مقاله ترجمه شده رایگان مکانیک خودرو درباره ترمزهای دیسکی

How Disc Brakes Work

How Brakes Work

Brake Image Gallery­

We all know that pushing down on the brake pedal slows a car to a stop. But how does this happen? How does your car transmit the force from your leg to its wheels? How does it multiply the force so that it is enough to stop something as big as a car?

When you depress your brake pedal, your car transmits the force from your foot to its brakes through a fluid. Since the actual brakes require a much greater force than you could apply with your leg, your car must also multiply the force of your foot. It does this in two ways:

Mechanical advantage (leverage)

Hydraulic force multiplication

The brakes transmit the force to the tires using friction, and the tires transmit that force to the road using friction also. Before we begin our discussion on the components of the brake system, we'll cover these three principles:

Leverage

Hydraulics

Friction  

Leverage and Hydraulics

In the figure below, a force F is being applied to the left end of the lever. The left end of the lever is twice as long (2X) as the right end (X). Therefore, on the right end of the lever a force of 2F is available, but it acts through half of the distance (Y) that the left end moves (2Y). Changing the relative lengths of the left and right ends of the lever changes the multipliers.



The pedal is designed in such a way that it can multiply the force from your leg several times before any force is even transmitted to the brake fluid.

The basic idea behind any hydraulic system is very simple: Force applied at one point is transmitted to another point using an incompressible fluid, almost always an oil of some sort. Most brake systems also multiply the force in the process. Here you can see the simplest possible hydraulic system 

Simple hydraulic system

In the figure above, two pistons (shown in red) are fit into two glass cylinders filled with oil (shown in light blue) and connected to one another with an oil-filled pipe. If you apply a downward force to one piston (the left one, in this drawing), then the force is transmitted to the second piston through the oil in the pipe. Since oil is incompressible, the efficiency is very good -- almost all of the applied force appears at the second piston. The great thing about hydraulic systems is that the pipe connecting the two cylinders can be any length and shape, allowing it to snake through all sorts of things separating the two pistons. The pipe can also fork, so that one master cylinder can drive more than one slave cylinder if desired, as shown in here
Master cylinder with two slaves

The other neat thing about a hydraulic system is that it makes force multiplication (or division) fairly easy. If you have read How a Block and Tackle Works or How Gear Ratios Work, then you know that trading force for distance is very common in mechanical systems. In a hydraulic system, all you have to do is change the size of one piston and cylinder relative to the other, as shown here.
Hydraulic multiplication

To determine the multiplication factor in the figure above, start by looking at the size of the pistons. Assume that the piston on the left is 2 inches (5.08 cm) in diameter (1-inch / 2.54 cm radius), while the piston on the right is 6 inches (15.24 cm) in diameter (3-inch / 7.62 cm radius). The area of the two pistons is Pi * r2. The area of the left piston is therefore 3.14, while the area of the piston on the right is 28.26. The piston on the right is nine times larger than the piston on the left. This means that any force applied to the left-hand piston will come out nine times greater on the right-hand piston. So, if you apply a 100-pound downward force to the left piston, a 900-pound upward force will appear on the right. The only catch is that you will have to depress the left piston 9 inches (22.86 cm) to raise the right piston 1 inch (2.54 cm).

Friction

Friction is a measure of how hard it is to slide one object over another. Take a look at the figure below. Both of the blocks are made from the same material, but one is heavier. I think we all know which one will be harder for the bulldozer to push.



Friction force versus weight

To understand why this is, let's take a close look at one of the blocks and the table:


Because friction exists at the microscopic level, the amount of force it takes to move a given block is proportional to that block's weight.

Even though the blocks look smooth to the naked eye, they are actually quite rough at the microscopic level. When you set the block down on the table, the little peaks and valleys get squished together, and some of them may actually weld together. The weight of the heavier block causes it to squish together more, so it is even harder to slide.

Different materials have different microscopic structures; for instance, it is harder to slide rubber against rubber than it is to slide steel against steel. The type of material determines the coefficient of friction, the ratio of the force required to slide the block to the block's weight. If the coefficient were 1.0 in our example, then it would take 100 pounds of force to slide the 100-pound (45 kg) block, or 400 pounds (180 kg) of force to slide the 400-pound block. If the coefficient were 0.1, then it would take 10 pounds of force to slide to the 100-pound block or 40 pounds of force to slide the 400-pound block.

How Disc Brakes Work

Most modern cars have disc brakes on the front wheels, and some have disc brakes on all four wheels. This is the part of the brake system that does the actual work of stopping the car.

Brake Image Gallery

 

The most common type of disc brake­ on modern cars is the single-piston floating caliper. In this article, we will learn all about this type of disc brake design 

Disc Brake Basics

Here is the location of the disc brakes in a car:

The main components of a disc brake are:

The brake pads

The caliper, which contains a piston

The rotor, which is mounted to the hub

 

Parts of a disc brake

The disc brake is a lot like the brakes on a bicycle. Bicycle brakes have a caliper, which squeezes the brake pads against the wheel. In a disc brake, the brake pads squeeze the rotor instead of the wheel, and the force is transmitted hydraulically instead of through a cable. Friction between the pads and the disc slows the disc down.

A moving car has a certain amount of kinetic energy, and the brakes have to remove this energy from the car in order to stop it. How do the brakes do this? Each time you stop your car, your brakes convert the kinetic energy to heat generated by the friction between the pads and the disc. Most car disc brakes are vented.  

Disc brake vents

Vented disc brakes have a set of vanes, between the two sides of the disc, that pumps air through the disc to provide cooling 

Self-Adjusting Brakes

The single-piston floating-caliper disc brake is self-centering and self-adjusting. The caliper is able to slide from side to side so it will move to the center each time the brakes are applied. Also, since there is no spring to pull the pads away from the disc, the pads always stay in light contact with the rotor (the rubber piston seal and any wobble in the rotor may actually pull the pads a small distance away from the rotor). This is important because the pistons in the brakes are much larger in diameter than the ones in the master cylinder. If the brake pistons retracted into their cylinders, it might take several applications of the brake pedal to pump enough fluid into the brake cylinder to engage the brake pads.  


Self-adjusting disc brake

Older cars had dual or four-piston fixed-caliper designs. A piston (or two) on each side of the rotor pushed the pad on that side. This design has been largely eliminated because single-piston designs are cheaper and more reliable.

Emergency Brakes

In cars with disc brakes on all four wheels, an emergency brake has to be actuated by a separate mechanism than the primary brakes in case of a total primary brake failure. Most cars use a cable to actuate the emergency brake.

Disc brake with parking brake

Some cars with four-wheel disc brakes have a separate drum brake integrated into the hub of the rear wheels. This drum brake is only for the emergency brake system, and it is actuated only by the cable; it has no hydraulics.

Other cars have a lever that turns a screw, or actuates a cam, which presses the piston of the disc brake.  

Servicing Your Brakes

The most common type of service required for brakes is changing the pads. Disc brake pads usually have a piece of metal on them called a wear indicator. 

Disc brake pad

When enough of the friction material is worn away, the wear indicator will contact the disc and make a squealing sound. This means it is time for new brake pads.

There is also an inspection opening in the caliper so you can see how much friction material is left on your brake pads.

Sometimes, deep scores get worn into brake rotors. This can happen if a worn-out brake pad is left on the car for too long. Brake rotors can also warp; that is, lose their flatness. If this happens, the brakes may shudder or vibrate when you stop. Both of these problems can sometimes be fixed by refinishing (also called turning or machining) the rotors. Some material is removed from both sides of the rotors to restore the flat, smooth surface.

Refinishing is not required every time your brake shoes are replaced. You need it only if they are warped or badly scored. In fact, refinishing the rotors more often than is necessary will reduce their life. Because the process removes material, brake rotors get thinner every time they are refinished. All brake rotors have a specification for the minimum allowable thickness before they need to be replaced. This spec can be found in the shop manual for each vehicle 

ترمز های دیسکی چگونه کار می کند

ترمزها چگونه کار می کنند؟

همگی می دانیم که فشردن پدال ترمز ماشین،سرعت را می کاهد.اما چگونه؟چگونه ماشین نیروی پای شما را به چرخ ها منتقل میکند؟چگونه نیروی شما را چند برابر می کند تا برای متوقف کردن جسمی به بزرگی یک ماشین کافی باشد؟

 

طرحی کلی از سیستم ترمز

 در این مقاله که اولین مقاله از ۶ سری مقالات در مورد ترمز است،ما زنجیره ای از اتفاقاتی را که از فشردن پدال تا چرخ ها طی می شود دنبال خواهیم کرد.این قسمت،مفاهیم اساسی ای که در پشت سیستم ترمز ماشین نهفته است را پوشش می دهد و یک سیستم ساده ترمز ماشین را امتحان می کند.در مقالات بعدی،ادامه اجزای سیستم ترمز را با جزییات و نحوه عملکرد توضیح داده خواهد شد.وقتی شما پدال ترمز را می فشارید،ماشین نیروی پای شما را از طریق یک سیال به ترمز ها منتقل میکند.زیرا ترمزهای واقعی نیرویی خیلی بیشتر از نیرویی که شما توسط پایتان وارد می کنید نیاز دارد.ماشین باید نیروی پای شما را چند برابر کند.این کار از طریق ٢ روش انجام میشود:

١-مزیت مکانیکی(اهرمها)

٢-افزایش هیدرولیکی نیرو

ترمزها نیرو را از طریق اصطکاک به چرخ ها منتقل می کنند و چرخ ها نیز این نیرو را توسط اصطکاک به جاده می دهند.

قبل از اینکه بحث را بشکافیم،اجازه دهید این ٣ قانون را یاد بگیریم:

 ● دستگاه اهرمی

 ●  دستگاه هیدرولیکی

 ● دستگاه اصطکاکی

 

دستگاه اهرمی

 پدال به نحوی طراحی شده که میتواند نیروی پای شما را قبل از اینکه هرگونه نیرویی به روغن ترمز وارد شود چند برابر کند.

 


افزایش نیرو

 

در شکل بالا،نیروی F به سمت چپ اهرم وارد شده است.سمت چپ اهرم (2X) دو برابر سمت راست(X) است.در نتیجه در سمت راست اهرم،نیروی 2F ظاهر میشود،ولی در نصف جابجایی (Y) نسبت به سمت چپ(2Y).تغییر نسبت سمت چپ و راست اهرم تعیین کننده نسبت نیروی دو طرف است.

 

سیستم هیدرولیکی

ایده اساسی ساده ای در پشت هر سیستم هیدرولیکی نهفته است: نیروی وارد به هرنقطه از سیال تراکم ناپذیر،که عموماً یک نوع روغن می باشد،به همان اندازه به مابقی نقاط منتقل می شود.بیشتر سیستم های ترمز از این طریق نیرو را چند برابر می کنند.در اینجا شما ساده ترین سیستم هیدرولیکی را مشاهده می کنید.

یک سیستم ساده ی هیدرولیکی

در شکل بالا،دو پیستون(به رنگ قرمز)در دو استوانه شیشه ای,پر شده از روغن,گنجانده شده اند و از طریق یک لوله پر از روغن به یک دیگر متصل اند.اگر شما یک نیروی رو به پایین به یک پیستون وارد کنید(مثلاً سمت چپی در شکل)نیرو از طریق لوله روغن به پیستون بعدی منتقل می شود.از آن جایی که روغن تراکم ناپذیر است،کارایی بسیار بالاست.تقریباً تمامی نیروی اعمال شده در پیستون دوم تولید می شود.نکته مهم در مورد سیستم هیدرولیکی اینست که لوله متصل کننده دو پیستون به هر شکل و طولی می تواند باشد،به طوری که امکان هر گونه تغییر شکل را در مسیر انتقال نیرو میسرمی کند.این لوله همچنین می تواند چند شاخه شود،در نتیجه یک پیستون مادر می تواند بیش از یک شاخه،در صور نیاز داشته باشد،همان طور که در شکل نشان داده شده است.

 

یک نکته شسته رفته دیگر در مورد سیستم هیدرولیک اینکه می تواند نیرو را چند برابر کند،(یا تقسیم کند)اگر شما "چگونه قرقره و جعبه دنده کار می کنند؟" یا "نسبت دنده چگونه کار می کند؟" را خوانده باشید،حتماً می دانید که مبادله نیرو و جابه جایی در سیستم های مکانیکی بسیار مرسوم است.در یک سیستم هیدرولیکی ،کافیست سایز یک پیستون را نسبت به دیگری متفاوت انتخاب کنیم،مطابق شکل:

افزایش هیدرولیکی نیرو

برای تعیین ضریب افزایش در شکل بالا،با توجه به اندازه پیستون ها کار را شروع می کنیم،فرض کنید که قطر پیستون درسمت چپ ٢ اینچ,در سمت راست 6 این باد.مساحت هر پیستون از رابطه πr2 دست می آید.پس مساحت پیستون سمت چپ 3/14  و سمت راست 28/26 است.پیستون سمت راست 9 برابر پیستون سمت چپ است،این بدان معناست که نیرویی معادل 9 برابر نیروی اعمال شده به پیستون سمت چپ،در پیستون سمت راست تولید می شود.پس اگر یک نیروی 100 پوندی به پیستون چپ وارد کنیم،نیروی معادل 900 پوند در سمت راست تولید می شود.تنها نکته این ست که شما باید پیستون سمت چپ را 9 اینچ پایین ببرید تا پیستون سمت راست 1 اینچ بالا بیاید.

 

 اصطکاک

 اصطکاک،میزان سختی حرکت دادن یک جسم بر روی جسم دیگر است.نگاهی به شکل زیر بیندازید.

١-هر دو جسم از یک جنسند،ولی یکی سنگین تر است.فکر می کنم که همه ما می دانیم که کدام یک سخت تر جابجا می شود.

 

نیروی اصطکاک در برابر وزن

برای درک دلیل این موضوع،اجازه دهید یک نگاهی از نزدیک به یکی از بلوک ها بندازیم

 

ترمزهای دیسکی چگونه کار می کنند؟

بیشتر اتومبیل های امروزی روی چرخ های جلو و برخی روی هر چهار چرخ ترمز دیسکی دارند. شکل زیر قسمتی از سیستم ترمز را نشان می دهد که نقش اصلی را در متوقّف ساختن اتومبیل دارد.

 


 ترمز دیسکی 

معمول ترین نوع ترمز دیسکی در اتومبیل های امروزی كاليپر شناور تك پيستوني است. در این مقاله، همه چیز را درباره ی این نوع ترمز دیسکی خواهیم آموخت.

قسمت های اصلی ترمز دیسکی

شکل زیر محل ترمز های دیسکی را در اتومبیل نشان می دهد:

مکان ترمز دیسکی

اجزای اصلی ترمز دیسکی از این قرارند:

·        لنت ترمز

·        كاليپر، كه شامل يك پيستون است

·        روتور، که به توپی چرخ متصل است

بخش های ترمز دیسکی

ترمز دیسکی به ترمزهایی که در دوچرخه ها کار گذاشته شده اند، شباهت بسیاری دارد. ترمز های دوچرخه مجهز به یک کالیپر می باشند، که لنت های ترمز را روی چرخ فشار می دهد. در یک ترمز دیسکی، لنت های ترمز به جای چرخ ها ، روتور را تحت فشار قرار می دهند، و نیرو به جای اینکه از طریق کابل منتقل شود به صورت هیدرولیکی انتقال می یابد. اصطکاک به وجود آمده بین لنت ها و دیسک، سرعت دیسک را کاهش می دهد.

هر اتومبیل در حال حرکت، میزان معینی انرژی جنبشی دارد، و ترمزها برای متوقف ساختن باید این انرژی را از اتومبیل بگیرند. ترمزها چگونه این کار را انجام می دهند؟ هر بار که اتومبیلتان را متوقف می سازید، ترمزها انرژی جنبشی را به گرمای حاصل از اصطکاک بین لنت ها و دیسک تبدیل می کنند. بیشتر ترمزهای دیسکی بادی هستند.

بادگیرهای ترمز دیسکی

ترمزهای بادی تعدادی پره بین دو طرف دیسک دارند که هوا را از میان دیسک عبور داده و آن را خنک می کند

ترمزهای خود تنظیم

ترمزهای دیسکی از نوع کالیپر شناور تک پیستونی، خود محور و خود تنظیم هستند. کالیپر قادر است روی دیسک از سمتی به سمت دیگر بلغزد، بنابراین هر بار که ترمزها به کار گرفته شوند کالیپر به طرف مرکز دیسک حرکت می کند. همچنین به دلیل اینکه هبچ فنری برای دور نگه داشتن لنت ها از دیسک وجود ندارد، لنت ها همواره در تماس جزئی با دیسک باقی می مانند (بست لاستیکی پیستون و در واقع هر گونه لقی در روتور می تواند لنت ها را به فاصله ی اندکی از روتور نگه دارد). این مسئله بسیار مهم است، زیرا قطر پیستون های ترمز بسیار بیشتر از قطر سیلندر های اصلی خودرو است. اگر پیستون های ترمز در سیلندر جمع شوند، ممکن است گرفتن و درگیر شدن مجدّد لنت ها تنها با چندین بار استفاده از پدال ترمز برای انتقال روغن ترمز به سیلندرها میسّر باشد.

ترمز دیسکی خود تنظیم

خودروهای قدیمی تر مجهّز به مدل کالیپر ثابتِ یا چهار پیستونی بودند. یک (یا دو) پیستون در هر طرف روتور لنت را روی آن سمت فشار می داد. این مدل به طور کامل منسوخ شده است زیرا مدل های تک پیستونی ارزان تر و بسیار مطمئن تر هستند

ترمز های اضطراری

 در خودروهایی که روی هر چهار چرخ ترمز دیسکی دارند، برای مواقع از کار افتادن ترمزهای اصلی، یک ترمز اضطراری با مکانیزمی مستقل از ترمزهای اصلی کار گذاشته می شود. در بیشتر خودروها از یک کابل برای به کار انداختن ترمز اضطراری استفاده می گردد.

 ترمز دستی

برخی خودروها با چهار ترمز دیسکی، یک ترمز جداگانه به نام ترمز طبلی هم دارند که به توپی چرخ های عقب متّصل می شود. این ترمز فقط مخصوص سیستم ترمز اضطراری است، و تنها توسّط کابل فعّال می شود وسیستم هیدرولیکی ندارد.

در خودروهای دیگر اهرمی تعبیه شده که باعث چرخش یک پیچ، یا حرکت دندانه ای می شود که پیستون ترمز دیسکی را منقبض می کند

سرویس کردن ترمزها

 معمول ترین سرویسی که ترمزها به آن نیاز دارند، تعویض لنت ها است. لنت های ترمز دیسکی معمولاً شامل قطعه ای فلزّی هستند که شاخص ساییدگی نامیده می شود.

لنت ترمز

زمانی که به میزان کافی از مادّه ی روی لنت، تحت اصطکاک ساییده شود، شاخص ساییدگی با دیسک تماس پیدا کرده وصدای جیغ مانندی تولید می کند. این بدان معنیست که زمان تعویض لنت ها فرا رسیده است.

همچنین روی کالیپر شکافی برای بازدید و معاینه وجود دارد، بنابراین شما می توانید مقدار مادّه ای که روی لنت ها باقی مانده است را ببینید.

گاهی ساییدگی های عمیقی در روتورِ ترمز رخ می دهد. روتورها همچنین ممکن است به اصطلاح تاب بردارند یا منحرف شوند؛ یعنی مسطّح بودن خود را از دست بدهند. اگر این اتّفاق بیفتد، به هنگام توقّف ممکن است ترمزها دچار لرزش و ارتعاش شوند. هر دو مشکل اغلب با بازپرداخت(تراشکاری یا ماشین کاری) روتور رفع می شوند. برای این کار از هر دو سمت روتور مقداری مادّه برداشته شده و سطح صاف و هموار حاصل می شود.

نیازی نیست در هر بار جایگزین کردن کفشک های ترمز، عمل بازپرداخت را انجام دهید. در واقع تنها زمانی این عمل احتیاج است که آنها تاب خورده و یا تحت ساییدگی زیاد قرار گرفته باشند. اگر روتورها بیش از حدّ لازم ماشین کاری شوند، عمرشان کاهش می یابد. به دلیل اینکه این عمل با جدا کردن مادّه از سطح همراه است، روتورهای ترمز بعد از هر بار ماشین کاری نازک و نازک تر می شوند. همه ی روتورهای ترمز برای حدّاقل ضخامت مجاز قبل از نیاز به تعویض قطعه، مشخّصه ای دارند. این مشخّصه را می توان در کتاب راهنمای مربوط به هر خودرو پیدا کرد

 


منبع انگلیسی :  http://auto.howstuffworks.com/disc-brake.htm

منبع ترجمه : پارسی خودرو http://www.parsikhodro.com

ترجمه توسط  صبا سمنکان


 

قرار دادن متن انگلیسی به همراه ترجمه فارسی  تنها جهت افزایش اگاهی شما می باشد در ضمن متن با کمی ویرایش می باشد


                                                            با تشکر : سید مهدی هاشمی