بررسی سیستم ترمز خودرو و تاریخچه آن

در ادامه، تاریخچه کامل، علل تغییرات، مزایا و معایب هر سیستم، و دلیل حذف تدریجی آن‌ها را به ترتیب زمانی و با جزییات فنی ارائه می‌دهم.

فصل اول: سیستم‌های ترمز مکانیکی اولیه (دوران پیشا-هیدرولیک)

۱. ترمز اهرمی-فشاری (Lever-Applied Brake) - اواخر قرن ۱۹

تاریخچه و علت پیدایش:

اولین خودروها در واقع درشکه‌های بدون اسب بودند. بنابراین سیستم ترمز آن‌ها مستقیماً از واگن‌های اسبی اقتباس شد. در این سیستم، یک اهرم فلزی در کنار راننده قرار داشت که با کشیدن آن، یک تکه چوب یا چرم فشرده مستقیماً روی سطح بیرونی چرخ (آهنی یا چوبی) فشار داده می‌شد تا اصطکاک ایجاد کند.

تصویر توصیفی (بخش اول):

اگر به زیر خودرویی از سال ۱۸۹۰ نگاه کنید، در زیر شاسی، نزدیک چرخ عقب راست، یک اهرم آهنی طویل به طول حدود ۸۰ سانتی‌متر می‌بینید که از کف اتاقک راننده به سمت پایین آمده است. این اهرم به یک بازوی چرخان متصل است که در انتهای آن یک قطعه چوبی سخت (از جنس گردو یا راش) به شکل نیم‌دایره تعبیه شده است. سطح این قطعه چوبی با لایه‌ای از چرم ضخیم پوشیده شده تا ضریب اصطکاک افزایش یابد. زمانی که راننده اهرم را به سمت خود می‌کشد، بازو چرخیده و این قطعه را با فشار زیاد روی رینگ آهنی چرخ (که هنوز پنوماتیک نبود و از چدن ساخته می‌شد) می‌فشرد. در زیر این مجموعه، یک فنر مارپیچی بزرگ قرار دارد که پس از رها کردن اهرم، قطعه چوبی را به حالت اولیه بازمی‌گرداند. سیستم فاقد هرگونه پوشش محافظ است و گرد و غبار و باران مستقیماً روی سطح اصطکاکی اثر می‌گذارد.

مزایا:

• • ساختار فوق‌العاده ساده و قیمت بسیار ناچیز
  • قابلیت تعمیر توسط هر آهنگر یا نجاری
  • وزن بسیار کم

معایب:

• • نیروی ترمز کاملاً وابسته به قدرت بازوی راننده (خستگی زیاد)
  • اصطکاک بسیار کم، مخصوصاً در روزهای بارانی (ترمز تقریباً بی‌اثر)
  • گرمای شدید ناشی از اصطکاک، چوب را می‌سوزاند و چرم را خشک و شکننده می‌کند
  • عدم تعادل بین چرخ‌های چپ و راست (فقط یک چرخ ترمز می‌گرفت)

علت کنار گذاشته شدن:

با افزایش سرعت خودروها از ۱۵ به ۳۰ کیلومتر بر ساعت، این ترمز دیگر نمی‌توانست خودرو را در مسافت معقول متوقف کند. همچنین آتش‌سوزی‌های متعدد ناشی از گرم شدن بیش از حد چوب، این سیستم را به خطری جدی تبدیل کرد. از سال ۱۹۰۰ به بعد، این سیستم کاملاً حذف شد.

۲. ترمز کفشکی بیرونی (External Band Brake) - اوایل قرن ۲۰

تصویر توصیفی (بخش دوم):

این سیستم شبیه به ترمز دوچرخه‌های قدیمی است، اما در مقیاس بزرگتر. به جای چوب، یک نوار فولادی انعطاف‌پذیر با روکش آزبست (نسوز) به دور یک طبلک (درام) فلزی که به توپی چرخ جوش شده بود، پیچیده می‌شد. این نوار به کمک یک اهرم و کابل فولادی جمع می‌شد و با چنگ زدن به سطح بیرونی طبلک، آن را قفل می‌کرد. شکل این نوار مانند یک کمربند پهن به عرض ۴ سانتی‌متر بود که دو سر آن به یک لولا و یک اهرم کششی متصل بود. سطح داخلی نوار دارای شیارهای مورب برای افزایش اصطکاک بود.

مزایا:

• • نیروی ترمز بیشتر به دلیل سطح تماس گسترده‌تر نوار با طبلک
  • امکان تعویض روکش آزبست بدون تعویض کل قطعه
  • عملکرد نسبتاً پایدارتر در هوای خشک

معایب:

• • اثر خود-قفل‌کنندگی (Self-energizing) نداشت و همچنان به نیروی فیزیکی زیاد نیاز داشت
  • آب و گل به راحتی بین نوار و طبلک نفوذ می‌کرده و کارایی را به صفر می‌رساند
  • با گرم شدن، آزبست شروع به پودر شدن می‌کرد و ضریب اصطکاک به شدت افت می‌کرد (پدیده محو شدگی ترمز اولیه)
  • کابل‌های فولادی در طول زمان کشیده می‌شدند و نیاز به تنظیم مداوم داشتند

علت کنار گذاشته شدن:

ورود ترمزهای کاسه‌ای درون‌محور (Internal Expanding Drum) توسط لویی رنو در سال ۱۹۰۲، این سیستم را منسوخ کرد، زیرا ترمز جدید در داخل توپی قرار می‌گرفت و از گرد و غبار و آب محافظت می‌شد. همچنین ترمز بیرونی به دلیل قرار گرفتن در معرض ضربات سنگین جاده، مرتباً از جای خود خارج می‌شد.

فصل دوم: عصر ترمزهای کاسه‌ای هیدرولیک (۱۹۲۰ تا ۱۹۸۰)

۳. ترمز کاسه‌ای بادشونده (Internal Expanding Drum Brake) - نسخه مکانیکی و سپس هیدرولیک

تصویر توصیفی (بخش سوم):

اگر چرخ عقب خودروی مدل ۱۹۳۰ فورد را باز کنید، با یک کاسه فلزی چدنی به قطر حدود ۳۰ سانتی‌متر روبرو می‌شوید که داخل آن صیقلی و براق است. در مرکز این کاسه، دو کفشک ترمز (Brake Shoes) به شکل هلالی (ماه‌نما) دیده می‌شود که از جنس فولاد با روکش آزبست فشرده هستند. هر کفشک در یک سر خود به یک پین ثابت (Anchor Pin) لولا شده و سر دیگر آن به یک سیلندر چرخ (Wheel Cylinder) متصل است. بین دو کفشک، یک فنر برگشتی قوی قرار گرفته که آن‌ها را به سمت یکدیگر می‌کشد. سیلندر چرخ، یک استوانه برنجی کوچک به طول ۵ سانتی‌متر است که دو پیستون در دو طرف دارد و با روغن ترمز پر شده است. وقتی پدال فشرده می‌شود، روغن تحت فشار وارد سیلندر شده و پیستون‌ها را از هم باز می‌کند. این عمل، کفشک‌ها را به سطح داخلی کاسه می‌فشارد. روی کاسه، یک سوراخ تنظیم وجود دارد که با یک پیچ خاردار پوشیده شده و برای تنظیم فاصله کفشک‌ها از کاسه استفاده می‌شود.

مزایا:

• • اثر خود-تقویتی (Self-Servo Effect): به این معنا که خود کاسه‌ی در حال چرخش، کفشک را بیشتر به داخل خود می‌کشد و نیروی ترمز را به شدت افزایش می‌دهد (تا ۳ برابر نیروی ورودی)
  • محافظت کامل از آب و خاک به دلیل قرارگیری درون کاسه
  • هزینه تولید بسیار پایین و قابلیت تولید انبوه
  • عمر طولانی کفشک‌ها (تا ۵۰,۰۰۰ کیلومتر)
  • عملکرد خوب در سرعت‌های پایین و ترمزهای شهری

معایب:

• • محو شدگی شدید ترمز (Brake Fade) در سرعت‌های بالا: چون کاسه بسته است، گرمای تولیدی (تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) نمی‌تواند خارج شود و آزبست داغ شده، ضریب اصطکاک خود را تا یک‌سوم کاهش می‌دهد.
  • تجمع گاز در روغن ترمز (Vapor Lock): حرارت زیاد باعث جوشیدن روغن ترمز و ایجاد حباب‌های گازی در لوله‌ها می‌شود که فشار را جذب کرده و پدال را نرم (اسفنجی) می‌کند.
  • عملکرد نامتقارن در ترمزهای مکرر: ترمزهای چپ و راست به دلیل کوچک‌ترین تفاوت در تنظیم، نیروی متفاوتی تولید می‌کنند و خودرو را به یک سمت می‌کشند.
  • تعمیر دشوار و وقت‌گیر به دلیل تعداد زیاد قطعات فنری و پین‌ها
  • وزن بالا به دلیل کاسه چدنی ضخیم
  • واکنش کند نسبت به ترمزهای دیسکی (حدود ۰.۲ ثانیه تاخیر)

علت کنار گذاشته شدن (از چرخ‌های جلو):

با ورود خودروهای اسپرت و سنگین‌تر در دهه ۱۹۶۰ و افزایش سرعت به بالای ۱۲۰ کیلومتر، مشکل گرمایی غیرقابل حل شد. مسابقه ۲۴ ساعته لومان ۱۹۵۳ نشان داد که خودروهای دارای ترمز کاسه‌ای پس از ۳ دور مسابقه، ترمز خود را به کلی از دست می‌دهند، در حالی که جگوار با ترمز دیسکی بدون افت عملکرد مسابقه را برد. از آن پس، خودروسازان یکی پس از دیگری ترمزهای دیسکی را برای چرخ‌های جلو جایگزین کردند. امروزه ترمز کاسه‌ای فقط در چرخ‌های عقب خودروهای اقتصادی و به عنوان ترمز پارکینگ (دستی) استفاده می‌شود و به‌تدریج در حال حذف کامل است.

فصل سوم: انقلاب ترمزهای دیسکی (از ۱۹۵۰ تا امروز)

۴. ترمز دیسکی جامد (Solid Disc Brake) - نسل اول

تصویر توصیفی (بخش چهارم):

چرخ جلو را از خودروی مدل ۱۹۶۵ موستانگ خارج کنید. به جای کاسه بزرگ، یک صفحه گرد و تخت از جنس چدن خاکستری به قطر ۲۵ سانتی‌متر و ضخامت ۱۲ میلی‌متر می‌بینید که به توپی چرخ پیچ شده است. این دیسک کاملاً صاف و براق است و سوراخ‌های کوچکی برای خنک‌سازی روی آن دیده نمی‌شود (جامد). در دو طرف این دیسک، یک کالیپر (Caliper) آلومینیومی ریخته‌گری شده قرار گرفته که مانند یک گیره بزرگ، دیسک را در بر گرفته است. داخل کالیپر، دو لنت ترمز (Brake Pads) از جنس مواد سرامیکی-فلزی (Sintered Metal) به ضخامت ۱۰ میلی‌متر جای گرفته‌اند. هر لنت به یک صفحه فولادی پشتی چسبیده است. در یک طرف کالیپر، یک یا دو پیستون استوانه‌ای (به قطر ۴ سانتی‌متر) قرار دارد که با فشار روغن، لنت سمت خود را به دیسک می‌فشارد و در همان لحظه، عکس‌العمل این نیرو، کالیپر را به سمت دیگر می‌لغزاند و لنت دوم را نیز به دیسک می‌فشارد (کالیپر شناور). اطراف کالیپر را یک محافظ ورق‌فلزی سوراخ‌دار پوشانده تا سنگ‌های ریز به دیسک برخورد نکنند.

مزایا:

• • دفع حرارت فوق‌العاده بالا: دیسک در هوای آزاد قرار دارد و هر بار چرخش، گرما را با سرعت ۲۰۰ کیلومتر بر ساعت به هوا منتقل می‌کند.
  • عدم محو شدگی ترمز (Brake Fade) در سرعت‌های بالا
  • عملکرد عالی در آب و باران زیرا نیروی گریز از مرکز، قطرات آب را از سطح دیسک پرتاب می‌کند.
  • واکنش بسیار سریع (کمتر از ۰.۰۵ ثانیه)
  • فشار یکنواخت و متقارن روی هر دو چرخ
  • تعویض لنت‌ها در ۱۰ دقیقه بدون نیاز به ابزار خاص

معایب:

• • هزینه تولید بالا (حدود ۳ برابر ترمز کاسه‌ای)
  • فرسایش سریع‌تر لنت‌ها (۲۵,۰۰۰ تا ۴۰,۰۰۰ کیلومتر)
  • صدای جیغ در اثر لرزش لنت‌ها در دماهای سرد
  • خطر تاب برداشتن (Warping) دیسک در صورت ترمز شدید مکرر و سپس عبور از آب (شوک حرارتی)
  • نیاز به روغن ترمز با نقطه جوش بالاتر (DOT 4 یا 5.1)

علت کنار گذاشته شدن (نسخه جامد):

دیسک جامد در خودروهای سنگین و یا در مسیرهای کوهستانی با ترمزهای طولانی، همچنان دچار گرمای بیش از حد می‌شد و ترک‌های ریز روی سطح آن ایجاد می‌گردید. به همین دلیل، از دهه ۱۹۸۰ دیسک‌های خنک‌شونده با تهویه (Vented Discs) جایگزین شدند.

۵. ترمز دیسکی خنک‌شونده (Vented Disc Brake) - نسل دوم و فعلی

تصویر توصیفی (بخش پنجم):

اگر از کنار به این دیسک نگاه کنید، می‌بینید که مانند یک ساندویچ از دو صفحه نازک فولادی (هر کدام ۶ میلی‌متر) تشکیل شده که بین آن‌ها پره‌های مورب (Vanes) به شکل توربین قرار دارد. این پره‌ها مانند پره‌های یک پمپ گریز از مرکز عمل می‌کنند و با چرخش دیسک، هوای خنک را از مرکز به سمت لبه‌ها می‌مکند و گرمای داغ را به بیرون پرتاب می‌کنند. این دیسک‌ها معمولاً روکش‌دار (Drilled یا Slotted) هستند؛ یعنی روی سطح آن‌ها شیارهای دایره‌ای یا سوراخ‌های کوچک به قطر ۳ میلی‌متر به صورت منظم ایجاد شده است تا علاوه بر خنک‌سازی، گازهای ناشی از سوختن لنت را تخلیه کرده و از ایجاد لایه‌ای از گاز بین لنت و دیسک که باعث کاهش ترمز می‌شود (پدیده Outgassing) جلوگیری کنند. قطر این دیسک‌ها در خودروهای معمولی بین ۲۸ تا ۳۵ سانتی‌متر و در خودروهای اسپرت تا ۴۰ سانتی‌متر افزایش یافته است. کالیپر نیز در نسخه‌های پیشرفته به صورت چند-پیستونه (۴، ۶ یا حتی ۸ پیستونه) ساخته می‌شود تا فشار را به صورت کاملاً یکنواخت روی کل سطح لنت توزیع کند.

مزایا:

• • دفع حرارت تا ۴ برابر بهتر از دیسک جامد
  • عمر بیشتر دیسک به دلیل خنک‌کاری یکنواخت و کاهش تنش حرارتی
  • عملکرد پایدار در مسیرهای کوهستانی و مسابقه
  • کاهش چشمگیر صدای جیغ

معایب:

• • هزینه بالاتر به دلیل فرآیند ریخته‌گری پیچیده‌تر
  • سوراخ‌ها و شیارها باعث افزایش سایش لنت می‌شوند (حدود ۱۵٪)
  • در برخورد با گل و لای، سوراخ‌ها ممکن است پر شوند و کارایی تهویه کاهش یابد

علت کنار گذاشته شدن:

هنوز کنار گذاشته نشده و استاندارد اصلی خودروهای مدرن است، اما به‌تدریج در خودروهای لوکس با ترمزهای کربن-سرامیکی (Carbon-Ceramic) جایگزین می‌شود که در بخش بعدی توضیح داده می‌شود.

فصل چهارم: ترمزهای فوق‌پیشرفته و ویژه

۶. ترمز کربن-سرامیکی (Carbon-Ceramic Brake) - از سال ۲۰۰۰ به بعد

تصویر توصیفی (بخش ششم):

این دیسک‌ها از دور مانند دیسک‌های فولادی به نظر می‌رسند، اما رنگ آن‌ها خاکستری تیره تا مشکی مات است و سطحی شبیه به سنگ سماور صیقلی شده دارد. جنس آن از فیبر کربن و پودر سیلیکون کارباید است که در کوره‌های خلأ با دمای ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد تف جوشی (Sintered) شده است. ضخامت این دیسک‌ها بیشتر از نمونه فولادی است (حدود ۲۰ میلی‌متر) اما وزن آن‌ها به طرز شگفت‌آوری سبک است (کمتر از نصف دیسک فولادی هم‌اندازه). سطح دیسک دارای میکرو-ترک‌های بسیار ریزی است که در اثر فرآیند تولید ایجاد شده و مانند توربینی عمل می‌کنند. کالیپر این سیستم از جنس تیتانیوم یا آلومینیوم آهنگری شده ساخته می‌شود و لنت‌ها نیز از مواد سرامیکی با الیاف کربن تشکیل شده‌اند که در دمای ۶۰۰ درجه نیز ضریب اصطکاک خود را حفظ می‌کنند.

مزایا:

• • تحمل دمای بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد بدون افت عملکرد
  • وزن بسیار سبک (کاهش وزن غیر فنری که به هندلینگ کمک شگرفی می‌کند)
  • عمر فوق‌العاده طولانی (تا ۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر) در استفاده عادی
  • بدون خوردگی و زنگ‌زدگی
  • فاصله ترمز کوتاه‌تر به دلیل ضریب اصطکاک بالا در همه دماها

معایب:

• • هزینه نجومی (هر دیسک بین ۵,۰۰۰ تا ۱۵,۰۰۰ دلار)
  • عملکرد ضعیف در دمای بسیار پایین (زیر صفر) تا زمانی که گرم نشوند
  • شکنندگی بالا در برابر ضربات سنگین (مثلاً برخورد با جدول)
  • نیاز به لنت‌های مخصوص که بسیار گران هستند

علت کنار گذاشته شدن:

این سیستم هنوز کنار گذاشته نشده، اما به دلیل هزینه بالا، فقط در خودروهای فوق‌اسپرت (فراری، پورشه، لامبورگینی) و خودروهای مسابقه‌ای استفاده می‌شود.

۷. ترمز احیاکننده (Regenerative Brake) - در خودروهای الکتریکی

تصویر توصیفی (بخش هفتم):

این سیستم ترمز، هیچ لنت، دیسک یا کاسه‌ای ندارد. در عوض، موتور الکتریکی خودرو به عنوان یک ژنراتور عمل می‌کند. وقتی راننده پدال ترمز را می‌فشارد، یک سیستم کنترل الکترونیکی جهت جریان برق را در موتور معکوس می‌کند و موتور شروع به مقاومت در برابر چرخش می‌کند (گشتاور مخالف). این مقاومت، خودرو را کاهش می‌دهد و همزمان انرژی جنبشی را به جریان برق تبدیل کرده و باتری را شارژ می‌کند. در پشت فرمان، یک نمایشگر دیجیتال نشان می‌دهد که چه مقدار انرژی به باتری بازگردانده شده است. در برخی خودروها مانند تویوتا پریوس، یک اهرم در کنار غربیلک فرمان قرار دارد که شدت این ترمز احیاکننده را در ۴ سطح تنظیم می‌کند.

مزایا:

• • بازیابی انرژی و افزایش برد خودرو تا ۲۰٪
  • عدم سایش مکانیکی و افزایش عمر لنت‌های ترمز اصلی
  • ترمزگیری نرم و یکنواخت
  • کاهش انتشار حرارت به محیط

معایب:

• • عملکرد ضعیف در سرعت‌های بسیار پایین (زیر ۵ کیلومتر)
  • عدم توانایی در توقف کامل (در نهایت باید ترمز مکانیکی وارد عمل شود)
  • ایجاد حس غیرطبیعی در پدال برای رانندگانی که به ترمز معمولی عادت دارند
  • وابستگی کامل به شارژ باتری (در باتری خالی، ترمز احیاکننده کار نمی‌کند)

علت کنار گذاشته شدن:

این سیستم کنار گذاشته نشده؛ بلکه به عنوان یک سیستم کمکی در کنار ترمزهای دیسکی در حال توسعه است و در خودروهای تمام‌الکتریکی به بخش اصلی تبدیل خواهد شد.

۸. ترمز الکترومکانیکی (Electromechanical Brake - EMB) - نسل آینده

تصویر توصیفی (بخش هشتم):

این سیستم که هنوز در مرحله تحقیقاتی است، به جای لوله‌های روغن و سیلندر، از یک موتور الکتریکی کوچک (با توان ۵۰۰ وات) به همراه یک جعبه دنده حلزونی (Worm Gear) در داخل هر کالیپر استفاده می‌کند. وقتی راننده پدال را می‌فشارد، یک سنسور نیرو (Load Cell) میزان فشار را تشخیص داده و سیگنالی به موتور هر چرخ ارسال می‌کند. موتور، یک پیچ قدرتمند را می‌چرخاند که لنت را به دیسک فشار می‌دهد. زمان واکنش این سیستم تنها ۸۰ میلی‌ثانیه است که از سریع‌ترین سیستم‌های هیدرولیک نیز سریع‌تر است. هیچ روغن ترمز، لوله، یا اتصالات هیدرولیک در این سیستم وجود ندارد و همه کنترل‌ها توسط یک کامپیوتر مرکزی انجام می‌شود. سیم‌های برق ضخیم به جای شیلنگ‌های روغن، نمای زیر خودرو را تغییر داده‌اند.

مزایا:

• • حذف کامل روغن ترمز و خطرات نشتی
  • پاسخگویی بسیار سریع و دقیق (قابل برنامه‌ریزی برای هر چرخ به‌طور جداگانه)
  • سبک‌تر و جمع‌وجورتر
  • قابلیت اتصال آسان به سیستم‌های خودران

معایب:

• • وابستگی کامل به برق خودرو (در صورت قطع برق، ترمز کاملاً از کار می‌افتد - نیاز به ترمز پشتیبان مکانیکی)
  • هزینه بسیار بالا در حال حاضر
  • نیاز به باتری قدرتمندتر ۴۸ ولت
  • حس متفاوت پدال که نیاز به آموزش دارد

علت کنار گذاشته شدن:

هنوز کنار گذاشته نشده، اما به دلیل نگرانی‌های ایمنی، تولید انبوه آن به تعویق افتاده است. در آینده با سیستم‌های ۴۸ ولتی و خودروهای خودران، جایگزین سیستم‌های هیدرولیک خواهد شد.

جمع‌بندی نهایی و علت کلی تغییرات

به‌طور خلاصه، علل اصلی کنار گذاشته شدن هر سیستم ترمز عبارتند از:

سیستم ترمز

علت اصلی کنار گذاشته شدن

اهرمی-چوبی	گرم شدن و آتش‌گیری، عدم کارایی در باران و سرعت بالا
ترمز بیرونی (نوار فولادی)	ورود آب و گل، کشیدگی کابل، عدم خود-تقویتی
ترمز کاسه‌ای (دوران مکانیکی)	جایگزینی با هیدرولیک برای افزایش نیرو
ترمز کاسه‌ای هیدرولیک	محو شدگی حرارتی شدید و عدم دفع گرما در سرعت‌های بالا
ترمز دیسکی جامد	گرمای بیش از حد در مسیرهای کوهستانی و خودروهای سنگین
ترمز دیسکی خنک‌شونده	هنوز کنار گذاشته نشده (فقط در حال بهبود است)
ترمز کربن-سرامیکی	هنوز کنار گذاشته نشده (فقط به دلیل هزینه محدود شده)
ترمز احیاکننده	هنوز کنار گذاشته نشده (در حال گسترش است)
ترمز الکترومکانیکی	هنوز در مرحله آزمون (نگرانی از قطع برق)

تصویر نهایی در ذهن شما (جمع‌بندی دیداری)

حالا اگر تمام این سیستم‌ها را در یک خط زمانی در ذهن خود مجسم کنید، تصویر زیر را می‌بینید:

در سمت چپ (سال ۱۸۹۰)، یک چرخ چوبی با رینگ آهنی داریم که یک قطعه چوب سوخته کنار آن افتاده است. با حرکت به سمت راست، کاسه‌های چدنی بزرگ را می‌بینیم که کفشک‌های آزبستی آن‌ها در حال ترک خوردن بر اثر حرارت هستند. سپس دیسک‌های درخشان فولادی پدیدار می‌شوند که هوا از میان پره‌های آن‌ها عبور می‌کند. در ادامه، دیسک‌های مشکی کربنی با سطحی شیشه‌ای و در نهایت، کالیپرهایی که فقط یک سیم برق به آن‌ها متصل است و هیچ لوله روغنی ندارند، جایگزین همه می‌شوند. در پس‌زمینه، تصویر یک خودروی برقی را می‌بینید که در هنگام ترمز، فلش‌های سبز رنگی از چرخ‌ها به سمت باتری در حرکت است.

در این تصویر ذهنی، هر سیستم به دلیل محدودیت فیزیکی خود (گرما، اصطکاک، وزن، پیچیدگی، وابستگی به شرایط محیطی) توسط سیستم بعدی که آن محدودیت را برطرف می‌کرد، کنار زده شده است. سیر تکامل از مکانیکی به هیدرولیک، سپس دیسکی خنک‌شو، سپس سرامیکی و در نهایت الکتریکی-احیاءکننده، نشاندهنده حرکت به سمت سیستم‌های هوشمند، کم‌وزن، کم‌اصطکاک داخلی و بازیافت‌کننده انرژی است.

سیستم ترمز خودرو، از ابتدایی‌ترین وسایل نقلیه تا خودروهای مدرن امروزی، دستخوش تحولات چشمگیری شده است. این تغییرات عمدتاً به منظور افزایش ایمنی، بهبود کارایی و پاسخگویی به افزایش سرعت و وزن خودروها صورت گرفته‌اند.

تاریخچه پیدایش و تغییرات سیستم ترمز

سیر تحول سیستم ترمز خودرو را می‌توان در چند مرحله کلیدی خلاصه کرد:

• • دوران ابتدایی (ترمزهای مکانیکی):اولین خودروها از سیستمی مشابه درشکه‌ها استفاده می‌کردند؛ یعنی اهرمی که با فشار دادن، قطعاتی از جنس چوب یا چرم را مستقیماً بر روی چرخ‌ها فشار می‌داد تا با ایجاد اصطکاک، خودرو را متوقف کند. با افزایش سرعت، این سیستم پاسخگو نبود و به تدریج با ترمزهای کاسه‌ای (Drum Brakes) جایگزین شد. این ترمزها که توسط لویی رنو در سال ۱۹۰۲ اختراع شدند، شامل یک کاسه فلزی متصل به چرخ و کفشک‌هایی بودند که از داخل به کاسه فشار می‌آوردند. نیروی ترمز در این سیستم‌ها از طریق کابل‌ها و اهرم‌ها منتقل می‌شد.
  • انقلاب هیدرولیک:از دهه ۱۹۲۰، سیستم‌های ترمز هیدرولیک جایگزین کابل‌های مکانیکی شدند. در این روش، با فشار دادن پدال، فشار روغن ترمز از طریق لوله‌ها به سیلندرهای هر چرخ منتقل می‌شود و باعث اعمال نیروی بسیار بیشتری با زحمت کمتر برای راننده می‌گردد. این تغییر، گام بزرگی در افزایش کارایی و یکنواختی ترمزگیری بود.
  • دوران مدرن (ترمزهای دیسکی و سیستم‌های کمکی):
  • ترمز دیسکی (Disc Brakes): اگرچه نمونه‌های اولیه آن هم‌زمان با ترمزهای کاسه‌ای ساخته شد، اما به دلیل مشکلات فنی و هزینه بالا فراگیر نشد. نقطه عطف آن، پیروزی خودروی جگوار در مسابقات ۲۴ ساعته لومان در سال ۱۹۵۳ بود که مجهز به ترمز دیسکی بود. این موفقیت، کارایی برتر این سیستم را به اثبات رساند و از اوایل دهه ۱۹۶۰، ترمزهای دیسکی به‌تدریج جایگزین ترمزهای کاسه‌ای در چرخ‌های جلو شدند. علت این برتری، مدیریت حرارت عالی و عملکرد بهتر در شرایط آب و هوایی مختلف بود زیرا دیسک و لنت‌ها در معرض هوای آزاد قرار دارند و سریع‌تر خنک می‌شوند.
  • ترمزهای کمکی (Servo-Assisted): هم‌زمان با سنگین‌تر شدن خودروها، سیستم‌های کمکی (معمولاً با استفاده از خلاء موتور) برای افزایش نیروی وارد شده بر پدال توسط راننده طراحی شدند تا ترمزگیری آسان‌تر و مؤثرتر گردد.
  • عصر الکترونیک و هوشمندی:
  • سیستم ترمز ضد قفل (ABS): این سیستم که از دهه ۱۹۷۰ به‌تدریج بر روی خودروها نصب شد، با استفاده از سنسورهایی که سرعت چرخ‌ها را پایش می‌کنند، از قفل شدن چرخ‌ها در ترمزهای شدید جلوگیری می‌کند. ABS با کاهش و افزایش سریع فشار ترمز (تا ۱۵ بار در ثانیه)، امکان کنترل فرمان را در هنگام ترمزگیری اضطراری برای راننده حفظ می‌کند.
  • سیستم‌های پیشرفته (EBD، ESC و ترمز احیاکننده): پس از ABS، سیستم‌های تکامل‌یافته‌تری مانند توزیع الکترونیکی نیروی ترمز (EBD) برای بهینه‌سازی ترمز در هر چرخ به‌طور جداگانه، و کنترل پایداری الکترونیکی (ESC) برای جلوگیری از لغزش خودرو در پیچ‌ها توسعه یافتند. جدیدترین تحول، ترمز احیاکننده (Regenerative Braking) در خودروهای الکتریکی و هیبریدی است که انرژی جنبشی را در هنگام کاهش سرعت به انرژی الکتریکی تبدیل و در باتری ذخیره می‌کند.

مزایا و معایب سیستم‌های اصلی ترمز

امروزه دو سیستم اصلی ترمز در خودروها استفاده می‌شود: کاسه‌ای و دیسکی. هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند که در جدول زیر به‌طور خلاصه آمده است.

ویژگی

ترمز کاسه‌ای (Drum Brakes)

ترمز دیسکی (Disc Brakes)

هزینه	ارزان‌تر برای تولید و نگهداری	گران‌تر برای تولید و نگهداری
عملکرد ترمز	قدرت کمتر، به‌ویژه در سرعت‌های بالا و ترمزهای مکرر	قدرت عالی، واکنش سریع‌تر و کوتاه‌تر شدن فاصله ترمز
مدیریت حرارت	ضعیف؛ مستعد داغ شدن و محو شدن ترمز (Brake Fade) در اثر حرارت	عالی؛ دفع حرارت بالا و کاهش چشمگیر خطر محو شدن ترمز
عملکرد در شرایط مرطوب	عملکرد ضعیف‌تر؛ احتمال جمع شدن آب و کاهش اصطکاک	عملکرد خوب و پایدار؛ آب به راحتی از سطح دیسک دفع می‌شود
طول عمر و نگهداری	عمر بیشتر و نیاز به نگهداری کمتر به دلیل اجزای محصور	لنت‌ها سریع‌تر فرسوده می‌شوند اما تعویض آن‌ها ساده‌تر است
کاربرد رایج	چرخ‌های عقب خودروهای اقتصادی و خودروهای سنگین	چرخ‌های جلو (بیشتر خودروها) و هر چهار چرخ در خودروهای اسپرت و لوکس
معایب خاص	احتمال قفل شدن ناگهانی (Grabbing)، پیچیدگی ساختار و تعمیر دشوارتر	احتمال تاب برداشتن (Warping) دیسک در حرارت بسیار زیاد و کارایی کمتر به عنوان ترمز دستی

در مجموع، ترمزهای دیسکی به دلیل عملکرد برتر و ایمنی بالاتر به استاندارد اصلی در خودروهای مدرن تبدیل شده‌اند، در حالی که ترمزهای کاسه‌ای به دلیل هزینه کمتر و دوام بیشتر، همچنان در کاربردهای خاصی مانند چرخ‌های عقب خودروهای ارزان‌تر یا خودروهای تجاری سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند