Dal pedale alle pastiglie: Sistemi frenanti spiegati

È probabile che il vostro piede conosca la condizione dei freni di un veicolo e la qualità delle pastiglie dei freni prima che la vostra mente metta tutto insieme. Considerate questo: Fermare un veicolo di 4.000 libbre richiede al guidatore di premere su un pedale per generare attrito sulle ruote. Ciò che accade tra il pedale e le pastiglie può determinare quanta pressione il conducente deve applicare per fermare il veicolo in una distanza di sicurezza.

Gli ingegneri guardano il sistema frenante come un’equazione. Quando il veicolo lascia la catena di montaggio, il sistema frenante su entrambi i lati dell’equazione è equilibrato perché le variabili sono note. Dopo che il veicolo ha avuto il suo primo set di pastiglie dei freni di ricambio, le variabili cambiano, e gli input possono non corrispondere più agli output.

Questi cambiamenti all’equazione possono venire da pastiglie dei freni usurate, difettose o di bassa qualità.

Equazione idraulica

Un sistema di freno idraulico trasforma e amplifica la forza. Funziona sul semplice principio che il liquido dei freni non è comprimibile (si comprime se esposto a pressioni e temperature estremamente elevate). Quando la pressione si genera ad un’estremità del sistema, la stessa quantità di pressione esce dall’altra estremità.

In un sistema di freno idraulico, il guidatore genera la forza premendo il pedale del freno. La forza viene poi amplificata dal pedale, dal booster e dal cilindro maestro. Il guidatore modula la pressione sul pedale per fermare il veicolo tra 20 e 120 libbre. Gli esseri umani sono chiamati a usare i loro sensi per portare in sicurezza un veicolo ad un arresto.

Se la corsa del pedale è troppo lunga, il pedale richiede troppa forza o la cintura di sicurezza sembra un po’ troppo stretta, i clienti inconsciamente fanno la chiamata che i freni hanno bisogno di attenzione da un professionista.

Fare i conti

Il conducente medio genera comodamente un picco di 70 libbre di forza sul cuscinetto di gomma alla fine del pedale del freno durante una sosta moderata. Il pedale del freno non è altro che una leva meccanica che amplifica la forza del guidatore.

Il rapporto del pedale è la lunghezza complessiva del pedale o la distanza dal perno del pedale al centro della pastiglia del pedale, divisa per la distanza dal punto del perno al punto in cui l’asta di spinta si collega.

Sui veicoli più vecchi con una disposizione manuale del disco a tamburo, il rapporto del pedale è 6,2:1. Questo significa che le 70 libbre che il conducente ha applicato sono ora amplificate a 434 libbre (6,2 × 70 libbre) di forza in uscita. Il problema è che la corsa del pedale è piuttosto lunga a causa del posizionamento del punto di rotazione e della connessione del cilindro maestro.

Vacuum Brake Booster

Un booster aumenta la forza del pedale in modo da poter usare un rapporto meccanico più basso. Un rapporto più basso può produrre una corsa del pedale più breve e una migliore modulazione. La maggior parte dei veicoli con booster a vuoto avrà un rapporto meccanico del pedale da 3,2:1 a 4:1. La dimensione del diaframma del booster e la quantità di vuoto generato dal motore determineranno quanta forza può essere generata. La maggior parte dei motori genererà circa -8 psi di vuoto (non confondere con i pollici di Hg, o mercurio). Se un ipotetico booster con un diaframma di 7 pollici è sottoposto a -8 psi di vuoto del motore, produrrà più di 300 libbre di forza aggiuntiva.

Se il cilindro maestro ha un foro di 1 pollice, la superficie del pistone è di .78 pollici quadrati. Se si divide la forza in uscita di 434 libbre per la superficie del pistone, si otterranno 556 psi (434 libbre divise per .78 pollici) alle porte del cilindro maestro. Non male per 70 libbre di sforzo umano.

Se si riduce la superficie del pistone, si ottiene più pressione. Questo perché la superficie è più piccola, ma la forza in uscita dal pedale rimane la stessa. Se usate un cilindro maestro con un alesaggio di 0,75 pollici che ha un pistone con 0,44 pollici quadrati di superficie del pistone, otterrete 986 psi alle porte del cilindro maestro (434 libbre divise per 0,44 pollici). Tuttavia, la corsa del pedale aumenterà.

Settanta libbre di forza su un pedale del freno possono risultare in 556 psi di liquido dei freni diretto alle pinze. Quindi, come fa questa pressione a fermare un’auto? Se le pinze sono a singolo pistone flottante con pistoni di 2 pollici di diametro (superficie del pistone = 2πR2), moltiplichiamo la superficie dei pistoni per 556 psi e otteniamo 3.419 libbre di forza di serraggio su entrambe le pinze anteriori!

Attrito e fluido

Le forze di serraggio e il coefficiente di attrito sono da una parte dell’equazione, e la coppia frenante è dall’altra. Se si aumenta una delle due variabili, si cambia la quantità di coppia che il sistema può generare.

Le forze di serraggio sono utilizzate per generare l’attrito che produce la coppia per fermare il veicolo. È qui che entra in gioco il “coefficiente di attrito”. Il coefficiente di attrito è calcolato dividendo la forza necessaria per far scivolare un oggetto su una superficie per il peso dell’oggetto. Per esempio, se ci vuole 1 libbra di forza per far scivolare una pastiglia del freno da 1 libbra su un rotore, il coefficiente di attrito tra i due materiali è 1,0.

Le forze di serraggio e il coefficiente di attrito sono da una parte dell’equazione, e la coppia frenante è dall’altra. Se si aumenta una delle due variabili, si cambia la quantità di coppia che il sistema può generare.

In sostanza, gli ingegneri bilanciano il coefficiente di attrito con le dimensioni del pistone e del cilindro maestro per dare al veicolo la giusta quantità di forza di arresto e la sensazione del pedale. Se aumentate o diminuite il coefficiente di attrito, potreste sconvolgere l’equilibrio.

La realtà

Nel nostro esempio teorico sopra, stiamo ignorando alcuni fattori del mondo reale che influenzano la quantità di forza di arresto. La realtà è che non tutta la pressione arriva all’interfaccia tra la pastiglia e il rotore. Una parte viene persa con l’espansione dei tubi dei freni. Ma la maggior parte dei fattori che possono aumentare la forza del pedale o la corsa del pedale non sono idraulici – sono meccanici.

Anche se tutta la pressione arriva al pistone della pinza, una parte della forza generata si perde quando la pinza si flette. Se si tratta di una pinza flottante, il movimento della pinza sulle guide necessario per centrarla sul rotore può richiedere un ulteriore movimento del fluido. Se le guide o la pastiglia sono grippate, questo può abbassare la forza di serraggio e causare forze di serraggio irregolari sulla pastiglia del freno. Questo riduce l’impronta del materiale d’attrito sul rotore e aumenta la forza necessaria per generare una forza frenante sufficiente.

Il pattino stesso può aumentare la forza e la corsa del pedale. E, se la piastra posteriore non ha abbastanza rigidità, si fletterà. Questo influenza i componenti idraulici in due modi. In primo luogo, la forza idraulica viene usata per flettere la piastra di supporto del pattino del freno. In secondo luogo, quando la pastiglia si flette, altera le forze di serraggio sul rotore. I bordi della pastiglia potrebbero avere carichi di serraggio inferiori rispetto al centro della pastiglia. Questo riduce la quantità di coppia frenante generata. Ma può anche causare il rumore dei freni a causa dell’instabilità dell’attrito nell’interfaccia tra la pastiglia e il rotore. Se la pastiglia per freni è stata compromessa dalla delaminazione del materiale d’attrito dalla piastra di supporto, la quantità di coppia che la pastiglia può generare si riduce. Questa riduzione della coppia richiede che il guidatore spinga di più sul pedale del freno.

L’unica cosa che non cambia mai nell’equazione della frenata è l’elemento umano dietro il pedale. Un guidatore può mettere solo tanta forza sul pedale e la sua mente può reagire solo così velocemente in una situazione di emergenza. Se la mente e il piede stanno combattendo un problema con le pastiglie o il sistema idraulico, si spera che finisca nel vostro negozio prima che avvenga un incidente.