Koostetehtävä - jarrujärjestelmien perusteet

Jarrujärjestelmän tarkoitus on hidastaa ajoneuvon vauhtia ja pysäyttää se turvallisesti ja mahdollisimman nopeasti. Fysiikan lakien mukaisesti jarruttaessa muunnetaan liike-energia lämpöenergiaksi kitkaa hyödyntämällä. Jarrujärjestelmät koostuvat useista mekaanisista, elektronisista ja hydraulisista komponenteista, joiden ominaisuudet helpottavat kuljettajaa jarruttamaan tehokkaasti ja turvallisesti.

Jarrujärjestelmiä on kahta tyyppiä: tavallinen ja säätyvä jarrujärjestelmä. Autoissa on lisäksi mekaaninen seisontajarru, mutta se on pidettävä erillään käyttöjarrusta. Useimmiten seisontajarru on kuljettajan ulottuvissa ohjaamossa olevan mekaanisen vivun kautta.

Kitka

Autoilijat puhuvat usein jarrujen pidosta. Sillä tarkoitetaan kitkaa, joka muodostuu kappaleen hankautuessa toista kappaletta vasten. Jos pitoa ei ole, jarrut eivät saa autoa hidastumaan vaan auto jatkaa matkaansa. Mm. jää ja lumi vähentävät pitoa, kun taas lämmin ja kuiva tie parantaa pitoa. Tärkeää on huomata myös, että auton renkaiden kunto vaikuttaa myös pitoon.

Jarrutustilanteessa kitka on jarrupalojen ja jarrukenkien hankautuessa vastinpintaa vasten. Tällöin liike-energia muuntuu lämpöenergiaksi. Jarrujärjestelmässä tuotettavasta kitkasta huolimatta, auton pysäyttävä voima on yleensä renkaiden ja tien välissä syntyvä kitka.

Kitkakerroin. Kuva: wikipedia
Kun kappaletta työntävä voima (F) ja kappaletta alustaansa painava voima (W)
ovat yhtä suuret, kitkakerroin on 1. Liikenteessä kuivalla asvaltilla
kitkakerroin on suurempi kuin jäällä.

* jarrutustehon tulee olla suurempi kuin auton moottorin teho *

Jarrujen materiaalit

Jarrupaloissa käytetään useimmiten kitkamateriaalia, jossa hartsiin on sekoitettu metallisäikeitä. Kitkamateriaalien tulee kestää hetkellisesti jopa 700 celsius-asteen lämpötiloja. Ominaisuuksiltaan asbesti on ideaalinen jarrujen kitkamateriaalina, mutta se on terveydelle haitallisten seikkojen vuoksi kiellettyä.

Jarrupiireissä on yleensä metalliset jarruputket ja joustavaa materiaalia olevat jarruletkut. Putkien ja letkujen ominaisuuksiin kuuluu, että niiden tulee sietää suuria paineenvaihteluita. Joustavien jarruletkujen tarkoitus, yleensä etuakselilla, on se, että autoa voidaan ohjata normaalisti. Letkut joustavat ohjausliikkeen mukana. Letkut ovat valmistettu yleensä neopreenikumista ja ne kestävät äärimmäisiäkin säänvaihtelita ja jarrunesteen lämpötilamuutoksia.

* jarrujen häipyminen tarkoittaa jarrutustehon alenemista jarrujen ylikuumenemisen vuoksi *

Jarruneste, joka kulkee jarrupiirissä, on ominaisuuksiltaan hyvin korkeita lämpötiloja kestävää, suuria paineita sietävää, pakkasenkestävää ja hyvin voitelevaa. Yleisesti tunnettu merkintätapa jarrunesteissä on DOT (yhdysvaltalainen Department of Transport), joita on laatua 3, 4, 5 ja 5.1. Sanotaan, että peruslaatuja 3 ja 4 voidaan käyttää sekaisin, toiset taas ovat tätä vastaan. Mene ja tiedä, mutta hyvä varmistus on lisätä aina samaa, mitä on ollut ennenkin. 5 -laatu on poikkeava siinä suhteessa, että se on silikonipohjainen ja sitä ei missään tapauksessa voi sekoittaa toisiin. Se on yleisemmin käytössä urheilu- ja ammattipiireissä.

Hydrauliikka

Jarruista puhuttaessa mainitaan usein nestepaine ja jarrujärjestelmän toiminta perustuukin Pascalin lakiin. Se toteaa, että suljetussa tilassa neste puristuu tasaisesti eri suuntiin ja neste ei puristu kokoon. Hydraulijärjestelmässä olevien mäntien pinta-ala määrittää voiman, jonka paine välittää jarruihin. Jos mäntä on pinta-alaltaan suuri, nestettä tarvitaan enemmän, mutta toisaalta mäntä kulkee pienemmän matkan. Jos taas mäntä on pieni, tarvitaan vähemmän nestettä, mutta männän kulkema matka pitenee.

Jarrujärjestelmiä on yksi- ja kaksipiirisiä. Yksipiirisessä järjestelmässä mäntiä on vain yksi ja nestepaine yhdistyy kaikkiin jarruihin saman piirin kautta. Kaksipiirisessä järjestelmässä mäntiä on kaksi ja piiri on jaettu kahteen. Tämä mahdollistaa sen, että toisen piirin pettäessä jarrut toimivat vielä toisessa. Yksipiirisiä ei enää juuri ole käytössä. Kaksipiirisessä järjestelmässä piiri voi olla jaettu akselistojen kesken tai ristiin. Ristikkäisessä piirissä paine kohdistuu aina toiseen etupyörään ja ristikkäisessä kulmassa olevaan takapyörään.

Hydraulijärjestelmässä on tärkeää, että putkistossa ei ole ilmaa. Ilma järjestelmässä heikentää olennaisesti jarrujen toimintaa tai jopa estää niiden toiminnan kokonaan. Putkistossa oleva ilma voidaan todentaa painamalla jarrua reippaasti ja jos poljin tuntuu joustavan, ilmaa voi olla nesteen seassa. Ilma voidaan poistaa vanhemmissa automalleissa poljinta polkemalla ja löysäämällä ilmausruuvia renkaiden takaa. Toinen tapa on poistaa ilmaa paineilmauslaitteella, jossa on pullo nestettä varten ja letku, joka liitetään ilmausruuviin. Laitteella imetään ilmausruuvin kautta nestettä ja mahdollista ilmaa pois.

Rumpujarrut

Rumpujarrussa rumpu pyörii renkaan mukana. Rummun sisällä on jarrukengät, joiden ulkopinnalla on kitkamateriaalia, joka kestää hyvin lämpötilavaihteluita ja painetta. Jarrukengät ovat yhdistetty sylinteriin, jossa on nestepaineella toimiva mäntä. Jarrupolkimesta painettaessa mäntä työntää kenkiä ulospäin, eli vasten rummun sisäreunoja. Polkimen noustessa, männän palautusjousi vetää kengät takaisin alkuasentoonsa.

Edellä mainittuja sylintereitä on yksi- ja kaksimäntäisiä versioita. Kaksimäntäisessä versiossa rumpujarrussa on yksi sylinteri, jossa on molempia kenkiä painava mäntä. Kengät ovat kiinteästi liitetty vastakkaisesta suunnasta. Tämän version kohdalla puhutaan myös itsetehostuvasta ja tehostamattomasta jarrukengästä. Tämän ilmiön aiheuttaa juuri edellä mainittu kiinteä nivelkohta. Ilmiössä menosuuntaan katsottuna edellä oleva jarrukenkä tehostuu, koska rummun pyörimisliike ja kappaleiden välinen kitka pyrkivät puristamaan kenkää entistä tiukemmin rumpua vasten. Taaemmassa kengässä ilmiö on päinvastainen, koska pyörimisliike ja kitka pyrkivät työntämään kenkää poispäin rummusta. Taaempi kenkä on siis tehostamaton.

Yksimäntäisessä versiossa (kuten alemmassa kuvassa näyttäisi olevan) on kaksi sylinteriä, joissa on oma mäntä jarrukenkää kohden. Tämä rakenne poistaa toisen kengän tehostumattomuuden. Kenkiä työnnetään eteenpäin suuntautuvaan liikkeeseen nähden kengän takaa, jolloin rummun pyörimisliike ja kitka vaikuttavat tehokkaasti molempien kenkien toimintaan. Peruutettaessa molemmat kengät muuttuvat tällöin toki tehostamattomiksi.

Kuvassa on rumpujarru. Sivuilla olevat puolikuun muotoiset palikat ovat 'jarrukengät'.
(Kuva: http://www.autowiki.fi/index.php/Jarrut)

Rumpujarru on edelleen yleinen ajoneuvoissa, mutta sen heikommasta jarrutustehosta johtuen, sitä käytetään yleensä taka-akselilla. Rumpujarruihin on usein yhdistetty myös seisontajarru. Sen toiminta perustuu mekaaniseen voimaan, joka lähtee ohjaamoon sijoitetusta seisontajarruvivusta. Vipu vetää vaijeria, joka on kiinnitetty taka-akselin rumpujarruissa olevaan käyttövipuun. Vipu kiristää jarrukengät vasten rumpua ja vaijerin lukitus kuuluu ohjaamossa 'nakutuksena'. Lukitus vapautetaan painamalla vivun päässä olevaa nappia ja vipu voidaan laskea lepoasentoon.

Levyjarrut

Levyjarru koostuu mm. jarrulevystä, männästä, mäntäkotelosta ja jarrupaloista. Jarrulevy on monesti kahdessa tasossa oleva levy, jonka keskellä menee tuuletusaukot. Nämä aukot lisäävät viilentymiseen tarvittavaa pinta-alaa, kun ilmavirta pääsee niiden läpi auton edetessä. Jarrutettaessa muodostuva lämpö johtuu näin tehokkaammin pois. Tuuletusaukotonta levyä sanotaan umpinaiseksi jarrulevyksi, mikä on mm. alla näkyvässä kuvassa.

Levyjarruja on kiinteällä satulalla, uivarunkoisella satulalla ja kourasatulalla. Jarruissa yhteistä on se, että sylinterin kautta tulevan nestepaine puristaa männän avulla jarrupalat vasten jarrulevyä. Jarrupolkimen palautuessa männän tiiviste vetää männän takaisin ja ilmarako syntyy jälleen levyn ja jarrupalojen väliin.

Autoissa, joissa molemmilla akseleilla on levyjarrut, toisella on yleensä myös levyjarruun liitetty seisontajarru. Useimmissa tapauksissa kyseisellä akselilla on sekä mekaaninen että hydraulinen jarrun käyttölaite. Mutta on myös rakenteita, joissa on käyttöjarrua varten hydraulinen levyjarru ja seisontajarrua varten on akselilla (levyjarrun takana) erikseen rumpujarru.

Jarrusatulaa käyttävässä seisontajarrussa jo edellä kuvattu vaijerimekanismi yhdistyy satulassa olevaan käyttötankoon. Käyttötanko on nestepainekäyttöisen männän takana. Vaijerin kiristyessä, sen päässä oleva käyttövipu kääntää epäkeskonokkaa, joka taas epäkeskon muotonsa ansiosta liikuttaa käyttötankoa vasten mäntää. Männän liikkuessa jarrupalat puristuvat mekaanisesti vasten jarrulevyä. Seisontajarrua laitettaessa lepoasentoon palautusjouset käyttötangossa vetävät sen pois käytöstä ja jarrupalat erkanevat jälleen jarrulevystä.

Volvon takalevyjarru ja jarrusatula.

Jarrutehostin

Jarrutehostin löytyy konepellin alta jarrunestesäiliön yhteydestä. Se näyttää kakkukuvulta, jos asiasta ei mitään tiedä. Niin kuin minulle tuli ekana mieleen, kun siihen tutustuin. Tehostimen tarkoitushan on hyvin nimeensä perustuva, eli tehostaa jarruvoimaa, jota kuljettaja yksin ei pysty polkimella tuottamaan. Käytännössä se kohdistuu jarrupääsylinterin mäntiin.

Tehostamista voidaan tuottaa hydraulitehostimella tai alipainekäyttöisellä tehostimella. Hydraulitehostimia löytyy joistakin diesel-käyttöisistä ajoneuvoista ja sen periaate on pumpata lisää painetta jarrupääsylinteriin ohjaustehostimen tuottaman nestepaineen avulla.

Alipainekäyttöinen tehostin käyttää hyväkseen moottorissa syntyvää alipainetta ja ilmanpainetta jarrutehon voimistamiseksi. Bensakoneissa tarvittava alipaine syntyy imusarjassa. Diesel-koneissa riittävää painetta ei synny, joten niiden kohdalla on käytössä erillinen alipainepumppu. Tehostimissa löytyy yksi- ja kaksikalvoisia tehostimia.

Käytännössä molemmat ovat rakenteeltaan samantyylisiä, mutta kaksikalvoisella saadaan aikaan suurempi tehostus samalla paineella. Rakenteellisesti ne voidaan myös tehdä pienemmiksi kuin yksikalvoinen tehostin. Niitä käytetäänkin autoissa, joissa konepellin alla ei välttämättä ole tilaa suuremmalle yksikalvoiselle tehostimelle.

Tehostimessa on 'kakkukuvun' sisällä on kalvo joka jakaa kammion kahteen tilaan. Takimmainen kammio on yhteydessä ulkoilmaan kanavan kautta. Etummainen kammio on yhteydessä alipainelähteeseen. Kammioiden välillä on lisäksi alipainekanava, mikä tasaa paineen koko kammioon, kun jarrupoljin nostetaan lepoasentoon.

Jarrupoljinta painettaessa alipainekammion kanava sulkeutuu ja suurempi ilmanpaine siirtyy taaempaan kammioon. Ilmanpaine avustaa jarruttamisessa, kun kammioiden välillä oleva kalvo painautuu kasaan alipainekammiota kohti. Polkimen palautuessa palautusjousi tuo kalvon lepoasentoon.

Lukkiutumaton jarrutusjärjestelmä

Lukkiutumattoman jarrutusjärjestelmän tavoitteena on säilyttää auton ohjattavuus haasteellisissakin jarrutustilanteissa ja ohjata jarruja siten, että tienpinnasta riippumatta auton jarrutusmatka ei pitene liikaa. Järjestelmä toimii elektronisesti ja se ohjaa kaikkia jarruja. Järjestelmiä on neljää eri tyyppiä, joissa ohjaus tapahtuu eri tavoin.

Jos jarrut pääsevät lukkiutumaan jarrutuksen aikana, auton ohjauksesta tulee mahdotonta. Lukkiutunut rengas pyrkii jatkamaan matkaansa sinne, minne auto on lukkiutumisen aikana suuntautunut ja riippumatta renkaan asennosta. Tällöin on pyrittävä siihen, että renkaan pyörimisliikettä voidaan jatkaa. Koska pyörivä rengas tuottaa enemmän kitkaa, ohjattavuus paranee.

Pyörien nopeuksia seuraavat anturit ja ohjausmoduli antavat viestiä sähköventtiileille, jotka säätävät tarpeen mukaan jarrujen hydraulipainetta. Anturit ovat sijoitettu renkaiden taakse ja ne seuraavat akselilla olevaa hammaskehää, josta se mittaa nopeuden. Tämä data etenee ohjausmoduulille.


Tyypit, joista mainitsin edellä ovat:

*   4/4 -malli, jossa on joka pyörällä oma nopeusanturi ja säätökanava. Jokaista pyörää voidaan ohjausmodulin kautta siis ohjata erikseen.

*   3/4 -malli, jossa on joka pyörällä oma nopeusanturi, mutta vain kolme säätökanavaa. Etupyörillä on omat kanavansa ja takapyörillä on yhteinen.

*   3/3 -malli, jossa etupyörillä on oma nopeusanturi ja säätökanava, mutta takapyörillä on yhteiset sekä anturi että säätökanava.

*   1/1 -malli, jossa on vain yksi nopeusanturi ja yksi säätökanava vain takapyöriä varten.