Cum funcţionează frânele hidraulice?

Frânele hidraulice au transformat ciclismul montan încă de la introducerea lor. Ele ne permit să mergem mai repede, asta pentru că ne putem opri mai repede. Haideţi să vedem ce e atât de deosebit la frânele hidraulice, astfel încât ele constituie alegerea riderilor profesionişti dar şi a cicliştilor mai puţin profi. Să o luăm cu începutul...




Principiul din spatele oricărui sistem hidraulic este simplu: forţele care sunt aplicate la un punct sunt transmise către un alt punct prin intermediul unui fluid incompresibil. La frâne, acest lichid incompresibil este lichidul de frână, dar despre el vom vorbi mai pe larg ceva mai târziu.

În mod comun în hidraulică, forţa iniţială, adică cea care se aplică pentru a opera sistemul, se multiplică pe parcurs. Valoarea de multiplicare poate fi aflată prin compararea dimensiunilor pistoanelor de la fiecare capăt al circuitului. La sistemele de frânare, de exemplu, pistonul de împingere a lichidului (cel din manetă) este mai mic decât pistoanele care acţionează plăcuţele de frână, şi prin urmare forţa aplicată în manetă se multiplică, ajutându-vă să frânaţi mai uşor şi mai eficient.

O altă caracteristică a hidraulicii este că vasele/conductele ce conţin fluide pot avea orice dimensiune, lungime sau formă, astfel încât principiul permite conducte care pot fi amplasate aproape oriunde. Ele pot fi de asemenea separate, astfel încât pot permite unui cilindru principal (master cilinder) să acţioneze doi sau mai mulţi cilindrii secundari.

Acum, că v-aţi făcut o idee despre hidraulică, propun să aruncăm o privire la diferitele părţi ce alcătuiesc frâna hidraulică.




Întregul sistem de frânare poate fi radiografiat în următoarele componente principale:

• Cilindru principal (în manetă)
• Conductă
• Lichid de frână
• Cilindrii secundari (în etrier)
• Plăcuţe de frână
• Disc / Rotor

Sistem de frânare complet

Să le luăm pe rând:



Cilindrul principal, montat pe ghidon, în combinaţie cu maneta de frână, produce forţa de intrare necesară pentru a împinge lichidul de frână la cilindru secundar (etrier), şi astfel forţează plăcuţele de frână să strângă rotorul.

Maneta de frână

Părţile componente ale manetei de frână

Cursa manetei poate fi împărţită în 3 categorii:

1. Cursa moartă (Dead-stroke) - Aceasta este partea incipientă a cursei manetei, atunci când dispozitivul primar de etanşare impinge lichidul de frână spre rezervor, însă înainte de a împinge lichid spre etrier prin intermediul conductelor de frână.
2. Cursa intermediară - Aceasta are loc între momentul în care pistoanele etrierului încep să iasă din locaşul lor şi momentul în care plăcuţele de frână iau contact cu discul. Sau mai simplu explicat: este cursa manetei ce decurge în timpul în care spaţiul liber dintre rotor şi plăcute este umplut.
3. Contactul şi Modulaţia - Plăcuţele de frână fac acum contact cu rotorul şi dacă apăsăm maneta în continuare va fi generată putere de frânare suplimentară. Modulaţia este controlată de rider şi nu e neapărat o caracteristică a sistemului de frânare, însă este adevărat că unele frâne pot permite riderului o modulaţie mai bună sau un control mai bun al forţelor de frânare.

Deschis sau închis?

Sistemele cilindrilor principali pot fi clasificate în două grupuri - deschise şi închise.

Un sistem deschis include un rezervor şi un vas de expansiune ce permit ca lichidul de frână să fie introdus sau eliminat automat din sistemul de frânare în timpul utilizării. Atunci când frânăm, lichidul de frână se extinde datorită căldurii generate de frecare, iar aici intervine rezervorul, ce are ca rol principal preluarea unei părți din acest lichid de frână expandat. Vasul de expansiune are posibilitatea de a se contracta sau a se dilata, astfel încât atunci când lichidul se extinde, acesta compensează acest inconvenient. Un alt rol al rezervorului este acela de a furniza lichid de frână atunci când plăcuțele se tocesc şi, ca urmare, pistoanele trebuie să parcurgă o cursă mai mare până la disc.
Un sistem închis foloseşte de asemenea un rezervor pentru lichid, însă nu are vas de expansiune, iar asta înseamnă că orice modificare asupra cantității de lichid din sistem trebuie făcută manual.




Conductele sau furtunele de frână au rolul de a conecta cele două componente principale ale frânei, adică cilindrul principal de cei secundari. După cum am menţionat mai sus, conductele pot fi direcţionate aproape pe oriunde, aşa că haideţi să aruncăm o privire mai în detaliu.

Diverse conducte Jagwire

Conductele de frână sunt formate din mai multe straturi, de regulă minim 3, după cum urmează:

1. Furtunul interior - are rolul de a păstra lichidul în interior. De regulă este confecţionat din teflon, pentru că acesta nu reacționează sau corodează cu lichidul de frână.
2. Stratul de Aramid (fibre sintetice) - oferă structura şi puterea conductei. Acest strat ţesut este flexibil şi preia eficient din presiunea hidraulică din interiorul conductei, în sensul că nu se extinde. Aceste fibre sintetice sunt si foarte uşoare, iar în plus pot fi tăiate uşor şi reasamblate folosind fitinguri clasice.
3. Stratul exterior - are rolul de a proteja celelalte straturi, dar şi cadrul bicicletei de abraziune.




Sistemele hidraulice de frânare utilizează de obicei unul dintre următoarele două tipuri de lichid de frână: DOT sau ulei mineral. Fac o scurtă paranteză: din articolul postat de Maxi aici observaţi că la nevoie putem folosi şi altceva. Însă doar la nevoie! Să revenim la lichidele noastre...
Un lucru important de reţinut înainte de a vorbi despre proprietățile fiecărui tip este faptul că cele două fluide nu trebuiesc amestecate niciodată. Ele sunt fabricate din substanțe chimice diferite, iar garniturile din interiorul sistemelor de frânare sunt concepute doar pentru un anume lichid, nu pentru ambele.
Pe de altă parte, amestecarea de lichid din aceeași familie este permisă, dar în general nu se recomandă. De exemplu, puteţi amesteca lichid DOT 4 cu DOT 5.1, fără a afecta sistemul de frânare.

Lichidul de frână DOT

Acest lichid este aprobat şi controlat de către "Department of Transportation" (Ministerul de Transport din SUA). Lichidul trebuie să îndeplinească anumite criterii de performanţă pentru a putea fi utilizat în cadrul sistemelor de frânare, şi este clasificat în funcţie de proprietăţile sale de performanţă - în special de punctele sale de fierbere.
Lichidele DOT 3, 4 şi 5.1 sunt bazate pe glicol şi sunt alcătuite din diverşi solvenţi şi substanţe chimice. Toate lichidele bazate pe glicol sunt higroscopice, adică absorb apa din mediul înconjurător chiar şi la presiune atmosferică normală. Rata tipică de absorbție este de aproximativ 3\% pe an. Acest conţinut de apă din cadrul lichidului de frână va afecta performanța lichidului, prin reducerea punctul de fierbere, de aceea este recomandat să schimbaţi lichidul de frână la fiecare cel mult 1-2 ani.
Lichidul de frână DOT este utilizat în frânele Avid, Hayes, Formula, Hope.

Lichid DOT 3, 4 şi 5.1

Să vorbim un pic şi despre alt lichid DOT, mai exact de DOT 5, care nu trebuie confundat cu DOT 5.1 ! Acest DOT 5 este diferit de celelalte lichide DOT, pentru că este bazat pe silicon. Acest lichid este hidrofob, adică nu atrage apa. Poate vă întrebaţi de ce nu este folosit mai des, dacă nu absoarbe apa? Ei bine, pentru că apa intrată cu timpul în sistem poate îngheţa sau fierbe, în funcţie de condiţiile meteo.

Lichid DOT 5

Să spunem câteva cuvinte şi despre uleiurile minerale, folosite la frâne în special de cei de la Magura şi Shimano. Fac menţiunea că uleiurile minerale nu trebuiesc să îndeplinească cerinţe tehnice aşa de stringente, şi de aceea performanţa lor poate diferi de la un producător la altul. Principalul avantaj al uleiului mineral este acela că nu atrage apa, însă la fel ca şi DOT 5, eventualele părţi de apă apărute în sistem pot dăuna. Un alt avantaj al uleiului mineral este că e non-coroziv, adică eventualele scurgeri nu creează dureri de cap (vopsea corodată, ca la DOT).

Ulei mineral Magura, respectiv Shimano

Etrierii reacţionează la forţa generată de utilizator prin intermediul manetei de frână. Forţa de intrare din manetă este transformată în forţă de strângere prin intermediul pistoanelor ce împing plăcuţele de frână pentru a face contact cu discul. Etrierele pot fi fixate pe cadru prin intermediul unei monturi rigide sau pot fi flotante.

Din punct de vedere al construcţiei, etrierele pot fi monobloc sau constituite din două părţi. Diferenţa dintre ele este dată de pod, podul fiind partea superioară a etrierului (deasupra pistoanelor) care leagă cele două jumătăţi ale etrierului şi care oferă capacitatea de a rezista forţelor de strângere generate de pistoane.

Etrierele monobloc sunt produse dintr-o singură bucată de material. Acest aspect poate oferi un design unic şi, de obicei, un avantaj pe partea de greutate pentru ca nu mai este nevoie de şuruburi din oţel care să asambleze cele 2 părţi (cum e cazul la celălalt tip de etrier)
Datorită faptului că este construit dintr-o singură bucată, un alt avantaj derivă, şi anume o posibilitate mai mică de scurgeri de lichid la îmbinarea celor două jumătăţi. Pe lângă avantajele de mai sus avem binenţeles şi dezavantaje, principalul fiind servisarea mai dificilă.

Etrier monobloc Formula RO

Etrierele din două bucăţi ("2 Piece") sunt construite din două jumătăţi diferite, unite apoi prin intermediul unor şuruburi. De aici rezultă faptul că servisarea şi asamblarea sunt mai facile, însp trebuie luat în calcul faptul că şuruburile şi garniturile suplimentare de la îmbinări introduc greutate suplimentară şi pot da bătăi de cap în timpul servisării.

Etrier 2 Piece asamblat, respectiv dezasamblat

Etrier 2 Piece

Pistoanele sunt componente cilindrice adăpostite în corpul etrierului. La acţionarea manetei de frână, forţa este transferată asupra pistoanelor, acestea ieşind şi împingând plăcuţele de frână către disc. Numărul de pistoane dintr-un etrier poate fi diferit de la o frână la alta. Multe frâne hidraulice pt MTB au 2 pistoane, altele pot avea 4 pistoane. Este important de ştiut că puterea de frânare nu este determinată de numărul pistoanelor, ci de suprafaţa de contact a pistoanelor. De exemplu, 4 pistoane mai mici pot fi la fel de puternice ca 2 pistoane mai mari.

Pistoanele pot fi amplasate pe o singură latură sau pot fi opuse. În cazul pistoanelor opuse, atunci când se acţionează maneta de frână, ies ambele pistoane şi împing plăcuţele de frână uniform, discul fiind practic prins din ambele părţi. În schimb, la pistoanele pe o singură faţă discul este împins dintr-o parte către cealaltă.




Plăcuţele de frână pot face de multe ori diferenţa între o frânare eficientă şi una dezastruoasă. Se regăsesc în mai multe tipuri de compoziţii, pe care le vom detalia în cele ce urmează.

Plăcuţe Organice - nu conţin deloc metale. Sunt realizate dintr-o varietate de materiale, care includea chiar şi azbest, până să fie interzis. În prezent, în compoziţia lor regăsim de obicei materiale cum ar fi cauciuc, kevlar şi chiar sticlă. Aceste materiale sunt lipite cu o răşină rezistentă la căldură. Un avantaj al lor este că sunt mai moi decât alte plăcuţe de frână implicit mai puţin zgomotoase. De asemenea, provoca uzură mai mică asupra discului de frană. Un alt avantaj al plăcuţelor organice este că sunt realizate din materiale care nu poluează în timp ce sunt folosite. Cu toate acestea plăcuţele organice se uzează mai repede şi se comportă slab în condiţii de umiditate.

Plăcuţe organice

Plăcuţe semi-metalice - conţinutul de metale poate varia de la 30\% până la 65\%.Datorită faptului că conţin metal, durata de viaţă a plăcuţelor este semnificativ mai mare, metalul mâncându-se mai lent decât materialele organice. De asemenea, disiparea căldurii este îmbunătăţită, căci conţinutul metalic transferă mai bine căldura între materialul plăcuţei şi plăcuţa de suport. Dezavantajele principale sunt zgomotul crescut din timpul utilizării şi uzura mai agresivă a discului.

Plăcuţe semi-metalice

Plăcuţe sinterizate - sunt alcătuite din compuşi metalici căliţi, care sunt omogenizaţi sub acţiunea presiunii şi a temperaturii ridicate. Avantajele acestei compoziţii sunt buna disipare a caldurii, o durată de viaţă mai lungă, rezistenţă mai bună la fading şi performanţe superioare în condiţii de umiditate. Dezavantajele sunt date de zgomotul mai mare, timpul mai mare de rodaj, performanţă iniţială ceva mai slabă.

Plăcuţe sinterizate

Plăcuţe ceramice - ceva mai nou apărute pe scena bicicletelor, însă folosite intens în domenii unde frânarea este bruscă şi generează temperaturi extreme (Formula 1, Le Mans de exemplu). Avantajele principale ale acestui tip de compoziţie sunt disiparea foarte eficientă a căldurii, deci funcţionează foarte bine în condiţii de căldură ridicată. De asemenea, au o durată de viaţă foarte lungă, sunt silenţioase şi nu mănâncă discul.



Am ajuns cu descrierea noastră şi la discuri. Dimensiunea discului are un efect direct asupra puterii de frânare. Cu cât este mai mare dimensiunea discului, cu atât mai mare va fi puterea produsă.
De regulă, discurile pt MTB variază în dimensiune de la 140mm la 203mm, discurile mici fiind orientate spre XC, iar cele mari în special pentru DH.

Diverse modele de discuri

Aspectele importante ale discurilor includ duritatea, grosimea şi zona de frecare.
Datorită forţelor puternice exercitate asupra lor de către plăcuţele de frână, discurile trebuiesc fabricate din materiale tari şi durabile. Discurile trebuie să aibă, de asemenea, grosime constantă, diferenţele de grosime putând avea efecte nedorite asupra sistemului de frânare, inclusiv pulsaţii atunci când secţiuni mai groase sau mai subţiri se succed alternativ printre plăcuţe. Binenţeles, discurile trebuie să fie şi perfect plane, orice bătaie laterală a discului în timpul utilizării putând provoca frânare involuntară. Zona de frecare a discului poate avea multe forme sau modele, acestea afectând greutatea şi rezistenţa discului. De asemenea, are un efect direct asupra duratei de viaţă a plăcuţelor.

Tipuri de prindere ale discurilor

În prezent, pe piaţă sunt mai multe tipuri de prinderi, însă două deţin cota cea mai mare: prinderea în 6 puncte şi prinderea CenterLock. Alte două tipuri ce merită menţionate sunt prinderea în 3 puncte Hope (format proprietar, o reinterpretare a standardului în 6 puncte) şi prinderea Rohloff în 4 puncte (nu este uzuală la MTB).
Binenţeles, au existat şi alte tipuri în trecut, şi de dragul istoriei le menţionăm în continuare:
prinderea AMP în 6 puncte - scoasă din uz
prinderea Cannondale în 4 puncte - scoasă din uz
prinderea Hope Technology în 5 puncte - scoasă din uz
prinderea Rock Shox în 3 puncte - scoasă din uz.

Să revenim însă la cele vremurile noastre, şi să spunem câteva cuvinte despre cele două tipuri mari.

Prinderea în 6 puncte: Uşor accesibilă şi interschimbabilă între modelele de frână, aceasta este cea mai comună formă de fixare utilizată în prezent. Datorită multitudinii de opţiuni de butuci, compatibilitatea cu alte produse este rareori o problemă. Cu toate acestea, instalarea celor şase şuruburi de fixare poate fi uneori greoaie şi există întotdeauna riscul de stricare a filetului şuruburilor sau punctelor de montaj din butuc.

Disc Avid cu prindere în 6 puncte

Prinderea CenterLock: este un format proprietar Shimano ce elimină riscul de stricare a filetului, pentru că nu există şuruburi, ci doar un inel central de blocare. Montarea şi demontarea este simplificată, dar va fi nevoie de o unealtă specială pentru CenterLock. Pentru că sistemul nu a fost adoptat de toată piaţa, alegerile butucului sunt mai limitate, de asemenea şi alegerile frânelor. Discurile CenterLock sunt în general ceva mai grele şi pau preţuri mai mari.

Disc Shimano cu prindere CenterLock

Şi iată că am ajuns cu mica prezentare la final. E bine de ştiut că frânele hidraulice pot eşua sau chiar pot să nu funcţioneze temporar din cauza unor motive numeroase, cum ar fi de exemplu o simplă (dar cu potenţial catastrofic) scurgere de lichid de frână sau datorită unui brake fade după o utilizare prelungită. Însă cunoscând cauzele eşecului de frânare putem afla lucruri valoroase despre tratarea problemei, dar şi despre prevenirea unor episoade viitoare.

Astfel că conchidem acest articol cu un sfat: “Verificaţi-vă sistemul de frânare înainte de tură, astfel încât să vă puteţi bucura de ea!”

Toate cele bune!