Znasz ten proces. Stopa naciska na pedał. Samochód zatrzymuje się. Wydaje się to natychmiastowe, niemal magiczne, ale w rzeczywistości jest to czysta mechanika. Głównym pytaniem nie jest to, czy to działa, ale jak. W jaki sposób ludzka noga zdolna do wywarcia niewielkiego wysiłku może wygenerować siłę wystarczającą do zatrzymania metalowej skrzynki ważącej tysiące funtów?
Odpowiedź leży w przenoszeniu i zwielokrotnianiu siły. Twoja stopa naciska dźwignię. Ta dźwignia porusza ciecz. Płyn ten popycha tłoki. Proste, prawda? Nie bardzo. System opiera się na dwóch różnych koncepcjach fizycznych, aby wypełnić lukę między mięśniem łydki a klockami hamulcowymi: dźwignią i układem hydraulicznym.
Bez tych zasad do zatrzymania sedana potrzebna byłaby siła kulturysty. Same hamulce wykorzystują tarcie do zaciskania tarcz. Opony wykorzystują tarcie, aby przyczepić się do asfaltu. Zanim jednak zajmiemy się zaciskami i przewodami hamulcowymi, musimy przyjrzeć się podstawowym zasadom. Mianowicie dźwignia i hydraulika. To są silniki Twojej siły hamowania.
Fizyka zatrzymywania
Aby zrozumieć mechanikę, trzeba szanować fizykę. Trzy filary wspierają całą architekturę układu hamulcowego: dźwignię, hydraulikę i tarcie. Tutaj przeanalizujemy dwa pierwsze. Tarcie jest wynikiem, a nie siłą napędową.
Dźwignia jest pojęciem najłatwiejszym do zrozumienia. Wyobraź sobie łom. Długi trzonek umożliwia podniesienie ciężkiego przedmiotu przy minimalnym wysiłku. Pedał hamulca działa na tej samej zasadzie. To jest dźwignia.
Naciskając pedał, przykładasz siłę do jednego końca. Punkt podparcia lub dźwignia znajduje się najbliżej głównego cylindra. Stwarza to przewagę mechaniczną. Możesz naciskać z siłą 50 funtów. Geometria pedału zapewnia, że tłok głównego cylindra otrzymuje znacznie większą siłę. Współczynnik różni się w zależności od samochodu, ale efekt jest stały. Siła stopy wzrasta jeszcze zanim dotknie ona płynu hamulcowego.
Układ hydrauliczny jeszcze bardziej zwielokrotnia tę zwiększoną siłę. Płyn hamulcowy jest nieściśliwy. To kluczowa właściwość. Kiedy wypychasz płyn z jednego końca zamkniętego układu, ciśnienie jest natychmiast przenoszone na drugi koniec.
Prawo Pascala definiuje to zachowanie. Ciśnienie wywierane na zamknięty płyn jest przenoszone równomiernie we wszystkich kierunkach. Ale tu właśnie następuje mnożenie. Główny cylinder ma małą powierzchnię. Cylindry hamulcowe (lub zaciski) mają dużą powierzchnię.
Siła równa się naciskowi razy powierzchnia. Jeśli ciśnienie jest stałe w całym systemie, większy obszar skutkuje większą siłą. Mały tłok w głównym cylindrze wypycha płyn. Płyn ten naciska na większy tłok w kole. Siła zostaje zwielokrotniona. Możesz zacząć od siły wejściowej 200 funtów. Tłok zacisku może wypchnąć siłę 800 funtów lub więcej, w zależności od przełożenia.
To zwielokrotnienie siły hydraulicznej jest krytyczne. Bez tego tarcie wymagane do zatrzymania samochodu nie byłoby możliwe do osiągnięcia przy użyciu samej siły nóg. System działa jak wzmacniacz siły, przekształcając umiarkowany wysiłek ludzki w znaczną siłę hamowania.
Następnie opony przekształcają tę siłę hydrauliczną w rzeczywiste opóźnienie. Tarcie pomiędzy klockiem a rotorem spowalnia koło. Tarcie pomiędzy oponą a jezdnią spowalnia samochód. Ale magia zaczyna się od dźwigni i płynu.
Dźwignie to pierwsze w historii urządzenia zwiększające siłę. Naciskasz długie ramię, a krótkie ramię podnosi ciężki ładunek z dwukrotnie większą siłą, chociaż pokonuje połowę odległości. Hydraulika działa na tej samej zasadzie kompromisu. Poświęcasz odległość, aby zyskać większy moment obrotowy.
Sekretnym składnikiem jest nieściśliwość. W przeciwieństwie do powietrza sprężonego pod ciśnieniem, płyn hamulcowy nie jest ściśliwy. Ta właściwość umożliwia przeniesienie siły przyłożonej w jednym punkcie bezpośrednio do innego punktu za pośrednictwem ośrodka, który nie traci energii w wyniku odkształcenia. W większości samochodowych układów hamulcowych tym medium jest olej.
Fizyka przenoszenia płynów
Wyobraźcie sobie dwa szklane cylindry zamknięte tłokami, napełnione olejem i połączone elastycznym wężem. Wciśnij jeden tłok w dół. Ropa nie ma dokąd pójść, tylko na drugą stronę. Ponieważ płyn jest nieściśliwy, prawie 100% siły wejściowej dociera do drugiego tłoka.
Ten projekt jest niezawodny. Rura łącząca nie może być prosta. Może owijać się wokół nadwozia, wyginać się wokół elementów zawieszenia lub skręcać pod wpływem momentu obrotowego bez utraty wydajności. Rura może również być rozgałęziona, dzięki czemu jeden cylinder główny może napędzać wiele cylindrów podrzędnych. Jedna pompa – cztery koła. Tylko.
Obliczanie mnożenia hydraulicznego
Pomnażanie siły to nie magia. To jest geometria. Mianowicie jest to stosunek powierzchni tłoków.
Rozważ cylinder główny z tłokiem o średnicy 2 cali i cylinder podrzędny z tłokiem o średnicy 6 cali.
- Promień lewego tłoka: 1 cal
- ** Promień prawego tłoka:** 3 cale
Pole jest równe pi razy kwadrat promienia ($\pi r^2$).
- Obszar lewej strony: $\pi \times 1^2 \około 3,14$ cali kwadratowych
- Obszar prawej strony: $\pi \times 3^2 \około 28,26$ cali kwadratowych
Prawy tłok jest dziewięć razy większy niż lewy. Ten stosunek 9:1 definiuje wszystko. Przyłóż siłę 100 funtów do małego tłoka, a duży tłok wytworzy siłę 900 funtów.
Ale jest niuans. Prawo zachowania energii nadal obowiązuje. Aby podnieść ładunek o masie 900 funtów o 1 cal, należy obniżyć tłok o masie 100 funtów o 9 cali. Zamieniasz skok tłoka na siłę. Dlatego pedały hamulca mają długie dźwignie, zanim jeszcze dotkną głównego cylindra. Resztę robi układ hydrauliczny.
Tarcie
Zrozumienie tarcia przez masę
Tarcie to zasadniczo opór odczuwany podczas próby przesunięcia jednej powierzchni o drugą. Spójrz na instalację. Dwa bloki. Wykonane z tego samego materiału. Jeden z nich jest znacznie cięższy.
Nie potrzebujesz dyplomu z fizyki, aby dowiedzieć się, który blok będzie trudniejszy do opanowania przez spychacz. Wygrywa cięższy blok. Ale dlaczego?
Powiększmy obraz. Przyjrzyj się uważnie jednemu blokowi i stolikowi pod nim.
Powierzchnia bloku może wydawać się płaska, ale po bliższym przyjrzeniu się okazuje się, że jest to krajobraz pełen szczytów i dolin. Kiedy położysz ten klocek na stole, te mikroskopijne wypustki zderzają się ze sobą. Niektóre z nich są nawet zgrzewane ciśnieniowo. Cięższe bloki wywierają większy nacisk, mocniej ściskając powierzchnie i utrudniając ich przesuwanie.
Różne materiały w różny sposób opierają się ruchowi. Ślizganie się gumy po gumie jest trudniejsze niż ślizganie stali po stali. Opór ten jest określony przez współczynnik tarcia. Reprezentuje stosunek siły poślizgu do ciężaru obiektu.
Jeśli stosunek wynosi 1,0, 100-funtowy blok wymaga siły 100 funtów, aby się poruszyć. Blok o wadze 400 funtów wymaga 400 funtów. Jeśli stosunek spadnie do 0,1, ten sam 100-funtowy blok wymaga tylko 10 funtów siły. Blok o wadze 400 funtów wymaga 40 funtów.
Siła potrzebna do poruszenia obiektu jest wprost proporcjonalna do jego ciężaru. Zasada ta leży u podstaw działania hamulców i sprzęgieł. Podkładka dociskana jest do obracającej się tarczy. Większe ciśnienie oznacza większą siłę hamowania.
Tarcie statyczne i dynamiczne
Przesunięcie obiektu wymaga więcej wysiłku, niż utrzymanie go w ruchu. Kiedy powierzchnie są nieruchome względem siebie, występuje tarcie statyczne. Gdy tylko zaczną się ślizgać, w grę wchodzi dynamiczne tarcie. Tarcie dynamiczne jest zwykle mniejsze.
Opony samochodowe opierają się na tej różnicy. Opony zapewniają maksymalną przyczepność, gdy powierzchnia styku trzyma się drogi, a nie ślizga. Poślizg lub spalanie gumy znacznie zmniejsza przyczepność. Samochód traci przyczepność w momencie wejścia w strefę tarcia dynamicznego.
Zwielokrotnienie siły hydraulicznej
Rozważmy prosty układ hamulcowy. Odległość od pedału do punktu podparcia jest czterokrotna odległość od cylindra do punktu podparcia. To połączenie zwiększa czterokrotnie siłę pedałowania, zanim dotrze ona do cylindra.
Ponadto średnica cylindra hamulcowego jest trzykrotnie większa niż średnica cylindra pedału. To zwielokrotnia wysiłek dziewięciokrotnie. Łącząc dźwignię i rozmiar cylindra, otrzymujemy mnożnik siły 36x.
Zastosuj siłę 10 funtów na pedał. Koło otrzymuje nacisk 360 funtów na klocki hamulcowe.
Problem nieszczelności
Ten prosty system ma wadę: przecieki. Powolny wyciek powoduje utratę płynu do momentu, w którym nie wystarczy go do napełnienia cylindra. Hamulce stopniowo zawodzą. Poważniejszy wyciek jest jeszcze gorszy. Naciśnij raz hamulce, a cały płyn wypłynie. Całkowita awaria następuje natychmiast.
Nowoczesne główne cylindry hamulcowe rozwiązują te problemy. Zawierają zabezpieczenia zapobiegające całkowitej utracie ciśnienia. Aby zrozumieć, jak działają, należy przyjrzeć się zaworom kombinowanym i zasadom hydrauliki. Kolejne etapy w tej serii obejmują hamulce bębnowe, hamulce tarczowe, hamulce ze wspomaganiem i układy przeciwblokujące.
