a staje się elementem sterującym. Zamiast wciskać płyn w przewody, kierowca naciska pedał, którego elektroniczny moduł mierzy siłę nacisku i drogę ugięcia. Tę informację układ przesyła do sterownika hamulców, a ten uruchamia silniki elektryczne w zaciskach. Zaciski elektromechaniczne (EMB) generują nacisk na klocki dzięki silnikowi elektrycznemu i przekładni. Nie potrzebują ani pompy głównej, ani przewodów z płynem, ani klasycznych cylindrów.

Całość działa jak dobrze zestrojony joystick: kierowca „prosi” o hamowanie, a elektronika przelicza, jak mocno i które koła powinny zostać dociśnięte do tarcz. ZF zwróciło uwagę, że w sytuacjach dynamicznych – na przykład przy jednoczesnym hamowaniu i gwałtownej zmianie kierunku jazdy – EMB reagują szybciej i precyzyjniej niż klasyczny układ hydrauliczny. Sterownik może w ułamku sekundy dobrać oddzielne ciśnienie (w praktyce: moment docisku klocka) dla każdego koła i skoordynować je z systemami stabilizacji.

Cięższe auta, wyższe wymagania – szczególnie w elektrykach

Nowoczesne samochody przybrały na wadze: baterie w elektrykach, systemy bezpieczeństwa, wzmocnione konstrukcje, a do tego coraz większe nadwozia. W takich warunkach kluczowe staje się tempo budowy ciśnienia hamowania. Brake-by-wire stoi tu na wygranej pozycji, bo nie musi czekać, aż słup płynu „ruszy” w przewodach – sterownik aktywuje silniki w zaciskach praktycznie natychmiast. Dla aut elektrycznych jest jeszcze jedna ważna korzyść: rekuperacja. Silnik elektryczny podczas hamowania zamienia się w generator odzyskujący energię, ale wymaga to ścisłej koordynacji między hamowaniem silnikiem a hamulcami na kołach. Elektroniczny układ brake-by-wire może znacznie precyzyjniej mieszać te dwa źródła siły hamującej, tak aby:

• maksymalnie doładować baterię przy lekkim hamowaniu,
• utrzymać stabilność auta przy gwałtownym wytracaniu prędkości,
• zminimalizować zbędne użycie klocków i tarcz.

ZF podkreśliło, że w takim scenariuszu elektroniczne hamulce pozwalają lepiej kontrolować przejście od hamowania regeneracyjnego do mechanicznego, dzięki czemu kierowca ma spójne wrażenie pracy pedału, a samochód zyskuje parę dodatkowych kilometrów zasięgu na jednym ładowaniu.

Mniej oporów, mniej serwisu – pożegnanie z płynem i „ciągnącymi” klockami

Kolejny argument za „suchym” hamowaniem to opory wewnętrzne. W klasycznym układzie, szczególnie w starszych autach, klocki potrafią delikatnie trzeć o tarczę, bo tłoczki w zaciskach nie cofają się idealnie. To tak zwany resztkowy moment hamujący – mały, ale stale obecny pasożyt, który niepotrzebnie zjada paliwo albo energię z baterii. W systemie brake-by-wire ten efekt praktycznie znika. Silnik w zacisku może bardzo precyzyjnie odsunąć klocek od tarczy na minimalną, ale wystarczającą odległość, dzięki czemu opory toczenia maleją. W skali całego parku pojazdów oznacza to realne oszczędności paliwa i energii, a dla pojedynczego kierowcy – trochę lepsze zużycie i niższe rachunki za energię. Do tego dochodzi kwestia serwisu. Klasyczny płyn hamulcowy:

• starzeje się i traci właściwości,
• jest higroskopijny – chłonie wodę z otoczenia,
• potrafi uszkodzić lakier, jeśli zostanie rozlany.

Wraz z wiekiem auta rośnie też ryzyko korozji przewodów i problemów z cylindrami. Układ brake-by-wire eliminuje całą tę hydrauliczno-chemiczną menażerię. Nie ma płynu do wymiany, przewodów do sprawdzania pod kątem korozji ani wycieków, które doprowadziłyby do utraty skuteczności hamulców.

Pełne brake-by-wire i hybrydy: dwa kierunki rozwoju ZF

ZF przedstawiło dwa główne warianty rozwoju tej technologii. Pierwszy to kompletne, czterokołowe systemy brake-by-wire przeznaczone dla samochodów osobowych. Tu wszystkie zaciski stają się elektromechaniczne, a hydraulika znika z samochodu całkowicie. Drugi kierunek to układy hybrydowe, w których:

• na tylnej osi pracują zaciski elektromechaniczne,
• na przedniej osi pozostają klasyczne hamulce hydrauliczne.

Taki miks został przygotowany głównie z myślą o rynku USA i cięższych pojazdach typu light truck. ZF zwróciło uwagę, że w takich autach klasyczne elektryczne hamulce postojowe nie zawsze potrafiły zapewnić wystarczającą siłę do utrzymania mocno obciążonego pojazdu na wzniesieniu. EMB w układzie brake-by-wire radzą sobie z tym lepiej, bo mogą wygenerować zdecydowanie większy nacisk. Ciekawostką jest to, że tylne zaciski EMB w takim układzie pełnią podwójną rolę: obsługują zwykłe hamowanie w czasie jazdy i działają jako hamulec postojowy. Mniej elementów oznacza prostszy układ, a w konsekwencji potencjalnie niższe koszty produkcji i serwisu.

Bezpieczeństwo, redundancja i zaufanie kierowców

Skoro pedał nie pompuje już płynu, tylko rozmawia z elektroniką, pojawia się naturalne pytanie: co, jeśli coś się zepsuje? ZF odpowiedziało na nie pośrednio, stawiając na architekturę, w której układ przewodu, sterowniki i zaciski są projektowane z dużą dozą redundancji. Oznacza to, że:

• kluczowe elementy mają zapasowe ścieżki zasilania i komunikacji,
• sterownik jest w stanie częściowo przejąć funkcje uszkodzonych modułów,
• auto ma zapewnioną minimalną, ale bezpieczną zdolność hamowania nawet w razie częściowej awarii.

W praktyce to powtórka z tego, co branża przeszła już przy hamulcach z ABS czy elektrycznym wspomaganiu kierownicy. Początkowe obawy kierowców wygasały, gdy systemy udowadniały swoją trwałość w normalnej eksploatacji. Tutaj będzie podobnie – hamulec przestaje być wyłącznie mechanicznym pedałem, a staje się elementem większego, sieciowo połączonego ekosystemu podwozia i systemów wsparcia.

Przyszłość bez płynu hamulcowego – raczej „kiedy”, niż „czy”

ZF jasno zasugerowało, że przejście na brake-by-wire nie jest kwestią „czy”, tylko „kiedy”. Układ idealnie wpisuje się w świat aut elektrycznych, zautomatyzowanych i stale połączonych z siecią. Daje inżynierom:

• większą swobodę w sterowaniu siłą hamowania na każdym kole,
• lepszą integrację z systemami ADAS i jazdy zautomatyzowanej,
• niższe opory i mniejsze koszty serwisu w długiej perspektywie.

Dla kierowcy liczy się przede wszystkim to, że samochód hamuje pewniej, pedał działa bardziej powtarzalnie, a serwisant przestaje zaglądać do zbiorniczka płynu hamulcowego. Jeśli więc ktoś przywiązał się do widoku lekko zabrudzonego płynem klucza oczkowego, musi się powoli pogodzić z tym, że motoryzacja wchodzi w erę suchych, elektrycznych hamulców – nawet jeśli na początku brzmi to jak herezja wobec stuletniej tradycji.

O autorze