Van houten blokken tot brake-by-wire: sta even stil bij geschiedenis van autoremmen

De eerste auto’s delen eind negentiende eeuw veel van hun techniek met de koetsen en rijtuigen uit die dagen. Het is allemaal simpel en overzichtelijk, zo ook het remsysteem. Waarbij de aanduiding ‘systeem’ meer doet vermoeden dan het in werkelijkheid is; het remsysteem van een moderne fiets is al een stuk geavanceerder dan dat van die eerste auto’s. Bij de Benz Patent-Motorwagen Nummer 1 komt de vertraging tot stand door met de hand een hefboom te bedienen waarmee een remband om een schijf in de aandrijflijn aangetrokken wordt. In wezen is dit een binnenstebuiten gekeerde trommelrem. Met de bescheiden snelheid van die auto levert dit een acceptabele vertraging op. Helaas is de riem sterk aan slijtage onderhevig en geen lang leven beschoren.

Bij latere modellen komt Carl Benz met een andere oplossing: blokken die tegen het loopvlak van de wielen gedrukt kunnen worden. Het principe stamt al uit de oudheid en is weinig verfijnd, maar het levert genoeg wrijving op om het voertuig tot stilstand te brengen. Bekend is het verhaal van Bertha Benz die op een zomerse zondagochtend in 1888 in alle vroegte met de Patent-Motorwagen 3 van echtgenoot Carl vanuit Mannheim vertrekt voor een familiebezoek in Pforzheim. Onderweg klopt ze aan bij een apotheek in Wiesloch voor benzine. Dat laatste is de geschiedenisboeken ingegaan als de eerste tankstop. Minder bekend is dat ze vervolgens iets verderop in Wiesloch nog een keer stopt, nu bij een schoenmaker. De remblokken van de Patentwagen zijn tijdens de eerste etappe van de trip al dermate ver versleten dat Bertha de schoenmaker vraagt om leer op de blokken te nagelen. Deze ongeplande actie is de uitvinding van de remvoering.

Trommels blijken duurzaam alternatief

Het wegennet ligt er in de pioniersfase niet zo strak en verzorgd bij als tegenwoordig. Het is veelal onverhard, vaak vies en modderig. Dat heeft zijn uitwerking op de remmen, zeker als het ook nog eens nat is. Bij de almaar oplopende snelheden is een open constructie, zeker als het loopvlak van de band als frictiemateriaal moet dienen, dan ook verre van ideaal om voor een betrouwbare en eenparige vertraging te zorgen.

Een duurzaam alternatief blijkt de trommelrem te zijn. Die gesloten trommel is al in 1882 door Walter Russel Mortimer gepatenteerd. Toch duurt het nog tot 1900 voor de trommelrem zijn weg naar de auto vindt. De eerste auto met trommelremmen is de Mercedes 35 PS. Die trommels zitten alleen op de achteras en de bediening vindt nog altijd handmatig plaats, met een hefboom plus stangenstelsel. Overigens heeft die 35 PS wel een voetrem, maar die werkt op de aandrijfas – en zo dus ook op de achterwielen. Om oververhitting tegen te gaan hebben die eerste trommelremmen op de Mercedes watergekoelde remschoenen, een constructie van Wilhelm Maybach, die daar trouwens geen patent op aanvraagt. Andere autofabrikanten pikken de trommelrem al op. Zo ook Louis Renault, die in 1902 op een aantal onderdelen van de trommelrem wél patent aanvraagt.

Ferodo: frictiemateriaal

Ondertussen werkt de Engelsman Herbert Frood vanaf 1897 aan de ontwikkeling van frictiemateriaal voor verschillende toepassingen. In een door een watermolen aangedreven testopstelling experimenteert hij er lustig op los met tal van materialen. In 1908 komt hij met asbestweefsels die met koperdraad zijn versterkt. Dit blijkt niet alleen genoeg slijtvast, maar ook bestand tegen hoge temperaturen zoals die optreden in trommelremmen. De hittebestendige asbest remvoeringen maken de trommelremmen een stuk betrouwbaarder. Voor de naam van zijn bedrijf husselt Frood de letters van zijn achternaam door elkaar en voegt daar nog de eerste letter van de naam van zijn vrouw Elisabeth aan toe: Ferodo, nog altijd een van de toonaangevende bedrijven in de wereld van remblokken.

Hitteontwikkeling bij veelvuldig of langdurig gebruik heeft onder andere als gevolg dat de trommel iets uitzet en dus een grotere diameter krijgt, met een langere pedaalslag als gevolg. Zelfstellende remmen bieden enigszins soelaas, al werkt dat niet altijd op alle vier de wielen evenveel. Ook heeft de hoge temperatuur invloed op de eigenschappen van het frictiemateriaal, de wrijving wordt minder. Verder bestaat bij te hete remmen kans op dampbelvorming in de remvloeistof, waardoor je bij het intrappen van het rempedaal geen druk zet op de remschoenen maar alleen maar de luchtbel samenperst. Zeer onwenselijk.

Een oplossing om de hoge temperaturen de kop in te drukken is het vergroten van de trommelafmetingen, dat brengt echter meer massa met zich mee. In het geval van de remmen is dat onafgeveerde massa en dat is ongunstig voor de wegligging. Maar goed, als constructeur moet je wat. Een andere oplossing om de warmte kwijt te kunnen zijn koelribben op de trommels, zoals bijvoorbeeld Mercedes die toepaste op de 300 SL.

Kabels en leidingen, eerste hydraulische remsysteem op Duesenberg

In die eerste decennia worden de trommelremmen volledig mechanisch bediend, met stangen, kabels en veren. Behalve dat die constructies door roest en vuil snel achteruitgaan, leidt slijtage en daaruit voorkomende speling tot een minder nauwkeurige bediening. Een nauwkeurige afstelling is van levensbelang omdat de auto anders scheeftrekt. Een antwoord hierop komt in 1921, de Duesenberg Straight Eight, met een achtcilinder in lijn, is dan de eerste productieauto met een hydraulisch remsysteem, ontwikkeld door luchtvaartpionier Lockheed.

Zo snel als de trommelrem destijds werd omarmd, gaat dat nu met het hydraulische remsysteem niet. Pas in de loop van de jaren 30 vindt het bredere toepassing, en dan zeker niet meteen bij de goedkopere auto’s. Zo heeft de Volkswagen Kever aanvankelijk kabelbediende remmen, pas vanaf mei 1950 krijgen de exportversies een éénkrings hydraulisch systeem, terwijl de basisuitvoering het nog tot april 1962 gewoon met kabels moet doen. Voor de handrem blijft de kabel overigens tot in de 21e eeuw bij de meeste merken de standaardtechniek, zelfs als die elektronisch wordt aangestuurd.

Alfred Teves vraagt in 1930 patent aan op een in twee delen gescheiden remsysteem. Eén hydrauliekkring bedient de voorwielen en één kring de achterwielen. Mocht er in één kring lekkage optreden, dan kan er altijd (weliswaar minder krachtig) worden teruggevallen op de andere. Om dit principe handen en voeten te geven ontwikkelt Vincent Hugo Bendix er een tandem-hoofdremcilinder bij, waarop hij in 1934 patent krijgt. De Bugatti Type 57 is in 1938 de eerste auto met zo’n hoofdremcilinder. De Saab 96 krijgt in 1963 een diagonaal gescheiden remsysteem: de ene kring bedient rechtsvoor en linksachter, de andere linksvoor en rechtsachter.

Vervolgens is de Volvo 144 in 1966 de eerste met een driehoek gescheiden remsysteem, waarbij elk van de hydraulische kringen beide voorremmen bedient plus één achterwiel. Wanneer één kring uitvalt, dan is nog altijd 80 procent van de remwerking beschikbaar. De rest van de auto-industrie volgt snel en meer dan een halve eeuw blijft deze oplossing de standaard.

Glimmende schijven

Een alternatief voor de trommelrem is de schijfrem. Al in de begindagen van de auto doen fabrikanten en technici er onderzoek naar, een belangrijke pionier is Frederick William Lanchester. Struikelblok is rond de vorige eeuwwisseling geschikt materiaal. Ferodo heeft nog niets en dus is het metaal op metaal: koperen blokken op ijzeren schijven, dat levert behalve veel slijtage en matige prestaties ook veel lawaai op. In het interbellum vindt de schijfrem wel voorzichtig zijn weg naar de spoorwegen en vlak voor de Tweede Wereldoorlog gebruikt Daimler een systeem van Girling voor een pantserwagen. Hier zijn schijfremmen min of meer noodzakelijk omdat de 4x4-aandrijving van dat militaire voertuig geen ruimte biedt voor trommels.

Na de oorlog experimenteren fabrikanten links en rechts met schijfremmen. Tussen 1949 en 1953 heeft de Chrysler Crown een systeem met twee schijven per wiel, opgesloten in een gietijzeren trommel. Wanneer je remt, schuiven de schijven naar buiten, tegen de zijkanten van de trommel. Net wanneer Chrysler dit zware en gecompliceerde systeem in 1953 afserveert, komt in Engeland Austin-Healey met de 100S met schijfremmen rondom, een conventioneel systeem zoals we dat nog altijd kennen met remklauwen en -blokken.

De interesse in de schijfrem krijgt in 1953 vooral een duw vooruit dankzij Jaguar, dat dat jaar de 24 Uur van Le Mans wint met de C-type, de enige auto in het veld met schijfremmen. Dankzij de betrouwbaarheid, hun constante remprestaties en het vertrouwen dat de schijfremmen bij de coureurs wekken, is die C-type de eerste auto die ‘Le Mans’ wint met een gemiddelde snelheid van meer dan 160 km/h (100 mph). Overigens duurt het bij Jaguar nog tot 1957 voor de schijfremmen op straatauto’s verschijnen, en wel bij de XK150. In grote volumes is de schijfrem dan overigens al twee jaar beschikbaar in de futuristische Citroën DS.

De schijfrem heeft een aantal voordelen ten opzichte van de trommelrem. Behalve beter bestand tegen hogere temperaturen, levert hij constantere prestaties en is hij voordeliger in het onderhoud. Remblokken vervangen gaat sneller dan de remschoenen van een trommel verwisselen. Maar met toenemende belasting, zowel in de autosport als op straat, als gevolg van steeds hogere gewichten en grotere prestaties, worden ook schijfremmen door de jaren heen steeds zwaarder belast. Die extra belasting het hoofd bieden gaat gepaard met fikse hitteontwikkeling en dat is ongunstig voor zowel de levensduur als de prestaties. Met gaten (dwars door de schijf), gleuven (in het schijfoppervlak) en interne koelkanalen (vanuit het hart naar de omtrek van de schijf) lukt het in elk geval voor alledaags gebruik hoge temperaturen de kop in te drukken. Daarnaast zien we naast gietijzer ook koolstof en keramiek, materialen die veel meer tegen de hitte bestand zijn.

Klaar voor de toekomst met ABS

Nu het remsysteem steeds betrouwbaarder en beter te beheersen wordt, volgen er nieuwe uitdagingen. Hoe te voorkomen dat die gretige remmen de wielen blokkeren, waardoor de auto onbestuurbaar wordt? De vliegtuigindustrie experimenteert al in de jaren 20 van de vorige eeuw met mechanische antiblokeersystemen. Eind jaren 60 zetten de grote drie in Detroit samen met de remonderdelenleverancier Bendix ook in op een mechanisch ABS.

Een succes wordt ABS echter pas in 1978 als de Mercedes-Benz S-klasse een elektronisch geregeld ABS van Bosch krijgt. Het is de opmaat naar een remsysteem dat uiteindelijk volledig elektronisch aangestuurd kan worden. Dat is handig, want door de remmen per wiel separaat aan te sturen is de elektronica in staat de auto bij te sturen, dan wel te stabiliseren bij dreigend slipgevaar. Verder blijkt een elektronisch geregeld remsysteem ideaal wanneer kennismaken met auto’s met (plug-in) hybride en volledig elektrische aandrijflijnen. Die HEV’s, PHEV’s en BEV’s zijn immers nog efficiënter wanneer ze remenergie kunnen recupereren. De elektromotor werkt bij afremmen in eerste instantie als een dynamo die bewegingsenergie omzet in elektriciteit die teruggevoerd wordt naar de accu. Dat werkt meestal tot vertragingen van zo’n 0,3 g (ongeveer 3 m/s²). Ter referentie: bij een noodstop heeft de gemiddelde auto een vertraging van 1 g, vrijwel gelijk aan de valversnelling op moederaarde van 9,8 m/s².

Tot vertragingen van 0,3 g hoeven de mechanische remmen dus niets te doen. Die mechanische remmen zijn tegenwoordig overigens nog lang niet altijd schijven. Uit kostenoverweging zien we achter de achterwielen nog regelmatig trommelremmen, zoals bijvoorbeeld bij de volledig elektrische Volkswagen ID3. Bij vertragingen groter dan 0,3 g springen de mechanische remmen bij of nemen het helemaal over. De elektronica regelt (of doet in elk geval een poging) dat de overgang van regeneratief naar mechanisch remmen naadloos verloopt. Als dat tenminste kan. Wanneer de accu nog te vol zit om geregenereerde energie op te nemen, moeten de mechanische remmen al direct in actie komen, ook bij vertragingen van minder dan 0,3 g. De elektronica regelt dat zonder dat je daar erg in hebt. Sowieso is de elektronica als onderdeel van het ADAS-systeem in staat om buiten jou om een remcommando te geven, bijvoorbeeld in geval van nood of als adaptieve cruisecontrol.

Met de komst van de elektronica lijkt het hydraulische remsysteem zijn langste tijd te hebben gehad. De toekomst is brake-by-wire. Met elektronica die zelf in staat is om de remmen te bedienen, zijn de eerste stappen al gezet. De volgende stap is de overgang naar een zogenoemd ‘droog’ systeem. Hierbij is er geen commando meer nodig om hydraulische druk op te bouwen, maar regelen elektromotoren via een spindel dat de remblokken tegen de remschijf drukken. Als parkeerrem wordt dit al toegepast en met de almaar nauwkeurig werkende elektronica wordt het ook steeds makkelijker om de bedrijfsrem op deze manier uit te voeren. Het droge systeem is al met al minder complex en dus goedkoper, maar vraagt daarna ook minder onderhoud. Had Bertha Benz zich dit kunnen voorstellen toen ze bij de schoenmaker aanklopte?