Od pedału do klocków hamulcowych: Brake Systems Explained

Możliwe, że Twoja stopa będzie znała stan hamulców pojazdu i jakość klocków hamulcowych, zanim Twój umysł złoży to wszystko w całość. Rozważ to: Zatrzymanie pojazdu o masie 4000 funtów wymaga od kierowcy naciśnięcia na pedał, aby wytworzyć tarcie na kołach. To, co dzieje się pomiędzy pedałem a klockami hamulcowymi, może określić, jak duże ciśnienie kierowca musi zastosować, aby zatrzymać pojazd w bezpiecznej odległości.

Inżynierowie patrzą na układ hamulcowy jak na równanie. Kiedy pojazd opuszcza linię montażową, układ hamulcowy po obu stronach równania jest zrównoważony, ponieważ zmienne są znane. Po pierwszej wymianie klocków hamulcowych w pojeździe zmienne ulegają zmianie, a dane wejściowe mogą nie odpowiadać danym wyjściowym.

Takie zmiany w równaniu mogą być spowodowane zużytymi, wadliwymi lub niskiej jakości klockami hamulcowymi.

Równanie hydrauliczne

Hydrauliczny układ hamulcowy przekształca i wzmacnia siłę. Działa on w oparciu o prostą zasadę, że płyn hamulcowy nie jest ściśliwy (ulega jednak ściśnięciu pod wpływem bardzo wysokiego ciśnienia i temperatury). Kiedy na jednym końcu układu wytwarza się ciśnienie, taka sama ilość ciśnienia wychodzi na drugim końcu.

W hydraulicznym układzie hamulcowym kierowca wytwarza siłę naciskając na pedał hamulca. Siła ta jest następnie wzmacniana przez pedał, wspomaganie i pompę hamulcową. Kierowca moduluje nacisk na pedał, aby zatrzymać pojazd z siłą od 20 do 120 funtów. Ludzie mają za zadanie wykorzystać swoje zmysły, aby bezpiecznie doprowadzić pojazd do zatrzymania.

Jeśli skok pedału jest zbyt długi, pedał wymaga użycia zbyt dużej siły lub pas bezpieczeństwa jest zbyt ciasny, klienci podświadomie uznają, że hamulce wymagają uwagi profesjonalisty.

Robiąc obliczenia

Przeciętny kierowca podczas umiarkowanego hamowania generuje 70 funtów siły na gumowym klocku na końcu pedału hamulca. Pedał hamulca jest niczym więcej niż mechaniczną dźwignią, która wzmacnia siłę kierowcy.

Przełożenie pedału to całkowita długość pedału lub odległość od osi obrotu pedału do środka nakładki na pedał, podzielona przez odległość od osi obrotu do miejsca połączenia z popychaczem.

W starszych pojazdach z ręcznym układem bębna tarczowego, przełożenie pedału wynosi 6,2:1. Oznacza to, że siła 70 funtów przyłożona przez kierowcę jest teraz wzmocniona do 434 funtów (6,2 × 70 funtów) siły wyjściowej. Problem polega na tym, że skok pedału jest dość długi z powodu umiejscowienia punktu obrotu i połączenia pompy hamulcowej.

Podciśnieniowe wspomaganie hamulców

Wzmacniacz zwiększa siłę nacisku na pedał, dzięki czemu można zastosować niższe mechaniczne przełożenie pedału. Niższe przełożenie może przynieść skrócenie skoku pedału i lepszą modulację. Większość pojazdów ze wspomaganiem podciśnieniowym będzie miała mechaniczne przełożenie pedału 3,2:1 do 4:1. Rozmiar membrany wspomagania i ilość podciśnienia wytwarzanego przez silnik określają, jak dużą siłę można wygenerować. Większość silników wytwarza podciśnienie około -8 psi (nie mylić z calami Hg, czyli rtęci). Jeśli hipotetyczne wspomaganie z 7-calową membraną jest poddane -8 psi podciśnienia silnika, wytworzy ponad 300 funtów dodatkowej siły.

Jeśli pompa hamulcowa ma 1-calowy otwór, powierzchnia tłoka wynosi .78 cali kwadratowych. Jeśli podzielisz siłę wyjściową 434 funtów przez powierzchnię tłoka, otrzymasz 556 psi (434 funty podzielone przez .78 cali) w portach pompy hamulcowej. Nieźle jak na 70 funtów ludzkiego wysiłku.

Jeśli zmniejszysz powierzchnię tłoka, uzyskasz większe ciśnienie. Dzieje się tak dlatego, że powierzchnia jest mniejsza, ale siła wyjściowa z pedału pozostaje taka sama. Gdybyś użył pompy hamulcowej z otworem .75 cali, która ma tłok o powierzchni .44 cali kwadratowych, otrzymałbyś 986 psi w portach pompy hamulcowej (434 funty podzielone przez .44 cale). Jednak skok pedału zwiększy się.

Siedemdziesiąt funtów siły na pedale hamulca może spowodować 556 psi płynu hamulcowego zmierzającego do zacisków. Jak więc takie ciśnienie zatrzymuje samochód? Jeśli zaciski są jednotłoczkowe z tłoczkami o średnicy 2 cali (powierzchnia tłoczka = 2πR2), wystarczy pomnożyć powierzchnię tłoczków przez 556 psi i otrzymamy 3,419 funtów siły zacisku na obu przednich zaciskach!

Tarcie i płyn

Siły zacisku i współczynnik tarcia są po jednej stronie równania, a moment hamowania po drugiej. Jeśli zwiększysz którąkolwiek ze zmiennych, zmienisz ilość momentu obrotowego, który może wygenerować system.

Siły zaciskające są używane do generowania tarcia, które wytwarza moment obrotowy do zatrzymania pojazdu. W tym miejscu „współczynnik tarcia” wchodzi do gry. Współczynnik tarcia oblicza się dzieląc siłę potrzebną do przesunięcia obiektu po powierzchni przez jego wagę. Na przykład, jeśli potrzeba 1 funta siły, aby przesunąć ważący 1 funt klocek hamulcowy po wirniku, współczynnik tarcia między tymi dwoma materiałami wynosi 1.0.

Siły zacisku i współczynnik tarcia znajdują się po jednej stronie równania, a moment obrotowy hamulca po drugiej. Jeśli zwiększysz którąkolwiek ze zmiennych, zmienisz ilość momentu obrotowego, jaki może wygenerować system.

W istocie inżynierowie równoważą współczynnik tarcia z rozmiarami tłoka i pompy hamulcowej, aby zapewnić pojazdowi odpowiednią siłę hamowania i wyczucie pedału hamulca. Jeśli zwiększysz lub zmniejszysz współczynnik tarcia, możesz naruszyć tę równowagę.

Rzeczywistość

W naszym teoretycznym przykładzie powyżej, ignorujemy pewne czynniki ze świata rzeczywistego, które wpływają na wielkość siły zacisku. Rzeczywistość jest taka, że nie całe ciśnienie dociera do interfejsu pomiędzy klockiem a wirnikiem. Część z nich jest tracona przez rozszerzające się przewody hamulcowe. Ale większość czynników, które mogą zwiększyć siłę nacisku na pedał hamulca lub jego skok, nie jest hydrauliczna – są one mechaniczne.

Nawet jeśli całe ciśnienie dociera do tłoczka zacisku, część wytworzonej siły jest tracona, ponieważ zacisk się ugina. Jeśli jest to konstrukcja z zaciskiem pływającym, ruch zacisku na prowadnicach potrzebny do wycentrowania go na wirniku może wymagać dodatkowego ruchu płynu. Jeśli prowadnice lub klocek hamulcowy są zatarte, może to zmniejszyć siłę zacisku i spowodować nierównomierne siły zacisku na klocku hamulcowym. Zmniejsza to powierzchnię styku materiału ciernego z wirnikiem i zwiększa siłę potrzebną do wytworzenia wystarczającej siły hamowania.

Sam klocek hamulcowy może zwiększyć siłę nacisku na pedał i skok. Jeśli płyta nośna nie ma wystarczającej sztywności, będzie się uginać. Wpływa to na elementy hydrauliczne na dwa sposoby. Po pierwsze, siła hydrauliczna jest wykorzystywana do wygięcia płytki nośnej klocka hamulcowego. Po drugie, gdy klocek się ugina, zmienia się siła zacisku na wirniku. Krawędzie klocka mogą mieć mniejsze siły docisku niż jego środek. Powoduje to zmniejszenie wytwarzanego momentu obrotowego hamulca. Ale może to również powodować hałas podczas hamowania z powodu niestabilności tarcia na styku klocka i wirnika. Jeśli klocek hamulcowy został uszkodzony przez rozwarstwienie materiału ciernego z płytki nośnej, ilość momentu obrotowego, który może wygenerować klocek hamulcowy jest zmniejszona. To zmniejszenie momentu obrotowego wymaga od kierowcy mocniejszego naciśnięcia pedału hamulca.

Jedną rzeczą, która nigdy się nie zmienia w równaniu hamowania, jest czynnik ludzki stojący za pedałem. Kierowca może włożyć w pedał tylko tyle siły, a jego umysł może zareagować tylko tak szybko w sytuacji awaryjnej. Jeśli umysł i stopa walczą z problemem z klockami lub układu hydraulicznego, to miejmy nadzieję, że skończy się to w twoim sklepie, zanim dojdzie do wypadku.

.