Vom Pedal zu den Belägen: Brake Systems Explained

Die Chancen stehen gut, dass Ihr Fuß den Zustand der Bremsen eines Fahrzeugs und die Qualität der Bremsbeläge kennt, bevor Ihr Verstand das alles zusammensetzt. Bedenken Sie dies: Um ein 4.000 kg schweres Fahrzeug anzuhalten, muss der Fahrer auf ein Pedal drücken, um Reibung an den Rädern zu erzeugen. Was zwischen dem Pedal und den Belägen passiert, kann bestimmen, wie viel Druck der Fahrer ausüben muss, um das Fahrzeug in einem sicheren Abstand zum Stehen zu bringen.

Die Ingenieure betrachten das Bremssystem als eine Gleichung. Wenn das Fahrzeug das Fließband verlässt, ist das Bremssystem auf beiden Seiten der Gleichung ausgeglichen, weil die Variablen bekannt sind. Nachdem das Fahrzeug seinen ersten Satz Ersatzbremsbeläge erhalten hat, ändern sich die Variablen, und die Eingaben stimmen möglicherweise nicht mehr mit den Ausgaben überein.

Diese Änderungen der Gleichung können von abgenutzten, defekten oder minderwertigen Bremsbelägen herrühren.

Hydraulische Gleichung

Ein hydraulisches Bremssystem transformiert und verstärkt die Kraft. Sie funktioniert nach dem einfachen Prinzip, dass Bremsflüssigkeit nicht komprimierbar ist (sie komprimiert sich jedoch, wenn sie extrem hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt wird). Wenn an einem Ende des Systems Druck erzeugt wird, kommt am anderen Ende die gleiche Menge Druck heraus.

Bei einem hydraulischen Bremssystem erzeugt der Fahrer Kraft, indem er auf das Bremspedal drückt. Diese Kraft wird dann durch das Pedal, den Bremskraftverstärker und den Hauptzylinder verstärkt. Der Fahrer moduliert den Druck auf das Pedal, um das Fahrzeug mit einem Druck zwischen 20 und 120 Pfund anzuhalten. Der Mensch ist aufgefordert, seine Sinne zu benutzen, um ein Fahrzeug sicher zum Stehen zu bringen.

Wenn der Pedalweg zu lang ist, das Pedal zu viel Kraft erfordert oder sich der Sicherheitsgurt etwas zu eng anfühlt, stellen die Kunden unbewusst fest, dass die Bremsen von einem Fachmann kontrolliert werden müssen.

Doing the Math

Der durchschnittliche Fahrer erzeugt bei einem mäßigen Stopp bequem eine Spitzenkraft von 70 Pfund auf dem Gummipad am Ende des Bremspedals. Das Bremspedal ist nichts anderes als ein mechanischer Hebel, der die Kraft des Fahrers verstärkt.

Das Pedalverhältnis ist die Gesamtlänge des Pedals oder der Abstand vom Pedaldrehpunkt bis zur Mitte des Pedalbelags, geteilt durch den Abstand vom Drehpunkt bis zum Anschluss der Druckstange.

Bei älteren Fahrzeugen mit einer manuellen Scheibentrommelanordnung beträgt das Pedalverhältnis 6,2:1. Das bedeutet, dass die 70 Pfund, die der Fahrer aufgebracht hat, nun auf 434 Pfund (6,2 × 70 Pfund) an Ausgangskraft verstärkt werden. Das Problem ist, dass der Weg des Pedals aufgrund der Lage des Drehpunkts und der Verbindung zum Hauptzylinder ziemlich lang ist.

Vakuum-Bremskraftverstärker

Ein Bremskraftverstärker erhöht die Kraft des Pedals, so dass ein niedrigeres mechanisches Pedalverhältnis verwendet werden kann. Ein geringeres Verhältnis kann zu einem kürzeren Pedalweg und einer besseren Modulation führen. Die meisten Fahrzeuge mit Unterdruckkraftverstärker haben eine mechanische Pedalübersetzung von 3,2:1 bis 4:1. Die Größe der Membran des Bremskraftverstärkers und die Menge des vom Motor erzeugten Unterdrucks bestimmen, wie viel Kraft erzeugt werden kann. Die meisten Motoren erzeugen einen Unterdruck von etwa -8 psi (nicht zu verwechseln mit Zoll Hg oder Quecksilber). Wenn ein hypothetischer Booster mit einer 7-Zoll-Membran einem Unterdruck von -8 psi ausgesetzt wird, erzeugt er mehr als 300 Pfund zusätzliche Kraft.

Wenn der Hauptzylinder eine 1-Zoll-Bohrung hat, beträgt die Kolbenfläche 0,78 Quadratzoll. Wenn Sie die Ausgangskraft von 434 lbs durch die Kolbenfläche teilen, erhalten Sie 556 psi (434 lbs geteilt durch 0,78 Zoll) an den Anschlüssen des Hauptzylinders. Nicht schlecht für 70 lbs menschlicher Anstrengung.

Wenn Sie die Oberfläche des Kolbens verringern, erhalten Sie mehr Druck. Das liegt daran, dass die Oberfläche kleiner ist, aber die vom Pedal ausgehende Kraft gleich bleibt. Wenn Sie einen Hauptzylinder mit einer Bohrung von 0,75 Zoll verwenden, der einen Kolben mit einer Kolbenfläche von 0,44 Quadratzoll hat, erhalten Sie 986 psi an den Anschlüssen des Hauptzylinders (434 lbs geteilt durch 0,44 Zoll). Der Pedalweg wird sich jedoch verlängern.

Siebzig Pfund Kraft auf ein Bremspedal können dazu führen, dass 556 psi Bremsflüssigkeit zu den Bremssätteln gelangen. Wie bringt dieser Druck ein Auto zum Stehen? Wenn es sich bei den Bremssätteln um schwimmend gelagerte Einkolbenbremssättel mit Kolben von 2 Zoll Durchmesser (Kolbenfläche = 2πR2) handelt, multiplizieren wir einfach die Kolbenfläche mit 556 psi und erhalten eine Klemmkraft von 3.419 lbs an beiden vorderen Bremssätteln!

Reibung und Flüssigkeit

Die Klemmkräfte und der Reibungskoeffizient stehen auf der einen Seite der Gleichung, das Bremsmoment auf der anderen. Erhöht man eine der beiden Variablen, verändert man das Drehmoment, das das System erzeugen kann.

Die Klemmkräfte werden verwendet, um die Reibung zu erzeugen, die das Drehmoment zum Anhalten des Fahrzeugs erzeugt. An dieser Stelle kommt der „Reibungskoeffizient“ ins Spiel. Der Reibungskoeffizient wird berechnet, indem man die Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt über eine Oberfläche gleiten zu lassen, durch das Gewicht des Objekts dividiert. Wenn beispielsweise eine Kraft von 1 lbs erforderlich ist, um einen Bremsbelag von 1 lb über einen Rotor zu schieben, beträgt der Reibungskoeffizient zwischen den beiden Materialien 1,0.

Die Klemmkräfte und der Reibungskoeffizient stehen auf der einen Seite der Gleichung, das Bremsmoment auf der anderen. Erhöht man eine der beiden Variablen, verändert man das Drehmoment, das das System erzeugen kann.

Im Wesentlichen gleichen die Ingenieure den Reibungskoeffizienten mit den Kolben- und Hauptzylindergrößen ab, um dem Fahrzeug die richtige Menge an Bremskraft und Pedalgefühl zu geben. Wenn Sie den Reibungskoeffizienten erhöhen oder verringern, könnten Sie das Gleichgewicht stören.

Die Realität

In unserem theoretischen Beispiel oben ignorieren wir einige reale Faktoren, die die Höhe der Klemmkraft beeinflussen. Die Realität sieht so aus, dass nicht der gesamte Druck an der Schnittstelle zwischen Belag und Rotor ankommt. Ein Teil davon geht durch die Ausdehnung der Bremsschläuche verloren. Aber die meisten Faktoren, die die Pedalkraft oder den Pedalweg erhöhen können, sind nicht hydraulisch, sondern mechanisch.

Selbst wenn der gesamte Druck zum Bremssattelkolben gelangt, geht ein Teil der erzeugten Kraft verloren, wenn sich der Bremssattel biegt. Wenn es sich um einen Schwimmsattel handelt, kann die Bewegung des Bremssattels auf den Schlitten, die erforderlich ist, um ihn auf dem Rotor zu zentrieren, eine zusätzliche Flüssigkeitsbewegung erfordern. Wenn die Schlitten oder der Belag festsitzen, kann dies die Klemmkraft verringern und ungleichmäßige Klemmkräfte auf den Bremsbelag verursachen. Dadurch verringert sich die Auflagefläche des Reibmaterials auf dem Rotor und die Kraft, die erforderlich ist, um eine ausreichende Bremskraft zu erzeugen, erhöht sich.

Der Bremsbelag selbst kann die Pedalkraft und den Pedalweg erhöhen. Und wenn die Trägerplatte nicht genügend Steifigkeit hat, biegt sie sich. Dies beeinflusst die hydraulischen Komponenten in zweierlei Hinsicht. Erstens wird die hydraulische Kraft genutzt, um die Trägerplatte des Bremsbelags zu verbiegen. Zweitens verändern sich durch die Durchbiegung des Belags die Klemmkräfte am Rotor. An den Rändern des Belags können geringere Klemmkräfte auftreten als in der Mitte des Belags. Dadurch verringert sich das erzeugte Bremsmoment. Es kann aber auch zu Bremsgeräuschen führen, weil die Reibung an der Schnittstelle zwischen Belag und Rotor instabil ist. Wenn der Bremsbelag durch Ablösung des Reibmaterials von der Trägerplatte beschädigt wurde, verringert sich das Drehmoment, das der Bremsbelag erzeugen kann. Diese Verringerung des Drehmoments erfordert, dass der Fahrer stärker auf das Bremspedal drückt.

Das Einzige, was sich bei der Bremsgleichung nie ändert, ist das menschliche Element hinter dem Pedal. Ein Fahrer kann nur so viel Kraft auf das Pedal ausüben und sein Verstand kann in einer Notsituation nur so schnell reagieren. Wenn der Verstand und der Fuß gegen ein Problem mit den Bremsbelägen oder dem Hydrauliksystem ankämpfen, landet das Auto hoffentlich in der Werkstatt, bevor es zu einem Unfall kommt.