Как работают тормоза

Все мы знаем, что нажатие на педаль тормоза замедляет автомобиль до упора. Но как это происходит? Как ваша машина передает силу от вашей ноги к колесам? Как он умножает силу так, что этого достаточно, чтобы остановить нечто такое же большое, как автомобиль?

Когда вы нажимаете педаль тормоза, ваш автомобиль передает сигнал от вашей ноги к тормозам через жидкость. Поскольку фактические тормоза требуют гораздо большей силы, чем вы могли бы прикладывать ногой, ваша машина также должна умножать силу вашей ноги. Это делается двумя способами:

• Механическое
• Умножение гидравлической силы

Тормоза передают силу шинам, используя трение , и шины передают эту силу дороге, также используя трение. Прежде чем мы начнем наше обсуждение компонентов тормозной системы, мы рассмотрим эти три принципа:

• Рычаг
• Гидравлика
• Трение

Рычаг и гидравлика

На рисунке ниже сила F прикладывается к левому концу рычага. Левый конец рычага в два раза длиннее, чем правый конец (X). Следовательно, на правом конце рычага имеется сила 2F, но она действует на половину расстояния (Y), по которому движется левый конец (2Y). Изменение относительной длины левого и правого концов рычага изменяет множители.

Основная идея любой гидравлической системы очень проста: сила, приложенная в одной точке, передается в другую точку с помощью несжимаемой жидкости , почти всегда какой-то нефти. Большинство тормозных систем также умножают силу в процессе.

Простая гидравлическая система

Представим два поршня вставлены в два стеклянных цилиндра, заполненных маслом и соединенных друг с другом заполненной маслом трубкой. Если приложить нисходящую силу к одному поршню, то сила передается на второй поршень через масло в трубе. Поскольку масло несжимаемо, эффективность очень хорошая — почти все приложенное усилие появляется на втором поршне. Самое замечательное в гидравлических системах заключается в том, что труба, соединяющая два цилиндра, может иметь любую длину и форму, позволяя ей проникать сквозь все виды вещей, разделяющих два поршня. Труба также может быть разветвленной, так что один главный цилиндр может приводить в движение более одного рабочего цилиндра, если это необходимо.Э

Главный цилиндр с двумя рабочими механизмами

Еще одна приятная вещь в гидравлической системе заключается в том, что она делает умножение силы (или деление) довольно простым. Если вы читали, как работают передаточные числа , то вы знаете, что сила передачи на расстоянии очень распространена в механических системах. В гидравлической системе все, что вам нужно сделать, это изменить размер одного поршня и цилиндра относительно другого.Э

Гидравлическое умножение

Чтобы определить коэффициент умножения, начните с рассмотрения размера поршней. Предположим, что поршень 1 имеет диаметр 2 дюйма (5,08 см) (радиус 1 дюйм / 2,54 см), в то время как поршень справа имеет диаметр 6 дюймов (15,24 см) (радиус 3 дюйм / 7,62 см) , Площадь двух поршней равна Pi * r ², Таким образом, площадь левого поршня составляет 3,14, а площадь поршня справа — 28,26. Поршень 2 в девять раз больше, чем поршень 1. Это означает, что любое усилие, приложенное к первому поршню, выйдет в девять раз больше второго поршня. Таким образом, если вы приложите усилие вниз на 100 мм к первому поршню, на втором появится сила на 900 мм выше. Единственная проблема в том, что вам придется нажимать на первый поршень на 9 дюймов (22,86 см), чтобы поднять второй поршень на 1 дюйм (2,54 см).

Далее мы рассмотрим роль, которую трение играет в тормозных системах.

Трение

Трение — это мера того, как трудно скользить одним предметом по другому. Посмотрите на рисунок ниже. Оба блока сделаны из одного и того же материала, но один из них тяжелее. Я думаю, что мы все знаем, какой бульдозер будет сложнее толкнуть.

Чтобы понять, почему это так, давайте внимательно рассмотрим один из блоков и таблицу:

Хотя блоки выглядят гладкими невооруженным глазом, на микроскопическом уровне они на самом деле довольно грубые. Когда вы кладете блок на стол, маленькие пики и впадины сжимаются вместе, и некоторые из них могут фактически свариваться вместе. Вес более тяжелого блока заставляет его сжиматься вместе, так что скользить еще сложнее.

Разные материалы имеют разные микроскопические структуры; например, скользить резине по резине труднее, чем стали по стали. Тип материала определяет коэффициент трения , отношение силы, необходимой для скольжения блока, к весу блока. Если бы коэффициент был 1,0 в нашем примере, то потребовалось бы 45 кг силы, чтобы сдвинуть блок весом 45 кг, или 180 кг силы, чтобы сдвинуть блок весом 180 кг. Если бы коэффициент составлял 0,1, то потребовалось бы 4,5 кг силы, чтобы скользить по 45-килограммовому блоку, или 18 кг силы, чтобы скользить по 180-килограммовому блоку.

Таким образом, количество силы, необходимое для перемещения данного блока, пропорционально весу этого блока. Чем больше вес, тем больше силы требуется. Эта концепция применима для таких устройств, как тормоза и сцепление , где колодка прижимается к вращающемуся диску. Чем больше сила, которая давит на подушку, тем больше сила торможения.

КОЭФФИЦИЕНТЫ трения

Интересная вещь о трении состоит в том, что обычно требуется больше силы, чтобы сломать объект, чем удерживать его в скользящем состоянии. Существует коэффициент статического трения , при котором две контактирующие поверхности не скользят относительно друг друга. Если две поверхности скользят относительно друг друга, величина силы определяется коэффициентом динамического трения, который обычно меньше коэффициента статического трения.

Для автомобильной шины коэффициент динамического трения намного меньше, чем коэффициент статического трения. Автомобильная шина обеспечивает наибольшее сцепление, когда пятно контакта не скользит относительно дороги. Когда авто скользит (например, во время заноса или выгорания), тяговое усилие значительно снижается.

Простая тормозная система

Прежде чем мы перейдем ко всем частям реальной автомобильной тормозной системы, давайте рассмотрим упрощенную систему.

Вы можете видеть, что расстояние от педали до оси в четыре раза больше расстояния от цилиндра до оси, поэтому усилие на педали будет увеличено в четыре раза, прежде чем она будет передана на цилиндр.

Вы также можете видеть, что диаметр тормозного цилиндра в три раза больше диаметра педального цилиндра. Это еще больше умножает силу на девять. В совокупности эта система увеличивает силу вашей ноги в 36 раз. Если вы приложите 10 фунтов силы к педали, на колесо, сжимающее тормозные колодки, будет сгенерировано 360 фунтов (162 кг).

Есть несколько проблем с этой простой системой. Что делать, если у нас есть утечка ? Если это — медленная утечка, в конечном счете не будет достаточно жидкости, чтобы заполнить тормозной цилиндр, и тормоза не будут работать. Если это серьезная утечка, то при первом включении тормозов вся жидкость вытечет, и у вас будет полный отказ тормоза.

Главный цилиндр на современных автомобилях разработан, чтобы справиться с этими потенциальными отказами.