Hamowanie

Hamulec to mechanizm którego rola w rowerze, jak i zresztą w każdym innym pojeździe, polega na zamianie energii kinetycznej i potencjalnej na ciepło. To oczywiście pozwala na kontrolę prędkości.

W technice znane jest kilkanaście typów hamulców, jednak w rowerach spotykamy się praktycznie tylko z hamulcami które oparte są o zjawisko tarcia.

Model teoretyczny takiego hamulca widać na rysunku:

Hamulec taki składa się zwykle z dwóch dźwigni połączonych za pomocą jakiegoś mechanizmu przeniesienia siły. Może to być łańcuch, cięgno bowdena czy przewód hydrauliczny :)

Na rysunku dźwignia aktywacyjna jest po lewej i przyłożono do niej siłę Fn. Po stronie lewej jest dźwignia przykładająca klocek hamulcowy do powierzchni hamującej. Klocek jest przyciskany do powierzchni siłą Fh. Pośrodku zaznaczyłem zieloną sprężynę która symbolizuje fakt, że każdy element mechanizmu nie jest nieskończenie sztywny. Sprężyna posiada współczynnik sprężystości K i jest odpowiedzialna za 'gumową klamkę' :) czyli sprężystość całego układu hamulcowego.

Zgodnie z najprostszym modelem tarcia siła hamująca Fhr jest równa sile Fh pomnożonej przez współczynnik m tarcia klocka o powierzchnię hamulcową.

Siła hamująca zależy oczywiście od materiału z którego wykonano tak klocki jak i powierzchnię hamującą. Natomiast w bardzo szerokim zakresie nie zależy od powierzchni styku.

Siła Fh jest zależna od siły przyłożonej do dźwigni aktywującej oraz od istotnego parametru każdego hamulca, czyli przełożenia.

Przełożenie hamulca to stosunek siły hamującej do siły przyłożonej. Na rysunku wychodzi on ok 1.42, ale rysunek jest nie narysowany do skali :)

Przełożenie hamulca jest parameterem całkowicie zależnym od jego budowy mechanicznej i waha się od ok. 4 w przypadku hamulców szczękowych do ok. 15 w przypadku niektórych modeli tarczówek. Warto zaznaczyć, że w rzeczywistych hamulcach przełożenie nie jest wartością stałą, ale zmienną – zależną od pozycji klamek/dźwigienek/tłoczków i takich tam w układzie.

Przełożenie hamulca można również określić jako stosunek długości ruchu klocka do ruchu dźwigni aktywacyjnej. Aczkolwiek ta definicja raczej nie działa kiedy klocek już jest dociskany do powierzchni hamującej. Hamulce o wysokim przełożeniu posiadają istotną cechę, iż ruch klocka jest np. 15 razy mniejszy od ruchu klamki.

Powierzchnia hamująca, czyli to po czym przesuwa się klocek ( albo częściej – co przesuwa się względem klocka ), jest w rowerze zwykle częścią koła. Najczęściej jest to ścianka obręczy, wnętrze korpusu piasty lub powierzchnia stalowego dysku przymocowanego do piasty.

Ostateczna siła hamująca rower zależy od średnicy powierzchni hamującej, średnicy koła oraz siły Fhr. Można to okreslić parametrem M określającym, oczywiście, stosunek siły hamującej rower do siły hamującej rower.

Siłę hamującą rower określmy poprzez Fr i jest ona przyłożona w miejscu

Reasumując:

• Fn - Siła na klamce
• Fh - Siła dociskająca klocek
• N - Przełożenie, gdzie N = Fh / Fn.
• Fhr - Siła tarcia o powierzchnię hamującą, gdzie Fhr = Fh * m
• Fr - Siła hamowania roweru, gdzie Fr = Fhr * M

Zaś całkowity wzór to:

Fr = Fn * M * N * m

Przy czym wzór ten zakłada iż N jest stałem bez względu na kąt wychylenia klamki czy innych mechanizmów. W innym przypadku należałoby zamiast niego wstawić funkcję f(x..y) gdzie jest to funkcja określająca jakie przełożenie osiąga hamulec w danym stanie jego elementów.

Fr = Fn * M * f(x..y) * m

Siła hamowania roweru nie jest ograniczona, i zależy od jednego, głównego czynnika, mianowicie od przyczepności do podłoża.

Ta zaś określa maksymalną siłę hamującą rower która nie spowoduje uślizgu koła. Określone jest to wzorem:

Frmax = Fc * m2

gdzie:

• - maksymalna siła hamująca rower
• – siła nacisku na hamowane koło
• – współczynnik tarcia opony o grunt

Jeżeli Frmax przekracza Fr to dochodzi do uślizgu koła. Siła Fc zależy od rozkłady masy na rowerze, nachylenia terenu oraz inercji roweru w danym momencie z uwzględnieniem położenia środka masy roweru.

W każdym razie wygląda to tak:

Fc * m2 >= Fn * M * f(x..y) * m

Podczas pracy rowerowego hamulca energia potencjalna i kinetyczna są zamieniane na ciepło. Wydziela się ono na powierzchni trącej klocka o powierzchnię hamującą i podgrzewa obie rzeczy. Wraz ze wzrostem temperatury zmienia się współczynnik tarcia klocka, więc i siła hamująca. Dla większości materiałów z których wykonane są klocki wraz ze wzrostem temperatury współczynnik tarcia spada, aż do temperatury w której następuje gwałtowny spadek siły hamowania. Jest to zjawisko tzw 'Fadingu'.

Fading jest nagłą utratą możliwości hamowania mimo faktu, iż klamka hamulca jest 'twarda' a sam hamulec sprawia wrażenie sprawnego. Fading jest wywoływany przez wysoką temperaturę, która powoduje zmiany fizykochemiczne na powierzchniach trących. Fading występuje najczęściej w przypadku długich zjazdów z dużymi prędkościami, kiedy jedzie się przez długi czas 'na hamulcach'.

O ile temperatura jest czynnikiem wywołującym fading, to zależy on także od konstrukcji hamulca oraz składu chemicznego powierzchni trących. Najbardziej podatne na fading są hamulce rolkowe i bębnowe.

Ostatnią rzeczą nad którą warto się zastanowić jest parametr K czyli sprężystość układu.

Sprężyna to taki element który magazynuje energię poprzez zmianę swojego kształtu. Zmiana kształtu jest proporcjonalna do współczynnika sprężystości K. Mniej więcej tak:

Dx = F / K

gdzie:

Dx – przyrost wielkości od momentu przyłożenia siły

K – współczynnik sprężystości

F – siła wywołująca odkształcenie

Z tego wzoru wynika bardzo ważna właściwość. Otóż sprężystość układu nie wpływa na siłę hamowania, gdyż sprężystość tylko zmienia położenie elementów układu, zaś zgodnie z III zasadą dynamiki siła Fn zostanie przełożona tak czy inaczej na Fh.

Oczywiście, jednak wiemy z praktyki, że tak nie jest. Otóż wynika to z tego, czego we wzorkach wyżej nie widać. Zakres ruchu klamki jest ograniczony. Po przyłożeniu pewnej siły sprężystość układu spowoduje, że ruch klamki zostanie powiększony 'nieco' o ruch wynikający z sprężystości układu. Jeżeli sprężystość będzie zbyt wielka, to klamka oprze się o kierownicę po przyłożeniu niewielkiej siły.