Twarde jak diament

Nie rdzewieje i nie wytwarza pyłu. W nowym Cayenne Turbo technologia Porsche Surface Coated Brake (PSCB) po raz pierwszy znajduje seryjne zastosowanie.

Matthias Leber

Matthias Leber

Head of the brake division and the mastermind behind the PSCB.

Zapewne słyszał Pan o widii? Matthias Leber uśmiecha się wymownie. Aby opracowywać przyszłościowe technologie ten inżynier mechanik i specjalista w dziedzinie systemów hamowania w centrum rozwojowym Porsche w Weissach musi znać dotychczasowe rozwiązania, takie jak np. właśnie widia. Sylabowiec utworzony z niemieckiego wyrażenia „wie Diamant” („jak diament”) to sięgająca początków XX wieku nazwa handlowa materiału, który swoją zadziwiającą twardość zawdzięcza głównemu składnikowi: węglikowi wolframu. Leber zna właściwości materiałów i ich zalety. Z dumą spogląda na połyskującą tarczę hamulcową. Nawet używana mogłaby udawać lustro. Węglik wolframu nie pokrywa się rdzą ani nalotem. Jednak w przypadku hamulców liczy się nie wygląd, a działanie.

Debiutująca w produkcji seryjnej w modelu Porsche Cayenne Turbo technologia Porsche Surface Coated Brake (PSCB) to światowa nowość. Powierzchnia hamulca wykonana jest tu z węglika wolframu. Ta krystaliczna substancja składająca się z atomów wolframu i węgla jest na tyle twarda, że można by ciąć nią szkło. Węglik wolframu to – po diamencie – jeden z najtwardszych materiałów świata, mniej więcej dziesięciokrotnie twardszy od żeliwa szarego.

Brzmi jak alchemia

A gdyby wyobrazić sobie hamulec działający tak sprawnie jak hamulec ceramiczny, równie termostabilny, jednakże niewymagający wyścigowych okładzin hamulcowych, kosztujący dwie trzecie mniej, a przy tym cechujący się znacznie mniejszym zużyciem niż konwencjonalny hamulec z żeliwa szarego, praktycznie niewytwarzający pyłu hamulcowego, a w dodatku nierdzewny? Brzmi jak alchemia. To jednak realna technologia made by Porsche. „Ale proszę mi wierzyć, droga do tego osiągnięcia była długa. W przeciwnym razie już dawno byśmy to zrobili”, mówi Leber. Wszak cudów nie ma. Jest tylko niestrudzona praca konstruktorska.

Często nowe technologie ze sportów motorowych trafiają do produkcji seryjnej. Tak było w przypadku Porsche Ceramic Composite Brake (PCCB). Zapewnia ona najwyższe opóźnienie hamowania i wyznacza nowy standard. Nowoczesne hamulce z żeliwa szarego co prawda również osiągają dobre rezultaty, ale dotychczas brakowało rozwiązania dla samochodów Porsche o szczególnie dużej mocy, które nie są jednak zarezerwowane do jazdy po torach wyścigowych. Dla Lebera i jego zespołu rozwiązanie było oczywiste: powłoka z węglika spiekanego. Niby dlaczego materiał od prawie stu lat wykorzystywany do produkcji narzędzi nie miałby sprawdzić się w tarczach hamulcowych?

Z prostego powodu: tarcza hamulcowa wykonana w całości z węglika wolframu kosztowałaby tyle, co kilka zestawów hamulców ceramicznych. Przez długi czas nie było też technologii pozwalającej na stabilne połączenie węglika wolframu z warstwą nośną – w tym wypadku z żeliwem szarym. Po wielu próbach Porsche, w ścisłej współpracy z firmą Bosch/Buderus, opracowało przełomową technologię: przy użyciu lasera tarczy z żeliwa szarego nadawana jest odpowiednia struktura, która następnie zostaje powleczona galwanicznie warstwą pośrednią. Pełni ona funkcję elastycznego spoiwa pomiędzy żeliwem szarym a węglikiem wolframu, które cechują się różną rozszerzalnością temperaturową. Następnie niezwykle spektakularną metodą naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego cząstki węglika wolframu nanoszone są z naddźwiękową prędkością na tarczę. Sterowany robotycznie proces przywodzi na myśl miecz świetlny z Gwiezdnych wojen. W ten sposób powstaje warstwa o grubości ok. 100 mikrometrów, która sama w sobie jednak na niewiele się zda. Tajemnica sukcesu tkwi bowiem w specjalistycznych okładzinach.

„Nadzwyczajna efektywność zaskoczyła nawet nas samych”. Matthias Leber

W poszukiwaniu właściwej kompozycji

„Ale to co najwyżej połowa prac rozwojowych”, mówi Leber. Technologie laserowe oraz ultraprecyzyjne zautomatyzowane procesy, stosowane podczas wytwarzania nowatorskich tarcz hamulcowych, to jedno. Innym aspektem są specjalne okładziny. Gładka jak lustro płaszczyzna potrzebuje miękkiej okładziny, która jest w stanie przywrzeć do powierzchni. To mniej więcej tak, jak gdyby przesuwać lekko palcem po lustrze: nie ślizga się on równomiernie, lecz co rusz stawia opór. Jednakże zbyt miękka okładzina na bardzo twardej powierzchni ulegałaby szybkiemu zużyciu przy wysokich prędkościach obrotowych tarczy hamulcowej. Z tego względu dobrze przywierająca okładzina otrzymuje domieszkę twardych mikroskopijnych substancji, które zagłębiają się w warstwę węglika wolframu. Okładziny takie dosłownie wczepiają się w tarczę.

Mikroskopijne kotwiczki

„Rezultat był zaskakujący”, mówi Leber. „Spodziewaliśmy się doskonałych rezultatów. Jednak już pierwsze próby przerosły nasze najśmielsze oczekiwania”. Dzięki gładkiej powierzchni okładzina przy niskich prędkościach natychmiast przylega na całej płaszczyźnie. To jak różnica między płytą winylową a kompaktową: w przypadku żeliwa szarego siła adhezji jest ograniczona, ponieważ rowki zmniejszają powierzchnię styku. Węglik wolframu nie ma za to praktycznie żadnych rowków – jego powierzchnia jest gładka jak lustro. Jeśli przy wysokich prędkościach wymagana jest większa skuteczność hamowania, twarde komponenty w okładzinie zarzucają swoje mikroskopijne kotwiczki. „Wiąże się to siłą rzeczy z większym tarciem i powstawaniem pyłu hamulcowego, ale w porównaniu z hamulcem żeliwnym jest go o 90% mniej”, objaśnia Leber. Do tego dochodzi żywotność dłuższa o 30% w porównaniu z hamulcem żeliwnym – i to przy skuteczności zbliżonej do hamulca ceramicznego PCCB, za zaledwie jedną trzecią jego ceny. Podczas jazdy nowy hamulec zachowuje się podobnie do PCCB: siła nacisku na pedał pozostaje stała, również przy wysokiej temperaturze hamulca. Nawet mocno rozgrzany nie traci on sprawności, nie wykazuje zatem tendencji do zaniku hamowania, tzw. fadingu. Wręcz przeciwnie: w przypadku temperatury ok. 600 stopni staje się jeszcze agresywniejszy.

Brake disc and caliper

Brake disc and caliper

Coated lightweight gray-iron brake disc with a ten-piston fixed caliper.
PSCB brake pads

PSCB brake pads

They have a newly developed special material.

PSCB – światowa nowość

1.Powierzchnia poddana obróbce termicznej
Podstawowa konstrukcja z żeliwa szarego uzyskuje strukturę oraz szorstką, oczyszczoną powierzchnię przy użyciu lasera.

2.Ciągliwa warstwa pośrednia
Nikiel jako galwanicznie naniesiony materiał polepszający przyczepność łączy żeliwo szare z węglikiem wolframu.

3.Warstwa węglikowa
Powłoka z węglika wolframu nanoszona jest w procesie naddźwiękowego natryskiwania płomieniowego.

Nieskazitelna biel w pakiecie

Po mniej więcej 600 kilometrach codziennej jazdy okładziny hamulcowe polerują powierzchnię na wysoki połysk. Dzięki temu uzupełnia się ona wizualnie z białymi, dziesięciotłoczkowymi zaciskami stałymi z przodu oraz czterotłoczkowymi zaciskami tylnymi, których technologia znana jest z PCCB. Ale skąd biały kolor? Leber śmieje się: „Jeśli hamulec praktycznie nie wytwarza pyłu, trzeba to wyeksponować. Mój pomysł z białym kolorem budził początkowo liczne wątpliwości”. Ale samochody testowe Porsche Cayenne potwierdzają po tysiącach kilometrów: ten hamulec zachowuje nieskazitelną biel.

W pierwszej kolejności hamulce PSCB będą stosowane seryjnie tylko w nowym Cayenne Turbo. W pozostałych nowych Cayenne są one dostępne opcjonalnie. Czy PSCB – doskonałe połączenie efektywności, estetyki i ekonomiczności – stanowi szczytowe osiągnięcie techniki hamulcowej? Leber kręci głową: „Postępująca elektryfikacja pojazdów wymusi zaprojektowanie zupełnie nowych form hamulców. Weźmy za przykład hamowanie rekuperacyjne, cechujące się całkowitym wyeliminowaniem zużycia, i będące z tego względu przedmiotem naszego szczególnego zainteresowania, ponieważ w ten sposób można uporać się z 90 procentami wszystkich standardowych procedur hamowania. Musimy więc kontynuować badania”. Szybkie samochody wymagają szybkich hamulców. Zatem hamulce Porsche nigdy nie mogą być wystarczająco szybkie.

Thorsten Elbrigmann
Thorsten Elbrigmann