Från pedal till kuddar: Från pedal till kuddar: Förklarade bromssystem

Chansen är stor att din fot känner till bromsarnas skick och kvaliteten på bromsbeläggen innan din hjärna sätter ihop det hela. Tänk på detta: För att stoppa ett fordon som väger 4 000 kg krävs att föraren trycker på en pedal för att skapa friktion på hjulen. Vad som händer mellan pedalen och beläggen kan avgöra hur mycket tryck föraren måste utöva för att stoppa fordonet på ett säkert avstånd.

Ingenjörerna ser på bromssystemet som en ekvation. När fordonet lämnar monteringsbandet är bromssystemet på båda sidor av ekvationen balanserat eftersom variablerna är kända. Efter att fordonet har fått sin första uppsättning utbytta bromsbelägg förändras variablerna och det kan hända att ingångarna inte längre stämmer överens med utgångarna.

Dessa förändringar i ekvationen kan komma från slitna, defekta eller lågkvalitativa bromsbelägg.

Hydraulisk ekvation

Ett hydrauliskt bromssystem omvandlar och förstärker kraften. Det fungerar enligt den enkla principen att bromsvätska inte är komprimerbar (den komprimeras dock om den utsätts för extremt höga tryck och temperaturer). När tryck genereras i systemets ena ände kommer samma mängd tryck ut i andra änden.

I ett hydrauliskt bromssystem genererar föraren kraft genom att trycka på bromspedalen. Kraften förstärks sedan av pedalen, förstärkaren och huvudcylindern. Föraren modulerar trycket på pedalen för att stoppa fordonet vid mellan 20 och 120 pund. Människor uppmanas att använda sina sinnen för att på ett säkert sätt få ett fordon att stanna.

Om pedalen är för lång, pedalen kräver för mycket kraft eller om säkerhetsbältet känns lite för hårt, gör kunderna omedvetet bedömningen att bromsarna behöver uppmärksamhet från en fackman.

Räkna på saken

Den genomsnittlige föraren genererar bekvämt en toppkraft på 70 pund på gummikudden vid bromspedalens ände under ett måttligt stopp. Bromspedalen är inget annat än en mekanisk spak som förstärker förarens kraft.

Pedalförhållandet är den totala pedallängden eller avståndet från pedalens vridpunkt till pedalkuddens centrum, dividerat med avståndet från vridpunkten till den plats där tryckstången ansluts.

På äldre fordon med manuellt skiv- och trumarrangemang är pedalförhållandet 6,2:1. Detta innebär att de 70 pund som föraren har lagt på sig nu förstärks till 434 pund (6,2 × 70 pund) utgångskraft. Problemet är att pedalens rörelse är ganska lång på grund av placeringen av pivotpunkten och huvudcylinderanslutningen.

Vakuumbromsförstärkare

En förstärkare ökar pedalens kraft så att ett lägre mekaniskt pedalförhållande kan användas. Ett lägre utväxlingsförhållande kan ge kortare pedalväg och bättre modulering. De flesta vakuumförstärkta fordon har ett mekaniskt pedalförhållande på 3,2:1 till 4:1. Storleken på förstärkarens membran och mängden vakuum som genereras av motorn avgör hur mycket kraft som kan genereras. De flesta motorer genererar ett vakuum på cirka -8 psi (förväxla inte med tum Hg eller kvicksilver). Om en hypotetisk förstärkare med ett 7-tums membran utsätts för ett motorvakuum på -8 psi kommer den att generera mer än 300 pund extra kraft.

Om huvudcylindern har en 1-tums borrning är kolvens yta 0,78 kvadrattum. Om du dividerar utgångskraften på 434 pund med kolvens yta får du 556 psi (434 pund dividerat med 0,78 tum) vid huvudcylinderns portar. Inte illa för 70 lbs mänsklig ansträngning.

Om du minskar kolvens yta får du mer tryck. Detta beror på att ytan är mindre, men utgångskraften från pedalen förblir densamma. Om du använder en huvudcylinder med en borrning på 0,75 tum som har en kolv med 0,44 kvadratcentimeter kolvyta skulle du få 986 psi vid huvudcylinderns portar (434 lbs dividerat med 0,44 tum). Pedalens rörlighet kommer dock att öka.

Sju pund kraft på en bromspedal kan resultera i 556 psi bromsvätska på väg till bromsbromsarna. Hur stoppar detta tryck en bil? Om bromsbromsarna är en flytande konstruktion med en enda kolv och kolvar med en diameter på 2 tum (kolvarnas yta = 2πR2) är det bara att multiplicera kolvarnas yta med 556 psi och vi får en klämkraft på 3 419 lbs vid båda de främre bromsbromsarna!

Friktion och vätska

Klämkrafter och friktionskoefficienten står på ena sidan av ekvationen, och bromsmomentet står på den andra sidan. Om du ökar någon av variablerna ändrar du det vridmoment som systemet kan generera.

Klampkrafterna används för att generera friktion som producerar vridmoment för att stoppa fordonet. Det är här som ”friktionskoefficienten” kommer in i bilden. Friktionskoefficienten beräknas genom att dividera den kraft som krävs för att glida ett föremål över en yta med föremålets vikt. Om det t.ex. krävs en kraft på 1 pund för att föra en bromsbelägg på 1 pund över en rotor är friktionskoefficienten mellan de två materialen 1,0.

Fästkrafter och friktionskoefficienten står på ena sidan av ekvationen, och bromsvridmomentet på den andra sidan. Om du ökar någon av variablerna ändrar du det vridmoment som systemet kan generera.

I huvudsak balanserar ingenjörerna friktionskoefficienten med kolv- och huvudcylinderstorlekar för att ge fordonet rätt mängd bromskraft och pedalkänsla. Om du ökar eller minskar friktionskoefficienten kan du rubba balansen.

Verkligheten

I vårt teoretiska exempel ovan ignorerar vi några verkliga faktorer som påverkar mängden klämkraft. I verkligheten är det så att inte allt tryck når gränssnittet mellan pad och rotor. En del går förlorad genom att bromsslangarna expanderar. Men majoriteten av de faktorer som kan öka pedalkraften eller pedalens rörlighet är inte hydrauliska – de är mekaniska.

Även om allt tryck når fram till bromsklämmarkolven förloras en del av den genererade kraften när bromsklämman böjs. Om det är en konstruktion med flytande kaliper kan rörelsen av kalibret på de glidare som behövs för att centrera det på rotorn kräva extra vätskeförflyttning. Om glidarna eller bromsbelägget är fastbrända kan detta minska klämkraften och orsaka ojämna klämkrafter på bromsbelägget. Detta minskar friktionsmaterialets fotavtryck på rotorn och ökar den kraft som krävs för att generera tillräcklig bromskraft.

Bromsklossen i sig kan öka pedalens kraft och slaglängd. Och om bakplattan inte har tillräcklig styvhet kommer den att böjas. Detta påverkar de hydrauliska komponenterna på två sätt. För det första används den hydrauliska kraften för att böja bromsklossens bakplatta. För det andra förändras klämkrafterna vid rotorn när bromsbelägget böjs. Kuddens kanter kan ha lägre klämkrafter än mitten av kudden. Detta minskar det bromsvridmoment som genereras. Men det kan också orsaka bromsbrus på grund av friktionsinstabilitet i gränssnittet mellan bromsbelägget och rotorn. Om bromsbelägget har skadats av delaminering av friktionsmaterialet från bakplattan minskar det vridmoment som bromsbelägget kan generera. Denna minskning av vridmomentet kräver att föraren trycker hårdare på bromspedalen.

Den enda sak som aldrig förändras i bromsekvationen är den mänskliga faktorn bakom pedalen. En förare kan bara sätta så mycket kraft på pedalen och deras hjärna kan bara reagera så snabbt i en nödsituation. Om hjärnan och foten kämpar mot ett problem med bromsklossarna eller hydraulsystemet hamnar den förhoppningsvis i din verkstad innan en olycka inträffar.