Istoria frânelor auto:

de la păr şi piele de cămilă, la discuri de carbon

 

 

In zilele noastre luam totul de-a gata. Ne urcam in masina, pornim motorul si ajungem la destinatie fara probleme. Si nu prea ne intereseaza trecutul domeniului auto care a condus la confortul de care ne bucuram azi. Este si cazul sistemului de franare, care, pana sa ne bucuram noi azi de sistemul hidraulic modern cu discuri si placute, a trecut prin niste etape care azi ni s-ar parea amuzante. Iata istoria franelor auto.

 

Placutele de frana din lemn, prima solutie eficienta in anii 1800

Vehicule precum trasuri, utilaje pe aburi sau trenuri circulau inca din anii 1700 si toate aveau nevoie de un sistem care sa le micsoreze viteza. De fapt, prin definitie, frana este procesul prin care se converteste energia cinetica, de miscare, intr-o alta energie, de obicei termica. Si era absolut normal ca primele automobile care au luat nastere la sfarsitul anilor 1800 sa imprumute sisteme de la aceste vehicule.

Nu trebuie sa uitam ca pana in 1846, toate rotile erau din otel sau din lemn cu o banda de otel. Trenurile si trasurile acelor vremuri franau printr-o metoda foarte primitiva numita "Shoe Brake", ceea ce azi numim frana pe saboti. Adica un material de frictiune apasa direct pe suprafata de rulare a rotii metalice. Acestea erau de obicei niste blocuri din lemn legate de un levier actionat manual. Asa ca am putea spune la modul general ca primele "placute de frana" au fost realizate din lemn. In ceea ce priveste trenurile, uriasele roti din otel erau incetinite cu aceeasi metoda, dar in schimbul lemnului era utilizat tot... fierul.

Incepand cu 1846, cand a fost inventat cauciucul solid pentru trasuri, franele au inceput sa evolueze. Dar nu neaparat in bine. Tot actionate de un levier au aparut diferite sisteme de franare: un tarus mare din fier era impins in pamant si frecarea incetinea trasura. Sau un bloc de lemn apasa direct pe "janta" de lemn din lateral, astfel incat sa nu dauneze benzii din cauciuc.

 

 

Frana cu actionare directa asupra benzii de rulare

 

 

Frana cu sabot direct pe anvelopa

 

 

Frana cu sabot de lemn direct pe roata

 

Din pacate, aceste sisteme de franare cu frecare agresiva erau eficiente doar la viteze de maximum 30 de kilometri la ora. In cazul trenurilor, la inceputurile dezvoltarii cailor ferate, sinele erau in general instalate in linie dreapta, astfel incat sa se evite incetinierea la viteza mare. In plus, pentru ca frana pe roti era actionata tot manual, dar nu prin levier ca la carute, ci prin intermediul unei roti care actiona presiune treptat, era nevoie de vreo 2 kilometri pentru ca un tren sa se opreasca complet de la o viteza de croaziera de circa 60 km/h. Mai usor era cu trasurile care schimbau aceste consumabile la fiecare 100 de kilometri parcursi: dar nu era greu. Te duceai cu toporul si faceai imediat o "placuta" de frana, adica un sabot urias de lemn, in doar cateva minute, pe care il fixai cu niste cuie pe levierul de la bord.

 

Primele automobile: franare doar pe spate cu ajutorul benzilor din piele

La fel ca si in cazul trasurilor, primele automobile au folosit franarea prin frecare cu saboti din lemn. Este si cazul primul automobil cu motor termic din lume, Benz Patent-Motorwagen din 1885, care se oprea cu ajutorul unui levier ce actiona doua blocuri din lemn asupra rotilor din spate. Insa doi ani mai tarziu, automobilul a primit un "uppgrade" si frana a fost imbunatatita. Adica in locul frecarii directe a fost instalata o banda din piele de bovina cu mai multe straturi care, cand se tragea de levier se intindea si actiona prin frecare progresiva direct asupra volantei.

 

 

Benz Patent-Motorwagen, primul vehicul dotat cu frana pe banda

 

Odata cu anul 1895, in care fratii Michelin, Andre si Edouard, au inventat anvelopa pneumatica, era clar ca sistemele vechi de franare, cu actionare directa asupra suprafetei de rulare, deveneau istorie. Si franarea cu benzi din piele sau metalice, cu care a fost dotat primul automobil, au inceput sa fie cat mai utilizate. Interesant este ca, la acea vreme, producatorii se gandeau sa opreasca autoturismele aplicand forta de frecare asupra cardanului sau direct asupra motorului, nu asupra rotilor cum se intampla acum.

 

 

Frana pe banda: banda este intinsa manual si actioneaza direct asupra diferentialului

 

   

 

Abia prin 1899 au inceput sa fie utilizate frane specializate. Adica niste tamburi instalati langa roata, asupra carora actionau niste benzi metalice. Benzile erau flexibile si erau dotate cu material de frictiune, ori piele, ori cauciuc, si actionau fie pe o singura roata, fie pe amandoua, printr-o pedala sau levier. De-a lungul timpului au fost experimentate diverse materiale de frictiune, cum ar fi benzi captusite cu plumb, lemn, bumbac sau par de camila.

 

Problema cu aceste sisteme de franare prin intindere era ca isi pierdeau complet eficienta pe timp de ploaie. In momentul in care se udau, din cauza ca erau sisteme deschise, la vedere, materialul de frictiune devenea alunecos si franarea era inutila. Nu degeaba, la inceputul anilor 1900, cand ploua, masinile erau lasate acasa si chiar in unele tari era interzisa utilizarea vehiculelor autopropulsate in zilele ploioase.

 

 

Ford Model T folosea tot un sistem cu banda de frecare

 

Herbert Frood, fondatorul companiei Ferodo, cel care a inventat sabotii moderni

Englezul Frood a inventat in 1897 un material de frictiune din care au derivat ulterior placutele moderne de franare. Tot in acelasi an, el a fondat compania Ferodo, specializata in benzi si saboti de franare captusiti cu un materiale de frictiune realizat dintr-un amestec de bitum si par de animal. In scurt timp, compania Ferodo a devenit lider de piata si ulterior s-a specializat pe productia de saboti, placute si chiar discuri de frana. Primul automobil echipat cu frane Ferodo a fost un model Roberts electric din Statele Unite care utiliza niste saboti captusiti cu piele ce actionau in interiorul motorului de 2 cp direct asupra vibrochenului.

In anul 1898 a fost realizata si prima masina electrica cu frane electromagnetice. Nu trebuie sa uitam ca la acea vreme era in plina dezvoltare si industria energiei electrice cu care cochetau si producatorii de automobile. Americanul Elmer Ambrose Sperry a facut o masina electrica cu discuri de frana ceva mai speciale: a montat cate un disc mare pe fiecare butuc ale rotilor din fata asupra carora apasa un electromagnet mai multe discuri mici. Cand curentul era pornit, niste arcuri retrageau micile discuri si astfel roata se invartea libera, iar cand curentul era oprit se actiona frana.

 

 

Frana cu banda de frictiune direct pe cardanul masinii

 

Prima servo-frana dateaza din 1899 si era de fapt un cablu...

Gottlieb Daimler a facut in 1899 ceva ce azi avem cu totii la vehiculele noastre. Si anume, o servo-frana. Daca astazi frana este asistata hidraulic si e nevoie de o apasare usoara a pedalei ca masina sa incetineasca, acum mai bine de 100 de ani lucrurile erau ceva mai primitive. Insa ideea de "frana asistata" dateaza de atunci. Acest Daimler, responsabil si cu vanzarea primului autoturism in 1892 dar si de inventia motorului cu ardere interna, s-a gandit ca frana manuala utilizata atunci putea fi actionata mult mai usor de mana unui sofer. El a infasurat un cablu de metal pe un tambur, un capat l-a prins de caroserie si unul de maneta. Si-a dat astfel seama ca e nevoie de o forta mult mai mica de apasare si ca frana poate fi actionata mai progresiv, fara bruscarea automobilului.

Coleg si partener de afaceri cu Daimler era Wilhelm Maybach. El este inventatorul primului sistem de franare cu sabot si tambur, sistem folosit si in zilele noastre. Sistemul lui Maybach utiliza niste role ce apasau un inel pe partea interioara a tamburului care era incastrat in puntea spate a masinii. E vorba de un Mercedes Simplex 1902 cu motor de 40 cp care avea acest sistem actionat manual pentru puntea spate si o frana auxiliara la pedala ce actiona asupra lantului de transmisie. Pentru racire, exista un rezervor cu apa care racea punctele de frictiune cand era apasata frana.

 

 

Mercedes Simplex, primul automobil cu frane pe tamburi

 

In 1903 putem spune ca a fost inventata cu adevarat servo-frana pe o masina numita Tincher, dezvotata in Statele Unite de americanul Thomas L. Tincher. El nu folosea lichidul ca in zilele noastre ci aerul comprimat. Masina lui avea o frana actionata pneumatic, dar aceasta nu si-a dovedit eficienta din cauza ca aerul se comprima si forta de apasare trebuia sa fie foarte mare.

 

De la benzi cu par de camila la tamburi cu saboti interni si frane pe disc

Chiar daca Maybach a fost cel care a venit cu ideea unui tambur cu saboti interni, francezul Louis Renault a fost cel care a dus acest design la un nou nivel, mai apropiat de forma moderna actuala. Designul din 1902 realizat de Renault se baza pe doi saboti curbati fixati intr-o parte si a caror parte opusa pivota, actionand asupra tamburului. Cu alte cuvinte, acelasi "aranjament" pe care il regasim si atunci cand desfacem un tambur de pe o masina realizata in anul 2015.

Interesant este ca franele cu disc dateaza cam din aceeasi perioada. Si de atunci pana in prezent nu s-a schimbat mare lucru... "De vina" pentru discurile de frana este Frederick Lanchester, un britanic, ce a obtinut patentul cu numarul GB190226407 pe 15 octombrie 1903, patent ce descria un sistem de franare cu disc si etrier. Era acelasi design ca si in zilele noastre, dar patentul lui Lanchester era compus din placute din cupru, care produceau un zgomot infernal la apasarea pedalei mecanic (nu prin conducte ca acum).

 

 

1902 - Lanchester Tonneau 12CV, primul automobil cu disc de frana. Acesta era pozitionat in mijlocul puntii spate

 

Cativa ani mai tarziu, in 1907, compania Ferodo a lui Herbert Frood a venit cu o solutie la placutele de frana zgomotoase: le-a captusit cu azbest. Placutele aveau o autonomie de 15.000 de kilometri, iar acest lucru le-a facut un real succes pe piata. Dar chiar si asa, au mai trecut multe decenii pana cand franele cu disc sa fie majoritare, din cauza ca in anii 1900 nu existau sosele asfaltate ci doar drumuri de pamant. Si producatorii preferau sistemul inchis cu tambur, ferit de praf, ploaie si noroi, in fata sistemului mai eficient cu disc si placute care se incarca repede cu mizerie.

 

 

Tambur deschis

 

 

Tambur inchis

 

De la frana pe spate, la frana pe toate cele 4 roti

Primii care s-au gandit sa doteze o masina cu frana pe toate rotile au fost olandezii de la Spyker, acelasi nume folosit si in zilele noastre. Ei realizau primul automobil cu frane pe toate rotile printr-o singura actionare manuala, modelul 80/90 cp. Scotienii de la Arrol-Johnston au fost insa cei care au oferit clientilor primele automobile cu frana pe 4 roti, un autoturism de 15.9 cp produs intre 1909 si 1910.

Si cum frana pe toate rotile isi dovedea tot mai mult eficienta, era normal ca si alti producatori sa apeleze la un asemenea sistem din motive de siguranta. Dar si multumita freneziei de a face automobile cat mai rapide care sa depaseasca recorduri mondiale de viteza. In 1910, Giustino Cattaneo de la compania Isotta a realizat un sistem de franare pe 4 roti cu care a dotat 50 de unitati Tipo KM4 vandute intre 1911 si 1914. Sistemul Isotta de franare era unul foarte complex si era compus din 200 de parti mecanice, 50 de articulatii si cruci cardanice si 20 de rulmenti. Odata ce soferul apasa pedala, frana actiona asupra rotilor din fata initial, dupa care, datorita unui sistem de intarziere cu apa, se franau si rotile din spate.

Daca in 1923, la Salonul Auto de la New York, numai Duesenberg si Rickenbacker, doi producatori americani, ofereau vehicule cu sistem de franare pe toate cele 4 roti, un an mai tarziu, la acelasi salon, 26 din 72 de expozanti aveau la vanzare masini cu asemenea sisteme performante in varianta de serie, cu tamburi si saboti. In 1929, circa 1% din tot ce insemna productie de automobile mai avea franare pe o singura punte!

 

Frana hidraulica s-a nascut dincolo de ocean

Americanul Malcolm Lougheed a realizat un design de frane hidraulice pentru care a obtinut 7 patente intre 1917 si 1923. Primul automobil dotat cu acest sistem a fost in 1921 un Duesenberg Model A care insa a demonstrat ca acest sistem complicat suferea de pierderi ale lichidului hidraulic. Malcolm a imbunatatit designul si a apelat la garnituri de cauciuc si ulterior tot mai multi producatori au vrut sa-l aiba pe masinile lor. De exemplu, Chrysler Six Phaeton B-70, Triumph 13/35, Adler Standard si alte modele din toate colturile lumii au apelat la franele hidraulice.

 

 

Duesenberg Model A, primul automobil de serie cu frane hidraulice

 

In 1926, compania Stutz a inventat sistemul Hydrostatic Brake ce utiliza apa in locul uleiul hidraulic. In sistem era introdus un amestec de apa cu alcool pentru evitarea inghetului pe timp de iarna, insa nu a avut succes si tot pe mana lui Lougheed au ajuns, care le-a vandut cu mare placere sistemul sau deja instalat pe multe alte modele.

Pana in 1931, producatori precum Chrysler, Dodge, Desoto, Dodge, Franklin, Graham, Plymouth, Reo si Graham vindeau masini cu frane hidraulice, iar doi ani mai tarziu majoritatea masinilor veneau din fabrica cu asa ceva.

Dar, cum era si normal, concurenta se facea simtita si in domeniul franelor. Lincoln a incercat sa introduca un sistem pe cablu dar nu a avut succes iar alti producatori au cochetat cu ideea unui sistem de franare mecanic asistat cu vacuum pe toate cele 4 roti. Dintre modelele care au fost echipate cu acest sistem complex se numara Hispano-Suiza T6ORL, Chrysler Airflow, Mercedes 500K, Cadillac Twelve, Hotchkiss 486 si LaSalle Series 50.

 

Servo-frana moderna, inventia celor de la General Motors Corporation

Chiar daca in 1919, cei de la Hispano-Suiza au montat pe modelul H6 un sistem mecanic actionat de un cardan din transmisie care sa asiste franarea si sa o faca mai usoara pentru sofer, abia pe 2 februarie 1926 patentul de servo-frana asa cum o stim noi azi a fost inregistrat de General Motors. Sistemul era format dintr-o pompa pe vacuum care actiona lichidul hidraulic din conductele de franare. Se pare ca sistemul de la acea vreme ii permitea soferului sa aplice o forta de 3 ori mai mare decat cea normala, ducand astfel la o oprire mult mai eficienta a vehicului la viteze mari.

Au urmat, asa cum era si normal, diverse sisteme care erau realizate diferit dar faceau acelasi lucru: masinile belgiene Minerva utilizau o pompa DeWander, la fel si cele britanice British Bean, care isi faceau publicitate pretinzand ca au frana asistata pe toate cele 4 roti, avand cea mai mica distanta de franare din lume.

 

 

Sistem numit "brake booster" din 1963, pompa de servo a prezentului

 

Discurile de frana, cu adevarat populare dupa Al Doilea Razboi Mondial

Desi ideea de a frana un disc fixat pe planetare cu ajutorul unor placute dintr-un etrier dateaza inca din 1903, primul automobil de serie dotat cu asa ceva a fost vandut in 1949 de catre compania americana Crosley Motors, modelul Hotshot. A urmat compania Chrysler care isi vindea modelul Imperial cu frane pe disc intre 1949 si 1953, iar in Marea Britanie, cei de la Jaguar au echipat un model de curse C-Type cu discuri in 1953. Un an mai tarziu, Austin Healey 100S devenea prima masina care era dotata din fabrica cu frane pe disc la toate cele 4 roti.

 

 

Crossley Hotshot, primul automobil dotat cu frane pe disc in 1949

 

Au urmat cei de la Mercedes-Benz, Lancia, Renault, Studebaker, Nissan, Volvo, Toyota si multi alti producatori care au inlocuit la mai toate modelele discurile pe tamburi de pe puntea fata cu cele cu disc in anii '60-'70. Chiar si producatorul roman Dacia a echipat modelul 1100 cu discuti pe toate rotile, o performanta ce nu a mai fost atinsa din nou nici in zilele noastre.

Frana cu disc a ramas si in prezent cea mai eficienta si cea mai folosita. Toate vehiculele au, cel putin pe puntea din fata, frane cu disc. Cele cu o putere mai mare au si pe puntea din spate. Nu conteaza daca sistemul foloseste etriere simple sau cu 4 pistonase, daca discurile sunt din otel, ceramice sau din carbon. Pentru ca functioneaza la fel, rezista in timp si la temperaturi inalte si pentru ca nu mai avem doar drumuri de noroi ca pe vremuri nu au dezavantaje.

 

 

Discul lui Jaguar C-Type era ascuns si etrierul primea racire printr-o fanta speciala

 

ABS si frana regenerativa

Sistemul de ABS dateaza din 1936, fiind inventat de compania Bosch. Numele vine de la Antiblockiersystem si este poate cea mai buna inventie legata de siguranta rutiera, alaturi de airbaguri si centura de siguranta. Si chiar daca sistemul are aproape 100 de ani vechime, Bosch a fost nevoit sa astepte momentul oportun pana in 1978, cand a inceput sa echipeze masinile de serie. Din pacate, pana atunci, englezii de la Jensen i-au luat-o inainte in 1966 cand au echipat modelul FF cu un asemenea sistem in varianta standard, devenind prima masina de serie cu ABS pe rotile din fata.

Bosch a revenit in piata si a lansat sistemul anti-blocare pe 4 roti care a fost instalat pentru prima oara pe Mercedes-Benz S Class si ulterior pe BMW Seria 7. Au urmat sistemele cu senzori produse de Bendix in anii '70 si cel mai performant sistem, controlat de microprocesor, realizat de Tevis, Germania, in 1984, sistem care a echipat modele precum Pontiac 6000, Ford Thunderbird Super Coupe si Buick Riviera, dar si modele europene de Mercedes, SAAB, Jaguar sau Porsche. Tot sistemul celor de la Tevis a introdus si Controlul Tractiuni, ESP-ul si un senzor de torsiune laterala realizat impreuna cu cei de la Continental.

O alta inovatie recenta, regasita pe automobilele electrice, este frana regenerativa. Un sistem care transforma energia cinetica a rotilor in energie electrica la franare, energie care contribuie la incarcarea acumulatorilor care propulseaza masina. Aceste frane functioneaza normal, dar la incetinirea masinii produc curent cu ajutorul unor mici motoare, energie ce poate fi inmagazinata. Modele electrice sau hibride precum Toyota Prius, Honda Insight sau Opel Ampera folosesc astfel de inovatii ce contribuie la prelungirea autonomiei.

 

 

Mercedes-Benz demonstreaza eficienta sistemului ABS pe modelul S Class din 1978

 

Cum suna viitorul sistemelor de franare auto?

Chiar daca au rezistat mai bine de un secol, franele pe discuri si tamburi vor disparea din peisaj la un moment dat. Cel mai probabil viitorul masinilor va fi mult mai diferit fata de prezent. Si daca acum frana este legata direct la senzorii si camerele masinii si se actioneaza automat in caz de impact iminent, in viitor lucrurile vor evolua si mai mult. Se pare ca viitorul franelor de masina va fi unul similar cu cel utilizat de trenurile moderne de tip Maglev (magnetic levitation) care ating chiar si 600 km/h. Adica am putea sa oprim masina cu ajutorul unor magneti, fara sa existe nicio piesa in miscare si nicio frecare fizica.

Indiferent de cum va arata viitorul, cu siguranta acesta se va axa pe siguranta rutiera. Si chiar daca nu putem anticipa ce se intampla peste 10 sau 100 de ani, macar acum stim ce s-a intamplat inca de la inceputul aparitiei automobilelor in domeniul franelor. Asadar, daca erai curios de la ce a plecat frana originala ca sa ajunga in forma actuala, iata ca ai aflat.

 

 

Discul de frana al unui monopost de Formula 1

 

http://www.4tuning.ro