Vi vet alla att ett tryck på bromspedalen saktar ner en bil att stanna. Men hur går det till? Hur överför din bil kraften från ditt ben till dess hjul? Hur multiplicerar den kraften så att den räcker för att stoppa något stort som en bil?
När du trycker ned bromspedalen överför din bil kraften från din fot till bromsarna genom en vätska. Eftersom själva bromsarna kräver en mycket större kraft än vad du skulle kunna använda med benet, måste din bil också multiplicera kraften från din fot. Den gör detta på två sätt:
Bromsarna överför kraften till däcken med friktion , och däcken överför den kraften till vägen med hjälp av friktion också. Innan vi börjar vår diskussion om komponenterna i bromssystemet kommer vi att täcka dessa tre principer:
Vi kommer att diskutera hävstång och hydraulik i nästa avsnitt.
Innehåll
I figuren nedan appliceras en kraft F på spakens vänstra ände. Den vänstra änden av spaken är dubbelt så lång (2X) som den högra änden (X). Därför finns en kraft på 2F på spakens högra ände, men den verkar genom halva sträckan (Y) som den vänstra änden rör sig (2Y). Genom att ändra de relativa längderna på spakens vänstra och högra ände ändras multiplikatorerna.
Grundidén bakom alla hydrauliska system är mycket enkel:Kraft som appliceras vid en punkt överförs till en annan punkt med hjälp av en inkompressibel vätska , nästan alltid en olja av något slag. De flesta bromssystem multiplicerar också kraften i processen.
Två kolvar monteras i två glascylindrar fyllda med olja och anslutna till varandra med ett oljefyllt rör. Om du applicerar en nedåtriktad kraft på en kolv, överförs kraften till den andra kolven genom oljan i röret. Eftersom olja är inkompressibel är effektiviteten mycket bra - nästan all applicerad kraft uppträder vid den andra kolven. Det fina med hydrauliska system är att röret som förbinder de två cylindrarna kan ha vilken längd och form som helst, vilket gör att det kan slingra sig igenom alla möjliga saker som skiljer de två kolvarna åt. Röret kan även gaffla sig, så att en huvudcylinder kan driva mer än en slavcylinder om så önskas.
Det andra snygga med ett hydraulsystem är att det gör kraftmultiplikation (eller division) ganska lätt. Om du har läst How a Block and Tackle Works eller How Gear Ratios Work, då vet du att handelskraft för avstånd är mycket vanligt i mekaniska system. I ett hydraulsystem behöver du bara ändra storleken på en kolv och cylinder i förhållande till den andra.
För att bestämma multiplikationsfaktorn, börja med att titta på storleken på kolvarna. Antag att kolven till vänster är 2 tum (5,08 cm) i diameter (1 tum / 2,54 cm radie), medan kolven till höger är 6 tum (15,24 cm) i diameter (3 tum / 7,62 cm radie) . Arean för de två kolvarna är Pi * r 2 . Arean på den vänstra kolven är därför 3,14, medan arean på kolven till höger är 28,26. Kolven till höger är nio gånger större än kolven till vänster. Detta innebär att varje kraft som appliceras på den vänstra kolven kommer ut nio gånger större på den högra kolven. Så om du applicerar en kraft på 100 pund nedåt på den vänstra kolven, kommer en uppåtgående kraft på 900 pund att visas till höger. Den enda haken är att du måste trycka ned den vänstra kolven 9 tum (22,86 cm) för att höja den högra kolven 1 tum (2,54 cm).
Därefter ska vi titta på vilken roll friktion spelar i bromssystem.
Friktion är ett mått på hur svårt det är att glida ett föremål över ett annat. Ta en titt på bilden nedan. Båda blocken är gjorda av samma material, men det ena är tyngre. Jag tror att vi alla vet vilken som kommer att vara svårare för bulldozern att skjuta.
För att förstå varför det är så, låt oss ta en närmare titt på ett av blocken och tabellen:
Även om blocken ser släta ut för blotta ögat är de faktiskt ganska grova på mikroskopisk nivå. När du lägger ner blocket på bordet, kläms de små topparna och dalarna ihop, och några av dem kan faktiskt svetsa ihop. Tyngden på det tyngre blocket gör att det kläms ihop mer, så det är ännu svårare att glida.
Olika material har olika mikroskopiska strukturer; till exempel är det svårare att glida gummi mot gummi än att glida stål mot stål. Typen av material bestämmer friktionskoefficienten , förhållandet mellan kraften som krävs för att glida blocket till blockets vikt. Om koefficienten var 1,0 i vårt exempel skulle det ta 100 pund kraft för att skjuta 100-pund (45 kg) blocket, eller 400 pund (180 kg) kraft för att glida 400-pundsblocket. Om koefficienten var 0,1 skulle det ta 10 pund kraft för att glida till 100-pundsblocket eller 40 pund kraft för att glida 400-pundsblocket.
Så mängden kraft som krävs för att flytta ett givet block är proportionell mot det blockets vikt. Ju mer vikt, desto mer kraft krävs. Detta koncept gäller för enheter som bromsar och kopplingar, där en kloss trycks mot en snurrande skiva. Ju mer kraft som trycker på dynan, desto större stoppkraft.
KoefficienterEn intressant sak med friktion är att det vanligtvis krävs mer kraft för att bryta loss ett föremål än att hålla det glidande. Det finns en statisk friktionskoefficient , där de två ytorna i kontakt inte glider i förhållande till varandra. Om de två ytorna glider i förhållande till varandra bestäms mängden kraft av dynamisk friktionskoefficient , vilket vanligtvis är mindre än den statiska friktionskoefficienten.
För ett bildäck är den dynamiska friktionskoefficienten mycket mindre än den statiska friktionskoefficienten. Bildäcket ger bäst grepp när kontaktlappen inte glider i förhållande till vägen. När den glider (som vid sladd eller utbrändhet) minskar dragkraften avsevärt.
Läs mer>
Låt oss till exempel säga att avståndet från pedalen till pivoten är fyra gånger avståndet från cylindern till pivoten, så kraften vid pedalen kommer att ökas med en faktor fyra innan den överförs till cylindern.
Även om diametern på bromscylindern är tre gånger diametern på pedalcylindern. Detta multiplicerar kraften ytterligare med nio. Sammantaget ökar detta system kraften på din fot med en faktor på 36. Om du sätter 10 pund kraft på pedalen kommer 360 pund (162 kg) att genereras vid hjulet som klämmer ihop bromsbeläggen.
Det finns ett par problem med detta enkla system. Vad händer om vi har en läcka ? Om det är en långsam läcka kommer det till slut inte att finnas tillräckligt med vätska kvar för att fylla bromscylindern, och bromsarna kommer inte att fungera. Om det är ett stort läckage kommer all vätska att spruta ut läckan första gången du bromsar och du kommer att få fullständigt bromsfel.
Huvudcylindern på moderna bilar är designad för att hantera dessa potentiella misslyckanden. Se till att kolla in artikeln om hur huvudcylindrar och kombinationsventiler fungerar, och resten av artiklarna i bromsserien (se länkarna på nästa sida), för att lära dig mer.
