Jak brzdí naše formule

Úvod

Aby bylo vozidlo schopné spolehlivě zpomalit nebo zcela zastavit, musí být vybaveno odpovídajícím brzdovým systémem, který je dostatečně dimenzovaný pro daný typ vozidla a jeho provozní podmínky. Je tedy více než jasné, že se bude konstrukčně lišit brzdový systém například nákladního automobilu od automobilu osobního.

Samostatnou kapitolou jsou pak brzdové systémy určené pro použití v oblasti motorsportu, kde vozidla ve většině motoristických disciplín potřebují vysoce účinné systémy. Řidič závodního vozu si může dovolit jízdu na limitu možností jen v případě, že navržený brzdový systém splňuje vysoké požadavky na závodní systémy, mezi které patří dobrá dávkovatelnost brzdového účinku, rychlá odezva a stálý účinek brzd. Odměnou za dobře vyřešený závodní brzdový systém není zvýšení brzdné síly samotné, ale jistota, důslednost a ovladatelnost systému, která je poskytována řidiči. Těmto požadavkům musel vyhovět i nový návrh brzdového systému pro nový monopost FS.07. Důvodem pro přepracování stávajícího řešení brzdového systému na monopostu FS.06 Razor byla jeho opakovaná nespolehlivost, nespokojenost pilotů s ovládáním a množství drobných chyb v návrhu, které dohromady vytvářely řadu problémů na závodních tratích.

Jedním z nejnebezpečnějších problémů byly praskající brzdové třmeny už na monopostu FS.05, které jsme se rozhodli nahradit novými již na monopostu FS 06. Pokud by došlo k dalšímu poškození, kdy by v jeho důsledku při jízdě došlo k nečekanému zablokování některého z kol, hrozí nebezpečí nejen pilotovi, ale i jeho okolí.

Návrh komponentů nové brzdové soustavy je založen na výpočtech, simulacích, testování, měření a dlouholetých zkušenostech týmu CULS Prague Formula Racing získaných získaných na mezinárodních okruzích.

Požadavky na nový brzdový systém pro monopost FS.07

1. Brzdový systém monopostu FS.07 musí splňovat aktuálně platná pravidla soutěže Formule student
2. Dimenzování brzdového systému musí odpovídat náročným podmínkám provozu monopostu ve všech dynamických disciplínách Formule Student
3. Brzdový systém musí být navržen takovým způsobem, aby jej bylo možné spolehlivě ovládat silou řidiče bez další vnější síly
4. Monopost musí být schopen stabilně spolehlivě brzdit s maximálním možným zpomalením
5. Nový návrh musí odstranit nedostatky zjištěné při analýze brzdových systémů monopostu FS.05 a FS.06
6. Konstrukce nového brzdového systému musí umožnit nastavení brzdného účinku na přední a zadní nápravě
7. Při vývoji a výrobě použít maximálně možné množství běžně dostupných komponent
8. Komponenty určené pro výrobu optimalizovat s ohledem na výrobní, časové a finanční možnosti týmu CULS Prague Formula Racing
9. Konstrukční řešení by měla pokračovat v trendu snižování hmotnosti všech komponent
10. Pedál spojky nebude uvažován jako součást pedálové skupiny
11. Pedálová skupina musí zůstat nastavitelná
12. V návrhu musí být popsána údržba brzdového systému.

Brzdové kotouče

Vzhledem ke značnému množství problémů s pevnými kotouči na minulých monopostech, bylo rozhodnuto u nového návrhu použít plovoucí kotouče na přední nápravě. Toto řešení bylo implementováno už na monopostu FS.06 a tudíž prošlo testováním a závodní sezonou, ve které toto řešení obstálo bez problémů. Základní koncepční řešení využívá brzdový věnec uložený přes ocelové čepy na středovém unašeči. Čepy jsou zajištěny třmenovými podložkami. Celá konstrukce kotouče je pak připevněna pomocí lícovaných šroubů k náboji kola z materiálu EN AW 7075-T6. Odzkoušené řešení designu nových plovoucích kotoučů s optimálním profilem drážek pro lepší odvod tepla, nečistot, vody a snížení hmotnosti dodala firma Motokotouče, která brzdové kotouče také vyrobila. Vhodnost tohoto řešení, oproti jiným designům kotoučů, ukázaly pevnostní simulace brzdového kotouče provedené v programu Solidworks Simulation. Finální verze V9 vykazuje nejrovnoměrnější rozložení napětí a nejnižší hodnotu koeficientu bezpečnosti. Pevnostní simulace lze vidět na obrázku níže.

Modely pro účely simulace vznikaly v prostředí CAD programu Solidworks. Celkem bylo simulováno 9 verzí brzdových kotoučů ze stejného materiálu, ale s jiným profilem odlehčovacích otvorů. Cílem simulace bylo ověřit nové řešení, které umožní na kotouči co možná nejrovnoměrněji rozložit tepelně-mechanické namáhání. Příliš mnoho odlehčovacích otvorů by snížilo tuhost kotouče a jeho tepelnou kapacitu, tudíž by se snadněji přehříval a rychle ztrácel provozní teplotu. Brzdový kotouč bez odlehčovacích otvorů má zbytečně vysokou hmotnost, a navíc není usnadněn odvod nečistot a vody drážkami pryč z funkčního povrchu, proto toto řešení nebylo od počátku návrhu vůbec zvažováno.

Finální provedení předního brzdového kotouče vyrobeného z materiálu, jehož přesné složení si výrobce tají má vnější průměr 230 mm, tloušťku 4,5 mm, hmotnost 620 g. Pro zadní kotouče byl aplikován stejný materiál a profil drážek jako v případě předních kotoučů, nicméně zadní kotouče byly provedeny ve variantě s pevným kotoučem. Plovoucí provedení se zatím pro zadní nápravu neopodstatnilo. Zadní brzdové kotouče mají hmotnost 545 g a vnější průměr 200 mm. Z finančního hlediska znamenala výroba brzdových kotoučů u dodavatele Motokotouče náklady cca 10 000 Kč. Tato částka je však opodstatněná složitou výrobou, která nepředstavuje pouze vyřezání tvarů a drážek do materiálu polotovaru. Součástí výroby je mnoho důležitých procesů jako například kalení, kovoobrábění broušení, frézování, pískování a další neméně podstatné operace. Přesný výrobní proces si výrobce tají.

Brzdové třmeny

Pro přední brzdy byly vybrány osvědčené brzdové třmeny od společnosti ISR Brakes s označením ISR 22-048, který je k vidění na obrázku níže. Jedná se o třmeny monoblokové konstrukce z lehké hliníkové slitiny vybavené čtyřmi pístky o průměru 25 mm. Velikost průměru pístků byla zvolena již při výpočtu brzdového systému. Hmotnost předního třmenu je 460 g a funkční plocha destiček v jednom předním brzdiči je 14 cm².

Pro zadní brzdy byly vybrány brzdové třmeny od stejného výrobce jako v případě předních brzdičů. Firma ISR Brakes dodala brzdové kotouče s označením ISR 22-049. Jedná se o monoblokové brzdové třmeny z lehké hliníkové slitiny se dvěma pístky o průměru 25 mm. Zadní třmeny mají hmotnost 290 g a funkční plocha destiček v jednom zadním brzdiči je 7 cm² . Velikost pístků byla zvolena při výpočtu brzdového systému.

Třmeny společně s ostatními díly brzdového systému byly podrobeny zástavbové zkoušce, jak v rámci CAD modelu monopostu, tak následně ještě před montáží podvozku. Je tak zajištěno, že nedojde ke vzájemné kolizi dílů při provozu a problémům při sestavování.

Přední i zadní třmeny jsou k tělu těhlice přichyceny radiálně. Uchycení třmenu k těhlici bylo pevnostně prověřeno na přední těhlici, která je více zatížená při brzdění, pomocí pevnostní simulace v prostředí Solidworks Simulation. Výsledky simulace můžete vidět a následujícím obrázku, kde je vypočítáno posunutí a napětí v materiálu v důsledku zatížení. Hodnota maximálního napětí v materiálu nepřesahuje mez kluzu materiálu EN AW 7075-T6, ze kterého je těhlice vyrobena. Jak přední, tak zadní brzdový třmen poskytuje díky svojí pevné monoblokové konstrukci optimální zpětnou vazbu řidiči. Z finančního hlediska vyházejí pořízení brzdových třmenů příznivě, neboť se je podařilo zakoupit již z peněz rozpočtu pro rok 2019.

Brzdové destičky

Brzdové destičky byly zvoleny na základě konzultace s odborníky z firmy Renovak. Pro monopost budou použity brzdové destičky od firmy Ferodo FRP415, které jsou vyrobeny z polokovového materiálu a určeny pro nerezové brzdové kotouče. Tato směs se běžně používá například pro vysoce výkonné silniční motocykly z toho důvodu, že má dostatečnou odolnost při vysokém zatížení a zároveň spolehlivě funguje již od nízkých teplot, na rozdíl od celokovových směsí brzdového obložení. Dobré fungování již od nízkých teplot je v krátkých disciplínách jako je například skidpad nebo autocross zcela zásadní, neboť se zde brzdové obložení během závodu nestihne zahřát na vysokou provozní teplotu, kde fungují brzdová obložení s celokovovou výplní.

Zvolené destičky mají certifikace TUV/KBA a ECE-R90. Cena těchto destiček je od dodavatele Renovak 429 Kč za sadu 2 kusů. Na celém monopostu FS.07 je celkem 16 stejných brzdových destiček což znamená cenu celkem 3432 Kč. Varianta brzdových destiček pro celý monopost se směsí 29-00-DC od společnosti ISR vychází finančně na 5161 Kč. Volbou brzdových destiček od společnosti Ferodo bude ušetřeno 1729 Kč na každé sadě brzdových destiček. Za celou závodní sezonu tým spotřebuje minimálně 2,5 sady brzdových destiček, čili celková úspora činí min. 4322,5 Kč.

Brzdová kapalina

Vhodná brzdová kapalina byla zvolena dle požadavků výrobce AP Racing, který pro tým CULS Prague Formula Racing dodává kromě vahadla brzdných sil také hlavní brzdové válce. Společnost AP Racing silně nedoporučuje používat ve všech svých produktech brzdovou kapalinu na bázi silikonu. Jako vhodné médium pro brzdový systém monopostu FS.07 byla zvolena brzdová kapalina Universal Brake Fluid DOT 4. Brzdová kapalina má vysoký bod varu a plní kritéria norem SAE J 1703 a FMVSS 116 DOT 4.

Pedálová skupina

Největší novinkou v této oblasti je přesunutí ovládání spojky, neboť je spojkový pedál využíván pouze pro rozjezdy monopostu. Protože sekvenční převodovka umožňuje řadit bez spojky pomocí krátkého přerušením přenášeného momentu v převodovce díky krátkodobému vypnutí zapalování, které zařídí řídící jednotka motoru, proto bylo rozhodnuto přesunout ovládání spojky na sloupek řízení, kde bude spojka ovládána rukou pilota. Změna základního konceptu umožní kompaktnější provedení přední části rámu, což bude mít pozitivní dopad na aerodynamiku vozu. Základní koncept je u FS.07 nově tvořen dvěma pedály, které jsou uchyceny pomocí držáků do podlahy rámu. Pedálová skupina musí zůstat i nadále nastavitelná, aby umožnila jízdu v monopostu pilotům různé výšky.

Hlavní brzdové válce

Pro potřeby brzdového systému, který tvoří dva oddělené hydraulické okruhy, byly vybrány dva hlavní hydraulické válce od společnosti AP Racing s označením CP7854- 90PRTE pro přední okruh a pro zadní okruh byl zvolen typ CP7854-92PRTE. Hlavní brzdový válec pro přední okruh má pístek o průměru 15,9 mm. Hlavní brzdový válec zadního okruhu má pístek o průměru 19,1 mm. Oba hlavní brzdové válce mají shodnou hodnotu zdvihu 30 mm. Volba hlavních brzdových válců vychází z výpočtu brzdového systému. Těla brzdových válců se vyrábí pomocí odlévání a následného obrábění, jejich hmotnost proto činí v případě typu CP7854-90PRTE 282 g a v případě typu CP7854- 92PRTE 288 g.

Uložení brzdových válců je nově situováno šikmo namísto vodorovného uložení, což oproti předchozímu řešení umožňuje snazší odvzdušnění systému. Podélné vodorovné uložení válců nebylo možné zachovat z hlediska zástavbových rozměrů. Hlavní brzdové válce není nutné znovu nakupovat, budou využity již zakoupené válce z minulé sezóny, které budou před sezonou profesionálně zrepasovány. Úspora díky použití dostupných dílů zde činí odhadem 14 000 Kč.

Vahadlo brzdných sil

Jedním z požadavků na brzdový systém je možnost nastavení brzdného účinku mezi přední a zadní nápravu. Aby byl tento požadavek splněn, je do brzdového systému zařazeno vahadlo brzdných sil, které umožňuje nastavení brzdného účinku mezi přední a zadní nápravou pomocí vychýlení vahadla do jedné nebo druhé strany. Pro brzdový systém monopostu FS.07 bude jako základ použito vahadlo brzdných sil od společnosti AP Racing s označením CP5520-4.

Aby systém nastavení brzdného účinku na nové pedálové skupině optimálně fungoval, musí být z důvodu odlišného umístění a zástavbových rozměrů přepracován housing ložiska čepu, který umožňuje vychýlení vahadla. Sériové provedení housingu bude nahrazeno vlastním návrhem, ale zbytek dílů systému nastavení brzdného účinku bude zachován. Přepracované uložení vahadla brzdných sil je k vidění na obrázku níže.

Pro ovládání nastavení rozložení brzdného účinku slouží otočný ovladač dostupný z místa řidiče, který je propojený speciálním ovládacím lankem se závitovou tyčí ve vahadle brzdných sil. Řidič tak má možnost nastavovat rozložení brzdného i při jízdě.

Ostatní příslušenství

Monopost FS.07 bude využívat pancéřové hadice s vnitřním teflonovým jádrem a vnějším PVC opletem od firmy ProRacing. Hydraulické hadice musí odolat tlaku brzdové kapaliny při maximálním brzdném účinku. V předním brzdovém okruhu tlak brzdové kapaliny dosahuje hodnoty 2,604 Mpa a v zadním okruhu 1,737 Mpa. Zvolené hydraulické hadice tento tlak zvládnou, neboť jsou konstruované dle údajů výrobce až do tlaku 20 Mpa. Větší průměr hadice je 6,35 mm, světlost činí 3,17 mm. Minimální poloměr ohybu je 50 mm. Tento typ hadice je určený pouze pro fitinky PTFE. Celková délka hadice voze FS.07 je 5500 mm. Pokud se hydraulické hadice musí spojit nebo rozdělit do více směrů je zapotřebí použít správné hadicové spojky, popřípadě rozdělovače atd.

V brzdovém systému se objevuje nerezový rozdělovač pro brzdy zadní nápravy typu T s dvěma kolmými výstupy na hadice. Závit na vstupu je typu 3/8″x24-UNF.

Samozřejmostí je použití nerezových průtokových šroubů o délce zaručující bezpečnou funkčnost systému. Do brzdových válců se musí průtokové šrouby 7/16″x20-UNF – s délkou 24 mm záměrně zkrátit tak, aby nedošlo k problémům s průtokem brzdové kapaliny. Pro připojení brzdových hadic do brzdových třmenů se používají průtokové šrouby 3/8″x24- UNF s délkou 20 mm. Průtokové šrouby jsou s hadicemi připojeny pomocí Banja odpovídající daným průtokovým šroubům (velkost závitu průtokových šroubů je na monopostu FS.07 buďAN3 nebo AN4). Těsnost zajišťují měděné deformovatelné těsnící kroužky.

Pro každý brzdový okruh je použit samostatný rezervoár na brzdovou kapalinu s vyznačenou maximální a minimální doporučenou hladinou.

Celková cena příslušenství, které bude nutné pořídit pro nový brzdový systém monopostu FS.07 se pohybuje kolem částky 9000 Kč. Většina dílů příslušenství se musí pořídit znovu nové, neboť jsou určeny pouze na jedno použití. Při opakovaném použití by byla ohrožena těsnost systému, což by negativně ovlivnilo bezpečnost provozu.