در این مقاله به بررسی اصول، اجزا، عملکرد و سیر تکامل سیستم ترمز خودروها می‌پردازیم.

از زمان اختراع اولین خودرو تاکنون، نحوه‌ی کنترل و متوقف کردن خودرو یکی از دغدغه‌های اصلی سازندگان بوده است. ترمز به عنوان حیاتی‌ترین سیستم ایمنی در خودروها وظیفه‌ی مهمی برعهده دارد. هنگامی که از اتوره بوگاتی، بنیان‌گذار شرکت خودروسازی بوگاتی، درباره‌ی عدم وجود سیستم ترمز در خودروهای مسابقه‌ای گرندپری این شرکت سوال شد پاسخ داد، خودروهای من برای حرکت ساخته شده‌اند نه توقف. با این حال، خیلی زود مشخص شد که نقش ترمز در خودروها فراتر از آن است که بتوان حتی در نمونه‌های مسابقه‌ای از آن چشم‌پوشی کرد.  به همین علت، از گذشته تا حال، همواره شاهد پیشرفت، تکامل و ظهور نوآوری‌های متنوع در سیستم‌های ترمز خودرو بوده‌ایم. امروزه بر خلاف گذشته، ترمزها تنها وظیفه‌ی کاهش سرعت و متوقف کردن خودرو را برعهده ندارند، بلکه در فرمان‌پذیری و شارژ باتری خودروهای هیبرید نیز اثر گذارند.

همه‌ی ما می‌دانیم که با فشردن پدال ترمز سرعت خودرو کاهش می‌یابد و در نهایت متوقف می‌شود، اما چگونه نیروی اندک پا سبب توقف خودرو می‌شود؟ این نیرو چگونه به چرخ‌های خودرو انتقال می‌یابد؟ برای پاسخ‌گویی به این سوالات باید با فرآیند کلی ترمزگیری از ابتدا تا انتها آشنا 

شویم.

هنگامی که پا روی پدالترمز می‌فشارید، نیروی پای شما از طریق یک سیال به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌ها منتقل می‌شود. بدیهی است که نیروی پای شما بسیار کم‌تر از آن است که بتواند خودرویی با وزن و سرعت بالا را متوقف کند، بنابراین نیاز است این نیرو به طریقی افزایش یابد. مهندسان با به‌کارگیری اصول فیزیکی، نیروی پای راننده را چند برابر می‌کنند. این کار از طریق دو اصل مزیت مکانیکی (اهرم) و افزایش نیروی هیدرولیکی انجام می‌شود. نیروی افزایش یافته‌ی پای راننده به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌ها می‌رسد، سپس ترمزها این نیرو را به شکل نیروی اصطکاک به چرخ منتقل می‌کنند و در آخرین مرحله از این فرآیند، این نیرو به شکل نیروی اصطکاک به سطح جاده وارد می‌شود و سبب کاهش سرعت و در نهایت توقف می‌شود. قبل از پرداختن به اجزای سیستم ترمز، ابتدا به بررسی اصول فیزیکی مزیت مکانیکی، هیدرولیک و اصطکاک در فرآیند ترمزگیری می‌پردازیم.

مزیت

 مکانیکی (اهرم)

مزیت مکانیکی یک کمیت بی‌بعد است که نشان می‌دهد نیروی مقاوم (نیرویی که ماشین بر جسم وارد می‌کند) چند برابر نیروی محرک (نیرویی که ما بر ماشین وارد می‌کنیم) در یک ماشین است. در اهرم‌ها به دلیل چشم‌پوشی از اصطکاک، مزیت مکانیکی برابر است با نسبت طول بازوی محرک به طول بازوی مقاوم. همان‌طور که در تصویر زیر مشخص است، نیروی F به سمت چپ اهرم وارد می‌شود، بنابراین طول بازوی محرک دو برابر طول بازوی مقاوم (سمت راست) است. به همین دلیل، با تقسیم طول بازوی محرک بر طول بازوی مقاوم، مزیت مکانیکی این اهرم برابر ۲ به دست می‌آید که به معنی اعمال نیروی 2F در سمت راست اهرم است. با تغییر فاصله‌ها در اهرم‌ها می‌توان ضریب چند برابری نیروها را تغییر داد.

هیدرولیک

اساس فیزیکی پشت سیستم‌های هیدرولیک بسیار ساده است. در سیستم‌های هیدرولیک می‌توان نیرو را از طریق یک سیال تراکم‌ناپذیر انتقال داد. به دلیل خواص فیزیکی مناسب روغن‌ها، در اغلب سیستم‌های هیدرولیکی، سیال مورد استفاده روغن است و به همین جهت در ترمز خودروها نیز از روغن ترمز به عنوان سیال استفاده می‌شود. در سیستم‌های هیدرولیک با استفاده از قانون پاسکال می‌توان به راحتی نیروی خروجی را به مضربی از نیروی ورودی تبدیل کرد. قانون پاسکال یک قانون پایه‌ای در هیدرودینامیک است که بیان می‌کند تغییر فشار در هر نقطه از سیال تراکم‌ناپذیر به همه‌ی نقاط و سطح سیال منتقل می‌شود. این فشار از رابطه‌ی  به دست می‌آید که در آن P فشار، F نیرو و A مساحت سطحی است که نیرو به آن وارد می‌شود.

شکل فوق یک سیستم ساده هیدرولیکی با دو سیلندر سیال را نشان می دهد که توسط پیستونی محصور شده‌اند و از یک مسیر هیدرولیکی به یکدیگر متصل‌اند. یک نیروی رو به پایین F1  در پیستون سمت چپ فشاری را به تمام سطح مایع منتقل می‌کند. نتیجه این‌که نیروی رو به بالای F2  در پیستون سمت راست تولید می‌شود که بزرگ‌تر از F1 است، زیرا بر اساس قانون پاسکال نیروی F1 به‌طور یکسان به سطح مایع تراکم‌ناپذیر منتقل می‌شود و بنابراین P1=P2 خواد بود و با توجه به مساحت بزرگ‌تر A2، F2 بزرگ‌تر از F1 است. نکته‌ی قابل توجه دیگر در سیستم‌های هیدرولیک این است که لوله‌ی واسط میان دو پیستون می‌تواند هر طول و شکلی داشته باشد و همچنین می‌توان از این لوله برای پیستون‌های دیگر نیز انشعاب گرفت.

اصطکاک

به زبان ساده اصطکاک میزان سختی لغزیدن دو جسم روی یکدیگر است. با توجه به شکل بالا، هر دو بلوک از جنس یکسانی ساخته شده‌اند، اما وزن یکی از دیگری بیش‌تر است. به‌طور حسی تقریبا همه‌ی ما می‌دانیم که هل دادن بلوک سنگین‌تر دشوارتر از هل دادن بلوک سبک‌تر است و دلیل آن چیزی نیست جز اصطکاک. برای روشن‌تر شدن موضوع باید نگاهی دقیق‌تر به سطح زیرین بلوک‌ها بیاندازیم. اگرچه با چشم غیرمسلح ممکن است سطح بلوک‌ها صاف و صیقلی به نظر برسد، اما حقیقت این است که حتی صاف‌ترین سطوح نیز در مقیاس میکروسکوپیک دارای ناهمواری‌های متعددی هستند. وقتی دو جسم روی یکدیگر قرار می‌گیرند، ناهمواری سطوح آن‌ها درون یکدیگر چفت می‌شود و هرچه وزن جسم بالایی سنگین‌تر باشد، ناهمواری سطوح بیش‌تر در یکدیگر فرو می‌روند و در نتیجه لغزش دو جسم روی یکدیگر بسیار دشوار می‌شود.

مواد مختلف ساختار میکروسکوپیک متفاوتی دارند، برای مثال، حرکت دادن دو سطح لاستیکی روی هم سخت‌تر از لغزاندن دو سطح استیل روی یکدیگر است. به همین جهت برای وارد کردن جنس سطوح در محاسبات اصطکاک از ضریبی به نام ضریب اصطکاک استفاده می‌شود که نسبت نیروی لازم برای لغزاندن جسم به وزن است. بنابراین، نیروی اصطکاک به وزن وابسته است و هرچه وزن بیش‌تر باشد نیروی ببزرگ‌تری لازم است. به همین ترتیب از این مفهوم در سیستم ترمز نیز استفاده می‌شود. هنگامی‌که لنت‌ها روی دیسک چرخ در حال حرکت فشرده می‌شوند، با افزایش نیروی وارد بر لنت‌ها، نیروی اصطکاک نیز افزایش می‌یابد.

حال که با اصول فیزیکی حاکم بر سیستم ترمز آشنا شدیم وقت آن است که به بررسی تاریخچه، اجزای سازنده و پیشرفت‌های سیستم ترمز خودرو بپردازیم. اولین سیستم‌های ترمز نصب شده روی خودروها مستقیما روی شفت نصب می‌شدند تا به جای کاهش سرعت چرخ‌ها، سرعت دورانی شفت را کنترل کنند. این سیستم‌ها سبب ایجاد تنش شدید روی شفت خودرو می‌شدند و تنها دلیل استفاده از این سیستم پیچیدگی نصب سیستم ترمز روی چرخ‌های خودرو بود. با پیشرفت علم و ظهور نوآوری‌های متعدد (به خصوص سیستم‌های هیدرولیکی) ترمز شفت جای خود را به ترمز چرخ داد. با وجود تمام نوآوری‌ها، تا سال ۱۹۳۰ میلادی ترمزها تنها روی چرخ‌های عقب خودرو نصب می‌شدند و در نتیجه این خودروها پایداری مناسب در پیچ‌ها و در شرایط ترمزهای اضطراری نداشتند. کم‌کم با پیشرفت‌های صنعت خودروسازی هر چهار چرخ خودروها به ترمز مجهز شد و سیستم‌ ترمز کابلی معرفی شد. سپس، ترمزهای هیدرولیکی معرفی شدند و پس از آن سیستم‌های سروو خلا عرضه شدند تا نیروی مورد نیاز برای فشردن پدال ترمز را کاهش دهند و با اندکی فشار پدال ترمز، نیروی لازم جهت کاهش سرعت و توقف خودرو تأمین می‌شود.

انواع سیستم ترمز

به‌طور کلی عملکرد سیستم‌های مختلف ترمز از اصول فیزیکی یکسانی پیروی می‌کنند و تنها تفاوتشان در میزان اثربخشی و نحوه‌ی انتقال نیروی پای راننده به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌هاست. ترمزها به دو دسته‌ی کلی مکانیکی و هیدرولیکی تقسیم می‌شوند که هر کدام به زیردسته‌های کوچک‌تر قسمت می‌شود. در ادامه به بررسی هر یک از این سیستم‌ها می‌پردازیم.

سیستم ترمز مکانیکی

ترمزهای مکانیکی از اولین نمونه‌های تعبیه شده در خودروها هستند. در سیستم‌ ترمز مکانیکی نیروی پای راننده از طریق پدال ترمز به یک کابل واسط منتقل می‌شود و کابل نیروی وارده را به کفشک‌های ترمز منتقل می‌کند. کفشک ترمز در حقیقت همان لنت‌های ترمز هستند با این تفاوت که به‌جای ایجاد اصطکاک با دیسک، درون یک محفظه‌ی کاسه‌ای شکل قرار دارند و با سطح داخلی کاسه ایجاد اصطکاک می‌کنند. اگرچه این سیستم ساده است، اما ایراداتی دارد که سبب شد به مرور زمان استفاده از آن منسوخ شود. از جمله ایرادات اساسی این سیستم احتمال پارگی سیم ترمز و از کار افتادن کلی سیستم ترمز است، به علاوه در این سیستم بر خلاف سیستم‌های دیگر نظیر ترمز هیدرولیکی، امکان چند برابر کردن نیروی وارد شده بر پدال وجود ندارد.

سیستم ترمز هیدرولیکی

اساس عملکرد ترمزهای هیدرولیکی تقریبا مشابه ترمز مکانیکی است با این تفاوت که به جای سیم در آن از لوله‌های حاوی سیال غیرقابل تراکم (روغن ترمز) استفاده شده است. به علاوه، به واسطه‌ی سهولت چند برابر کردن نیروی پای راننده در این سیستم، می‌توان از ترمزهای دیسکی به‌جای ترمز‌های کاسه‌ای استفاده کرد. در این سیستم  با فشردن پدال ترمز، ابتدا نیروی پای راننده به‌واسطه‌ی شکل اهرمی پدال چند برابر شده و در مرحله‌ی بعد به پیستون اصلی سیستم ترمز اعمال می‌شود. سپس، نیروی پیستون اصلی به سیال موجود در پشت پیستون وارد شده و سبب حرکت سیال در لوله‌های تعبیه شده می‌شود. با حرکت سیال در لوله‌ها، نیروی وارد شده به پیستون اصلی از طریق سیال به پیستون‌های فرعی موجود در ترمزهای چرخ‌ها منتقل می‌شود. سطح پیستون‌های فرعی از پیستون اصلی کم‌تر است، به همین جهت نیروی اعمال شده به لنت‌ها بازهم افزایش می‌یابد تا در نهایت نیروی اعمال شده بر لنت‌ها چند برابر نیروی اندک پای راننده باشد.

مهندسان برای بهبود عملکرد ترمزها و افزایش هرچه بیش‌تر نیروی پای راننده، سیستم‌های کمکی ترمز را طراحی کرده‌اند. در این سیستم‌ها که اصطلاحا سیستم ترمز سروو نامیده می‌شوند، اساس عملکرد بر اختلاف فشار پشت و جلوی پیستون اصلی بنا نهاده شده است. این سیستم از یک شیر هوا، یک دیافراگم پلاستیکی و یک فنر تشکیل شده است و میان پدال ترمز و سیلندر اصلی ترمز قرار می‌گیرد.

شیر هوا به‌طور مستقیم از طریق یک لوله به منیفولد ورودی هوای پیشرانه متصل است که باعث می‌شود هوای موجود در دو طرف دیافراگم مکیده شده و خلا نسبی در این ناحیه حاکم باشد. با فشردن پدال ترمز، نیروی پای راننده از طریق یک اتصال مکانیکی سبب بسته شدن شیر هوا شده و اجازه می‌دهد هوای خارج به پشت دیافراگم وارد شود. با ورود هوای خارج اختلاف فشار میان قسمت جلو و پشت دیافراگم ایجاد می‌شود که سبب افزایش نیروی پدال شده و در نهایت نیروی افزایش یافته را به سیلندر اصلی اعمال می‌کند. با برداشته شدن پا از روی پدال، شیر هوا دوباره باز شده و فنر تعبیه شده سبب بازگشت پدال و اتصالات مکانیکی به حالت اول می‌شود. در صورت از کار افتادن پیشرانه و یا حتی بروز ایراد در سیستم سروو، سیستم ترمز خودرو همچنان فعال است با این تفاوت که باید نیروی بیش‌تری بر پدال ترمز اعمال شود.

از معضلات سیستم هیدرولیکی می‌توان به احتمال پارگی و نشتی لوله‌های انتقال روغن ترمز اشاره کرد که در نهایت می‌تواند منجر به از کار افتادن سیستم ترمز خودرو شود. برای حل این مشکل، اکثر خودروهای مدرن امروزی به دو مدار جریان سیال مجزا با دو سیلندر اصلی مجهزند تا در صورت از کارافتادن یک مدار، ترمز خودرو دچار مشکل نشود. در سیستم‌های دو مداره، ممکن است یک مدار به چرخ‌های جلو و یک مدار به چرخ‌های عقب متصل باشد، یا یک مدار به چهار چرخ متصل و یک مدار تنها به چرخ‌های جلو متصل باشد.

در شرایط ترمزهای شدید، وزن خودرو به سمت جلو متمایل می‌شود و در نتیجه چرخ‌های عقب وزن کم‌تری تحمل می‌کنند، به همین جهت احتمال قفل شدن چرخ‌های عقب بالا رفته و این شرایط می‌تواند منجر به سر خوردن‌های مرگبار شود. برای جلوگیری از وقوع چنین حالتی، سیستم ترمز اکثر خودروهای امروزی به یک شیر هوشمند حساس به بار مجهز است که می‌تواند فشار روغن ترمز را تنظیم نماید. با استفاده از این شیر به چرخی که در آستانه‌ی سر خوردن قرار دارد فشار کم‌تری از روغن ارسال می‌شود تا از وقوع قفل شدن چرخ جلوگیری شود. علاوه بر این، خودروهای امروزی به سیست‌م‌های پیچیده‌ی کنترلی دیگری نظیر ABS مجهزند که با در نظر گرفتن فاکتورهای گوناگون احتمال قفل شدن چرخ‌ها در شرایط ترمزگیری شدید را پیش‌بینی می‌کنند و با ترمزگیری‌های پیاپی در کسری از ثانیه اجازه‌ی قفل شدن را به چرخ‌ها نمی‌دهند.

ترمز کاسه‌ای

ترمز کاسه‌ای از اولین نمونه‌های ترمز در خودروها است. در این ترمزها یک کاسه‌ی توخالی به همراه دو کفشک درون آن پشت چرخ نصب می‌شود. کفشک‌های تعبیه شده از یک سر به لولا و از سر دیگر به یک پیستون متصلند. کاسه‌ی ترمز همزمان با چرخش چرخ شروع به چرخیدن می‌کند و به محض فشردن پدال ترمز، نیروی هیدرولیک به پیستون متصل به کفشک‌ها انتقال می‌یابد و با عملکردن پیستون، کفشک به سطح داخلی کاسه می‌چسبد و سبب کاهش سرعت چرخ می‌شود. از مشکلات ترمز کاسه‌ای می‌توان به قدرت کم ترمزگیری و داغ شدن سریع در صورت استفاده‌ی مداوم اشاره کرد. به همین دلیل است که از ترمز کاسه‌ای در چرخ‌های عقب که نیروی ترمز کم‌تری مورد نیاز است، استفاده می‌شود. با وجود ایرادات، ترمزهای کاسه‌ای نیاز به تعمیر و نگهداری اندکی دارند که یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.

به مرور زمان سطح کفشک‌های ترمز در اثر اصطکاک خورده می‌شوند و این امر سبب می‌شود فاصله‌ی بین کفشک‌ها با سطح داخلی کاسه بیش‌تر شود. در نتیجه، باید پدال ترمز بیش‌تر فشرده شود تا روغن بیش‌تری به پیستون موجود در ترمز کاسه‌ای وارد شود تا بتواند کفشک‌ها را در فاصله‌ی بیش‌تری جابه‌جا کند. برای حل این مشکل، ترمزهای کاسه‌ای جدید به یک سیستم تنظیم فاصله‌ی مکانیکی مجهز شده‌اند که می‌تواند همواره فاصله‌ی کفشک‌ها تا سطح داخلی کاسه را ثابت نگه دارد.

ترمز دیسکی

ترمزهای دیسکی به عنوان جدیدترین نمونه از سیستم‌های ترمز شناخته می‌شوند. در این ترمزها سعی شده مشکلات موجود در نمونه‌های کاسه‌ای تا حد امکان برطرف شود. برای مثال، توانایی انتقال حرارت ترمزهای دیسکی بسیار بهتر از نمونه‌های کاسه‌ای و همین امر سبب می‌شود در شرایط ترمزگیری پیاپی میزان افت عملکرد ترمز بسیار کاهش یابد. به علاوه، وزن ترمزهای دیسکی به مراتب کم‌تر از ترمزهای کاسه‌ای است و قادرند با سرعت بیش‌تری آب را از روی دیسک کنار بزنند. دیگر مزیت این ترمزها، قدرت بالای آن‌ها است. ترمزهای دیسکی قدرت بیش‌تری به چرخ‌ها وارد می‌کنند و قادرند در مسافت کوتاه‌تری خودرو را از حرکت به حالت سکون درآورند.

بخش‌های اصلی تشکیل دهنده‌ی ترمزهای دیسکی، دیسک ترمز، لنت‌ها و کالیپر ترمز است. دیسک ترمز به چرخ متصل می‌شود و همزمان با چرخ می‌چرخد، دو طرف آن با لنت‌ها احاطه شده است و کالیپر ترمز که همان محفظه‌ی پیستون فرعی ترمز است، به لنت‌ها متصل است. با اعمال فشار روی پدال ترمز، پیستون اصلی روغن ترمز را به سمت پیستون‌های فرعی تعبیه شده در چرخ‌ها می‌فرستد. سپس، فشار روغن سبب باز شدن پیستون فرعی شده و پیستون فرعی لنت‌ها را به سطح دیسک فشار می‌دهد تا در اصطکاک با سطح دیسک سبب کاهش سرعت و توقف خودرو شوند. فاصله‌ی لنت‌ها از سطح دیسک بسیار اندک است و در حقیقت همواره مماس با سطح دیسک قرار دارند. با برداشتن پا از روی پدال فشار روغن کاهش می‌یابد و فشار لنت‌ها از سطح دیسک برداشته می‌شود. لنت‌ها به مرور زمان و در اثر اصطکاک خورده شده و باید تعویض شوند به همین جهت در خودروهای امروزی یک سنسور ساده درون لنت‌ها تعبیه شده است که با کاهش سطح لنت یک چراغ هشدار روی صفحه‌ی کیلومترشمار روشن می‌کند. در صورتی‌که لنت‌ها به موقع تعویض نشوند می‌توانند به سطح دیسک ترمز آسیب بزنند.