Jarrupalat pettävät 600 asteessa, mutta formula ykkösen hiilijarrut kestävät 1000 astetta

600-asteisessa lämpötilassa tavallinen jarrupala käytännössä lakkaa toimimasta jarruna. Kitkamateriaalia koossa pitävä sidosaine hajoaa, jarrupalan ja levyn väliin muodostuu ohut kaasukerros, ja jarrutusteho romahtaa. Tätä ilmiötä kutsutaan fadeksi, ja se osoittaa, miten herkästi auton jarrupalat reagoivat lämpötilan nousuun.

Formula 1:ssä käytetyt hiilijarrupalat toimivat päinvastaisella logiikalla: niiden käyttölämpötila noin 1000 asteen tuntumassa on normaali tila, ei vika, sillä hiili-hiilikomposiitti ei pelkää lämpöä vaan tarvitsee sitä toimiakseen.

Miksi tavallinen jarrupala pettää 600 asteessa?

Sarjatuotannon jarrupalat jaetaan yleensä muutamaan ryhmään kitkamateriaalin koostumuksen mukaan: orgaaniset (NAO, ei metallia tai vain vähän), vähämetalliset NAO-palat (metallia tyypillisesti noin 10–30 %), puolimetalliset (noin 30–65 % metallikomponenttia, kuten terästä, valurautaa, kuparia tai messinkiä, sekoitettuna grafiittiin ja sidosaineeseen) sekä keraamiset palat.

Kullakin koostumuksella on oma lämmönkestonsa: puolimetalliset seokset pysyvät yleensä vakaina korkeammissa lämpötiloissa, kun orgaaniset ja vähämetalliset koostumukset menettävät ominaisuutensa aikaisemmin. Ne ovat pehmeämpiä ja hiljaisempia, mutta kestävät heikommin pitkittynyttä lämpörasitusta.

Yhteistä kaikille näille materiaaleille on, että ne perustuvat polymeeriseen sidosaineeseen, eivät itse materiaalin rakenteeseen niin kuin hiili. Sidosaine pysyy vakaana noin 300–400 asteeseen asti. Kun jarrutetaan voimakkaasti pitkässä alamäessä, ajetaan useita nopeita kierroksia radalla tai ajetaan urheilullisesti vuoristossa kesällä, jarrupalan pintalämpötila ylittää tämän rajan helposti. Tällöin alkaa juuri tälle materiaalityypille ominainen hajoamisprosessi.

Seuraavaksi käynnistyy hajoamisen ketju:

Sidosaineen hajoaminen. Sidosaine alkaa vapauttaa kaasuja, ilmiötä kutsutaan outgassingiksi. Kitkapinnan ja levyn väliin syntyy ohut kaasukerros, joka toimii voiteluaineen tavoin: kitkakerroin laskee, poljin tuntuu pehmeältä ja jarrutusmatka pitenee.
Pinnan lasittuminen (glazing). Jarrupalan pinta sulaa osittain ja muuttuu sileäksi, jopa kiiltäväksi. Tällainen jarrupala ei enää tartu levyyn kunnolla jäähtymisen jälkeenkään, ennen kuin pintakerros poistetaan mekaanisesti.
Halkeilu ja kerrosten irtoaminen. Epätasainen kuumeneminen ja toistuvat lämpösyklit aiheuttavat halkeamia ja lohkeamia kitkamateriaaliin. Tämä on yksi tyypillisimmistä näkyvistä merkeistä nimenomaan ylikuumenemisesta, ei tavanomaisesta mekaanisesta kulumisesta.
Jarrunesteen ongelmat. Jarrupalan ja levyn lämpö siirtyy sylinterin kautta jarrunesteeseen. Tavallinen DOT3- tai DOT4-neste kiehuu selvästi 600 astetta alemmassa lämpötilassa. Jos neste saavuttaa kiehumispisteensä, järjestelmään muodostuu höyrykuplia, ja poljin tuntuu pehmeältä tai painuu kokonaan pohjaan.
Riski jarrulevylle. Ylikuumentunut levy voi vääntyä, menettää tasomaisuutensa ja saada lämpöhalkeamia, mikä nopeuttaa kulumista ja aiheuttaa tärinää jarrutettaessa.

Tästä syystä 600 astetta ei ole tavallisen jarrupalan käyttölämpötila, vaan piste, jonka jälkeen hajoaminen käynnistyy. Moottoriurheilun asiantuntijoiden mukaan fade alkaa useimmilla sarjatuotannon kitkamateriaaleilla huomattavasti aikaisemmin, tyypillisesti 400–500 asteen välillä. 600 asteessa kyse ei ole enää tehon lievästä laskusta, vaan käytännössä jarrutusvoiman täydellisestä menetyksestä.

Tärkeä yksityiskohta: ylikuumeneminen alkaa käytännössä aina etuakselilta. Etujarrupalat kantavat noin 70 prosenttia jarrutuskuormasta, minkä takia ne on suunniteltu paksummiksi ja lämpöä paremmin kestävistä materiaaleista kuin takapalat. Tämäkin varmuusmarginaali on rajallinen, ja se kuluu radalla tai vuoristossa nopeammin kuin usein ajatellaan.

Viisivaiheinen kuvasarja, joka näyttää tavallisen jarrupalan tilan 20 asteesta 600 asteeseen: ehjä pala, kaasunmuodostuksen alku, pinnan lasittuminen, kitkamateriaalin halkeilu ja lopuksi kriittinen tehon menetys sekä levyn vaurioituminen.

Miksi Formula ykkösen hiilijarrupaloille 1000 astetta on normaali käyttötila?

Formula 1:ssä ja osassa muita moottoriurheilun sarjoja käytetyt hiilijarrut on valmistettu hiili-hiilikomposiitista (carbon-carbon, C/C) – samasta materiaaliperheestä, jota käytetään avaruusalusten lämpösuojissa. Logiikka on tässä päinvastainen: tällaisen jarrun on oltava kuuma, jotta se toimii hyvin.

Muutama syy sille, miksi korkea lämpötila on hiilelle normitilanne:

Erittäin suuri lämmönkestokyky. Hiili ei sula tavanomaisessa mielessä. Hapettomassa tilassa se kestää lämpötiloja, jotka ylittävät moninkertaisesti 1000 astetta, ja alkaa hajota (hapettua, ”palaa” ilmassa) vasta huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa. F1:n hiilijarrujen käyttölämpötila-alue on noin 400–1000+ astetta, ja juuri tällä alueella materiaali saavuttaa korkeimman ja vakaimman kitkakertoimensa.
Ei polymeerista sidosainetta, joka voisi hajota. Toisin kuin orgaanisessa jarrupalassa, tässä ei ole hartsia, joka kiehuisi ja muodostaisi kaasukerroksen. Materiaalin rakenne itse toimii kitkapintana.
Heikko toiminta kylmänä on saman ominaisuuden kääntöpuoli. Ennen kuin hiililevy ja -pala ovat lämmenneet käyttölämpötilaansa, niiden kitka on selvästi heikompi kuin teräslevyillä ja tavallisilla jarrupaloilla. Tästä syystä F1-autojen jarrut lämmitetään ennen starttia, ja hitailla radoilla tai sateessa, kun jarrut jäähtyvät, kuljettajat kuormittavat niitä tarkoituksella ylimääräisillä poljinpainalluksilla.
Pieni massa yhdistettynä suureen lämpökapasiteettiin. Hiili-hiilikomposiitista valmistetut levyt ja palat ovat huomattavasti kevyempiä kuin teräs- tai valurautaversiot, mikä on kilpa-autolle tärkeää. Niiden kyky varastoida lämpöä ominaisuuksia menettämättä mahdollistaa kymmeniä voimakkaita jarrutuksia per kierros ilman hajoamista, joka olisi tavalliselle materiaalille väistämätöntä.

1000 asteen alue ei siis ole raja, jota materiaali ”sietää”, vaan juuri se lämpötilaikkuna, jossa hiili toimii parhaiten.

Kannattaa erottaa toisistaan kaksi sukulaismateriaalia. Formula 1:ssä käytetään puhdasta hiili-hiilikomposiittia (C/C): levyt ja palat ovat kokonaan hiiltä. Äärimmäiseen käyttöön tarkoitetuissa tieurheiluautoissa käytetään toisinaan eri koostumusta, hiilikeraamista komposiittia (C/SiC), jossa keraaminen matriisi on vahvistettu hiilikuiduilla.

Tämä materiaali muistuttaa enemmän keraamisia jarrupaloja kuin F1:n puhdasta hiiltä, mutta on sekin suunniteltu selvästi korkeampiin ja vakaampiin lämpötiloihin kuin tavalliset puolimetalliset tai orgaaniset koostumukset.

Mitä tämä tarkoittaa käytännössä radalla ja tavallisella tiellä?

Ero 600 asteen ja F1:n hiilijarrujen 1000 asteen välillä ei liity kestävyyteen sinänsä, vaan itse materiaalin fysiikkaan. Sarjatuotannon jarrupala on suunniteltu lämpöalueelle, joka sopii jokapäiväiseen ajoon, kaupunkiliikenteeseen ja kohtuullisen aktiiviseen ajotyyliin, mukaan lukien täyteen kuormatulla autolla ajettavat kesämatkat tai vuoristoiset alamäet. Valmistajat jättävät yleensä varmuusmarginaalin, mutta seuraavat tilanteet voivat toistuessaan ajaa tavallisen jarrupalan sen lämpökeston ulkopuolelle:

säännölliset rata-ajopäivät
raskaan peräkärryn vetäminen kuumalla säällä
voimakas jarruttaminen pitkissä alamäissä

Kun autoa valmistellaan rata-ajokauteen, olipa kyse talven jälkeisistä kevään rata-ajopäivistä tai kuumista kesäajoista, kannattaa muistaa: jarrupalojen ylikuumeneminen 600 asteeseen ei ole tavallisella tieautolla mitenkään harvinaista, jos jarrujärjestelmää ei ole erikseen mitoitettu tällaiseen kuormitukseen. Näissä tapauksissa auttavat esimerkiksi:

lämpöä paremmin kestävät koostumukset, kuten keraamiset jarrupalat
laajennetulle lämpötila-alueelle suunnitellut urheilulliset puolimetalliset seokset
parempi jarrujen jäähdytys ilmanottojen avulla
tuuletetut jarrulevyt

Suomessa jarrupalojen vaihtoa suunnittelevan kannattaa muistaa myös ECE R90-säännös, joka on pakollinen kaikille henkilö- ja kevyisiin hyötyajoneuvoihin varaosana myytäville jarrupaloille. Säännös edellyttää muun muassa, että:

vaihto-osa tarjoaa alkuperäisosaan verrattavan jarrutustehon molemmissa olosuhteissa, kylmänä ja kuumana
jarrupala ei saa menettää tehoaan äkillisesti kuumuudessa verrattuna vertailuosaan
säännös ei silti määritä kitkamateriaalille yhtä ”ihanteellista” lämpötilaa – sallittu lämpöraja riippuu aina käytetystä koostumuksesta ja rakenteesta

Formula 1:n hiilijarrut pysyvät sen sijaan hyvin erikoistuneena ratkaisuna. Ne toimivat tehokkaasti vain silloin, kun niitä kuormitetaan jatkuvasti ja ne pysyvät käyttölämpötila-alueellaan, mikä on käytännössä mahdotonta varmistaa tavallisessa tieliikenteessä, jossa pysähdytään usein liikennevaloihin ja lähdetään liikkeelle kylmiltä jarruilta.

Tästä syystä sarjatuotannon autoissa, myös urheiluautoissa, käytetään useammin keraamisia (carbon-ceramic) jarruja – kompromissia, joka säilyttää osan hiilen eduista mutta toimii myös kylmänä ja tavallisessa kaupunkiajossa.