Tất cả chúng ta đều biết rằng nhấn bàn đạp phanh sẽ làm cho ô tô dừng lại. Nhưng làm thế nào điều này xảy ra? Làm thế nào để ô tô của bạn truyền lực từ chân của bạn đến các bánh xe của nó? Làm thế nào để nó nhân một lực để nó đủ để ngăn một vật lớn như một chiếc ô tô?
Khi bạn nhấn bàn đạp phanh, ô tô của bạn sẽ truyền lực từ chân của bạn đến phanh thông qua một chất lỏng. Vì phanh thực tế cần một lực lớn hơn nhiều so với lực bạn có thể tác động vào chân, nên xe của bạn cũng phải nhân thêm lực của chân bạn. Nó thực hiện điều này theo hai cách:
Phanh truyền lực đến lốp xe bằng cách sử dụng ma sát , và lốp xe cũng truyền lực đó xuống mặt đường bằng cách sử dụng lực ma sát. Trước khi bắt đầu thảo luận về các thành phần của hệ thống phanh, chúng ta sẽ đề cập đến ba nguyên tắc sau:
Chúng ta sẽ thảo luận về đòn bẩy và thủy lực trong phần tiếp theo.
Nội dung
Trong hình dưới đây, một lực F đang được tác dụng vào đầu bên trái của đòn bẩy. Đầu bên trái của cần dài gấp đôi (2X) so với đầu bên phải (X). Do đó, ở đầu bên phải của đòn bẩy có một lực 2F, nhưng nó tác dụng qua một nửa quãng đường (Y) mà đầu bên trái di chuyển (2Y). Thay đổi độ dài tương đối của các đầu bên trái và bên phải của đòn bẩy sẽ thay đổi hệ số nhân.
Ý tưởng cơ bản đằng sau bất kỳ hệ thống thủy lực nào rất đơn giản:Lực tác dụng tại một điểm được truyền đến điểm khác bằng cách sử dụng chất lỏng không nén được , hầu như luôn luôn là một loại dầu nào đó. Hầu hết các hệ thống phanh cũng nhân lên lực trong quá trình này.
Hai piston được lắp vào hai xi lanh thủy tinh chứa đầy dầu và được nối với nhau bằng một ống dẫn đầy dầu. Nếu bạn tác dụng một lực hướng xuống lên một pít-tông, thì lực này sẽ được truyền đến pít-tông thứ hai thông qua dầu trong ống. Vì dầu không nén được nên hiệu suất rất tốt - hầu như tất cả lực tác dụng đều xuất hiện ở piston thứ hai. Điều tuyệt vời về hệ thống thủy lực là đường ống nối hai xi-lanh có thể có chiều dài và hình dạng bất kỳ, cho phép nó luồn lách qua mọi thứ ngăn cách hai piston. Ống cũng có thể phân nhánh, do đó một xi lanh chính có thể dẫn động nhiều hơn một xi lanh phụ nếu muốn.
Một điều thú vị khác về hệ thống thủy lực là nó làm cho việc nhân (hoặc chia) lực khá dễ dàng. Nếu bạn đã đọc Cách hoạt động của một khối và cách xử lý hoặc Cách tỷ lệ bánh răng hoạt động, thì bạn biết rằng lực giao dịch theo khoảng cách rất phổ biến trong các hệ thống cơ khí. Trong hệ thống thủy lực, tất cả những gì bạn phải làm là thay đổi kích thước của một pít-tông và xi lanh so với các pít-tông và xi-lanh kia.
Để xác định hệ số nhân, hãy bắt đầu bằng cách xem kích thước của các piston. Giả sử rằng piston bên trái có đường kính 2 inch (5,08 cm) (bán kính 1 inch / 2,54 cm), trong khi piston bên phải có đường kính 6 inch (15,24 cm) (bán kính 3 inch / 7,62 cm) . Diện tích của hai piston là Pi * r 2 . Do đó, diện tích của piston bên trái là 3,14, trong khi diện tích của piston bên phải là 28,26. Piston bên phải lớn hơn piston bên trái chín lần. Điều này có nghĩa là bất kỳ lực nào tác dụng lên piston bên trái sẽ lớn hơn 9 lần trên piston bên phải. Vì vậy, nếu bạn tác dụng một lực hướng xuống 100 pound lên piston bên trái, một lực hướng lên 900 pound sẽ xuất hiện ở bên phải. Cách duy nhất là bạn sẽ phải nhấn pít-tông bên trái 9 inch (22,86 cm) để nâng pít-tông bên phải lên 1 inch (2,54 cm).
Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét vai trò của ma sát trong hệ thống phanh.
Ma sát là thước đo mức độ khó trượt của vật này qua vật khác. Hãy nhìn vào hình bên dưới. Cả hai khối đều được làm từ cùng một vật liệu, nhưng một khối nặng hơn. Tôi nghĩ tất cả chúng ta đều biết cái nào sẽ khó đẩy xe ủi hơn.
Để hiểu tại sao lại như vậy, chúng ta hãy xem xét kỹ một trong các khối và bảng:
Mặc dù nhìn bằng mắt thường các khối có vẻ mịn, nhưng chúng thực sự khá thô ở cấp độ vi mô. Khi bạn đặt khối xuống bàn, các đỉnh và rãnh nhỏ sẽ bị ép lại với nhau và một số trong số chúng có thể thực sự hàn lại với nhau. Trọng lượng của khối nặng hơn làm cho khối này ép vào nhau nhiều hơn, vì vậy nó càng khó trượt hơn.
Các vật liệu khác nhau có cấu trúc vi mô khác nhau; ví dụ, trượt cao su so với cao su khó hơn trượt thép so với thép. Loại vật liệu xác định hệ số ma sát , tỷ số của lực cần thiết để trượt khối với trọng lượng của khối. Nếu hệ số là 1,0 trong ví dụ của chúng tôi, thì sẽ cần 100 pound lực để trượt khối 100 pound (45 kg) hoặc 400 pound (180kg) lực để trượt khối 400 pound. Nếu hệ số là 0,1, thì sẽ cần 10 pound lực để trượt đến khối 100 pound hoặc lực 40 pound để trượt khối 400 pound.
Vì vậy, lực cần thiết để di chuyển một khối nhất định tỷ lệ với trọng lượng của khối đó. Trọng lượng càng nhiều, càng cần nhiều lực. Khái niệm này áp dụng cho các thiết bị như phanh và ly hợp, trong đó một miếng đệm được ép vào đĩa quay. Lực nhấn vào miếng đệm càng nhiều thì lực dừng càng lớn.
Hệ sốMột điều thú vị về ma sát là nó thường tốn nhiều lực hơn để phá vỡ một vật thể lỏng lẻo hơn là giữ cho nó trượt. Có một hệ số ma sát tĩnh , nơi hai bề mặt tiếp xúc không trượt so với nhau. Nếu hai bề mặt trượt tương đối với nhau, lượng lực được xác định bởi hệ số ma sát động , thường nhỏ hơn hệ số ma sát tĩnh.
Đối với lốp ô tô, hệ số ma sát động nhỏ hơn nhiều so với hệ số ma sát tĩnh. Lốp ô tô cung cấp lực kéo lớn nhất khi miếng dán tiếp xúc không trượt so với mặt đường. Khi nó đang trượt (như trong khi trượt hoặc vượt cạn), lực kéo sẽ giảm đáng kể.
Đọc thêm>
Ví dụ, giả sử rằng khoảng cách từ bàn đạp đến trụ bằng bốn lần khoảng cách từ xi lanh đến trụ, do đó lực ở bàn đạp sẽ tăng lên bốn lần trước khi nó được truyền đến xi lanh.
Ngoài ra nếu đường kính của xi lanh phanh gấp ba lần đường kính của xi lanh bàn đạp. Điều này tiếp tục nhân lực lượng lên chín. Tất cả cùng nhau, hệ thống này làm tăng lực của bàn chân của bạn lên 36. Nếu bạn đặt 10 pound lực lên bàn đạp, 360 pound (162 kg) sẽ được tạo ra khi bánh xe ép vào má phanh.
Có một vài vấn đề với hệ thống đơn giản này. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng tôi có một rò rỉ ? Nếu đó là một sự rò rỉ chậm, cuối cùng sẽ không còn đủ chất lỏng để lấp đầy xi lanh phanh và phanh sẽ không hoạt động. Nếu đó là một vết rò rỉ lớn, thì lần đầu tiên bạn đạp phanh, tất cả chất lỏng sẽ phun ra chỗ rò rỉ và bạn sẽ bị hỏng phanh hoàn toàn.
Xi lanh chủ trên ô tô hiện đại được thiết kế để đối phó với những hỏng hóc tiềm ẩn này. Hãy nhớ xem bài viết về Cách hoạt động của xi lanh chính và van kết hợp, và phần còn lại của các bài viết trong loạt bài về phanh (xem các liên kết trên trang tiếp theo), để tìm hiểu thêm.
Phanh đĩa hoạt động như thế nào?
Cách phanh chảy máu
Hệ thống phanh của tôi hoạt động như thế nào?
Cách hoạt động của phanh tái tạo