Wie Bremsen funktionieren

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Der Aufbau eines typischen Bremssystems. Weitere Bilder von Bremsen.

Wir alle wissen, dass das Drücken des Bremspedals ein Auto zum Stillstand bringt. Aber wie passiert das? Wie überträgt Ihr Auto die Kraft von Ihrem Bein auf die Räder? Wie multipliziert es die Kraft, so dass es ausreicht, um etwas so Großes wie ein Auto anzuhalten??

Wenn Sie das Bremspedal betätigen, überträgt Ihr Auto die Kraft von Ihrem Fuß über eine Flüssigkeit auf die Bremsen. Da die eigentlichen Bremsen eine viel größere Kraft erfordern, als Sie mit Ihrem Bein ausüben könnten, muss Ihr Auto auch die Kraft Ihres Fußes vervielfachen. Dies geschieht auf zwei Arten:

  • Mechanischer Vorteil (Hebelwirkung)
  • Multiplikation der Hydraulikkraft

-Die Bremsen übertragen die Kraft mit auf die Reifen Reibung, und die Reifen übertragen diese Kraft auch unter Verwendung von Reibung auf die Straße. Bevor wir mit der Diskussion über die Komponenten des Bremssystems beginnen, werden wir diese drei Prinzipien behandeln:

  • Hebelwirkung
  • Hydraulik
  • Reibung

Wir werden Hebelwirkung und Hydraulik im nächsten Abschnitt besprechen.

Inhalt
  1. Hebel und Hydraulik
  2. Reibung
  3. Ein einfaches Bremssystem
Das Pedal ist so konstruiert, dass es die Kraft von Ihrem Bein mehrmals vervielfachen kann, bevor überhaupt eine Kraft auf die Bremsflüssigkeit übertragen wird.

-In der folgenden Abbildung wird eine Kraft F auf das linke Ende des Hebels ausgeübt. Das linke Ende des Hebels ist doppelt so lang (2X) wie das rechte Ende (X). Daher steht am rechten Ende des Hebels eine Kraft von 2F zur Verfügung, die jedoch über die Hälfte der Strecke (Y) wirkt, um die sich das linke Ende bewegt (2Y). Durch Ändern der relativen Länge des linken und rechten Endes des Hebels werden die Multiplikatoren geändert.

Die Grundidee hinter jedem Hydrauliksystem ist sehr einfach: Die an einem Punkt ausgeübte Kraft wird mit einem auf einen anderen Punkt übertragen inkompressible Flüssigkeit, fast immer ein Öl. Die meisten Bremssysteme multiplizieren dabei auch die Kraft. Hier sehen Sie das einfachste Hydrauliksystem:

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Einfaches Hydrauliksystem

In der obigen Abbildung sind zwei Kolben (rot dargestellt) in zwei mit Öl gefüllte Glaszylinder (hellblau dargestellt) eingepasst und über ein ölgefülltes Rohr miteinander verbunden. Wenn Sie eine nach unten gerichtete Kraft auf einen Kolben ausüben (der linke in dieser Zeichnung), wird die Kraft über das Öl im Rohr auf den zweiten Kolben übertragen. Da Öl inkompressibel ist, ist der Wirkungsgrad sehr gut - fast die gesamte aufgebrachte Kraft tritt am zweiten Kolben auf. Das Tolle an Hydrauliksystemen ist, dass das Rohr, das die beiden Zylinder verbindet, eine beliebige Länge und Form haben kann, so dass es sich durch alle möglichen Dinge schlängeln kann, die die beiden Kolben trennen. Das Rohr kann sich auch gabeln, so dass ein Hauptzylinder auf Wunsch mehr als einen Nehmerzylinder antreiben kann, wie hier gezeigt:

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Hauptbremszylinder mit zwei Slaves

Das andere nette an einem Hydrauliksystem ist, dass es die Kraftmultiplikation (oder -teilung) ziemlich einfach macht. Wenn Sie gelesen haben, wie ein Block and Tackle funktioniert oder wie Übersetzungsverhältnisse funktionieren, dann wissen Sie, dass der Austausch von Kraft gegen Distanz in mechanischen Systemen sehr verbreitet ist. In einem Hydrauliksystem müssen Sie lediglich die Größe eines Kolbens und Zylinders relativ zum anderen ändern, wie hier gezeigt:

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Hydraulische Multiplikation

Um den Multiplikationsfaktor in der obigen Abbildung zu bestimmen, betrachten Sie zunächst die Größe der Kolben. Angenommen, der Kolben auf der linken Seite hat einen Durchmesser von 5,08 cm (1 Zoll / 2,54 cm), während der Kolben auf der rechten Seite einen Durchmesser von 15,24 cm (3 Zoll / 7,62 cm) hat. . Die Fläche der beiden Kolben beträgt Pi * r2. Die Fläche des linken Kolbens beträgt daher 3,14, während die Fläche des rechten Kolbens 28,26 beträgt. Der Kolben rechts ist neunmal größer als der Kolben links. Dies bedeutet, dass jede auf den linken Kolben ausgeübte Kraft auf den rechten Kolben neunmal größer ist. Wenn Sie also eine Kraft von 100 Pfund nach unten auf den linken Kolben ausüben, wird rechts eine Kraft von 900 Pfund nach oben angezeigt. Der einzige Haken ist, dass Sie den linken Kolben 22,86 cm (9 Zoll) drücken müssen, um den rechten Kolben 2,54 cm (1 Zoll) anzuheben..

Als nächstes werden wir uns die Rolle ansehen, die Reibung in Bremssystemen spielt.

Reibungskraft gegen Gewicht

-Reibung ist ein Maß dafür, wie schwierig es ist, ein Objekt über ein anderes zu schieben. Schauen Sie sich die Abbildung unten an. Beide Blöcke bestehen aus demselben Material, einer ist jedoch schwerer. Ich denke, wir alle wissen, welches für den Bulldozer schwerer zu schieben sein wird.

Um zu verstehen, warum dies so ist, schauen wir uns einen der Blöcke und die Tabelle genauer an:

Da auf mikroskopischer Ebene Reibung besteht, ist die Kraft, die zum Bewegen eines bestimmten Blocks erforderlich ist, proportional zum Gewicht dieses Blocks.

Obwohl die Blöcke mit bloßem Auge glatt aussehen, sind sie auf mikroskopischer Ebene tatsächlich ziemlich rau. Wenn Sie den Block auf den Tisch legen, werden die kleinen Gipfel und Täler zusammengedrückt, und einige von ihnen können tatsächlich zusammenschweißen. Das Gewicht des schwereren Blocks führt dazu, dass er stärker zusammenquetscht, sodass das Gleiten noch schwieriger ist.

Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche mikroskopische Strukturen. Zum Beispiel ist es schwieriger, Gummi gegen Gummi zu schieben, als Stahl gegen Stahl zu schieben. Die Art des Materials bestimmt die Reibungskoeffizient, das Verhältnis der Kraft, die erforderlich ist, um den Block zum Gewicht des Blocks zu schieben. Wenn der Koeffizient in unserem Beispiel 1,0 wäre, würde es 100 Pfund Kraft erfordern, um den 100-Pfund-Block (45 kg) zu schieben, oder 400 Pfund (180 kg) Kraft, um den 400-Pfund-Block zu schieben. Wenn der Koeffizient 0,1 wäre, würde es 10 Pfund Kraft erfordern, um zum 100-Pfund-Block zu gleiten, oder 40 Pfund Kraft, um den 400-Pfund-Block zu gleiten.

Die Kraft, die erforderlich ist, um einen bestimmten Block zu bewegen, ist proportional zum Gewicht dieses Blocks. Je mehr Gewicht, desto mehr Kraft wird benötigt. Dieses Konzept gilt für Geräte wie Bremsen und Kupplungen, bei denen ein Belag gegen eine sich drehende Scheibe gedrückt wird. Je mehr Kraft auf das Pad drückt, desto größer ist die Bremskraft.

Koeffizienten

-Ein interessantes Merkmal der Reibung ist, dass normalerweise mehr Kraft erforderlich ist, um ein Objekt zu lösen, als um es gleiten zu lassen. Da ist ein Haftreibungskoeffizient, wo die beiden Kontaktflächen nicht relativ zueinander gleiten. Wenn die beiden Flächen relativ zueinander gleiten, wird die Kraftmenge durch die dynamischer Reibungskoeffizient, Das ist normalerweise weniger als der Haftreibungskoeffizient.

Bei einem Autoreifen ist der dynamische Reibungskoeffizient viel geringer als der Haftreibungskoeffizient. Der Autoreifen bietet die größte Traktion, wenn die Kontaktfläche nicht relativ zur Straße rutscht. Wenn es rutscht (wie beim Schleudern oder Burnout), wird die Traktion stark reduziert.

Bevor wir uns mit allen Teilen eines tatsächlichen Fahrzeugbremssystems befassen, schauen wir uns ein vereinfachtes System an:

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Sie können sehen, dass der Abstand vom Pedal zum Drehpunkt das Vierfache des Abstands vom Zylinder zum Drehpunkt beträgt, sodass die Kraft am Pedal um den Faktor vier erhöht wird, bevor sie auf den Zylinder übertragen wird.

Sie können auch sehen, dass der Durchmesser des Bremszylinders das Dreifache des Durchmessers des Pedalzylinders beträgt. Dies multipliziert die Kraft weiter mit neun. Insgesamt erhöht dieses System die Kraft Ihres Fußes um den Faktor 36. Wenn Sie 10 Pfund Kraft auf das Pedal ausüben, werden am Rad, das die Bremsbeläge zusammendrückt, 162 kg (360 Pfund) erzeugt.

Bei diesem einfachen System gibt es einige Probleme. Was ist, wenn wir eine haben? Leck? Wenn es sich um ein langsames Leck handelt, ist möglicherweise nicht mehr genügend Flüssigkeit vorhanden, um den Bremszylinder zu füllen, und die Bremsen funktionieren nicht. Wenn es sich um ein großes Leck handelt, spritzt beim ersten Betätigen der Bremsen die gesamte Flüssigkeit aus dem Leck und Sie haben einen vollständigen Bremsfehler.

Der Hauptbremszylinder moderner Autos ist darauf ausgelegt, diese potenziellen Ausfälle zu beheben. Lesen Sie unbedingt den Artikel über die Funktionsweise von Hauptbremszylindern und Kombiventilen sowie den Rest der Artikel in der Bremsserie (siehe die Links auf der nächsten Seite), um weitere Informationen zu erhalten.

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