Dyskusja o emisyjności samochodów od lat toczy się jednym głównym torem – walki z jednostkami napędowymi. Silniki miały spalać mniej paliwa, filtry miały zatrzymywać sadzę, hybrydy miały jeździć częściej na prądzie, a elektryki miały zamknąć temat lokalnych emisji raz na zawsze. Tyle że samochód nie kończy się na napędzie. Ma opony, nawierzchnię pod kołami i hamulce, które zużywają się za każdym razem, gdy trzeba wytracić prędkość. Innymi słowy, coraz bardziej restrykcyjne normy zmuszają producentów do patrzenia nie tylko na układy spalinowe, bo powoli przestaje chodzić wyłącznie o spaliny, lecz także o pył powstający tam, gdzie większość kierowców rzadko zagląda – przy kołach.
Hamulce przestaną truć. Kluczem stal nierdzewna
Do tej pory europejskie regulacje emisyjne skupiały się przede wszystkim na tym, co opuszcza układ wydechowy. Euro 7 idzie jednak dalej, bo dokłada do tego cząstki pochodzące ze ścierania hamulców i opon, a więc dotyka obszaru, który w samochodach elektrycznych nie znika wraz z brakiem silnika spalinowego. Parlament Europejski wskazuje przy uzgodnieniach Euro 7 limity emisji cząstek z hamulców PM10 na poziomie 3 mg/km dla aut w pełni elektrycznych, 7 mg/km dla większości samochodów spalinowych, hybrydowych i wodorowych oraz 11 mg/km dla dużych vanów spalinowych.
Czytaj też: Ten samochód nie powinien istnieć, a i tak możesz spotkać go na ulicy
Skala problemu jest większa, niż może się wydawać przy zwykłym myciu felg z czarnego nalotu. Europejska Agencja Środowiska podaje, że choć emisje PM10 i PM2.5 z transportu w UE spadły od 1990 do 2023 roku, to udział źródeł innych niż spaliny (hamulców, opon i ścierania nawierzchni) rośnie procentowo. W 2023 roku takie źródła odpowiadały za 77 procent emisji PM10 i 60 procent emisji PM2.5 z transportu drogowego. Właśnie tam klasyczna, tania i powszechna tarcza z żeliwa szarego zaczyna wyglądać jak element z poprzedniej epoki, ale od czego mamy specjalistów?
Naukowcy pokazali teraz tarczę ze stali nierdzewnej, która ma ograniczać zużycie o ponad 85 procent, wytrzymywać przebiegi rzędu 300 tysięcy kilometrów i przy okazji zmniejszać masę nieresorowaną samochodu. Brzmi to z pozoru bardzo dobrze, ale jak zwykle w motoryzacji, diabeł siedzi nie w samym materiale, tylko w kosztach, produkcji i gotowości do skali.
Problemem nie jest tylko pył, ale też zwykła trwałość
Klasyczna tarcza hamulcowa z żeliwa szarego ma jedną wielką zaletę: jest tania i dobrze znana przemysłowi. Problem w tym, że jej niska cena przestaje wyglądać tak korzystnie, gdy zaczniemy liczyć cały cykl życia samochodu. Tarcze rdzewieją, zużywają się, potrafią łapać głębokie rowki i w praktyce często wymagają wymiany razem z klockami. W autach jeżdżących krótkie dystanse, długo stojących pod chmurką albo eksploatowanych zimą w soli drogowej granica opłacalności nie jest już taka prosta do wskazania. Zwłaszcza że w niektórych przypadkach wymiana tarcz może być konieczna nawet po przebiegu poniżej 40 tysięcy kilometrów przy połączeniu korozji, krótkich tras i agresywniejszego stylu jazdy.
Ten stan rzeczy jest szczególnie ciekawy przy samochodach elektrycznych. Rekuperacja zmniejsza użycie hamulców ciernych, ale nie zawsze pomaga samym tarczom. Jeśli tarcza przez długi czas pracuje zbyt rzadko, to wilgoć i sól mają więcej czasu na atakowanie powierzchni. W efekcie samochód, który mniej hamuje klasycznie, nadal może wymagać serwisu układu hamulcowego nie przez zużycie od tarcia, lecz przez korozję. Tu stal nierdzewna brzmi mniej jak kosztowny kaprys, a bardziej jak próba dopasowania hamulców do nowego typu eksploatacji.
Stal nierdzewna zamiast żeliwa szarego to nie tylko niższe emisje
Najnowszy projekt z hamulcami samochodowymi w roli głównej poszedł w stronę hartowanej, azotowanej stali nierdzewnej. Stanowi to ważne rozróżnienie, bo nie chodzi po prostu o dowolną stal odporną na rdzę. Materiał musi wytrzymać tarcie, temperaturę, cykle rozgrzewania i chłodzenia, a do tego utrzymać stabilne wymiary. Konstrukcyjna stal zwykła odpada, bo przy temperaturach powyżej 650°C może dochodzić do przemian fazowych pogarszających właściwości materiału. Alternatywy też nie są idealne. Hamulce węglowo-ceramiczne mają sens w samochodach bardzo drogich, ale nie w masowej produkcji. Z kolei samo powlekanie żeliwa szarego twardszymi warstwami ochronnymi wygląda obiecująco, ale nadal wymaga opanowania technologii produkcyjnej w dużej skali. Takie procesy muszą bowiem spełnić wymagania powtarzalności, przyczepności powłoki i kosztu jednostkowego.
Czytaj też: Każdy elektryk może dostać silnik spalinowy. Ten pomysł brzmi jak herezja, ale ma sens
Tarcza ze stali nierdzewnej ma ominąć część tych problemów, bo nie jest tylko żeliwnym elementem z dodatkową warstwą na powierzchni. W jej projekcie inżynierowie zastosowali produkcję opartą na procesach formowania. Tarcza ma nieco większą średnicę niż klasyczny odpowiednik z żeliwa, aby zapewnić odpowiednią powierzchnię roboczą, ale może być przy tym cieńsza. Z kolei sam nadmiar materiału powstający przy wycinaniu z początkowego formatu kwadratowego można ponownie przetopić, co automatycznie ogranicza stratę surowca. Czy jednak cały ten proces jest wart zachodu?
Najważniejsza liczba w tym projekcie to redukcja zużycia o ponad 85 procent względem typowego zestawu z tarczą z żeliwa szarego i organiczną okładziną cierną. Przekłada się to na trwałość do 300000 kilometrów, a więc w pewnym sensie typowy przebieg życia całego samochodu, co sprawia, że łatwiej rozłożyć koszt produkcji na wydłużony czas eksploatacji. Kluczowe jest jednak połączenie dwóch elementów: tarczy ze stali nierdzewnej oraz nieorganicznego materiału ciernego. Sama zmiana tarczy nie jest więc magicznym rozwiązaniem dla każdego auta, bo wymiana musi objąć cały aktywny układ za kołami.
Dochodzi do tego jeszcze sama masa. Komplet czterech tarcz ze stali nierdzewnej może być nawet o 5 kg lżejszy niż porównywalny komplet z żeliwa szarego. W zwykłym samochodzie 5 kg nie brzmi z pozoru imponująco, ale mówimy tutaj o masie nieresorowanej, czyli tej, którą zawieszenie musi kontrolować bezpośrednio przy kołach. Każdy kilogram mniej w tym miejscu pomaga amortyzatorom i sprężynom pracować skuteczniej, a przy okazji może delikatnie obniżyć zużycie energii.
Testy wyglądają obiecująco, ale droga nadal jest długa
Nowa tarcza przeszła testy na stanowisku bezwładnościowym TU Chemnitz zgodnie z procedurą SAE J2522, znaną też jako AK Master i zaliczyła próbę fadingu, czyli odporności na spadek skuteczności przy kolejnych hamowaniach. Po 15 hamowaniach nie odnotowano spadku skuteczności. Nie zamyka to jednak całego tematu wdrożenia. Hamulec samochodowy musi działać przewidywalnie w deszczu, mrozie, upale, przy zabrudzeniu, po długim postoju, po jeździe autostradowej i po setkach tysięcy mikroskopijnych cykli cieplnych. Do tego dochodzi kompatybilność z zaciskami, systemami ABS i ESP, masowa produkcja, dostępność serwisowa oraz koszt dla producenta samochodu.
Czytaj też: Kupujesz nowe auto z salonu, a subskrypcji przybywa. Czy to koszmar nie do ominięcia?
Właśnie tutaj mam największe wątpliwości. Tarcza ze stali nierdzewnej brzmi jak świetny kierunek, bo jednocześnie uderza w korozję, zużycie, emisję pyłu i masę nieresorowaną. Nie wiemy jednak aktualnie, jak szybko przemysł będzie gotowy przenieść takie rozwiązanie z projektu badawczo-przemysłowego do seryjnych samochodów zwłaszcza w niższych segmentach. W motoryzacji przewaga techniczna rzadko wystarcza, jeśli koszt elementu jest zwyczajnie zbyt wysoki.
Źródła: Parlament Europejski, Europejska Agencja Środowiska, Fraunhofer
