Procesowi poruszania się pojazdu silnikowego zawsze towarzyszą różne zjawiska wibroakustyczne. W zdecydowanej większości, procesy wibroakustyczne pochodzące od pojazdów są uznawane za zjawiska niepożądane. Takimi zjawiskami są niewątpliwie dźwięki pochodzące od układu hamulcowego.

Skąd pochodzą nieporządane dźwięki?

Wiadomo, że każdy pojazd samochodowy jest bardzo skomplikowaną strukturą: składa się z wielu zespołów i podzespołów. Praca tych wszystkich elementów jest wynikiem złożonych procesów mechanicznych i termodynamicznych. Z kolei te złożone procesy często idą w parze z różnego rodzaju dźwiękami i drganiami. Ze względu na źródło powstawania zjawisk wibroakustycznych w pojeździe, można wyodrębnić następujące lokalizacje: silnik, układ zasilania, układ chłodzenia, układ wylotowy, instalację elektryczną, skrzynie przekładniową i sprzęgło, półosie, koła i zawieszenie, ramę i nadwozie, układ hamulcowy, wyposażenie wewnętrzne.

Oczywiście w pojeździe samochodowym występują dźwięki właściwe, oczekiwane, a nawet pożądane, jak chociażby dźwięki towarzyszące pracy silnika. Niestety, w zdecydowanej większości, procesy wibroakustyczne pochodzące od pojazdów są uznawane za zjawiska niepożądane. Jednocześnie wszelkie dźwięki i drgania towarzyszące poruszającemu się pojazdowi są zjawiskami nieuniknionymi. Niemniej, często wśród wielu procesów wibroakustycznych emitowanych przez pojazd, można zaobserwować dźwięki i drgania bardzo nietypowe, pojawiające się nagle, które można sklasyfikować jako zdecydowanie niepożądane i niepokojące. Takimi zjawiskami są niewątpliwie dźwięki pochodzące od układu hamulcowego.

W tym miejscu warto przybliżyć definicję, która opisuje dźwięk, a która przedstawia się następująco – dźwięk: to zjawisko fizyczne, zdolne wywołać wrażenie słuchowe, spowodowane drganiami mechanicznymi ośrodka sprężystego, rozchodzącymi się w przestrzeni, dzięki ruchowi falowemu. Dźwięk najczęściej opisujemy takimi wielkościami jak: częstotliwość [Hz] oraz poziom ciśnienia akustycznego [dB]. Percepcja dźwięków przez narząd słuchu człowieka obejmuje zakres od około 20Hz do około 20000Hz. Dźwięki emitowane przez układ hamulcowy obejmują cały ten zakres. Z kolei, ze względu na amplitudę – niektóre przypadki znaczących pisków, mogą osiągać szczytowy poziom ciśnienia akustycznego nawet 120 dB, a więc w skrajnych przypadkach osiągają wartość granicy bólu.

Ze względu na zakres częstotliwości występowania dźwięków, możemy rozróżnić kilka najbardziej charakterystycznych i najczęściej spotykanych procesów wibroakustycznych pochodzących od układu hamulcowego (Rys. 1).

Geneza procesów wibroakustycznych

Analizując liczne opracowania, mające na celu próbę odpowiedzi na pytanie o genezę powstawania procesów wibroakustycznych w układach hamulcowych, można wyciągnąć wnioski, że na dzień dzisiejszy absolutnie nie ma możliwości udzielenia jednoznacznej odpowiedzi, która w sposób definitywny wyjaśniałaby tak złożone zagadnienie. Gdyby tak było, procesowi hamowania już dawno nie towarzyszyłby żaden hałas, a koncerny samochodowe w ogóle nie zajmowałyby się analizą tych zjawisk. Niestety, jak wskazuje praktyka, użytkownicy pojazdów często zgłaszają uwagi dotyczące hałaśliwości hamulców, a zgłaszane uwagi dotyczą nie tylko pojazdów tzw. popularnych ale nawet pojazdów tzw. klasy premium.

Chcąc przeprowadzić syntezę przyczyn powstawania procesów wibroakustycznych generowanych przez hamulce można przywołać kilka podstawowych teorii, próbujących wyjaśnić procesy zachodzące w sprzężeniu ciernym (rozumianym jako miejsce kontaktu materiału ciernego klocka hamulcowego i tarczy hamulcowej). Te podstawowe teorie w bardzo dużym uproszczeniu zostały przedstawione poniżej.

H. R. Mills przeprowadzał badania różnych hamulców, w których współczynnik tarcia kinetyczny (ruchowy) posiadał tendencję malejącą wraz ze wzrostem prędkości. Doświadczenia te doprowadziły do powstania teorii która zakłada, że układ hamulcowy w którym wraz ze wzrostem prędkości maleje współczynnik tarcia kinetycznego, może posiadać negatywne tłumienie (następuje narastanie drgań i wymuszenie drgań samowzbudnych), a tym samym układ hamulcowy może posiadać tendencję do generowania zjawisk wibroakustycznych. W tym miejscu warto zacytować tezę, która powstała w wyniku tych doświadczeń: „procesy wibroakustyczne w układach hamulcowych są wywoływane przez pary cierne posiadające współczynnik tarcia statyczny (spoczynkowy) wyższy niż współczynnik tarcia kinetyczny (ruchowy), lub kinetyczny współczynnik tarcia, który zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości”. Należy zauważyć, że obecnie praktycznie każdy materiał cierny, niezależnie od producenta, posiada taką właśnie, niekorzystną charakterystykę.

Eksperymenty H. R. Mills’a zbiegły się z pracami F. P. Bowden’a i L. Leben’a dotyczącymi sprężystych układów ciernych i ruchu typu stick-slip (utwierdzenie – poślizg). W publikacji można przeczytać, że: „zjawiska wibroakustyczne w układach hamulcowych są spowodowane przez ruch typu stick-slip zachodzący w sprzężeniu ciernym, w którym źródłem energii jest zmiana siły tarcia pod wpływem prędkości”.

Badania procesów zachodzących w układzie hamulcowym

R. T. Spurr opublikował termin sprag – slip (rozpora – poślizg), aby opisać teorię powstawania zdarzeń wibroakustycznych pochodzących od układu hamulcowego. Według tej teorii: „zjawiska wibroakustyczne pochodzące od układu hamulcowego, wynikają ze sposobu kontaktu materiału ciernego. Mianowicie, sposób montażu nakładek ciernych w rzeczywistym układzie hamulcowym powoduje odkształcenia sprężyste, które przyczyniają się do chwilowego zmniejszania siły tarcia i przemieszczeń, oraz ponownego wzrostu siły tarcia”.
H. Murakami w swoim opracowaniu rozważał hałas będący wynikiem drgań samowzbudnych poszczególnych komponentów układu hamulcowego. W publikacji można było przeczytać, że: „zjawiska wibroakustyczne wynikają z określonego połączenia cech sprzężenia ciernego, właściwości geometrycznych i właściwości materiałowych występujących w układzie hamulcowym”.

J. E. Mottershead i S. N. Chan zaprezentowali teorię, której założeniem było przedstawienie symetrycznej tarczy hamulcowej jako modelu modalnego w postaci zbioru częstotliwości własnych, postaci drgań oraz współczynników tłumienia, masy i sztywności dynamicznej. Takie przedstawienie tarczy hamulcowej umożliwiło zaobserwowanie drgań, które zostały utożsamione ze zjawiskami wibroakustycznymi. Ten model pozwolił na wyciągnięcie wniosków, iż: „niestabilne drgania w systemach hamulcowych wynikają głównie z symetrii elementów układu hamulcowego”.

Z kolei S. K. Rhee w swoim opracowaniu zauważył, że „częstotliwości zjawisk wibroakustycznych pochodzących od układu hamulcowego odpowiadają częstotliwościom własnym poszczególnych elementów układu hamulcowego”. W 1972 roku M. R. North zaprezentował teoretyczny model układu hamulcowego o ośmiu stopniach swobody. Model ten składał się z czterech elementów: dwóch klocków hamulcowych, tarczy hamulcowej i zacisku hamulcowego (rys. 2 a). Każdy z tych elementów miał zapewnioną możliwość rotacji oraz przemieszczania się w kierunku poprzecznym. Badania prowadzone z wykorzystaniem tego modelu umożliwiły postawienie tezy, że siły tarcia pomiędzy tarczą hamulcową a nakładkami ciernymi powodują wyzwolenie sił przyczyniających się do wymuszenia niestabilności układu. Została opublikowana teoria mówiąca, że: „zjawiska wibroakustyczne są konsekwencją niestabilnych rezonansów wywołanych przez tarcie suche występujące w sprzężeniu ciernym pomiędzy obracającą się tarczą hamulcową i nakładkami ciernymi”. Obecnie popularnym, często przywoływanym, modelem teoretycznym układu hamulcowego jest model zaprezentowany przez M. Rudolph’a i K. Popp’a w 2001 roku (rys. 2b). Model ten zawiera sześć ciał sztywnych oraz dwadzieścia parametrów, które muszą zostać określone w procesie minimalizacji zjawisk wibroakustycznych. Model Rudolph’a i Popp’a pozwala uwidocznić jak wielkim wyzwaniem może okazać się próba dokładnego określenia charakterystyk wszystkich dwudziestu parametrów aby osiągnąć zadowalającą cichobieżność pracy mechanizmu hamulcowego.

Dlaczego hamulce piszczą?

Mając na uwadze tych kilka podstawowych, przywołanych powyżej, teorii można pokusić się o stwierdzenie, że prowadzone od wielu lat badania pozwoliły wyjaśnić istotę zjawisk wibroakustycznych pochodzących od układu hamulcowego. Niemniej obecnie, w sytuacji gdy sprzężenia cierne są bardzo zróżnicowane, nie można udzielić definitywnej i jednoznacznej odpowiedzi na pytanie: dlaczego hamulce piszczą. Każdy pojedynczy przypadek należy rozpatrywać indywidualnie i bardzo drobiazgowo. Różnice pomiędzy poszczególnymi węzłami tribologicznymi, wynikające chociażby ze znacznych różnic materiałowych (materiału ciernego i materiału tarczy), geometrycznych (materiału ciernego i tarczy) oraz konstrukcyjnych (dotyczących całego układu hamulcowego) przyczyniają się do dalszej komplikacji próby zwalczania procesów wibroakustycznych pochodzących od hamulców.

Liczne doświadczenia warsztatowe, pozwalają na podkreślenie jeszcze jednej istotnej kwestii. Mianowicie, często można spotkać się ze stwierdzeniem, mówiącym o tym, że jedynym elementem odpowiedzialnym za generowanie pisków pochodzących od układu hamulcowego jest, tylko i wyłącznie, klocek hamulcowy. Do takich, powszechnie stosowanych, sformułowań należy podchodzić z dużym dystansem. Uwzględniając wyżej przywołane teorie, zdecydowane wskazywanie klocka hamulcowego, jako jedynego źródła pisków, jest znacznym, ale i wygodnym, uproszczeniem zagadnienia.

Wyzwaniem dla wszystkich producentów, bez wyjątku, zajmujących się produkcją poszczególnych elementów układu hamulcowego jest taki dobór składników (czy to materiału ciernego czy materiału tarczy) oraz taki dobór parametrów geometrycznych i rozwiązań konstrukcyjnych poszczególnych elementów układu hamulcowego, aby uzyskać kompromis pozwalający ograniczyć do minimum proces generowania zjawisk wibroakustycznych, jednocześnie nie zatracając przy tym podstawowych cech hamulca. Proces minimalizacji drgań może być osiągnięty chociażby poprzez przesunięcie częstotliwości drgań elementów układu hamulcowego poza zakres percepcji ucha ludzkiego. Jednak, najbardziej pożądany, a jednocześnie najtrudniejszy do osiągnięcia, efekt to całkowite wyeliminowanie przyczyn powstawania dźwięków i drgań układu hamulcowego, niezależnie od konfiguracji zamontowanej na pojeździe pary ciernej. Układ hamulcowy powinien charakteryzować się cichobieżnością pracy niezależnie od tego czy wszystkie jego elementy są elementami z grupy OE, czy też mamy do czynienia z inną dowolna konfiguracją (tarcza: OE, klocki: wolnorynkowe – aftermarket, bądź odwrotnie; czy wreszcie: wszystkie elementy układu pochodzące z grupy aftermarketowej).

Powyższe rozważania mają oczywiście charakter czysto teoretyczny. Przywołane tezy są zasadne tylko w przypadku idealnie działających układów hamulcowych. Natomiast codzienna praktyka pokazuje, że ze stanem technicznym hamulców wielu pojazdów jest duży problem. Osobnym zagadnieniem, w procesie analizy zjawisk wibroakustycznych pochodzących od hamulców, są parametry wcześniejszych zahamowań oraz sposób eksploatacji pojazdu, a nawet, często marginalizowany, wpływ czynników atmosferycznych. W kolejnych artykułach autor postara się przybliżyć bardziej praktyczną wiedzę z zakresu zapobiegania procesom wibroakustycznym pochodzącym od układu hamulcowego.