Brzdový kotouč

Brzdový kotouč má zpravidla tvar talíře nebo disku, který je pevně připojený k náboji kola a otáčí se společně s ním. Při brzdění je třecí plocha brzdového kotouče svírána mezi brdové destičky, čímž je vyvolán brzdný účinek.

Brzdový kotouč je jednou z hlavních součástí kotoučových brzd. Nejčastěji má tvar talíře, okraj tohoto talíře tvoří hlavní třecí plochu zachytávanou brzdovými destičkami. Brzdový kotouč je pevně spojen s nábojem kola a otáčí se tedy společně s celým kolem. Na prstencovou třecí plochu brzdového kotouče dosedají třecí segmenty v podobě brzdových destiček. Brzdové destičky jsou umístěny v brzdovém třmenu, který se s kolem neotáčí a je pevně spojen s těhlicí kola. Sevřením brzdového kotouče vzniká třecí síla, která přeměňuje pohybovou energii jedoucího vozidla na energii tepelnou.


Materiály brzdových kotoučů:

Ideální materiál brzdového kotouče má nízkou hustotu, která ovlivňuje výslednou hmotnost brzd, vysokou tepelnou vodivost a minimální součinitel teplotní roztažnosti. Pro představu si prohlédněte srovnávací tabulku materiálů:

MATERIÁL HUSTOTA
[kg.m-3]
TEPELNÁ VODIVOST
[W.m-1.K-1]
SOUČINITEL TEPLOTNÍ ROZTAŽNOSTI
[x106.K-1]
Šedá litina (3,4% C) 7800 62 10-13
Al-MMC 2700 182 18-25
Keramika + uhlíkový kompozit 1700 300 0,1-1,5
 

V praxi jsou brzdové kotouče nejčastěji vyráběny z temperované litiny nebo ocelolitiny. Litina je využívána z důvodu lepší metalurgické stability, snadnější výroby a nižších výrobních nákladů. Kvůli vylepšení materiálových vlastností se používají legující prvky např. molybden, měď, chrom nebo titan. Za pomoci těchto prvků dosahuje výsledná slitina optimálnější homogenní struktury a lepších teplotních parametrů. Běžné ocelolitinové kotouče ztrácí svoji účinnost přibližně od 800 °C, následně začínají brzdy vlivem přehřátí tzv. vadnout (fading). Přehřívání brzd má negativní vliv i na jejich nadměrně opotřebovávají a může být i příčinou zkroucení brzdových kotoučů. Dalším častým problémem ocelolitinových kotoučů je rychlá povrchová koroze třecích ploch při odstavení vozidla.

 

Obrázek brzdových kotoučů převzat z topnahradnidily24.cz

Na opačném pólu trhu jsou kompozitní kotouče pro sportovní a luxusní vozy vyrobené z ocelokeramiky nebo ještě lépe karbonkeramiky. Takové brzdové disky mají vynikající tepelné a mechanické vlastnosti – nevadnou. Keramická složka zajišťuje nadprůměrnou životnost i tepelnou odolnost. V kombinaci s karbonovou matricí mají takové disky velmi malou tepelnou roztažnost a velmi nízkou měrnou hmotnost (brzdový kotouč je zpravidla součástí neodpružených hmot proto je nízká hmotnost důležitá). Díky vysoké tepelné vodivosti jsou keramické kotouče velmi odolné proti přehřívání. Bohužel jejich hlavní nevýhoda je značně vysoká cena i sklony k pískání za studena. Původně byl totiž tento typ brzdových kotoučů vyvinut pro závodní účely a optimálního brzdného výkonu dosahují při provozních teplotách až kolem 200 °C, což je pro běžnou jízdu nepoužitelné. Životnost karbonkeramických brzd je ve srovnání s klasickými brzdami mnohonásobně delší, ale ne doživotní, jak často slýcháme. Při započítání pořizovací ceny je jejich použití vhodné spíše pro okruhové ježdění.


Chlazení brzdových kotoučů:

Brzdové kotouče lze rozdělit na neodvětrávané a odvětrávané. Odvětrávání kotoučů zajišťují axiální otvory, drážky nebo vnitřní žebra, viz obrázky nahoře. Dobré chlazení brzd má vliv na jejich účinnost a odolnost proti vadnutí při vysoké zátěži.

Neodvětrávané kotouče jsou standartním vybavením většiny vozidel. Jsou výrobně nejjednodušší, a tedy i nejlevnější. Mají maximální styčnou plochu pro brzdové destičky, na druhou stranu jsou náchylné na přehřívání (zapékání) a vadnutí brzdového účinku.

Odvětrávané – vrtané kotouče se vyznačují velkým množstvím otvorů procházejících skrz brzdnou plochu. Podstata vrtání otvorů v kotoučích je zajistit cestu pro rychlejší odvod tepla. Plyn nahromaděný během brzdění je schopen unikat vyvrtanými otvory a není zachycen mezi povrchem kotoučů a destiček. To hraje zásadní roly pro případné vyhřátí destiček a vadnutí brzd při vysoké zátěži. Vrtané kotouče jsou rovněž o něco lehčí. Na druhou stranu otvory oslabují konstrukci disku, což může vést ke vniku trhlin. Vrtané kotouče částečně působí jako struhadlo, proto o něco víc opotřebovávají brzdové destičky.

Odvětrávané – drážkované kotouče se vyznačují drážkami na povrchu třecích ploch. Drážkování odvádí prach z brzdových destiček a zabraňuje jejich spékání. Při brzdění bývají drážkové kotouče hlučnější. Drážkování rovněž slouží jako indikátor opotřebení kotoučů.

Odvětrávané – kotouče s vnitřním chlazením se vyznačují spirálovým labyrintem, který jakoby spojuje dvojici kotoučů. Kotouč však tvoří jeden celek. Při rotaci brzdového kotouče spirálově tvarované vnitřní kanálky způsobují proudění vzduchu, které efektivně odvádí teplo s brzdových kotoučů. Další výhodou je skutečnost, že kotouče s vnitřním chlazením jsou konstrukčně širší, mají tak věší ohybovou pevnost a jsou tedy méně náchylné na případné tvarové zkroucení.


Konstrukce brzdových kotoučů:

Pevné brzdové kotouče – jsou vyrobeny z jednoho kusu, do této kategorie spadá většina běžně používaných brzdových kotoučů. Výhodou konstrukce z jednoho celku je montážní i výrobní jednoduchost, tzn. výsledná nízká cena. Nevýhodou je mimo jiné vliv teplotní roztažnosti, která v případě pevného kotouče způsobuje vnitřní pnutí po celém kotouči. Výsledkem teplotního pnutí může být trvalé zkroucení kotouče. Další nevýhodou je přestup tepla z kotouče na náboj kola a jeho ložiska, což snižuje jejich životnost. Částečně lze tomuto předejít použitím hrncovitého tvaru kotouče, kdy se prodlouží cesta tepla do středu kotouče.

 

Dělené brzdové kotouče – jsou sice konstrukčně složitější, ale mají jednu velkou výhodu, mohou kombinovat dva rozdílné materiály, jelikož jsou rozděleny na dvě části – na věnec a unašeč. Například věnec může být vyrobený z temperované litiny s vysokým obsahem uhlíku a unašeč vykovaný ze speciální hliníkové slitiny. Díky vhodné kombinaci konstrukčních materiálů je výsledný brdový kotouč nejen lehčí, ale zejména umožňuje podstatně lepší odvod tepla.

 

Věnec a rotor mohou být spojeny plovoucím způsobem. Litinový věnec se může vůči rotoru mírně pohybovat v axiálním směru (směrem ven). Díky tomuto řešení mají dvoudílné kotouče menší pravděpodobnost, že se zkroutí nebo prasknou v důsledku nadměrného zahřátí.

Další výhodou je úspora nákladů v případě, že měníte pouze opotřebený litinový věnec.


Teplotní namáhání brzdových kotoučů:

Teplotní namáhání brzd je jedním z hlavních témat při konstrukci. U běžně používaných materiálů jako je šedá litina bývá kritická již teplota v blízkosti 700°C. Je označována jako teplota červeného žáru. Při této teplotě třecí plochy zahřátých brzdových kotoučů svítí do okolí jasnou červenou barvou. Tato teplota není z pevnostního hlediska pro šedou litinu problém, jelikož teplota tavení je až 1150 °C. Problém představují strukturální změny v materiálu, a s tím spojený vznik lokálních plošek s odlišnými vlastnostmi. Takto poškozené brzdy ztrácí účinnost, životnost a při brzdění vibrují.

 

Na počítačové simulaci si může prohlédnou rozdíl mezi neodvětrávanými kotouči a kotouči s chlazením.


Víte, že …?

Kotouče s integrovanou parkovací brzdou – parkovací brzda bývá ve většině případů mechanicky ovládaná. Páka ruční brzdy působí přes táhlo na brzdové čelisti, které vytváří brzdný účinek. V případě kotoučových brzd takový způsob použít nelze, resp. by bylo zapotřebí mnohem větších ovládacích sil. Proto některé automobily využívají kombinace kotoučových a bubnových brzd. Brzdový kotouč tak má třecí plochu pro brzdové destičky i bubnové čelisti (pakny), viz obrázek.