Bentornato a Riduttore 101 — una serie sulle basi di come funzionano le auto per i neofiti automobilistici là fuori.
Se hai seguito Gearhead 101, sai come funziona il motore di un'auto, come il motore trasferisce la potenza che genera tramite la trasmissione e come un cambio manuale o automatico funziona come una sorta di quadro elettrico tra il motore e la trasmissione.
Oggi parleremo del sistema automobilistico che utilizzi centinaia di volte al giorno, il cui guasto potrebbe ucciderti o ferirti gravemente.
Sto parlando dei tuoi freni.
La fisica dei freni delle auto è piuttosto semplice. Per rallentare e fermare la tua auto, il tuo sistema frenante trasforma l'energia cinetica (il movimento delle ruote) in energia termica tramite l'attrito applicato dai freni alle ruote. Una volta che tutta l'energia cinetica delle ruote è stata convertita in energia termica dai freni, l'auto si ferma.
Abbastanza semplice.
Ma ci sono due modi diversi per scuoiare questo gatto che si trasforma in energia termica e alcune altre parti che consentono a entrambi di funzionare.
Pedale del freno. Hai familiarità con il pedale del freno. È la leva che premi con il piede per rallentare e fermare l'auto. Il pedale del freno sulla maggior parte delle auto moderne si collega a un . . .
Alimentatore del freno. Oggi la maggior parte dei veicoli ha i cosiddetti "freni di potenza". I servofreni aumentano la forza prodotta dalla pressione sul pedale, che viene applicata al resto dell'impianto frenante. Ciò significa che non devi premere il pedale del freno con troppo sforzo per far rallentare o fermare la tua auto. Il servofreno è ciò che rende servofreno, servofreno.
Esistono due tipi di servofreno: servofreno sottovuoto e booster assistiti da idraulica . I booster a vuoto creano un vuoto utilizzando una presa d'aria dal motore. Questo vuoto amplifica la forza creata quando si preme il pedale, che viene applicata ai pistoni nel cilindro principale (ne parleremo tra un po'). I servoamplificatori idraulici utilizzano la pressione idraulica del servosterzo della tua auto per aumentare la forza al cilindro principale.
Quindi premi il pedale del freno. La forza creata da tale azione viene amplificata dal servofreno. Il servofreno trasferisce quella forza al . . .
Cilindro maestro. Se hai guardato sotto il cofano della tua auto, probabilmente hai visto il cilindro principale, ma non sapevi che si chiamasse così. Il cilindro principale trattiene il liquido dei freni della tua auto. Il liquido dei freni scorre attraverso i tubi dei freni fino a ciascuna ruota della tua auto. Quando si preme il pedale del freno, l'energia viene amplificata dal servofreno, che a sua volta sposta un pistone all'interno del cilindro principale, che a sua volta spinge il liquido dei freni fuori dal cilindro principale e nelle tubazioni dei freni che vanno a ciascuna ruota. Il liquido aziona quindi i freni delle ruote.
Il cilindro principale assicura che la stessa potenza idraulica venga inviata a tutti e quattro i freni. Se un freno dovesse ottenere più potenza dell'altro, si verificherebbero pressioni di frenata irregolari, che causerebbero un rallentamento o un arresto non sicuri. Immagina cosa accadrebbe alla tua auto se le ruote destre rallentassero più velocemente delle ruote sinistre. Faresti la coda di pesce o forse capovolgere la macchina.
La maggior parte delle pompe freno moderne sono divise in due serbatoi, ciascuno riempito con liquido dei freni. Questo è chiamato sistema frenante doppio . Agisce come un dispositivo di sicurezza in caso di perdita o blocco del fluido sui freni anteriori o posteriori.
Sulle auto a trazione posteriore, un serbatoio nel cilindro principale ha linee che portano alle ruote anteriori; l'altro serbatoio ha linee che vanno alle ruote posteriori. Se si verifica una perdita nelle linee che portano alle ruote anteriori, avrai ancora fluido proveniente dal serbatoio alle ruote posteriori.
Le auto a trazione anteriore utilizzano un sistema idraulico diviso in diagonale. Questo perché nelle auto a trazione anteriore, i freni anteriori effettuano il 90% della frenata. Se entrambi i freni anteriori dovessero spegnersi su un'auto a trazione anteriore, avresti davvero difficoltà a rallentare e fermarti. Per garantire che ci sia almeno un freno anteriore che ferma l'auto in caso di perdita o blocco, la ruota anteriore destra e la ruota posteriore sinistra sono legate insieme e la ruota anteriore sinistra è legata insieme alla ruota posteriore destra.
Naturalmente, se entrambi i serbatoi e le tubazioni dei freni che escono da essi perdono o sono bloccati, nessuno dei freni funzionerà. Questo è ciò che viene chiamato un guasto catastrofico del freno.
Linee dei freni. Le linee dei freni sono tubi d'acciaio che partono dal cilindro principale e vanno a ciascuno dei quattro freni sulle ruote della tua auto. Le linee dei freni trasferiscono il liquido dei freni a un freno a tamburo oa un freno a disco. La pressione del fluido aziona i freni.
Freni a tamburo. Esistono due tipi di dispositivi di frenatura utilizzati sulle auto:freni a tamburo e freni a disco. I freni a tamburo sono presenti sulle auto dal 1900 e sono ancora utilizzati oggi. I freni a tamburo si attaccano alla ruota. L'interno del tamburo contiene due pastiglie resistenti al calore chiamate ganasce dei freni. Quando si preme il pedale del freno, il liquido dei freni entra nel cilindro della ruota del freno a tamburo Il fluido quindi attiva due pistoncini all'interno del cilindro della ruota che spingono fuori le ganasce del freno e le schiacciano contro il tamburo del freno. I pad rallentano il tamburo e il tamburo (che è attaccato alla ruota) rallenta la ruota.
I vantaggi dei freni a tamburo sono numerosi:sono economici da produrre e riparare, richiedono meno pressione idraulica per attivarsi e possono durare più a lungo dei freni a disco.
Come accennato in precedenza, i freni a tamburo sono ancora utilizzati sulle auto oggi. Se un'auto è dotata di freni a tamburo, in genere li troverai sulle ruote posteriori del veicolo.
Freni a disco. Uno degli svantaggi dei freni a tamburo è che sono autonomi. Il calore creato dall'attrito nelle pastiglie dei freni rimane all'interno dei freni a tamburo. In condizioni intense e frenate frequenti, i freni a tamburo possono diventare davvero molto caldi. Se i freni si surriscaldano, non possono più produrre l'attrito necessario per rallentare l'auto.
Per risolvere questo problema, gli ingegneri hanno sviluppato il freno a disco.
I freni a disco funzionano in modo abbastanza semplice. Premi il pedale del freno e il liquido dei freni viene inviato a un pistone sul freno a disco. Il pistone fa sì che le pinze comprimano il disco o il rotore. Le pastiglie all'interno delle pinze creano attrito, che rallenta la tua auto.
Invece di premere contro un tamburo per rallentare l'auto, le pinze dei freni a disco schiacciano le pastiglie in verso un disco metallico attaccato alla ruota. Stringere con le pinze fa alcune cose per migliorare la frenata. Innanzitutto, ti consente di creare più pressione, il che aiuta ad aumentare l'attrito. In secondo luogo, il design del freno a disco è aperto. I freni non sono all'interno di un tamburo. Ciò consente all'aria di raffreddarli molto più rapidamente, aumentando anche l'attrito. Infine, il design consente una maggiore superficie della pastiglia del freno, che aiuta ancora una volta ad aumentare l'attrito.
I freni a disco furono usati per la prima volta sulle auto da corsa nel 1951. Nel 1955 iniziarono ad apparire sulle auto prodotte in serie. Negli anni '80, la maggior parte delle auto utilizzava freni a disco, almeno sulle ruote anteriori.
Quando si frena, le ruote anteriori fanno la maggior parte del lavoro per fermare l'auto perché tutto lo slancio va verso le ruote anteriori. Poiché le ruote anteriori fanno la maggior parte della frenata, i produttori mettono i freni a disco sulle ruote anteriori perché fanno un lavoro migliore in frenata rispetto ai freni a tamburo.
Quindi mettiamo insieme tutte le parti dell'impianto frenante.
Tu premi il pedale del freno. Ciò attiva il servofreno, che amplifica la forza del pedale del freno. Quella forza viene trasferita al cilindro principale. Un pistone nel cilindro principale spinge fuori il liquido dei freni attraverso le linee dei freni a ciascuna ruota.
Se una ruota ha un freno a tamburo, il liquido dei freni attiverà un pistone nel cilindro della ruota, che attiverà un altro pistone, che spingerà fuori le pastiglie del freno contro il tamburo del freno. L'auto rallenta o si ferma. Quando si rilascia il pedale del freno, il liquido dei freni rifluisce nel cilindro principale e i freni si rilasciano.
Se la ruota ha un freno a disco, il liquido dei freni attiverà un pistone che farà schiacciare le pinze con pastiglie dei freni contro un disco, o rotore, attaccato alla ruota, rallentando l'auto. Quando rilasci il pedale del freno, il liquido dei freni rifluisce nel cilindro principale, provocando la nuova apertura delle pinze del freno a disco.
Questo, in poche parole, è come funzionano i freni della tua auto.
Ma aspetta . . . C'è più. La tua auto probabilmente ha i freni antibloccaggio (ABS). Prima dell'ABS, quando hai sbattuto i freni, le tue ruote si sono completamente fermate. Hanno rinchiuso. Ciò ha causato lo slittamento delle gomme. Una gomma che slitta ti offre poco o nessun controllo per sterzare l'auto. Quindi, se stavi guidando un'auto nel 1950 e dovessi improvvisamente sbattere i freni per evitare di colpire un bambino che è scappato in mezzo alla strada, sbandaresti comunque in avanti e non avresti alcuna capacità di sterzare l'auto sinistra o destra. Se volevi evitare uno slittamento quando usavi i freni su vecchie auto, dovresti pompare ripetutamente il freno (per rilasciare e bloccare ripetutamente le ruote), il che è più facile a dirsi che a farsi.
Per evitare lo slittamento degli pneumatici, l'ABS utilizza un computer e sensori vicino a ciascuna ruota per monitorare la velocità delle ruote. Quando si applica una forte pressione al pedale del freno, il sistema ABS controlla la velocità di ciascuna ruota in modo indipendente. Se una ruota va più lenta delle altre, significa che è probabile che quella ruota sia bloccata. Quindi il sistema ABS ridurrà la pressione idraulica inviata a quel freno, che gli permetterà di girare di nuovo, prevenendo uno slittamento e permettendoti di mantenere il controllo dello sterzo.
Sai che il tuo ABS funziona perché quando schiaccia il pedale del freno, puoi sentire il freno pulsare. Non allarmarti. Continua a fare pressione. Non vuoi pompare i freni sulle auto con ABS, altrimenti non funzioneranno correttamente.
Quando prendi un'auto nuova, è sempre una buona idea avere un'idea del suo sistema ABS in modo da non spaventarti un po' la prima volta che senti che si attiva. Puoi farlo guidando in un parcheggio vuoto quando piove o nevica (che indurrà un po' di slittamento) e sbattendo i freni.
