Hamulce tarczowe w ciągnikach samoróbkach: Konstrukcja i Wyzwania

Budowa ciągnika samoróbki to ambitny projekt, który wymaga nie tylko innowacyjnego podejścia do konstrukcji napędu, ale przede wszystkim solidnego i niezawodnego układu hamulcowego. Bezpieczeństwo jest kluczowe, a prawidłowo zaprojektowane hamulce, w tym tarczowe, stanowią jeden z najważniejszych podzespołów pojazdu wpływającego bezpośrednio na bezpieczeństwo jazdy. W tym artykule omówimy wyzwania związane z konstrukcją samoróbki, szczegółowo przedstawimy budowę i działanie hamulców tarczowych, a także podpowiemy, jak implementować je w samodzielnie budowanym traktorze, bazując na doświadczeniach innych konstruktorów.

Projektowanie napędu i redukcja prędkości w ciągniku samoróbce

Wybór silnika i skrzyni biegów

Kluczowym elementem każdego ciągnika jest jego serce - silnik. Często w samoróbkach wykorzystuje się jednostki wysokoprężne (Diesla) z samochodów osobowych lub dostawczych. Popularne wybory to Ford 1,8D, Fiat 1,7D czy Audi 1,9D. Rozważane są także silniki PSA XUD9/XUD9A, które były seryjnie montowane w Polonezach, a także zespoły napędowe z Mercedesa W123/W124 200/240D. Ważne jest uwzględnienie, czy silnik jest przednionapędowy czy tylnonapędowy, co wpływa na dalszą konstrukcję układu napędowego. W przypadku silników przednionapędowych (np. z Golfa), zestaw taki można zamontować wzdłużnie, a wyjścia z półosi połączyć z dyferencjałami, na przykład z Opla Omegi, uzyskując w ten sposób napęd na cztery koła i zredukowane przełożenie.

Jednym z godnych uwagi rozwiązań jest fabryczny zestaw napędowy Polonez Truck.

Metody redukcji prędkości i zwiększenia momentu obrotowego

Głównym wyzwaniem w budowie ciągnika samoróbki jest osiągnięcie bardzo małej prędkości jazdy, typowo 20-30 km/h, przy jednoczesnym zapewnieniu dużej mocy uciągowej. Oryginalne skrzynie biegów z samochodów często nie zapewniają wystarczającego przełożenia na moc. Rozważane są różne rozwiązania:

• Dwie skrzynie biegów: To popularna i często rekomendowana opcja. Połączenie dwóch skrzyń biegów pozwala na znaczną redukcję prędkości. Problem może stanowić połączenie ich ze sobą. Proponuje się zaspawanie mechanizmu różnicowego w jednej ze skrzyń (np. zaspawanie jednej półosi i połączenie drugiej półosi z drugą skrzynią biegów), eliminując potrzebę sprzęgła pomiędzy nimi. Inna opcja to bezpośrednie połączenie przez sprzęgło kłowe.
• Przekładnia z kół zębatych i łańcucha: Jest to proste i często tanie rozwiązanie. Obawy często budzi wytrzymałość łańcucha na duże obciążenia, jednak przykładem zastosowania solidnych łańcuchów w wymagających warunkach są starsze wersje koparek BIAŁORUŚ, gdzie łańcuch napędzany kołami zębatymi służył do obrotu ramienia.
• Koła pasowe i pasy: To rozwiązanie jest postrzegane jako słabsze niż łańcuchowe, budząc obawy o niewystarczającą skuteczność przy dużej mocy uciągowej.
• Skrzynia rozdzielcza: Można poszukać skrzyni rozdzielczej z Łady Nivy. Alternatywnie, zastosowanie reduktora przemysłowego lub reduktora od UAZ-a może pomóc w dalszym zmniejszeniu prędkości i uzyskaniu większego momentu obrotowego, a także stworzeniu wyjścia na dwa mosty napędowe.

W praktyce, konstruktorzy osiągają bardzo duże przełożenia, na przykład 1:288 (288 obrotów silnika na jeden obrót koła 16 cali), co pozwala na jazdę nawet na 5. biegu pod małą górkę czy na równinie.

Wybór mostu napędowego

Wybór odpowiedniego mostu napędowego jest równie istotny. Często wykorzystywane są mosty od ciężarówek lub samochodów dostawczych. Popularne opcje to mosty i wały napędowe od Żuka. W przypadku mostów od Stara należy zwrócić uwagę, że są one bardzo solidne i często wyposażone w reduktory, które mogą być bardzo przydatne. Długość mostu może wymagać skrócenia, co jest operacją wymagającą precyzji. Mosty samochodów takich jak Duży Fiat czy Polonez mają szerokość około 1,5 metra (lub nieco mniej), co po zastosowaniu adapterów do felg jodełkowych może zwiększyć szerokość zewnętrzną opon do około 1,57 metra.

Dla małego ciągnika ciągającego maksymalnie 500 kg i obrabiającego niewielki kawałek pola (np. 3 ary ornego), most od Żuka starego typu może być wystarczający. Obciążniki o wadze około 500 kg nad tylnym mostem napędowym są niezbędne, aby zapewnić odpowiednią przyczepność i zapobiec ślizganiu się tyłu ciągnika pod obciążeniem podczas orania czy bronowania.

Znaczenie i ewolucja układów hamulcowych w ciągnikach

Rola hamulców w bezpieczeństwie i funkcjonalności

Hamulce w ciągniku są jednymi z najważniejszych podzespołów, ponieważ wpływają wprost na bezpieczeństwo jazdy. Ich głównym zadaniem jest umożliwienie zmniejszenia prędkości jazdy lub całkowitego zatrzymania pojazdu (hamulce zasadnicze, potocznie nożne) oraz unieruchomienie pojazdu podczas postoju (hamulec postojowy, potocznie ręczny). Współczesne ciągniki rolnicze są dużo cięższe i szybsze niż ich odpowiedniki sprzed dekad, co wymaga bardzo wydajnych systemów hamulcowych.

Od hamulców bębnowych do tarczowych

W starszych konstrukcjach ciągników popularnym mechanizmem hamulcowym był układ szczękowo-bębnowy. Miał on jednak pewne wady: utrudnione odprowadzanie ciepła powstającego w trakcie tarcia, trudności z usuwaniem produktów zużycia (pyłu z okładzin), utrudnioną regulację oraz wrażliwość na zaolejenie. Te wady sprawiły, że hamulce szczękowo-bębnowe zostały zastąpione przez hamulce tarczowe.

Hamulce tarczowe występują w dwóch głównych odmianach:

• Hamulce tarczowe mokre: Proces hamowania realizowany jest przez dociskanie do siebie tarcz zamontowanych we wspólnej obudowie wypełnionej olejem. Jedna z tarcz jest połączona kształtowo z elementem obrotowym (np. półosią), zaś druga z nieruchomym elementem obudowy. To bardzo popularne rozwiązanie we współczesnych ciągnikach, często w wersji wielotarczowej.
• Hamulce tarczowe suche: Tarcza hamulcowa jest osadzona na piaście koła, a hamowanie odbywa się poprzez dociśnięcie wkładek hamulcowych, zwanych potocznie klockami, osadzonych w zacisku hamulcowym. Docisk jest realizowany hydraulicznie przez wygenerowanie ciśnienia na tłoczki hamulcowe. Są mniej popularne w ciągnikach niż odmiana mokra, ale pojawiają się np. w ciągnikach JCB Fastrac czy Deutz Fahr (model 9TTV).

Budowa i zasada działania hamulców tarczowych

Podstawowe komponenty hamulca tarczowego

Hamulce tarczowe składają się z czterech głównych elementów:

1. Tarczy hamulcowej
2. Przekładni hamulcowej
3. Szczęk z okładzinami ciernymi
4. Cylindrów (siłowników) hamulcowych, czyli elementów pneumatyczno-mechanicznych lub hydraulicznych, dzięki którym przy załączonym hamowaniu szczęki są dociskane do tarcz, co wytwarza siłę tarcia (opór ruchu).

Rodzaje napędów i systemów zaciskowych

Do napędu szczęk hamulcowych w pojazdach (np. kolejowych) wykorzystuje się sprężone powietrze (hamulec pneumatyczny lub elektropneumatyczny) wtłaczane do cylindrów hamulcowych (siłowników) z układu pneumatycznego. W cylindrach znajdują się tłoki, których tłoczyska połączone są z elementami mechanicznej przekładni hamulcowej. Napór powietrza na tarczę tłoka powoduje jego wypychanie, a siła ta przenoszona jest przez tłoczysko na układ dźwigni/cięgien, dociskając okładziny cierne do tarcz hamulcowych.

W nowoczesnych tramwajach stosuje się hamulce tarczowe elektrohydrauliczne. Siła hamowania jest zależna od ciśnienia panującego w cylindrach zasadniczych.

Podczas eksploatacji, na skutek tarcia par ciernych, następuje zużywanie się okładzin ciernych i tarcz. Cylindry mają wbudowane nastawiacze skoku tłoka (tzw. nastawiacze wewnętrzne), które zapewniają stałą odległość okładzin od tarcz w stanie odhamowanym i taki sam skok tłoka niezależnie od stopnia zużycia.

W przekładniach hamulców tarczowych rozróżnia się układ napędu grupowy i pojedynczy (indywidualny). Układ grupowy, rzadziej stosowany, gdzie jeden cylinder hamulcowy przenosi siłę na dwie dźwignie zaciskowe. W nowobudowanych pojazdach stosuje się wyłącznie układ pojedynczy z indywidualnymi, kompaktowymi zaciskami hamulców, gdzie jeden cylinder powoduje obustronny docisk okładzin do tarczy.

Montaż i konstrukcja tarcz hamulcowych

W pojazdach rozróżnia się dwa sposoby zabudowy tarcz hamulcowych:

• Montowane na osiach zestawów kołowych: Stosowane najczęściej w wózkach tocznych wagonów pasażerskich, umożliwia zastosowanie do czterech zespołów hamulcowych na jednej osi. Tarcze są naprasowywane na wyprofilowane podpiaścia osi.
• Zabudowane na tarczach kół jezdnych (w postaci dwóch pierścieni ciernych): Rozwiązanie to najczęściej stosowane jest w pojazdach trakcyjnych, gdy brakuje miejsca na montaż na osiach. Pierścienie cierne montowane są z obu stron tarcz kół jezdnych i przykręcane śrubami.

Warunkiem stosowania hamulców tarczowych w pojazdach kolejowych jest stosowanie kół monoblokowych ze względów bezpieczeństwa - hamowana jest cała oś, a nie tylko obręcz.

Tarcze hamulcowe wykonuje się jako odlewy z żeliwa lub staliwa. Podczas hamowania powstaje wysoka temperatura, dlatego tarcze posiadają specjalne układy żeber pełniących rolę radiatorów, zwiększających powierzchnię oddawania ciepła. Starszego typu tarcze mają użebrowanie chłodzące w postaci promieniście rozmieszczonych płaskowników (łopatek), natomiast obecnie powszechnie stosowane są tarcze z użebrowaniem wałeczkowym, które generują znacznie mniejsze opory powietrza. W pociągach dużych prędkości czasem stosuje się tarcze niewentylowane (monolityczne) z twardej stali, aby wyeliminować opory ruchu.

Pod względem montażu rozróżnia się tarcze monolityczne (niedzielone) i segmentowe (dzielone). Wymiana tarcz niedzielonych wymaga rozcięcia tarczy lub demontażu kół z osi, natomiast tarcze dzielone są łatwiejsze w wymianie. Często po wyprodukowaniu montuje się tarcze niedzielone, a po ich zużyciu stosuje się droższe tarcze dzielone. Idealnym rozwiązaniem jest montaż tarcz na osiach po zewnętrznych stronach kół, co upraszcza wymianę, spotykane np. w pojazdach wąskotorowych czy niskopodłogowych tramwajach.

Okładziny cierne i ich mocowanie

Okładziny cierne montowane w obsadach szczęk wykonywane są z tworzyw organicznych lub spieków metalicznych. Posiadają specjalne nacięcia (rowki) poprawiające chłodzenie i doleganie okładzin do płaszczyzn ciernych tarcz. Należy pamiętać o prawidłowej nomenklaturze - są to okładziny cierne hamulca, a nie klocki hamulcowe.

Rodzaje zacisków i hamulce postojowe

W zakresie mechanizmów zaciskowych (zacisków) rozróżnia się dwa rozwiązania z punktu widzenia ich montażu w podwoziu:

• Zaciski montowane wahliwie: Mocowane są trójpunktowo, jeden punkt do podwozia (np. ramy wózka), a dwa pozostałe podwieszają dźwignie (szczęki) z okładzinami.
• Zaciski mocowane sztywno: Mocowane do podwozia jednopunktowo poprzez wspornik przykręcany śrubami.

Zaciski hamulców tarczowych mogą być przystosowane do współpracy z układami hamulców postojowych (ręcznych lub sprężynowych). Hamulec sprężynowy składa się z dwóch zintegrowanych cylindrów: zasadniczego (pneumatycznego) i sprężynowego, w którym siła nacisku generowana jest przez pakiet sprężyn (brak ciśnienia oznacza maksymalną siłę hamowania, stąd zastosowanie jako hamulec postojowy). Hamulec ręczny natomiast działa za pośrednictwem cięgna linkowego napędzanego korbą.

Wskaźniki stanu zahamowania

W celu sprawdzenia prawidłowego działania hamulców tarczowych (stan odhamowania/zahamowania), zwłaszcza że często nie ma możliwości wizualnego sprawdzenia jak przy hamulcach klockowych, stosuje się specjalne wskaźniki wizualizujące aktualny ich stan. Montowane są one na wózkach lub nadwoziu pojazdu.

Implementacja i usprawnienie hamulców w ciągniku samoróbce

Wybór pompy hamulcowej

Wielu konstruktorów samoróbek mierzy się z problemem twardego pedału hamulca i słabego hamowania. Przykładem jest sytuacja, w której pompa hamulcowa od Żuka starego typu dawała twardy pedał i wymagała dużego nacisku. Skutecznym rozwiązaniem okazała się wymiana pompy na model z Ursusa C-30, co znacząco poprawiło skuteczność hamowania. Pompy z samochodów bez wspomagania (np. stare pompy sprzęgłowe od Skody 100/105/120) są często dłuższe i mają mniejszą średnicę, co pozwala uzyskać większe ciśnienie przy mniejszym wysiłku.

W przypadku pomp z Poloneza (dwusekcyjnych, żeliwnych), można wykorzystać tylko jedną sekcję, zaślepiając drugą po odpowietrzeniu. Można też połączyć obie sekcje przez trójnik, co jest korzystne, gdy jest duża różnica między pompą a cylinderkiem. Nawet pompy z serwomechanizmem Poloneza starego typu (Bendix, nie Lucas) mogą działać bez wspomagania, podobnie jak w samochodach Zastava 1100. Należy pamiętać, że w dwusekcyjnej pompie Poloneza jedna sekcja uruchamia drugą poprzez ciśnienie w pierwszej, a opór występuje w momencie sprężenia płynu w drugiej sekcji.

Hamulce dzielone

Ciekawym rozwiązaniem, zwiększającym zwrotność ciągnika, są hamulce dzielone, czyli niezależne hamowanie na lewe i prawe koło. Można to zrealizować, stosując dwie pompy (np. dwie pompy sprzęgłowe od Poloneza) i podłączając każdą do oddzielnego koła. Pompy Poloneza są dwusekcyjne, ale do hamulców dzielonych wystarczy wykorzystać po jednej sekcji z każdej pompy. Ważne jest dopasowanie średnicy pomp do średnicy cylinderków w zaciskach.

Systemy wspomagania i elektroniczne rozwiązania (kontekst współczesny)

Współczesne ciągniki rolnicze często wykorzystują zaawansowane systemy hamulcowe, które mogą stanowić inspirację dla konstruktorów samoróbek, choć ich implementacja może być trudna. Są to m.in.:

• Hydrauliczne uruchamianie hamulców ze wspomaganiem: Zapewnia dużą siłę hamowania przy niewielkim nacisku na pedał, np. system PowerBrake w traktorach Deutz Fahr 9TTV.
• Elektroniczne systemy kontroli hamowania: Wykrywają pchanie ciągnika przez przyczepę (np. Claas Arion 500/600 CMatic, New Holland ITBS) i sterują pracą przekładni, silnika oraz hamulców przyczepy. Systemy takie jak ABS SuperSteer poprawiają zwrotność.
• Automatyczne hamulce postojowe (EPB): Automatycznie blokują koła w sytuacji opuszczenia kabiny przez operatora, zwalniając się po wybraniu przełożenia i kierunku jazdy (np. Deutz Fahr). Funkcje takie jak Hill Hold ułatwiają ruszanie pod górkę (np. Valtra G5).

Hamowanie silnikiem i hamulec wydechowy

Nie zawsze konieczne jest używanie hamulców zasadniczych. Przy niewielkim zmniejszeniu prędkości korzystniejsze jest operowanie obrotami silnika i przełożeniem w skrzyni biegów, co pozwala na hamowanie silnikiem. Wiele współczesnych ciągników jest również wyposażonych w hamulec silnika (hamulec wydechowy), który zdławiając przepływ spalin, zwiększa opór mechaniczny i skuteczność hamowania silnikiem.

Hamulce na przedniej osi

W ciągnikach z napędzaną osią przednią, oś ta musi być wyposażona w układ hamulcowy. W starszych konstrukcjach hamulec przedniej osi był montowany przy elementach układu napędowego, natomiast obecnie dąży się do montowania hamulców bezpośrednio przy kołach przedniej osi. Na przykład, w ciągnikach John Deere serii 7R i 8R przednia oś jest wyposażona w hamulce tarczowe mokre, a w traktorach JCB Fastrac - w suche.

tags: #hamulec #tarczowy #ciagnik #sam