از زمان اختراع اولین خودرو تاکنون، نحوه‌ی کنترل و متوقف کردن خودرو یکی از دغدغه‌های اصلی سازندگان بوده است. ترمز به عنوان حیاتی‌ترین سیستم ایمنی در خودروها وظیفه‌ی مهمی برعهده دارد. هنگامی که از اتوره بوگاتی، بنیان‌گذار شرکت خودروسازی بوگاتی، درباره‌ی عدم وجود سیستم ترمز در خودروهای مسابقه‌ای گرندپری این شرکت سوال شد پاسخ داد، خودروهای من برای حرکت ساخته شده‌اند نه توقف. با این حال، خیلی زود مشخص شد که نقش ترمز در خودروها فراتر از آن است که بتوان حتی در نمونه‌های مسابقه‌ای از آن چشم‌پوشی کرد.
هنگامی که پا روی پدال ترمز می‌فشارید، نیروی پای شما از طریق یک سیال به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌ها منتقل می‌شود. بدیهی است که نیروی پای شما بسیار کم‌تر از آن است که بتواند خودرویی با وزن و سرعت بالا را متوقف کند، بنابراین نیاز است این نیرو به طریقی افزایش یابد. مهندسان با به‌کارگیری اصول فیزیکی، نیروی پای راننده را چند برابر می‌کنند. این کار از طریق دو اصل مزیت مکانیکی (اهرم) و افزایش نیروی هیدرولیکی انجام می‌شود.
نیروی افزایش یافته‌ی پای راننده به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌ها می‌رسد، سپس ترمزها این نیرو را به شکل نیروی اصطکاک به چرخ منتقل می‌کنند و در آخرین مرحله از این فرآیند، این نیرو به شکل نیروی اصطکاک به سطح جاده وارد می‌شود و سبب کاهش سرعت و در نهایت توقف می‌شود. قبل از پرداختن به اجزای سیستم ترمز، ابتدا به بررسی اصول فیزیکی مزیت مکانیکی، هیدرولیک و اصطکاک در فرآیند ترمزگیری می‌پردازیم.
مزیت مکانیکی (اهرم)
مزیت مکانیکی یک کمیت بی‌بعد است که نشان می‌دهد نیروی مقاوم (نیرویی که ماشین بر جسم وارد می‌کند) چند برابر نیروی محرک (نیرویی که ما بر ماشین وارد می‌کنیم) در یک ماشین است. در اهرم‌ها به دلیل چشم‌پوشی از اصطکاک، مزیت مکانیکی برابر است با نسبت طول بازوی محرک به طول بازوی مقاوم. همان‌طور که در تصویر زیر مشخص است، نیروی F به سمت چپ اهرم وارد می‌شود، بنابراین طول بازوی محرک دو برابر طول بازوی مقاوم (سمت راست) است.
هیدرولیک
اساس فیزیکی پشت سیستم‌های هیدرولیک بسیار ساده است. در سیستم‌های هیدرولیک می‌توان نیرو را از طریق یک سیال تراکم‌ناپذیر انتقال داد. به دلیل خواص فیزیکی مناسب روغن‌ها، در اغلب سیستم‌های هیدرولیکی، سیال مورد استفاده روغن است و به همین جهت در ترمز خودروها نیز از روغن ترمز به عنوان سیال استفاده می‌شود. در سیستم‌های هیدرولیک با استفاده از قانون پاسکال می‌توان به راحتی نیروی خروجی را به مضربی از نیروی ورودی تبدیل کرد. قانون پاسکال یک قانون پایه‌ای در هیدرودینامیک است که بیان می‌کند تغییر فشار در هر نقطه از سیال تراکم‌ناپذیر به همه‌ی نقاط و سطح سیال منتقل می‌شود.
شکل فوق یک سیستم ساده هیدرولیکی با دو سیلندر سیال را نشان می دهد که توسط پیستونی محصور شده‌اند و از یک مسیر هیدرولیکی به یکدیگر متصل‌اند. یک نیروی رو به پایین F1 در پیستون سمت چپ فشاری را به تمام سطح مایع منتقل می‌کند. نتیجه این‌که نیروی رو به بالای F2 در پیستون سمت راست تولید می‌شود که بزرگ‌تر از F1 است، زیرا بر اساس قانون پاسکال نیروی F1 به‌طور یکسان به سطح مایع تراکم‌ناپذیر منتقل می‌شود و بنابراین P1=P2 خواد بود و با توجه به مساحت بزرگ‌تر A2، F2 بزرگ‌تر از F1 است.
اصطکاک
به زبان ساده اصطکاک میزان سختی لغزیدن دو جسم روی یکدیگر است. با توجه به شکل بالا، هر دو بلوک از جنس یکسانی ساخته شده‌اند، اما وزن یکی از دیگری بیش‌تر است. به‌طور حسی تقریبا همه‌ی ما می‌دانیم که هل دادن بلوک سنگین‌تر دشوارتر از هل دادن بلوک سبک‌تر است و دلیل آن چیزی نیست جز اصطکاک. برای روشن‌تر شدن موضوع باید نگاهی دقیق‌تر به سطح زیرین بلوک‌ها بیاندازیم. اگرچه با چشم غیرمسلح ممکن است سطح بلوک‌ها صاف و صیقلی به نظر برسد، اما حقیقت این است که حتی صاف‌ترین سطوح نیز در مقیاس میکروسکوپیک دارای ناهمواری‌های متعددی هستند.
انواع سیستم ترمز
به‌طور کلی عملکرد سیستم‌های مختلف ترمز از اصول فیزیکی یکسانی پیروی می‌کنند و تنها تفاوتشان در میزان اثربخشی و نحوه‌ی انتقال نیروی پای راننده به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌هاست. ترمزها به دو دسته‌ی کلی مکانیکی و هیدرولیکی تقسیم می‌شوند که هر کدام به زیردسته‌های کوچک‌تر قسمت می‌شود. در ادامه به بررسی هر یک از این سیستم‌ها می‌پردازیم.
سیستم ترمز مکانیکی
ترمزهای مکانیکی از اولین نمونه‌های تعبیه شده در خودروها هستند. در سیستم ترمز مکانیکی نیروی پای راننده از طریق پدال ترمز به یک کابل واسط منتقل می‌شود و کابل نیروی وارده را به کفشک‌های ترمز منتقل می‌کند. کفشک ترمز در حقیقت همان لنت‌های ترمز هستند با این تفاوت که به‌جای ایجاد اصطکاک با دیسک، درون یک محفظه‌ی کاسه‌ای شکل قرار دارند و با سطح داخلی کاسه ایجاد اصطکاک می‌کنند. اگرچه این سیستم ساده است، اما ایراداتی دارد که سبب شد به مرور زمان استفاده از آن منسوخ شود. از جمله ایرادات اساسی این سیستم احتمال پارگی سیم ترمز و از کار افتادن کلی سیستم ترمز است، به علاوه در این سیستم بر خلاف سیستم‌های دیگر نظیر ترمز هیدرولیکی، امکان چند برابر کردن نیروی وارد شده بر پدال وجود ندارد.
سیستم ترمز هیدرولیکی
اساس عملکرد ترمزهای هیدرولیکی تقریبا مشابه ترمز مکانیکی است با این تفاوت که به جای سیم در آن از لوله‌های حاوی سیال غیرقابل تراکم (روغن ترمز) استفاده شده است. به علاوه، به واسطه‌ی سهولت چند برابر کردن نیروی پای راننده در این سیستم، می‌توان از ترمزهای دیسکی به‌جای ترمزهای کاسه‌ای استفاده کرد. در این سیستم با فشردن پدال ترمز، ابتدا نیروی پای راننده به‌واسطه‌ی شکل اهرمی پدال چند برابر شده و در مرحله‌ی بعد به پیستون اصلی سیستم ترمز اعمال می‌شود. سپس، نیروی پیستون اصلی به سیال موجود در پشت پیستون وارد شده و سبب حرکت سیال در لوله‌های تعبیه شده می‌شود.
ترمز سروو
شیر هوا به‌طور مستقیم از طریق یک لوله به منیفولد ورودی هوای پیشرانه متصل است که باعث می‌شود هوای موجود در دو طرف دیافراگم مکیده شده و خلا نسبی در این ناحیه حاکم باشد. با فشردن پدال ترمز، نیروی پای راننده از طریق یک اتصال مکانیکی سبب بسته شدن شیر هوا شده و اجازه می‌دهد هوای خارج به پشت دیافراگم وارد شود. با ورود هوای خارج اختلاف فشار میان قسمت جلو و پشت دیافراگم ایجاد می‌شود که سبب افزایش نیروی پدال شده و در نهایت نیروی افزایش یافته را به سیلندر اصلی اعمال می‌کند. با برداشته شدن پا از روی پدال، شیر هوا دوباره باز شده و فنر تعبیه شده سبب بازگشت پدال و اتصالات مکانیکی به حالت اول می‌شود. در صورت از کار افتادن پیشرانه و یا حتی بروز ایراد در سیستم سروو، سیستم ترمز خودرو همچنان فعال است با این تفاوت که باید نیروی بیش‌تری بر پدال ترمز اعمال شود.
از معضلات سیستم هیدرولیکی می‌توان به احتمال پارگی و نشتی لوله‌های انتقال روغن ترمز اشاره کرد که در نهایت می‌تواند منجر به از کار افتادن سیستم ترمز خودرو شود. برای حل این مشکل، اکثر خودروهای مدرن امروزی به دو مدار جریان سیال مجزا با دو سیلندر اصلی مجهزند تا در صورت از کارافتادن یک مدار، ترمز خودرو دچار مشکل نشود. در سیستم‌های دو مداره، ممکن است یک مدار به چرخ‌های جلو و یک مدار به چرخ‌های عقب متصل باشد، یا یک مدار به چهار چرخ متصل و یک مدار تنها به چرخ‌های جلو متصل باشد.
ترمز کاسه‌ای
ترمز کاسه‌ای از اولین نمونه‌های ترمز در خودروها است. در این ترمزها یک کاسه‌ی توخالی به همراه دو کفشک درون آن پشت چرخ نصب می‌شود. کفشک‌های تعبیه شده از یک سر به لولا و از سر دیگر به یک پیستون متصلند. کاسه‌ی ترمز همزمان با چرخش چرخ شروع به چرخیدن می‌کند و به محض فشردن پدال ترمز، نیروی هیدرولیک به پیستون متصل به کفشک‌ها انتقال می‌یابد و با عملکردن پیستون، کفشک به سطح داخلی کاسه می‌چسبد و سبب کاهش سرعت چرخ می‌شود. از مشکلات ترمز کاسه‌ای می‌توان به قدرت کم ترمزگیری و داغ شدن سریع در صورت استفاده‌ی مداوم اشاره کرد. به همین دلیل است که از ترمز کاسه‌ای در چرخ‌های عقب که نیروی ترمز کم‌تری مورد نیاز است، استفاده می‌شود. با وجود ایرادات، ترمزهای کاسه‌ای نیاز به تعمیر و نگهداری اندکی دارند که یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.
ترمز دیسکی
ترمزهای دیسکی به عنوان جدیدترین نمونه از سیستم‌های ترمز شناخته می‌شوند. در این ترمزها سعی شده مشکلات موجود در نمونه‌های کاسه‌ای تا حد امکان برطرف شود. برای مثال، توانایی انتقال حرارت ترمزهای دیسکی بسیار بهتر از نمونه‌های کاسه‌ای و همین امر سبب می‌شود در شرایط ترمزگیری پیاپی میزان افت عملکرد ترمز بسیار کاهش یابد. به علاوه، وزن ترمزهای دیسکی به مراتب کم‌تر از ترمزهای کاسه‌ای است و قادرند با سرعت بیش‌تری آب را از روی دیسک کنار بزنند. دیگر مزیت این ترمزها، قدرت بالای آن‌ها است. ترمزهای دیسکی قدرت بیش‌تری به چرخ‌ها وارد می‌کنند و قادرند در مسافت کوتاه‌تری خودرو را از حرکت به حالت سکون درآورند.
اجزای ترمز دیسکی
بخش‌های اصلی تشکیل دهنده‌ی ترمزهای دیسکی، دیسک ترمز، لنت‌ها و کالیپر ترمز است. دیسک ترمز به چرخ متصل می‌شود و همزمان با چرخ می‌چرخد، دو طرف آن با لنت‌ها احاطه شده است و کالیپر ترمز که همان محفظه‌ی پیستون فرعی ترمز است، به لنت‌ها متصل است. با اعمال فشار روی پدال ترمز، پیستون اصلی روغن ترمز را به سمت پیستون‌های فرعی تعبیه شده در چرخ‌ها می‌فرستد. سپس، فشار روغن سبب باز شدن پیستون فرعی شده و پیستون فرعی لنت‌ها را به سطح دیسک فشار می‌دهد تا در اصطکاک با سطح دیسک سبب کاهش سرعت و توقف خودرو شوند. فاصله‌ی لنت‌ها از سطح دیسک بسیار اندک است و در حقیقت همواره مماس با سطح دیسک قرار دارند. با برداشتن پا از روی پدال فشار روغن کاهش می‌یابد و فشار لنت‌ها از سطح دیسک برداشته می‌شود.
ترمزهای نوین
دیسک‌های کربن سرامیک
در حال حاضر اکثر دیسک‌های ترمز از چدن ساخته می‌شوند. با این حال، مواد جدیدی نظیر سرامیک و فیبر کربن راه خود را به صنعت خودروسازی و تولید ترمز باز کرده‌اند. دیسک‌های کربن سرامیک مدت‌هاست که در مسابقات موتور اسپرت مورد استفاده ثرار می‌گیرند، اما اولین بار پورشه کاررا GT به عنوان یک خودروی شهری از دیسک‌های کربن سرامیک استفاده کرد. در گذشته دیسک‌های کربن سرامیک با وجود قیمت‌های هنگفت، عمر کم‌تری نسبت به نمونه‌های معمول داشتند و تنها در بازه‌های دمایی بسیار محدود (بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد) عملکرد قابل قبولی ارائه می‌دادند. در نهایت شرکت برمبو (فعال در زمینه‌ی ارائه‌ی سیستم‌های ترمز) توانست نوعی دیسک کربنی با حساسیت کم‌تر نسبت به خوردگی ارائه دهد که مناسب خودروهای شهری باشد. مزیت این دیسک‌ها وزن کم‌تر و عملکرد مناسب در شرایط کاری پر فشار است.
سیستم ترمز ضد قفل
بزرگ‌ترین مزیت سیستم ترمز ضد قفل یا به اختصار ABS این است که به راننده اجازه می‌دهد در شرایط ترمزگیری شدید بتواند در مسیر دلخواه خودرو را هدایت کند. در خودروهایی که به سیستم ABS مجهز نیستند، با فشردن شدید پدال ترمز، یک یا چند چرخ خودرو قفل می‌شود و این امر باعث از دست رفتن کنترل خودرو و سر خودردن آن به جهات غیرقابل پیش‌بینی می‌شود. سیستم ترمز ضد قفل با تشخیص زودتر احتمال قفل شدن چرخ‌ها، فشار روغن را از روی چرخ در آستانه‌ی قفل شدن برداشته و در کسری از ثانیه دوباره فشار روغن را اعمال می‌کند.
ترمز دینامیک
ترمز دینامیک اساسا سیستمی است که میزان نیروی ترمز هر چرخ را به‌طور مجزا کنترل می‌کند. هنگام حرکت خودرو، هر چرخ در زمان‌های مختلف بارهای متفاوتی حمل می‌کند و همین موضوع مبنای عملکرد ترمز دینامیک است. چرخی که بار بیش‌تری حمل می‌کند، می‌تواند ترمز شدیدتری تحمل کند و چرخی که بار سبک‌تری حمل می‌کند نیروی ترمز کم‌تری نیاز دارد. برای روشن‌تر شدن موضوع به این مثال توجه کنید: تصور کنید که یک خودرو با سرعتی مشخص و روی سطحی خشک در حال پیچیدن به سمت چپ است. در این حالت، چرخ‌هایی که به سمت خارج پیچ قرار دارند (در این مثال چرخ‌های سمت راست خودرو) به دلیل جابه‌جایی وزن خودرو، بار بیش‌تری تحمل می‌کنند.
ترمز الکتریکی
جدیدترین دستاورد در تکنولوژی ترمز خودروها، معرفی سیستم ترمز الکتریکی است. در این سیستم که به نام ترمز سیمی (Brake By Wire) نیز شناخته می‌شود، هیچ اتصال مکانیکی میان پدال ترمز و واحد اعمال کننده‌ی ترمز وجود ندارد. در ترمز الکتریکی، سیستم با دریافت و ارسال پارامترهای میزان فشار پای راننده روی پدال و سرعت فشردن پدال ترمز به هر چرخ، بهترین شرایط ترمزگیری برای هر چرخ را اعمال می‌کند. از مزایای این سیستم می‌توان به تعامل مناسب با سیستم کروز کنترل هوشمند جهت حفظ فاصله‌ی از پیش تعیین شده با خودروی جلویی و همچنین ترمزگیری تا توقف خودرو (در مواقع لزوم) بدون دخالت راننده اشاره کرد. علاوه بر این، با استفاده از این سیستم، اتصالات مکانیکی معمول حذف می‌شوند که این امر خود سبب کاهش فضای مورد نیاز، کاهش صدا و لرزش می‌شود. تنها چالش در استفاده از این سیستم ایجاد حس القای ترمزگیری در پدال ترمز است.