A pedáltól a betétekig:

Valószínűleg a lábad már azelőtt tudja, hogy milyen állapotban vannak a jármű fékjei és milyen minőségűek a fékbetétek, mielőtt az elméd összerakná az egészet. Vegyük ezt figyelembe: Egy 4000 kilós jármű megállításához a vezetőnek egy pedált kell megnyomnia, hogy súrlódást hozzon létre a kerekeknél. Az, hogy mi történik a pedál és a fékbetétek között, meghatározhatja, hogy a vezetőnek mekkora nyomást kell kifejtenie ahhoz, hogy a járművet biztonságos távolságon belül megállítsa.

A mérnökök egyenletként tekintenek a fékrendszerre. Amikor a jármű elhagyja a szerelőszalagot, a fékrendszer az egyenlet mindkét oldalán egyensúlyban van, mert a változók ismertek. Miután a járműbe először cseréltek fékbetéteket, a változók megváltoznak, és a bemenetek már nem feltétlenül egyeznek meg a kimenetekkel.

Az egyenlet ilyen változásai származhatnak kopott, hibás vagy rossz minőségű fékbetétekből.

Hidraulikus egyenlet

A hidraulikus fékrendszer átalakítja és felerősíti az erőt. Azon az egyszerű elven működik, hogy a fékfolyadék nem összenyomható (extrém magas nyomás és hőmérséklet hatására azonban összenyomódik). Amikor a rendszer egyik végén nyomás keletkezik, ugyanekkora nyomás jön ki a másik végén.

A hidraulikus fékrendszerben a vezető a fékpedál lenyomásával erőt termel. Ezt az erőt aztán a pedál, az erősítő és a főfékhenger felerősíti. A vezető a pedál nyomását úgy módosítja, hogy a járművet 20 és 120 font közötti nyomáson állítsa meg. Az embereknek az érzékeiket kell használniuk a jármű biztonságos megállításához.

Ha a pedálút túl hosszú, a pedál túl nagy erőt igényel, vagy a biztonsági öv egy kicsit túl szorosnak tűnik, az ügyfelek tudat alatt azt a döntést hozzák, hogy a fékeknek szakemberre van szükségük.

A matematika elvégzése

Az átlagos vezető kényelmesen 70 fontnyi csúcserőt fejt ki a fékpedál végén lévő gumipadon egy mérsékelt megállás során. A fékpedál nem más, mint egy mechanikus kar, amely felerősíti a vezető által kifejtett erőt.

A pedáláttétel a pedál teljes hossza vagy a pedálcsap és a pedálbetét középpontja közötti távolság, osztva a tengelyponttól a tolórúd csatlakozási pontjáig terjedő távolsággal.

A régebbi, kézi tárcsás-dobos elrendezésű járműveken a pedáláttétel 6,2:1 arányú. Ez azt jelenti, hogy a vezető által alkalmazott 70 fontot 434 fontra (6,2 × 70 font) erősíti a kimeneti erő. A probléma az, hogy a pedál útja meglehetősen hosszú a forgáspont és a főfékhenger csatlakozásának elhelyezése miatt.

Vákuumos fékrásegítő

A fékrásegítő növeli a pedál erejét, így alacsonyabb mechanikus pedáláttétel használható. Az alacsonyabb áttétel rövidebb pedálutat és jobb modulációt eredményezhet. A legtöbb vákuumos feltöltésű jármű 3,2:1 és 4:1 közötti mechanikus pedáláttétellel rendelkezik. A nyomásfokozó membránjának mérete és a motor által keltett vákuum mennyisége határozza meg, hogy mekkora erőt lehet kifejteni. A legtöbb motor körülbelül -8 psi vákuumot termel (ne tévessze össze a higanyszinttel). Ha egy hipotetikus, 7 hüvelykes membránnal rendelkező nyomásfokozót -8 psi motorvákuumnak teszünk ki, akkor több mint 300 font többleterőt fog kifejteni.

Ha a főtengelynek 1 hüvelykes furata van, a dugattyú felülete 0,78 négyzetcentiméter. Ha a 434 font kimenő erőt elosztjuk a dugattyú felületével, akkor 556 psi-t kapunk (434 font osztva 0,78 hüvelykkel) a főtengely nyílásainál. Nem rossz 70 font emberi erővel.

Ha csökkenti a dugattyú felületét, akkor nagyobb lesz a nyomás. Ez azért van, mert a felület kisebb, de a pedálból származó kimenő erő ugyanannyi marad. Ha egy 0,75 hüvelykes furattal rendelkező főtengelyt használnál, amelynek dugattyúja 0,44 négyzetcentiméteres dugattyúfelülettel rendelkezik, akkor 986 psi-t kapnál a főtengely nyílásainál (434 lbs osztva 0,44 hüvelykkel). A pedálút azonban megnő.

A fékpedálra gyakorolt 70 font erő 556 psi fékfolyadékot eredményezhet a féknyergek felé. Hogyan állítja meg ez a nyomás az autót? Ha a féknyergek egydugattyús úszó kialakításúak, 2 hüvelyk átmérőjű dugattyúkkal (dugattyúfelület = 2πR2), akkor egyszerűen megszorozzuk a dugattyúk felületét 556 psi-vel, és máris 3,419 font leszorítóerőt kapunk mindkét első féknyergnél!

Súrlódás és folyadék

A szorítóerők és a súrlódási együttható az egyenlet egyik oldalán, a féknyomaték pedig a másik oldalon van. Ha bármelyik változót növeljük, akkor a rendszer által előállítható nyomaték nagyságát változtatjuk meg.

A szorítóerők a súrlódás létrehozására szolgálnak, amely a jármű megállításához szükséges nyomatékot eredményezi. Itt jön a képbe a “súrlódási együttható”. A súrlódási együtthatót úgy számítják ki, hogy a tárgy egy felületen való csúszásához szükséges erőt elosztják a tárgy súlyával. Például, ha egy 1 font súlyú fékbetétnek a forgórészen való elcsúsztatásához 1 font erőre van szükség, akkor a két anyag közötti súrlódási együttható 1,0.

A szorítóerők és a súrlódási együttható az egyenlet egyik oldalán, a féknyomaték pedig a másik oldalon van. Ha bármelyik változót növeljük, akkor a rendszer által generálható nyomaték mennyisége változik.

A mérnökök lényegében a súrlódási együtthatót egyensúlyozzák a dugattyú és a főfékhenger méretével, hogy a járműnek megfelelő mértékű fékerőt és pedálérzetet biztosítsanak. Ha növeli vagy csökkenti a súrlódási együtthatót, felboríthatja az egyensúlyt.

A valóság

A fenti elméleti példánkban figyelmen kívül hagyunk néhány valós tényezőt, amelyek befolyásolják a szorítóerő nagyságát. A valóság az, hogy nem minden nyomás jut el a betét és a rotor közötti határfelületig. Egy része a féktömlők tágulásával elvész. De a pedálerőt vagy pedálutat növelő tényezők többsége nem hidraulikus – hanem mechanikus.

Még ha az összes nyomás el is jut a féknyereg dugattyújáig, a generált erő egy része elvész a féknyereg elhajlásával. Ha a féknyereg úszó féknyereg kialakítású, a féknyeregnek a forgórészen való központosításához szükséges csúszókon történő mozgása további folyadékmozgást igényelhet. Ha a csúszkák vagy a fékbetét megragad, ez csökkentheti a szorítóerőt, és egyenlőtlen szorítóerőt okozhat a fékbetétre. Ez csökkenti a súrlódó anyag nyomát a forgórészen, és növeli a megfelelő fékerő előállításához szükséges erőt.

A fékbetét maga növelheti a pedálerő és a pedálút. Ha pedig a hátlap nem elég merev, akkor elhajlik. Ez kétféleképpen befolyásolja a hidraulikus alkatrészeket. Először is, a hidraulikus erő a fékbetét hátlapjának meghajlítására szolgál. Másodszor, amikor a fékbetét meghajlik, az megváltoztatja a forgórészen ható szorítóerőket. A fékbetét széleinél kisebb lehet a szorítóerő, mint a fékbetét közepénél. Ez csökkenti a keletkező féknyomatékot. Ez azonban fékzajt is okozhat a fékbetét és a forgórész határfelületén fellépő súrlódási instabilitás miatt. Ha a fékbetét sérült a súrlódó anyagnak az alátétlemezről való leválása miatt, akkor csökken a fékbetét által generálható nyomaték mennyisége. Ez a nyomatékcsökkenés megköveteli, hogy a vezető erősebben nyomja a fékpedált.

Az egyetlen dolog, ami a fékezés egyenletében soha nem változik, az az emberi tényező a pedál mögött. A vezető csak ekkora erőt tud a pedálra helyezni, és az elméje csak ilyen gyorsan tud reagálni vészhelyzetben. Ha az elme és a láb küzd a betétekkel vagy a hidraulikarendszerrel kapcsolatos problémával, akkor remélhetőleg a műhelyben köt ki, mielőtt baleset történne.