Cum funcționează frânele auto: Ghid complet pentru sistemele de frânare

Frâne auto convertiți energia cinetică a vehiculului dumneavoastră în energie termică prin frecare, aducându-vă mașina la o oprire controlată. Când apăsați pedala de frână, presiunea hidraulica inmulteste forta piciorului cu 3-6 ori , împingând plăcuțele de frână împotriva discurilor sau a tamburelor rotative pentru a crea frecarea necesară pentru decelerare. Vehiculele moderne folosesc fie frâne cu disc, frâne cu tambur sau o combinație a ambelor, împreună cu sisteme sofisticate precum ABS și distribuția electronică a forței de frânare pentru a asigura o putere de oprire sigură și fiabilă.

Fundația sistemului de frânare hidraulică

Sistemul hidraulic formează coloana vertebrală a frânării auto moderne. Când apăsați pedala de frână, aceasta activează un cilindru principal care conține lichid de frână. Acest sistem etanș funcționează pe principiul lui Pascal, în care presiunea aplicată unui fluid închis se transmite în mod egal în întregul sistem.

Funcționarea cilindrului principal

Cilindrul principal adăpostește două pistoane care creează presiune în circuite hidraulice separate. Sistemele cu circuit dublu au devenit obligatorii în 1967 după ce reglementările de siguranță au cerut redundanță - dacă un circuit se defectează, celălalt își menține capacitatea de frânare parțială. Cilindrul principal tipic generează 800-1200 psi de presiune hidraulică în timpul frânării normale și până la 2000 psi în timpul opririlor de urgență.

Proprietățile lichidului de frână

Lichidul de frână trebuie să rămână incompresibil în condiții extreme în timp ce rezistă la temperaturi de la -40°F până la peste 400°F. Fluidele DOT 3, DOT 4 și DOT 5.1 sunt pe bază de glicol cu diferite puncte de fierbere:

Natura higroscopică a fluidelor pe bază de glicol înseamnă că acestea absorb umiditatea în timp, ceea ce scade punctul de fierbere și reduce performanța de frânare. Producătorii recomandă înlocuirea lichidului de frână la fiecare 2-3 ani indiferent de kilometraj.

Componentele și funcția frânei cu disc

Frânele cu disc domină vehiculele moderne datorită disipării superioare a căldurii și performanței constante. Sistemul constă dintr-un rotor atașat la butucul roții, un etrier care carcasă pistoane hidraulice și plăcuțe de frână care creează frecare împotriva rotorului.

Design rotor de frână

Rotoarele vin în mai multe configurații, fiecare optimizată pentru diferite aplicații:

• Rotoare solide sunt piese turnate dintr-o singură piesă utilizate pe osiile din spate ale vehiculelor economice unde generarea de căldură este mai mică
• Rotoare ventilate dispune de palete de răcire interne care pompează aer prin rotor, reducând temperaturile cu 100-200 °F în timpul frânărilor puternice
• Rotoare forate au găuri care eliberează acumularea de gaz și reduc greutatea, dar se pot crăpa la stres termic extrem
• Rotoare cu fante utilizați caneluri pentru a canaliza praful de frână și pentru a menține mușcătura plăcuțelor, obișnuită la vehiculele de performanță

Majoritatea rotoarelor pentru autoturisme măsoară 10-14 inci în diametru și cântăresc 15-25 de lire sterline. Aplicațiile de înaltă performanță folosesc rotoare de până la 16 inchi cu grosime cuprinsă între 28-32 mm pentru a gestiona opriri repetate dure de la 60 mph în sub 110 picioare .

Tipuri de etrier și funcționare

Etrierele vin în două modele principale. Etrierele plutitoare folosesc un singur piston care împinge un tampon împotriva rotorului în timp ce trage corpul etrierului pentru a aplica tamponul opus. Acest design costă mai puțin și apare pe majoritatea vehiculelor economice și de gamă medie. Etrierele fixe se montează rigid și folosesc pistoane opuse - de obicei 4, 6 sau 8 - pentru a aplica presiune uniform din ambele părți. Etrierele fixe oferă cu 15-20% mai multă forță de strângere cu un management mai bun al căldurii, făcându-le standard pe mașinile sport și sedanurile de lux.

Compoziția plăcuțelor de frână

Plăcuțele de frână moderne combină mai multe materiale pentru a echilibra caracteristicile de frecare, zgomot, praf și uzură. Tampoanele semimetalice conțin 30-65% conținut de metal, inclusiv oțel, fier și cupru, oferind un transfer de căldură excelent și durabilitate pentru Durată de viață de 40.000-70.000 de mile . Tampoanele ceramice folosesc fibre ceramice și materiale neferoase care produc mai puțin praf și zgomot, dar costă cu 40-60% mai mult. Tampoanele organice oferă o funcționare silențioasă, dar se uzează mai repede și funcționează slab atunci când sunt umede.

Mecanica franei cu tambur

Frânele cu tambur încap componentele de frecare în interiorul unui tambur rotativ, folosind saboți de frână curbați care presează spre exterior pe suprafața interioară a tamburului. Deși sunt în mare parte înlocuiți de discuri pe axele din față, tamburele rămân obișnuite pe axele din spate ale camioanelor și ale mașinilor economice datorită costurilor de producție mai mici și integrării eficiente a frânei de parcare.

Design de încălțăminte de vârf și de ultimă oră

Majoritatea sistemelor de tambur folosesc o configurație de pantof de sus. Sabotul de conducere se mișcă în direcția de rotație a tamburului, creând un efect de auto-energizare care multiplică forța de frânare. Încălțămintea se mișcă împotriva rotației, oferind stabilitate și prevenind blocarea. Acest aranjament oferă putere de oprire constantă cu 25-30% mai puțin efort la pedală decât sistemele de discuri echivalente.

Funcția cilindrului roții

Presiunea hidraulică din cilindrul principal intră într-un cilindru al roții care conține două pistoane opuse. Aceste pistoane împing saboții de frână spre exterior împotriva tensiunii arcului de retur. Alezajul tipic al cilindrului roții măsoară 0,75-1,0 inci în diametru, generând suficientă forță pentru a crea 400-600 de lire de presiune de la pantof la tambur .

Limitări de disipare a căldurii

Designul închis captează căldura în interiorul ansamblului tamburului, limitând capacitatea de frânare puternică repetată. Tamburele pot atinge 400-600 °F în timpul utilizării normale, dar temperaturile susținute peste 500 °F cauzează estomparea frânei, deoarece materialele de frecare își pierd eficacitatea. Această reținere a căldurii explică de ce vehiculele moderne folosesc frâne cu disc pe axele din față, care manevrează 60-70% din forta totala de franare în timpul decelerarii.

Sisteme de amplificare a frânelor

Amplificatoarele de frână amplifică forța pedalei pentru a reduce efortul șoferului, menținând în același timp un control precis. Fără asistență, oprirea unui vehicul de 3.500 de lire sterline de la vitezele de pe autostradă ar necesita peste 150 de lire sterline de apăsare a pedalei - o cerere nesustenabilă pentru majoritatea șoferilor.

Amplificator de frână cu vid

Amplificatorul de vid folosește vid în galeria de admisie a motorului pentru a crea o diferență de presiune pe diafragmă. Când apăsați pedala de frână, o supapă se deschide pentru a admite presiunea atmosferică pe o parte a diafragmei, menținând în același timp vidul pe cealaltă parte. Aceasta Diferență de presiune de 14,7 psi împinge o tijă care asistă cilindrul principal, înmulțind forța de intrare cu 3-4 ori. Un booster tipic măsoară 8-11 inci în diametru și se montează între ansamblul pedalei și cilindrul principal.

Asistență la frânare hidraulică

Motoarele diesel și vehiculele turbo nu au adesea suficient vid, necesitând sisteme de asistență hidraulică. Acestea folosesc o pompă acţionată de motor pentru a presuriza fluidul hidraulic 2.000-3.000 psi , depozitat într-un acumulator. Sistemul oferă o creștere constantă indiferent de sarcina motorului și permite funcții avansate precum frânarea automată de urgență.

Amplificatoare electromecanice

Vehiculele hibride și electrice folosesc servofrâne electromecanice, deoarece nu funcționează continuu a motorului. Un șurub cu bile sau o cutie de viteze acționată de motor amplifică intrarea pedalei, oferind un răspuns imediat și integrându-se perfect cu sistemele de frânare regenerativă care se pot recupera. până la 70% din energia cinetică în timpul decelerarii.

Sisteme de frânare antiblocare

ABS previne blocarea roților în timpul frânării puternice prin modularea presiunii hidraulice de până la 15 ori pe secundă. Sistemul menține tracțiunea anvelopei, permițând controlul direcției în timp ce maximizează puterea de oprire. ABS reduce distanțele de oprire cu 10-20% pe pavaj umed și chiar mai mult pe gheață sau pietriș.

Funcționarea componentelor

Fiecare roată are un senzor de viteză care monitorizează viteza de rotație. Când modulul de control al ABS detectează o decelerare a unei roți mai rapid decât celelalte - indicând blocarea iminentă - acesta comandă un modulator hidraulic pentru a reduce presiunea la frâna acelei roți. Sistemul trece prin trei faze:

1. Menținerea presiunii menține forța curentă de frânare când începe alunecarea roții
2. Scăderea presiunii eliberează presiunea de frână pentru a restabili rotația roților
3. Creșterea presiunii reaplică forța de frânare pe măsură ce roata își recapătă tracțiunea

Caracteristici de performanță

Sistemele moderne ABS procesează datele senzorului la fiecare 5-10 milisecunde, ajustând presiunea de frânare cu precizie în milisecunde. Sistemul tipic menține raportul optim de alunecare între 10-20%, acolo unde frecarea anvelopelor atinge vârfuri. Aceasta explică senzația de pulsare a pedalei în timpul activării ABS - modulatorul hidraulic circulă rapid supapele pentru a controla presiunea.

Distribuție electronică a forței de frânare

EBD optimizează echilibrul de frânare între axele față și spate pe baza ratelor de încărcare și decelerare a vehiculului. În timpul frânării, greutatea se transferă înainte, reducând tracțiunea anvelopei din spate. EBD reduce proporțional presiunea frânei din spate pentru a preveni blocarea prematură a roților din spate, maximizând în același timp eficiența frânei față.

Sistemul monitorizează vitezele individuale ale roților și calculează distribuția optimă a presiunii în mod continuu. Într-un pickup încărcat, EBD ar putea trimite 75% din forța de frânare pe puntea față , în timp ce o mașină sport goală primește o împărțire mai echilibrată de 65-35. Această ajustare dinamică îmbunătățește stabilitatea și reduce distanțele de oprire în diferite condiții.

Cerințe de întreținere a sistemului de frânare

Întreținerea corespunzătoare asigură o performanță constantă de frânare și previne defectarea prematură a componentelor. Înțelegerea tiparelor de uzură și a intervalelor de service ajută la identificarea problemelor înainte ca acestea să compromită siguranța.

Durata de viață a plăcuțelor și a rotorului

De obicei, plăcuțele de frână necesită înlocuire la fiecare 30.000-70.000 de mile, în funcție de stilul de condus și de compoziția materialului. Majoritatea plăcuțelor includ indicatori de uzură - urechi metalice care intră în contact cu rotorul atunci când grosimea plăcuțelor atinge 3 mm, specificația minimă de siguranță . Rotoarele durează 50.000-100.000 de mile, dar necesită măsurare în timpul înlocuirii plăcuțelor. Grosimea sub specificația minimă sau curățarea suprafeței care depășește 0,002 inchi necesită înlocuirea rotorului.

Inspecția și înlocuirea fluidelor

Testarea lichidului de frână măsoară conținutul de umiditate și punctul de fierbere. Lichidul contaminat pare maro închis în loc de chihlimbar limpede și poate conține particule vizibile. Testele profesionale arată asta Conținutul de umiditate de 3% reduce punctul de fierbere cu 25% , crescând semnificativ riscul de estompare în timpul coborârilor de munte sau opririlor repetate.

Semne de avertizare ale problemelor de frânare

• Zgomotele de scârțâit sau de șlefuit indică că tampoanele uzate necesită înlocuire imediată
• Pulsația pedalei sugerează rotoare deformate cu variații de grosime care depășesc specificațiile
• Simțirea pedalei moale sau spongioasă indică aerul în conductele hidraulice sau uzura internă a cilindrului principal
• Vehiculul care trage într-o parte în timpul frânării indică blocarea pistoanelor etrierului sau plăcuțe contaminate
• Distanțele de oprire crescute sugerează degradarea generală a sistemului care necesită o inspecție completă

Abordarea promptă a acestor simptome previne deteriorarea altor componente și menține marja de siguranță esențială pentru opririle de urgență.