Гальмівна система автомобіля (фізика, формули і теорія)

З чого ж складається гальмівна система:
1) Педальний вузол, це важіль який збільшує зусилля створюване ногою (Співвідношення педалі).
2) Головний гальмівний циліндр (ГТЦ)
3) Гальмівні лінії
4) Клапана, для дотримання балансу. Гальмівна система може мати наступні клапана між ГТЦ і супортами: Клапан залишкового тиску, дозуючий, комбінований, пропорційний або обмежувальний.
5) Гальмівні супорти
6) Гальмівні колодки
7) Гальмівні диски

** Отже почнемо з азів (фізики) **

Гальмівна сила
Це крутний момент, створюваний ефективним радіусом гальмівного диска, силою стиснення гальмівних колодок і коефіцієнтом тертя між колодкою і диском. Це сила з якою сповільнюється колесо разом з шиною. Основні компоненти які впливають на силу гальмування - це наскільки сильно стискаються колодки, і як далеко від центру маточини прикладається ця сила. Звідси чим більше розмір гальмівного диска, тим далі сила стиснення прикладається від центру колеса і тим самим ми збільшуємо гальмівну силу (ефект важеля). Це також як коли вам треба відкрутити закисший болт, чим довше ключ (важіль) тим простіше.
Рекомендована сила расcсчітивается наступною формулою:

ТСР = ССП х (радіус кочення шини)

коефіцієнт зчеплення покришки з дорогою досить складно розрахувати, він може бути від 0,1 на льоду до 1,4 на сухому гоночному треку зі сликом. Якщо він вам невідомий, то використовуйте його рівним 1.

Пам'ятайте, необхідно взяти до уваги перенесення ваги, оскільки при гальмуванні задня частина розвантажується, а передня навантажується.

перед:
ССПП = μ * ВСП / 2
ВСП = Вм * ((1-Хцг / КБ) + (μ * Yцг / КБ))
зад:
ССПз = μ * ВСЗ / 2
ВСЗ = Вм - ВСП

Після акуратних розрахунків ми зможемо зрозуміти наскільки нам круті потрібні гальма і від чого залежить ця сила:
- Ніяк не залежить від швидкості
- Може змінюватися в залежності від якості покришки, якості покриття, погодні умови
- Залежить від розміру колеса (як ви думаєте, все ті хто ставить величезні колеса, або величезні гальма хоч як небудь їх розраховував і пов'язував разом? =)
- Залежить від ваги машини, кліренсу і колісної бази, адже правда, ніж машина легше і нижче тим менше перенесення ваги впливає на гальмування.

сила стиснення
Сила з якою супорт притискає колодки до диска вимірюється в кілограмах, це сила створюється тиском в гальмівній системі помноженим на площу поршнів (супорт без скоби), або 2 * на площу поршнів (супорт зі скобою), вимірюється в кг \ см ^ 2. Щоб збільшити силу стиснення, треба або змінити тиск в системі, або збільшити площу поршня. Зміна складу колодки (коеф тертя) не впливає на силу стиснення.
Розраховується наступною формулою:

де
СЗ - Сила стиснення (кг)
ДГ - Тиск, створюваний ГТЦ (кг \ см ^ 2)
Пп - ефективна площа поршнів (для супорта зі скобою це 2 * на площу поршнів)

Отже тепер ми можемо розрахувати яку ж силу виробляють наші гальма:

де
СТп - вироблена сила гальмування (кг)
СЗ - Сила стиснення (кг)
μL - Коефіцієнт тертя колодки і диска
Re - Ефективний радіус гальмівного диска (від центру маточини до центр колодки)

Коефіцієнт тертя
Це індикатор сили тертя між гальмівним диском і колодкою. Чим вище коефіцієнт, тим вище сила тертя. Для стічних колодок це коефіцієнт варіюється від 0,3 до 0,4. Для гоночних від 0,5 до 0,6. "Жорсткі" колодки мають слабкий коефіцієнт тертя, при цьому зношуються менше. "М'які колодки навпаки, маю високий коефіцієнт тертя і швидше зношуються. Більшість колодок має залежність коеф тертя від температури, тому гоночні колодки необхідно гріти, в той час як цивільні при такій температурі вже втратять свої властивості.

теплоємність
Я сподіваюся що ні для кого не секрет що гальма зупиняють машину за рахунок перетворення кінетичної енергії в тепло. А значить чим важче машина, чим швидше ви валіть, тим більше тепла вона повинна розсіювати щоб не перегріти рідина, диски і не спалити колодки. Здатність дисків до розсіювання тепла залежить від їх ваги і від того як вони добре охолоджуються.
Формула кінетичної енергії рухомого авто:

де
К - кінетична енергія (дж)
Вм - Вага машини (кг)
Див - швидкість машини (м \ c)

Тут нічого нового, ми прекрасно розуміємо, вибір гальм залежить від того скільки важить ваш авто і / або як швидко ви їздите. І ви повинні пам'ятати ще з автомобільних курсів (для тих хто не купував права =), що збільшуючи швидкість в 2 рази ви збільшуєте гальмівний шлях в 4 рази. Це і є дія кінетичної енергії.

Формула зростання температури при гальмуванні:

Тп = ((Кд-Кп) / (417 * Вд)) + Тв

де
Тп - температура після гальмування (С)
Кд - Кінетична енергія до гальмування (дж)
Кп - Кінетична енергія після гальмування (дж)
Вд - Вага гальмівних дисків (загальний) (кг)
Тв - Температура гальмівних дисків до гальмування (С)

Візьмемо авто для прикладу, гальмування:
Вага авто - 1220кг
Вага дисків - 33,5кг (перед 12кг, зад 4,75кг)
Швидкість на прямий - 177км / год (49,17м / с)
Швидкість перед початком гальмування - 70км / год (19,44м / с)
Температура гальмівних дисків до гальмування - 25С

Кб = (1220 * 49,17 ^ 2) / 2 = 1474826 дж
Кп = (1220 * 19,44 ^ 2) / 2 = 230669 дж

Тп = ((1474826-230669) / (417 * 33,5)) + 25 = 114 С

І так після такого гальмування температура дисків складе близько 114 градусів. Давайте порівняємо з вашими результатами? =) Для простоти можете сказати тільки вага машини, вага всіх гальмівних дисків)

І так, з фізикою поки пригальмуємо, переідем до більш теоретичної частини.

Є три речі які гальма повинні зробити щоб зупинити авто:
1) Досить сильно притискати колодки до диска
2) Проводити достатню гальмівну силу для блокування коліс на будь-якому покритті
3) Мати достатню масу і охолодження дисків для розсіювання тепла створюваного кінетичної енергією.

Всі вони в сукупності повинні давати відмінну інформативність.

педальний вузол
Як ми вже обговорювали, щоб загальмувати водій повинен одночасно перемістити рідина і створити тиск. ГТЦ переміщує рідина щоб створити достатню притискну силу колодок до диска.

Педаллю ви активуєте гальма, також педаль служить своєрідним важелем, який збільшує силу натискання. Ефект називається "співвідношення педалі"

Зазвичай ми тиснемо на педаль гальма з силою від 22 до 45 кг щоб активно сповільнитися.
Як приклад на гоночних авто без підсилювача це зусилля близько 35кг, для машин з підсилювачем це близько 22кг. 45кг це вже перебір, педаль буде дуже жорсткою.

Співвідношення педалі можна розрахувати розділивши відстань від точки кріплення педалі до місця прикладання сили на відстань від точки кріплення педалі до тяги йде до ГТЦ.

Співвідношення педалі A / B

Як ми бачимо, що більше цей показник тим більше сили передається на ГТЦ. Але потрібно пам'ятати один момент, збільшуючи співвідношення ми збільшуємо і хід педалі.

Для машин з підсилювачем це співвідношення зазвичай близько 4-4,5. Для машин без підсилювача від 6 до 7.

Тому зняття підсилювача із стічною педаллю це не вірний варіант =)

Розрахувати силу прикладену до поршня можна знаючи силу прикладену до самої педалі, співвідношення педалі (важіль) і при наявності підсилювача гальм, коефіцієнт посилення ім.

де
Сп - Сила прикладена до поршня ГТЦ (кг)
Дп - Тиск на педалі (кг)
Кп - Коефіцієнт (соотноешніе) педалі
Ку - коефіцієнт підсилювача гальм (якщо його немає використовувати 1)

гідравліка
Як я вже писав, щоб притиснути колодки до диска необхідно переміщення рідини і створення тиску в контурі. Цим всім завідую закони гідравліки (Паскаля).
В ідеалі треба прагнути до достатній силі притиснення колодок при мінімальному ході педалі.

Сила прикладена до ГТЦ створює тиск в контурі. Тиск це сила прикладена до поршня ГТЦ поділена на площу його циліндра. А значить чим менше площа циліндра, тим більше тиск.

Тиск в системі = Сп / Пп

де
Сп - Сила прикладена до поршня ГТЦ (кг)
Пп - Площа поршня ГТЦ (див ^ 2)

Приклад ГТЦ (циліндр 0,875 ") при силі 500кг:

Тиск в системі = 500 / 3,87 = 129 кг / см ^ 2
І з ГТЦ (циліндр 1 ")
Тиск в системі = 500 / 4,91 = 101 кг / см ^ 2

З цього випливає що чим вище тиск тим сильніше колодки притискаються до диска, а значить більше гальмівна сила. Але це ще не означає що якщо ми хочемо потужні гальма ми повинні ставити маленький ГТЦ. Тут вступає інша складова - рух. Оскільки рідина нестисливої, то будь-який рух ГТЦ надає руху поршні в супортах. Це рух в гідравліки називають витіснення. Розраховується воно як твір переміщення поршня на його площу. Вимірюється в см ^ 3

Витіснення = Пп * Дп

де
Пп - Площа поршня (див ^ 2)
Дп - рух поршня ГТЦ (см)

Знову розрахуємо його для стокового ГТЦ моєї авто (0.875), і ходом в 3 см
Витіснення = 3,87 * 3 = 11,61 см ^ 3
І для ГТЦ (циліндр 1 ") і ходом 3 см
Витіснення = 4,91 * 3 = 14,73 см ^ 3

Тут ми бачимо зворотну ситуацію, чим менше площа циліндра, тим менше витісняється обсяг при тому ж ході педалі (а значить більше хід педалі).

Тепер переходимо до розбору польотів про систему в цілому, нам відомо що гальмівна система замкнута а значить тиск передається по всій системі в рівних значеннях. А також в ній крім ГТЦ є супорти з поршнями (для розрахунків використовується загальна площа всіх поршнів)

Це означає створюване ГТЦ тиск призводить в рух всі поршні в системі. Оскільки площа поршнів в супорті більше площі ГТЦ, то за законами гідравліки сила видається супортом збільшується в рази.

Чим більше значення зусилля в цьому співвідношенні, тим менше сили треба прикладати до педалі (і більше хід педалі) для досягнення того ж результату.

Розрахувати підсилює фактор можна за формулою

де
Сз - Сила стиснення супортом (кг)
Сп - Сила прикладена до поршня ГТЦ (кг)
Пс - Ефективна площа поршнів (для супорта зі скобою це 2 * на площу поршнів)
Пг - Площа поршня ГТЦ (див ^ 2)

Наприклад, (циліндр 0,875 "):
Сз = (500 * 10,17 * 4) / 3,87 = 5255,8 кг
І з ГТЦ (циліндр 1 ")
Сз = (500 * 10,17 * 4) / 4,91 = 4142,6 кг

З цього випливає, що при незмінній силі на ГТЦ ми можемо збільшити силу стиснення за рахунок або збільшення площі поршнів супорта або зменшивши площу поршня ГТЦ.

Але не все так просто. Не забувайте про інший чинник - русі. На жаль граючи з площами циліндрів ми змінюємо хід педалі. Так, наприклад зменшуючи ГТЦ, ми зменшуємо кількість витісняється рідини - доводиться педаллю працювати більше щоб компенсувати цей момент (тиск не почне рости поки колодки не притулиться до диска). Це ж справедливо і при збільшенні площі поршнів супорта (при одному ГТЦ).

Розрахуємо хід поршня:

де
ХП - Хід поршня супорта (см)
Дп - Рух поршня ГТЦ (см)
Пг - Площа поршня ГТЦ (див ^ 2)
Пс - Ефективна площа поршнів (для супорта зі скобою це 2 * на площу поршнів) (див ^ 2)

Наприклад, (циліндр 0,875 "), хід ГТЦ 3см:

ХП = (3 * 3,87) / 40,68 = 0,29 см
І циліндр (1 ")
ХП = (3 * 4,91) / 40,68 = 0,36 см

З цього ми бачимо, що якщо ви не хочете змінювати хід педалі, то змінюючи площа супорта (ставлячи величезні гальма) ви повинні не забути і про ГТЦ. І навпаки.

ГТЦ
Це серце всієї гальмівної системи. Активується натисканням на педаль, спочатку поршень пересуває рідина по системі до тих пір поки колодки не вступлять в контакт з диском, потім оскільки система стає замкнутою, починає рости тиск створюючи гальмівну силу. Звідси чим сильніше ви тиснете на педаль тим вище гальмівна сила.

Основні параметри ГТЦ це діаметр поршня і його хід. Зазвичай зустрічаються ГТЦ з діаметрами від 0,625 "до 1,5" і з ходом від 2,5 см до 3,81 см. Відповідність обох цих параметрів до рекомендованих параметрах для вашого авто - запорука гарної продуктивності. Варто запам'ятати при одному зусиллі на педалі, маленький ГТЦ дасть більший тиск, але при цьому зможе менше витіснити рідини. Також чим більше хід ГТЦ, тим більше він рідини може витіснити, але при цьому більший хід педалі потрібно. Кращого результату можна досягти розрахувавши компроміс між ходом педалі і тиском для вашого авто.

регулятори тиску
- Клапан залишкового тиску (RPV)

клапани залишкового тиску

Необхідний для підтримки заданого тиску в системі (для дискових гальм 0.14 кг \ см ^ 2, для барабанних 0,70 кг \ см ^ 2)
Є пара причин для використання таких клапанів
1) Тільки для барабанних гальм щоб поворотна пружина не зводила занадто далеко колодки від барабана, створюючи зайвий хід педалі при наступних гальмуваннях.
2) Тільки для дискових гальмівних систем в яких ГТЦ знаходиться нижче рівня супортів (деякі гоночні авто і хот-роди). Без такого клапана рідина від супортів буде набрякати назад в ГТЦ роблячи педаль ватяною і знову ж збільшуючи її хід.

Якщо ви міняєте барабанні гальма на дискові - обов'язково видаліть з системи такі клапани

- Дозувальний клапан (Hold-off)

Оскільки на задніх барабанних гальмах присутній поворотна пружина, то як вище описувалося барабанів потрібен більший хід щоб колодка досягла барабана, ніж в саморегулюючих дискових гальмах, де колодка завжди впритул до диска. Дозуючий клапан (ставиться в передній контур) запобігає створення тиску в передній гальмівний контурі, поки воно не досягне заданого значення в задньому (зазвичай до 5-10 кг \ см ^ 2) щоб дати барабанним колодкам наблизитися до барабану.

Якщо ви міняєте барабанні гальма на дискові - обов'язково видаліть з системи такі клапани

- Розподільчий клапан (PBV)

Як ми вже писали вище, при гальмуванні вага машини зміщується вперед. Оскільки гальмівна сила повинна розподілитися пропорційно ваговій навантаженні (там де більше ваги - більше гальмівної сили), потрібно дотримати гальмівний баланс перед-зад. Наприклад при жорсткому гальмуванні до 85% ваги доводиться на перед автомобіля. На правильно отрегуліруемой системі передні гальма і задні блокуються практично одночасно. Встановлюється зазвичай між ГТЦ і заднім контуром щоб знизити тиск на задній контур в перші моменти гальмування. Варто врахувати, що тиск в задньому контурі не завжди буде нижче ніж в передньому, за рахунок цього клапана ви міняєте швидкість росту тиску. На передніх гальмах при натисканні на гальмо воно лише швидше створиться ніж в задньому.
Стічні клапана нерегульовані, але є і гоночні варіанти, за допомогою яких можна відрегулювати гальмівний баланс на зміненої гальмівній системі.