Fra pedal til bremseklodser: Forklaret: Fra pedalen til bremsesystem

Chancerne er, at din fod kender tilstanden af et køretøjs bremser og kvaliteten af bremseklodserne, før din hjerne sætter det hele sammen. Overvej dette: For at standse et køretøj med en vægt på 4.000 kg skal føreren trykke på en pedal for at skabe friktion på hjulene. Det, der sker mellem pedalen og bremseklodserne, kan afgøre, hvor meget tryk føreren skal lægge på for at standse køretøjet inden for en sikker afstand.

Ingeniørerne ser på bremsesystemet som en ligning. Når køretøjet forlader samlebåndet, er bremsesystemet på begge sider af ligningen i balance, fordi variablerne er kendt. Efter at køretøjet har fået udskiftet det første sæt bremseklodser, ændres variablerne, og indgangene passer måske ikke længere til udgangene.

Disse ændringer i ligningen kan komme af slidte, defekte eller dårlige bremseklodser.

Hydraulisk ligning

Et hydraulisk bremsesystem transformerer og forstærker kraften. Det fungerer efter det enkle princip, at bremsevæske ikke er komprimerbar (den komprimeres dog, hvis den udsættes for ekstremt højt tryk og temperaturer). Når der opstår tryk i den ene ende af systemet, kommer den samme mængde tryk ud i den anden ende.

På et hydraulisk bremsesystem genererer føreren kraft ved at trykke på bremsepedalen. Kraften forstærkes derefter af pedalen, bremseforstærkeren og hovedcylinderen. Føreren modulerer trykket på pedalen for at standse køretøjet ved et tryk på mellem 20 og 120 pund. Mennesker opfordres til at bruge deres sanser til sikkert at bringe et køretøj til standsning.

Hvis pedalens vandring er for lang, pedalen kræver for meget kraft eller sikkerhedsselen føles lidt for stram, foretager kunderne ubevidst den opfordring, at bremserne har brug for opmærksomhed fra en professionel.

Doing the Math

Den gennemsnitlige fører genererer komfortabelt en spidsbelastning på 70 pund på gummipuden for enden af bremsepedalen under et moderat stop. Bremsepedalen er ikke andet end et mekanisk håndtag, der forstærker førerens kraft.

Pedalforholdet er den samlede pedallængde eller afstanden fra pedalens pivot til midten af pedalklodsen, divideret med afstanden fra pivotpunktet til det sted, hvor skubbestangen tilsluttes.

På ældre køretøjer med et manuelt skive-tromlearrangement er pedalforholdet 6,2:1. Det betyder, at de 70 pund, som føreren har anvendt, nu forstærkes til en udgangskraft på 434 pund (6,2 × 70 pund). Problemet er, at pedalens vandring er ret lang på grund af placeringen af drejepunktet og hovedcylinderforbindelsen.

Vakuumbremseforstærker

En forstærker øger pedalens kraft, så der kan anvendes et lavere mekanisk pedalforhold. Et lavere forhold kan give en kortere pedalvandring og bedre modulation. De fleste køretøjer med vakuumforstærkning vil have et mekanisk pedalforhold på 3,2:1 til 4:1. Størrelsen af forstærkerens membran og den mængde vakuum, der genereres af motoren, er afgørende for, hvor meget kraft der kan genereres. De fleste motorer vil generere et vakuum på omkring -8 psi (ikke at forveksle med tommer Hg eller kviksølv). Hvis en hypotetisk booster med en membran på 7 tommer udsættes for et motorvakuum på -8 psi, vil den frembringe mere end 300 pund ekstra kraft.

Hvis hovedcylinderen har en boring på 1 tomme, er stempelets overfladeareal 0,78 kvadrattommer. Hvis du dividerer udgangskraften på 434 lbs med stempelets overfladeareal, får du 556 psi (434 lbs divideret med 0,78 tommer) ved hovedcylinderens porte. Ikke dårligt for 70 lbs menneskelig indsats.

Hvis du reducerer stemplens overfladeareal, får du et større tryk. Det skyldes, at overfladen er mindre, men udgangskraften fra pedalen forbliver den samme. Hvis du brugte en hovedcylinder med en boring på 0,75 tommer, der har et stempel med et stempel med 0,44 kvadratcentimeter stempeloverflade, ville du få 986 psi ved portene til hovedcylinderen (434 lbs divideret med 0,44 tommer). Pedalens vandring vil dog øges.

Syv pund kraft på en bremsepedal kan resultere i 556 psi bremsevæske på vej til bremseklapperne. Hvordan stopper dette tryk så en bil? Hvis bremseklapperne er en flydende konstruktion med et enkelt stempel med stempler med en diameter på 2 tommer (stempeloverflade = 2πR2), skal vi blot gange stemplernes overfladeareal med 556 psi, og vi får 3.419 lbs klemkraft ved begge forreste bremsekalibre!

Friktion og væske

Bremskræfter og friktionskoefficienten er på den ene side af ligningen, og bremsemomentet er på den anden side. Hvis du øger en af de to variabler, ændrer du det drejningsmoment, som systemet kan generere.

Klemningskræfterne bruges til at generere friktion, der producerer et drejningsmoment til at standse køretøjet. Det er her, at “friktionskoefficienten” kommer ind i billedet. Friktionskoefficienten beregnes ved at dividere den kraft, der kræves for at lade en genstand glide over en overflade, med genstandens vægt. Hvis det f.eks. kræver en kraft på 1 lbs at lade en 1-lb bremseklods glide hen over en rotor, er friktionskoefficienten mellem de to materialer 1,0.

Klemningskræfter og friktionskoefficienten er på den ene side af ligningen, og bremsemomentet er på den anden side. Hvis du øger en af de to variabler, ændrer du det drejningsmoment, som systemet kan generere.

I det væsentlige afbalancerer ingeniørerne friktionskoefficienten med stempel- og hovedcylinderstørrelser for at give køretøjet den rette mængde bremsekraft og pedalfornemmelse. Hvis du øger eller mindsker friktionskoefficienten, kan du forstyrre balancen.

Virkeligheden

I vores teoretiske eksempel ovenfor ignorerer vi nogle faktorer fra den virkelige verden, der påvirker mængden af klemkraft. Virkeligheden er, at ikke hele trykket når frem til grænsefladen mellem puden og rotoren. Noget går tabt med bremseslangernes ekspansion. Men størstedelen af de faktorer, der kan øge pedalkraften eller pedalens vandring, er ikke hydrauliske – de er mekaniske.

Selv om hele trykket når frem til bremsekolben, går en del af den genererede kraft tabt, når bremsekolben bøjer sig. Hvis der er tale om en konstruktion med flydende bremser, kan den bevægelse af bremsen på de glidere, der er nødvendige for at centrere den på rotoren, kræve ekstra væskebevægelse. Hvis gliderne eller bremseklodsen er fastlåst, kan dette mindske klemkraften og forårsage de ujævne klemkræfter på bremseklodsen. Dette reducerer friktionsmaterialets fodaftryk på rotoren og øger den kraft, der kræves for at generere tilstrækkelig bremsekraft.

Selve bremseklodsen kan øge pedalens kraft og vandring. Og hvis bagpladen ikke har tilstrækkelig stivhed, vil den bøje sig, hvis bagpladen ikke har tilstrækkelig stivhed. Dette påvirker de hydrauliske komponenter på to måder. For det første bliver den hydrauliske kraft brugt til at bøje bremseklodsens bagplade. For det andet ændrer bremseklodsen klemkræfterne ved rotoren, når den bøjes. Kanterne af bremseklodsen kan have lavere klemmekræfter end midten af klodsen. Dette reducerer det bremsemoment, der genereres. Men det kan også forårsage bremsestøj på grund af ustabil friktion i grænsefladen mellem puden og rotoren. Hvis bremseklodsen er blevet beskadiget af delaminering af friktionsmaterialet fra bagpladen, reduceres det drejningsmoment, som bremseklodsen kan generere. Denne reduktion af drejningsmomentet kræver, at føreren trykker hårdere på bremsepedalen.

Den eneste ting, der aldrig ændrer sig i bremseligningen, er det menneskelige element bag pedalen. En fører kan kun lægge så meget kraft på pedalen, og hans hjerne kan kun reagere så hurtigt i en nødsituation. Hvis hjernen og foden kæmper mod et problem med bremseklodserne eller det hydrauliske system, ender den forhåbentlig på dit værksted, før der sker en ulykke.