Sustabdyti? Tai paprasta...

1988 metais pasaulis turėjo paminėti vieno iš svarbiausių automobilio mazgų – pneumatinių stabdžių – sukūrimo 85-erių metų jubiliejų... Deja, pamiršo, nors ir šiuolaikinių sunkvežimių pneumatiniai stabdžiai iš esmės nesiskiria nuo tų, kuriuos 1923 m. užpatentavo vokiečių inžinierius Georgas Knoras. Ta proga pasidomėkim sunkvežimių stabdžių raidos istorija. Gal 2013 m tą datą ir prisiminsim?

Nieko nuostabaus, kad pneumatinių stabdžių sukūrimo istorija buvo primiršta: ekologinių problemų spaudžiami automobilių konstruktoriai dabar beveik visą dėmesį skiria kuo švaresnių ir kuo taupesnių mašinų kūrimui. Kadangi automobilių gamintojų gana daug, o stabdžių sistemų kūrėjams suskaičiuoti, ko gero, pakaktų vienos rankos pirštų („Knorr Bremse“, „Voith“, „Bosh“, „Haldeks“ ir gal dar viena kita mažesnė bendrovė), tad ir dėmesys joms atitinkamai mažesnis. Juolab kad visos šiuolaikinės stabdžių sistemos – mechaninės, hidraulinės, pneumatinės ir įvairios jų kombinacijos – „gyvena“ ant išnykimo ribos: jau sukurtos, bandomos ir tobulinamos elektromechaninės sistemos, po metų kitų paskui mechaninius kuro siurblius į muziejų nusiųsiančios ir senąsias stabdžių sistemas.
 
85-eri sėkmės ir problemų metai
Pirmieji automobilių kūrėjai iš karietų pasiskolino daugybę sprendimų, tarp jų, žinoma, ir stabdžių „sistemą“: medines trinkeles, svertu prispaudžiamas prie geležinio ratlankio. Bene gražiausi tokių stabdžių pavyzdžiai sukaupti fantastiškame karaliaus Liudviko II karietų muziejuje Miunchene.
 
Tačiau tai, kas iš bėdos tiko karietoms, vis labiau ėmė netikti automobiliams, o juo labiau sunkvežimiams, nes žmogaus raumenų jau nebeužteko vis didesniam greičiui ir vis didesnei automobilio masei suvaldyti. Pagaliau buvo akivaizdu, kad net užblokavus geležimi kaustytus ratus, trinties tarp geležinio ratlankio ir kelio dangos jėgų nepakanka automobiliui greitai sustabdyti.
 
1902 m. prancūzų inžinieriui Lui Renault sukūrus būgninius stabdžius su vidinėmis trinkelėmis, prasidėjo pirmiausia hidraulinių, o vėliau ir pneumatinių stabdžių era.
1923 metais G. Knoro pasiūlytoji stabdžių sistema (kompresorius, slėgio reguliatorius, resiveris, oro tiekimo kanalai ir ratų stabdžiai) žaibiškai prigijo sunkvežimiuose, nes jiems didesnis šios įrangos svoris bei užimama vieta nebuvo taip aktualu, kaip lengvuosiuose automobiliuose. O efektyvumu bei patikimumu tokie stabdžiai ne tik kad nenusileido, bet dažnai ir pranoko hidraulinius.
 
Tačiau ir vieni, ir kiti turėjo savų problemų, tad inžinieriai reikėjo gerokaii pasukti galvas, kaip jas išspręsti. Vis dėlto viena problema abiem sistemoms buvo bendra – tiek skysčiai, tiek oras moka ir gali užšalti. Hidrauliniams stabdžiams gana greit buvo sukurti neledėjantys ir guminių detalių neardantys skysčiai, o ką daryti su vandens kondensatu, susikaupiančiu iš aplinkos oro?
 
Paradoksalu, tačiau vanduo pneumatinėje sistemoje pridarė inžinieriams kur kas daugiau rūpesčių, negu stabdžių skystis hidraulinėje. Paaiškėjo, kad per dieną pneumatinėje sistemoje kondensato susikaupia gana daug. Netgi šiuolaikiniuose sunkvežimiuose - nuo 0,25 iki 0,75 l, nepaisant to, kad kompresorius pumpuojamą orą įkaitina beveik iki 200 laipsnių.
 
Pirmasis sprendimas buvo labai paprastas: oro kanalai sunkvežimyje turi būti tarsi lietvamzdžiai montuojami nuožulniai, kad kondensatas nutekėtų į resiverį, o jame reikia sumontuoti įdubą, kurioje įrengti išleidimo vožtuvą ir periodiškai susikaupusį vandenį išleisti.
 
Vis dėlto toks sprendimas problemos aktualumą tik sumažino, tačiau jos neišsprendė. Nepadėjo nė automatiškai veikiantys vožtuvai – ledo kamščiai ir metalo korozija dar ilgokai kamavo tiek vairuotojus, tiek servisų meistrus.
 
Tik po Antrojo pasaulinio karo pneumatinėse sistemose pradėti montuoti oro džiovintuvai, kuriuose viena dalis drėgmės kondensuojama, o kita – džiovinama. Tačiau ir to pasirodė maža, tad prieš kondensatą buvo pasitelktas specialus drėgmę sugeriantis skystis: prieš pradėdamas važiuoti vairuotojas turėdavo 3–5 kartus nuspausti specialų vožtuvą, įpurkšdavusį to skysčio. Šiek tiek vėliau ši operacija buvo patikėta automatiniam drėgmės šalinimo vožtuvui.
 
Vis dėlto kondensato šalinimo problema iki galo neišspręsta ir šiais laikais: pneumatinėje sistemoje susikaupusį skystį privalu periodiškai išleisti.
 
Kurie pagrindiniai, kurie pagalbiniai?
Didėjant sunkvežimių krovumui bei greičiui tapo aišku, jog nė vieni iš tuo metu egzistavusių stabdžių nepajėgūs susidoroti su nuolat didėjančiu krūviu. Inžinieriai netruko apskaičiuoti, kad transporto priemonės masei padidėjus du kartus atsiranda dviguba judėjimo energija, o tiek pat padvigubinus greitį – judėjimo energija išauga keturis kartus.
 
Vos ne kasdien tobulėjant sunkvežimiams, nuolat didėjo ir jų masė, ir greitis, tad judėjimo energija didėjo kur kas sparčiau, negu stabdžių konstruktoriai įstengė ją pažaboti. Vien darbinių stabdžių aiškiai nepakako, taigi mintis apie automobilius, greitesnius už savo stabdžius, atsirado toli gražu ne šiais laikais.
 
Po Antrojo pasaulinio karo disproporcija tarp variklio galios ir stabdžių efektyvumo tapo akivaizdi: per 50 pokarinių metų variklių galingumas padvigubėjo, o stabdymo efektyvumas išaugo vos 15–20 proc.
 
Kadangi ratų stabdžių galimybės buvo beveik išnaudotos, inžinierių žvilgsniai nukrypo į variklį ir į transmisiją. Taip pamažu ėmė ryškėti variklinio stabdžio bei retarderio (lot. retardatio - sulėtinimas) kontūrai.
 
Ilgą laiką abi šios priemonės buvo tik pagalbinės ir skirtos ne tiek stabdymui, kiek neleisti transporto priemonei įsibėgėti ilgesnėse nuokalnėse, mat nuo trinties gerokai įkaitę stabdžiai tapdavo mažai efektyvūs. Ne veltui vieni pirmųjų gana efektyvią pagalbinę variklio stabdžio sistemą gavo Šveicarijos automobilininkai, tad terminas „kalnų stabdys“ ilgam prigijo visai variklinių stabdžių grupei.
 
Tiesą sakant, kad tokių stabdžių yra visa grupė, o ne vienintelis „kalnų“, taip pat žino nedaugelis: kaip tvirtina sunkvežimių pardavėjai, kai kurie vežėjai variklio stabdžio bei retarderio kratosi tarsi velnias kryžiaus, nes jie,esą, į kalnus nevažinėja, tad ir tokio stabdžio nereikia.
 
Jų nuomonė, ko gero, žaibiškai pasikeistų, jei sužinotų, kad šiuolaikiniuose sunkvežimiuose 80–85 proc. visų stabdymo operacijų atlieka būtent variklinis stabdys bei retarderis, tad prityrusio vairuotojo valdomas sunkvežimis „savais stabdžiais“ važiuoja 400–500 tūkst. kilometrų, o štai lengvųjų automobilių vairuotojai priekinių ratų stabdžių trinkeles priversti keisti po 30–40, galinių – po 60–90 tūkst.
 
Taigi, ko gero, būtų metas kelti klausimą, kurie iš stabdžių pagrindiniai, o kurie – pagalbiniai, tačiau neskubėkim: šiuolaikiniai stabdžiai jungiami į ištisas sistemas, kuriose kiekvienas elementas turi atitinkamą vaidmenį ir vienas be kito neįsivaizduojamas. Tad ir pasekim variklinio stabdžio bei retarderio raidą ir jų vietą šiuolaikinėse stabdžių sistemose.
 
Kad transporto priemonės greitį galima mažinti varikliu, pastebėta dar automobilizmo aušroje, tačiau specialios sistemos stabdyti varikliu aktyviau pradėtos kurti gana vėlai, užtat labai intensyviai. Rašydamas šį straipsnį netikėtai užtikau 1972 metais išleistą trečios klasės vairuotojo vadovėlį, kuriame nei apie variklio stabdį, nei retarderį net neužsimenama nei nagrinėjant sunkvežimio mazgus bei agregatus, nei eismo nelaimes ir jų priežastis bei pagrindinius automobilio „saugaus važiavimo būdus“.
 
Žinoma, galima sakyti, jog tarybinė automobilių pramonė nuo vakarietiškosios atsilikinėjo ištisais dešimtmečiais, vis dėlto įvairių sistemų variklio stabdžiai bei retarderiai į mūsų sąmonę atėjo palyginti neseniai, o elektronikos valdomos ištisos stabdžių sistemos – tik XX ir XXI a. sandūroje. Jų dėka į visumą pavyko sujungti tiek įvairiausias variklio stabdžio atmainas, tiek skirtingų konstrukcijų retarderius.
 
Variklio stabdžiai
Vadinamasis kalnų stabdys buvo pirmoji, tačiau toli gražu ne vienintelė variklio stabdžio atmaina. Šios konstrukcijos esmė – ketvirtojo, išleidimo, takto metu specialaus pneumatinio cilindro pagalba uždaryti išmetimo kanalą, tuo pat metu nutraukiant degalų tiekimą. Cilindruose susidaręs sudegusių dujų slėgis stabdo cilindrų judėjimą ir tai per transmisiją veikia ratus.
 
Silpnoji šios konstrukcijos vieta – stabdymo jėga sukuriama ne visu varikliu, o tik keliais jo cilindrais. Šiais laikais tokia stabdymo varikliu sistema naudojama kai kuriuose „Isuzu“ bei „Freightliner“ sunkvežimiuose.
 
Šiek tiek kitokiu keliu pasuko koncerno „Daimler AG“ inžinieriai, „Axor“ modeliui pasiūlę vadinamuosius turbostabdžius. Jų darbo laukas – ne išmetimo, o suslėgimo taktas: elektroninio valdymo bloko dėka turbina į cilindrus tiekia daugiau oro negu reikalinga normaliam degimui palaikyti, ir susidaręs dujų slėgis per transmisiją taip pat stabdo ratų sukimąsi. Silpnoji vieta – uždelstas, sunkiai prognozuojamas tokių stabdžių reakcijos laikas, priklausantis nuo variklio bei turbinos apsukų ir tolygiai augantis, o ne reikalingas konkrečiu metu, stabdymo efektyvumas.
 
Kur kas efektyvesnė tapo taip pat šiame koncerne sukurta vadinamoji „nuolatinio droselio“ sistema, montuojama ir šiuolaikiniuose „Mercedes-Benz“ sunkvežimiuose. Kurdami ją, konstruktoriai nusitaikė į antrąjį, suslėgimo, bei trečiąjį, darbo, ciklus: specialus ir nuo alkūninio velenėlio kumštelių nepriklausantis vožtuvas, įkurdintas variklio cilindrų galvutėje, valdomas elektronikos reikiamais momentais atidaro bei uždaro šį vožtuvą, taip sukurdamas slėgio bei išretėjimo jėgas, per transmisiją veikiančias sunkvežimio ratus.
 
Amerikoje, ypač sunkvežimiuose su „Caterpillar“ bei „Cummins“ varikliais, dažniausiai naudojama amerikiečių išradėjo Džeikobso sukurtoji variklinio stabdžio atmaina „Jake–Brake“. Jos esmė – stabdymui turi būti naudojamas ne vienas ar keli cilindrai, o visi ir bet kurio takto metu: stūmokliui kylant viršun sukuriamas priešpriešinis slėgis, leidžiantis žemyn judėjimą stabdo vakuumas. Europiečiai su šia sistema susipažįsta sėdę į DAF sunkvežimius.
 
Naujos sistemos ir senos bėdos
Bene naujausioji ir bene efektyviausioji pneumatinė variklio stabdžio sistema – VEB (Volvo Engine Braekce) ir jos galingesnė versija VEB plius, kurią sukūrė „Volvo“ inžinieriai. Kaip tvirtina gamintojai, šiandien tai galingiausias, lengviausias (viso labo 11 kg) ir efektyviausias variklio stabdys Europoje, „sulipdytas“ iš dviejų komponentų – integruoto į vožtuvų mechanizmą kompresinio stabdžio VCB (Volvo Compression Brake) ir išmetamųjų dujų slėgio reguliatoriaus EPG (Exhaust Pressure Governor).
 
Stabdymo VEB procesas vyksta taip: vairuotojui atleidus akceleratorių, EPG reguliatorius padidina slėgį išmetimo kolektoriuje. Kai prasideda suspaudimo taktas, išmetimo vožtuvai trumpam atsidaro. Aukštas slėgis iš išmetimo kolektoriaus nukreipiamas į cilindrą, kuriame slėgis pasidaro didesnis nei įprastinis, ir alkūninis velenas yra pristabdomas.
 
VEB plius turi papildomą vožtuvų svirtį, kuri naudojama stabdymo metu - tai leidžia dar labiau padidinti stabdymo galią. D16 variklyje ji siekia 425 kW esant 2200 aps/min. Įpratęs prie šio stabdžio ir persėdęs į kitos markės sunkvežimį, ilgai nepaliauji stebėtis, koks vis dėlto tarp jų didelis skirtumas.
 
Tačiau koks didelis jis bebūtų, bet kurios konstrukcijos variklio stabdis turi esminį trūkumą: efektyviausiai veikia tik esant didesnėms variklio apsukoms. Štai netgi „Volvo“ pavarų dėžės „I–Shift“ programa, iš stabdžių pedalo spaudimo jėgos „pajutusi“ poreikį smarkiau stabdyti, tuoj pat jungia žemesnę pakopą, kad apsukos nenukristų žemiau 1600. Tai, žinoma, nėra blogai, nes vienu šūviu nušaunami iš karto du zuikiai: padidėja stabdžių sistemos efektyvumas ir, atkritus reikalui stabdyti, toliau judama esant greitėjimui tinkamoms apsukoms, o tai leidžia palaikyti didesnį vidutinį važiavimo greitį.
 
Lėtintuvai – visiems gyvenimo atvejams
Vis dėlto stabdymo problema esant mažoms apsukoms išlieka aktuali, todėl inžinieriai sykiu su variklio stabdžiu siūlo naudoti ir retarderį, prietaisą, veikiantį transmisiją ir montuojamą tarp pavarų dėžės ir kardano veleno.
 
Teoriškai hidrodinaminio lėtintuvo konstrukcija žinoma nuo 1929 metų, tačiau paplito tik pusei amžiaus praėjus.
 
Visi retarderiai, nepriklausomai nuo to, kas naudojama jų veikloje (alyva, variklio aušinimo skystis ar elektromagnetinės jėgos), turi dvi pagrindines dalis – rotorių ir statorių, kurių sąveika mažina kardano veleno apsukas. Atsiradusią šilumą hidrodinaminiuose lėtintuvuose lengvai sugeria vidaus degimo variklio aušinimo sistema, o štai elektromagnetiniams bei magnetiniams retarderiams tai didelė problema, beje, kaip ir jų dydis.
 
Deja, abi problemos iki šiolei neišspręstos, tai ir riboja šių konstrukcijų plitimą. O hidrodinaminiai lėtintuvai sėkmingai įsitvirtino rinkoje ir nemaža dalimi jų dėka sunkvežimio stabdžių sistemos valdymas persikėlė į antrą aukštą – šalia vairo.
 
Stabdžių trinkelės, automobilininkams ištikimai tarnavusios nuo pirmojo automobilio sukūrimo, šiandien į darbą įsijungia tik ekstremaliomis situacijomis: vairuotojui paspaudus stabdžių pedalą, šiuolaikiniuose sunkvežimiuose pirmiausia suurzgia variklio stabdys, jei jo pastangų maža, į darbą įkinkomas retarderis, ir tik paaiškėjus, jog ir jo nepakanka, stabdžių trinkelės paliečia būgnus arba diskus. Nenuostabu, jog taip taupomos trinkelės ištveria pusę milijono kilometrų.
 
Ir vis dėlto...
Straipsnio pradžioje užsiminiau apie visoms stabdžių sistemoms žadamą kelią į technikos muziejus. Jį pradėjo tiesti vokiečių bendrovė „Haldex“, pasiūliusi radikalų problemos sprendimo būdą: – stabdžių sistemos pavara turi būti ne skystis, ne suslėgtas oras ar kokia nors kita substancija, o elektrinis signalas.
 
Nebereikės kompresorių, resiverių, filtrų, džiovintuvų ir daugybės jungčių oro tiekimo magistralėje, tad sistema taps kur kas lengvesnė ir patikimesnė. Vilkiko bei priekabos ar puspriekabės ratų stabdžiuose įtaisyti elektros varikliai pagal kompiuterio komandą reikiamu metu ir reikiamu kiekiu dozuos stabdymo jėgą kiekvienam ratui atskirai. Dabartinės ESP – pirmas ir gana sėkmingas žingsnis į patikimo ir saugaus sunkvežimio rytojų.
 
Kęstutis Bruzgelevičius
www.komtrans.lt