De la pedală la plăcuțe: Brake Systems Explained

Sunt șanse ca piciorul dvs. să cunoască starea frânelor unui vehicul și calitatea plăcuțelor de frână înainte ca mintea dvs. să pună totul cap la cap. Luați în considerare acest lucru: Oprirea unui vehicul de 4.000 de kg necesită ca șoferul să apese pe o pedală pentru a genera frecare la roți. Ceea ce se întâmplă între pedală și plăcuțe poate determina câtă presiune trebuie să aplice șoferul pentru a opri vehiculul pe o distanță sigură.

Inginerii privesc sistemul de frânare ca pe o ecuație. Când vehiculul părăsește linia de asamblare, sistemul de frânare de pe ambele părți ale ecuației este echilibrat, deoarece variabilele sunt cunoscute. După ce vehiculul a avut primul set de plăcuțe de frână de înlocuire, variabilele se schimbă, iar intrările pot să nu mai corespundă cu ieșirile.

Aceste modificări ale ecuației pot proveni de la plăcuțele de frână uzate, defecte sau de calitate inferioară.

Ecuația hidraulică

Un sistem de frânare hidraulic transformă și amplifică forța. Acesta funcționează pe baza principiului simplu că lichidul de frână nu este compresibil (se comprimă însă dacă este expus la presiuni și temperaturi extrem de ridicate). Când presiunea se generează la un capăt al sistemului, aceeași cantitate de presiune iese la celălalt capăt.

La un sistem de frânare hidraulic, șoferul generează forță apăsând pedala de frână. Forța este apoi amplificată de pedală, amplificator și cilindru principal. Șoferul va modula presiunea asupra pedalei pentru a opri vehiculul între 20 și 120 de livre. Oamenii sunt chemați să își folosească simțurile pentru a opri în siguranță un vehicul.

Dacă cursa pedalei este prea lungă, pedala necesită prea multă forță sau centura de siguranță se simte un pic prea strânsă, clienții fac în subconștient apelul că frânele au nevoie de atenția unui profesionist.

Făcând calculele

Șoferul mediu generează în mod confortabil un vârf de 70 de livre de forță pe plăcuța de cauciuc de la capătul pedalei de frână în timpul unei opriri moderate. Pedala de frână nu este nimic mai mult decât o pârghie mecanică care amplifică forța șoferului.

Raportul pedalei este lungimea totală a pedalei sau distanța de la pivotul pedalei până la centrul plăcuței pedalei, împărțită la distanța de la punctul de pivot până la locul unde se conectează tija de împingere.

La vehiculele mai vechi cu un aranjament manual cu tambur cu disc, raportul pedalei este de 6,2:1. Acest lucru înseamnă că cele 70 de lire sterline pe care le-a aplicat șoferul sunt acum amplificate la 434 de lire sterline (6,2 × 70 lire sterline) de forță de ieșire. Problema este că deplasarea pedalei este destul de lungă din cauza amplasării punctului de pivot și a conexiunii cu cilindrul principal.

Vacuum Brake Booster

Un booster mărește forța pedalei astfel încât poate fi folosit un raport mecanic mai mic al pedalei. Un raport mai mic poate produce o cursă mai scurtă a pedalei și o modulație mai bună. Cele mai multe vehicule cu servoamplificator cu vacuum vor avea un raport mecanic al pedalei de 3,2:1 până la 4:1. Dimensiunea diafragmei amplificatorului și cantitatea de vacuum generată de motor vor determina câtă forță poate fi generată. Cele mai multe motoare vor genera în jur de -8 psi de vid (a nu se confunda cu inch de Hg, sau mercur). Dacă un amplificator ipotetic cu o diafragmă de 7 inch este supus unui vacuum de -8 psi al motorului, acesta va produce mai mult de 300 de lire sterline de forță suplimentară.

Dacă cilindrul principal are un alezaj de 1 inch, suprafața pistonului este de 0,78 inch pătrați. Dacă împărțiți forța de ieșire de 434 lbs la suprafața pistonului, veți obține 556 psi (434 lbs împărțit la 0,78 inch) la orificiile cilindrului principal. Nu este rău pentru 70 lbs de efort uman.

Dacă reduceți suprafața pistonului, veți obține o presiune mai mare. Acest lucru se datorează faptului că suprafața este mai mică, dar forța de ieșire din pedală rămâne aceeași. Dacă ați folosi un cilindru principal cu un alezaj de 0,75 inch care are un piston cu o suprafață de 0,44 inch pătrați, veți obține 986 psi la orificiile pentru cilindrul principal (434 lbs împărțit la 0,44 inch). Cu toate acestea, cursa pedalei va crește.

Saptezeci de livre de forță pe o pedală de frână pot avea ca rezultat 556 psi de lichid de frână care se îndreaptă spre etrier. Deci, cum oprește această presiune o mașină? Dacă etrierii sunt de tip flotant cu un singur piston, cu pistoane cu diametrul de 2 inci (suprafața pistonului = 2πR2), trebuie doar să înmulțim suprafața pistoanelor cu 556 psi și obținem 3.419 lb de forță de strângere la ambele etriere față!

Frecare și fluid

Forțele de strângere și coeficientul de frecare sunt pe o parte a ecuației, iar cuplul de frânare este pe cealaltă parte. Dacă măriți oricare dintre cele două variabile, modificați cantitatea de cuplu pe care o poate genera sistemul.

Forțele de strângere sunt folosite pentru a genera frecarea care produce cuplul pentru a opri vehiculul. Aici intervine „coeficientul de frecare”. Coeficientul de frecare se calculează prin împărțirea forței necesare pentru a face să alunece un obiect pe o suprafață la greutatea obiectului. De exemplu, dacă este nevoie de o forță de 1 lb pentru a face să alunece o plăcuță de frână de 1 lb pe un rotor, coeficientul de frecare între cele două materiale este de 1,0.

Forțele de strângere și coeficientul de frecare sunt pe o parte a ecuației, iar cuplul de frânare este pe cealaltă parte. Dacă măriți oricare dintre cele două variabile, modificați cantitatea de cuplu pe care sistemul o poate genera.

În esență, inginerii echilibrează coeficientul de frecare cu dimensiunile pistonului și ale cilindrului principal pentru a oferi vehiculului cantitatea potrivită de forță de frânare și senzația corectă a pedalei. Dacă măriți sau micșorați coeficientul de frecare, s-ar putea să perturbați echilibrul.

Realitatea

În exemplul nostru teoretic de mai sus, ignorăm unii factori din lumea reală care influențează cantitatea de forță de strângere. Realitatea este că nu toată presiunea ajunge la interfața dintre plăcuță și rotor. O parte se pierde odată cu dilatarea furtunurilor de frână. Dar, majoritatea factorilor care pot crește forța pedalei sau cursa pedalei nu sunt hidraulici – sunt mecanici.

Chiar dacă toată presiunea ajunge până la pistonul etrierului, o parte din forța generată se pierde pe măsură ce etrierul se flexează. Dacă este un design cu etrier flotant, mișcarea etrierului pe glisierele necesare pentru a-l centra pe rotor poate necesita o mișcare suplimentară a fluidului. Dacă glisierele sau plăcuța sunt gripate, acest lucru poate scădea forța de strângere și poate cauza forțele de strângere inegale pe plăcuța de frână. Acest lucru reduce amprenta materialului de frecare pe rotor și crește forța necesară pentru a genera o forță de frânare suficientă.

Placheta de frână în sine poate crește forța și cursa pedalei. Și, dacă placa de sprijin nu are suficientă rigiditate, aceasta va flecta. Acest lucru influențează componentele hidraulice în două moduri. În primul rând, forța hidraulică este folosită pentru a flecta placa suport a plăcuței de frână. În al doilea rând, atunci când plăcuța se flexează, aceasta modifică forțele de strângere la rotor. Marginile plăcuței ar putea avea sarcini de strângere mai mici decât centrul plăcuței. Acest lucru reduce valoarea cuplului de frânare care este generat. Dar, poate provoca, de asemenea, zgomot la frânare din cauza instabilității frecării la interfața dintre plăcuță și rotor. În cazul în care plăcuța de frână a fost compromisă prin delaminarea materialului de frecare de pe placa suport, cantitatea de cuplu pe care o poate genera plăcuța de frână este redusă. Această reducere a cuplului necesită ca șoferul să apese mai tare pe pedala de frână.

Unul lucru care nu se schimbă niciodată în ecuația frânării este elementul uman din spatele pedalei. Un șofer poate exercita o forță limitată pe pedală, iar mintea sa poate reacționa doar atât de repede într-o situație de urgență. Dacă mintea și piciorul se luptă cu o problemă cu plăcuțele sau cu sistemul hidraulic, se speră că va ajunge în atelierul dumneavoastră înainte de producerea unui accident.