Hoe een auto werkt · Ga dieper6 min leestijd

Raceremmen: ontworpen om te gloeien

Het remmenhoofdstuk noemde hitte de vijand: duw een gewone rem voorbij haar temperatuurgrens en ze laat je juist dan in de steek wanneer je haar het hardst nodig hebt. De racewereld zet in op het omgekeerde. Een Formule 1-schijf is gemaakt van een materiaal dat onder de 350 °C nauwelijks grip heeft, dat zijn hele leven doorbrengt tussen dat punt en een gloeiende 1.000 °C, en dat van elke remzone een warmteprobleem van enkele megawatt maakt — zestig keer per race opgelost. Dit is wat remmen wordt zodra ingenieurs ophouden hitte te vermijden en in plaats daarvan rond hitte gaan ontwerpen.

De energierekening op racesnelheid

Kinetische energie groeit met het kwadraat van de snelheid, en dat kwadraat is het hele verschil tussen een straatrem en een racerem. Remmen vanaf 320 km/h kost ongeveer tien keer zoveel energie als remmen vanaf 100 km/h — en een raceauto doet dat in een paar seconden, bocht na bocht, twee uur lang. Op de zwaarste remmomenten vertraagt een Formule 1-auto met ongeveer vijf keer de zwaartekracht, en het vermogen dat op dat moment naar de vier schijven stroomt, komt boven de drie megawatt uit — het vermogen van een kleine elektriciteitscentrale, gericht op zo'n vier kilogram koolstof. De remmen van een straatauto maken hun zwaarste dag mee op een afdaling in de Alpen; een racerem beleeft elke ronde van zijn bestaan voorbij dat punt.

Dezelfde opbouw als bij een straatauto — remblokjes die een geventileerde schijf vastklemmen — maar bij race-energieën is de eigenlijke taak van de schijf thermisch: drie seconden lang megawatts opnemen, en de warmte daarna kwijtraken vóór de volgende bocht.

Remfading, eerlijk uitgesplitst

Het hoofdstuk perste remfading samen in één zin; maar net als de toerenlimiet van de motor is dat eigenlijk een verzamelnaam voor verschillende storingen. Remblokfading: oververhit frictiemateriaal geeft gas af — de harsen die het blokje bij elkaar houden koken letterlijk — en het ontsnappende gas vormt een dun kussen tussen blokje en schijf, waardoor het pedaal hard blijft maar de auto niet afremt. Verglazing: het oppervlak van het blokje smelt en hardt weer uit tot een glad, glazig laagje met weinig grip, dat de afdaling overleeft die het veroorzaakte. Vloeistoffading: warmte die via de remklauw terugtrekt, brengt de remvloeistof aan de kook, en omdat gas wél samendrukt en vloeistof niet, wordt het pedaal lang en slap — de engste variant, want de rem zelf mankeert niets en de voet van de bestuurder komt er simpelweg niet meer bij. Straatsystemen houden marge over tegen alle drie; racesystemen gaan voorbij alle drie en gebruiken compleet ander materiaal.

Carbon-carbon: remmen die heet moeten zijn

Het antwoord van de racewereld is carbon-carbon — koolstofvezels in een koolstofmatrix, dezelfde materiaalfamilie als een hitteschild voor terugkeer in de atmosfeer. De wrijving stort niet in bij hitte; ze verbetert juist, tot ver voorbij de 1.000 °C, waar een gietijzeren schijf haar blokjes allang gaar zou hebben gekookt en zou zijn kromgetrokken. Het materiaal weegt een kwart van gietijzer — kostbare kilo's draaiende, onafgeveerde massa, teruggegeven aan de ontwerper — en het schudt thermische schokken van zich af die een straatschijf zouden doen barsten. De prijs is het spiegelbeeld van die winst: onder zo'n 350 °C grijpt carbon-carbon slecht, dus een koude racerem is een slechte rem. De eerste harde remstoot van een uitrijronde, op koude schijven en koude banden, is een van de kwetsbaarste momenten in het bestaan van een coureur.

De rem als thermisch systeem

Zodra de rem binnen een temperatuurvenster moet blijven — te koud en hij grijpt niet, te heet en de koolstof brandt weg als een blok hout in een vuur — is remmen geen onderdelenprobleem meer, maar een probleem van thermisch ontwerp. Moderne schijven zijn doorboord met meer dan duizend piepkleine, radiale ventilatiegaatjes, waardoor elke schijf zijn eigen centrifugale luchtpomp wordt. De koelkanalen die ze voeden worden per circuit op maat gemaakt: wagenwijd open voor banen met zwaar remwerk, dichtgezet waar de schijven anders te koud zouden lopen — want een te ruim kanaal kost niet alleen luchtweerstand, het koelt de rem uit zijn venster. Zelfs de restwarmte wordt bewust benut: ze trekt naar buiten in de velg en verwarmt de band van binnenuit — nog een reden waarom een coureur de remtemperatuur net zo nauwkeurig bewaakt als zijn brandstof.

Ga dieper: de getallen achter de gloedvoor ingenieurs

Een remstoot is een energieoverdracht waar geen ontkomen aan is:

E = \tfrac{1}{2} m v^2, \qquad P_{peak} = m\,a\,v

Een auto van 800 kg die remt vanaf 320 km/h ( $v \approx 89$ m/s) moet $E \approx 3.2$ MJ kwijt; bij 5 g en volle snelheid is het instantane vermogen $P = 800 \times 49 \times 89 \approx 3.5$ MW. Het grootste deel daarvan komt in de schijven terecht: bij een soortelijke warmte van koolstof rond $800\ \text{J/kg·K}$ jaagt één zware remstoot een schijf van ~1,2 kg enkele honderden graden omhoog — daarom pulseren de schijven zichtbaar oranje bij elke remzone, en daarom moet het ontwerp tussen de bochten door net zo snel warmte kwijtraken als de bochten toevoegen. De evenwichtstemperatuur van de schijf wordt door die balans bepaald, en de kanaalgrootte is de knop waaraan de ingenieurs draaien om haar in het venster te centreren.