Comment fonctionnent les freins

  • Thomas Dalton
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La disposition d'un système de freinage typique. Voir plus de photos de freins.

Nous savons tous que le fait d'appuyer sur la pédale de frein ralentit une voiture jusqu'à l'arrêt. Mais comment cela se produit-il? Comment votre voiture transmet-elle la force de votre jambe à ses roues? Comment multiplie-t-il la force pour qu'il suffise d'arrêter quelque chose d'aussi gros qu'une voiture?

Lorsque vous appuyez sur votre pédale de frein, votre voiture transmet la force de votre pied à ses freins à travers un fluide. Étant donné que les freins réels nécessitent une force beaucoup plus grande que celle que vous pourriez appliquer avec votre jambe, votre voiture doit également multiplier la force de votre pied. Il le fait de deux manières:

  • Avantage mécanique (influence)
  • Multiplication de la force hydraulique

-Les freins transmettent la force aux pneus en utilisant friction, et les pneus transmettent cette force à la route en utilisant également le frottement. Avant de commencer notre discussion sur les composants du système de freinage, nous aborderons ces trois principes:

  • Influence
  • Hydraulique
  • Friction

Nous discuterons de l'effet de levier et de l'hydraulique dans la section suivante.

Contenu
  1. Effet de levier et hydraulique
  2. Friction
  3. Un système de freinage simple
La pédale est conçue de telle manière qu'elle peut multiplier la force de votre jambe plusieurs fois avant même qu'une force ne soit transmise au liquide de frein.

-Dans la figure ci-dessous, une force F est appliquée à l'extrémité gauche du levier. L'extrémité gauche du levier est deux fois plus longue (2X) que l'extrémité droite (X). Par conséquent, sur l'extrémité droite du levier, une force de 2F est disponible, mais elle agit sur la moitié de la distance (Y) que l'extrémité gauche se déplace (2Y). La modification des longueurs relatives des extrémités gauche et droite du levier change les multiplicateurs.

L'idée de base de tout système hydraulique est très simple: la force appliquée à un point est transmise à un autre point à l'aide d'un fluide incompressible, presque toujours une huile quelconque. La plupart des systèmes de freinage multiplient également la force dans le processus. Ici vous pouvez voir le système hydraulique le plus simple possible:

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Système hydraulique simple

Dans la figure ci-dessus, deux pistons (représentés en rouge) sont insérés dans deux cylindres en verre remplis d'huile (représentés en bleu clair) et reliés l'un à l'autre par un tuyau rempli d'huile. Si vous appliquez une force vers le bas à un piston (celui de gauche, sur ce dessin), la force est transmise au deuxième piston à travers l'huile dans le tuyau. L'huile étant incompressible, l'efficacité est très bonne - la quasi-totalité de la force appliquée apparaît au niveau du deuxième piston. L'avantage des systèmes hydrauliques est que le tuyau reliant les deux cylindres peut avoir n'importe quelle longueur et forme, ce qui lui permet de serpenter à travers toutes sortes de choses séparant les deux pistons. Le tuyau peut également fourcher, de sorte qu'un maître-cylindre peut entraîner plus d'un cylindre récepteur si vous le souhaitez, comme indiqué ici:

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Maître cylindre avec deux esclaves

L'autre chose intéressante à propos d'un système hydraulique est qu'il facilite la multiplication (ou la division) de la force. Si vous avez lu Comment fonctionne un blocage et un tacle ou Comment fonctionnent les rapports de démultiplication, vous savez que l'échange de force contre la distance est très courant dans les systèmes mécaniques. Dans un système hydraulique, tout ce que vous avez à faire est de changer la taille d'un piston et d'un cylindre par rapport à l'autre, comme illustré ici:

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Multiplication hydraulique

Pour déterminer le facteur de multiplication dans la figure ci-dessus, commencez par regarder la taille des pistons. Supposons que le piston de gauche a un diamètre de 2 pouces (5,08 cm) (rayon de 1 pouce / 2,54 cm), tandis que le piston de droite a un diamètre de 6 pouces (15,24 cm) (rayon de 3 pouces / 7,62 cm) . L'aire des deux pistons est Pi * r2. L'aire du piston gauche est donc de 3,14, tandis que l'aire du piston de droite est de 28,26. Le piston de droite est neuf fois plus gros que le piston de gauche. Cela signifie que toute force appliquée sur le piston gauche sortira neuf fois plus grande sur le piston droit. Donc, si vous appliquez une force de 100 livres vers le bas au piston gauche, une force de 900 livres vers le haut apparaîtra sur la droite. Le seul hic, c'est que vous devrez appuyer sur le piston gauche de 9 pouces (22,86 cm) pour soulever le piston droit de 1 pouce (2,54 cm).

Ensuite, nous examinerons le rôle que joue la friction dans les systèmes de freinage.

Force de friction en fonction du poids

-La friction est une mesure de la difficulté à faire glisser un objet sur un autre. Jetez un œil à la figure ci-dessous. Les deux blocs sont fabriqués à partir du même matériau, mais l'un est plus lourd. Je pense que nous savons tous lequel sera le plus difficile à pousser pour le bulldozer.

Pour comprendre pourquoi, examinons de près l'un des blocs et le tableau:

Parce que le frottement existe au niveau microscopique, la quantité de force nécessaire pour déplacer un bloc donné est proportionnelle au poids de ce bloc.

Même si les blocs semblent lisses à l'œil nu, ils sont en fait assez rugueux au niveau microscopique. Lorsque vous posez le bloc sur la table, les petits pics et vallées sont écrasés ensemble, et certains d'entre eux peuvent en fait se souder ensemble. Le poids du bloc le plus lourd le fait se serrer davantage, il est donc encore plus difficile de glisser.

Différents matériaux ont des structures microscopiques différentes; par exemple, il est plus difficile de faire glisser le caoutchouc contre le caoutchouc que de faire glisser l'acier contre l'acier. Le type de matériau détermine le coefficient de friction, le rapport de la force nécessaire pour faire glisser le bloc sur le poids du bloc. Si le coefficient était de 1,0 dans notre exemple, alors il faudrait 100 livres de force pour faire glisser le bloc de 100 livres (45 kg), ou 400 livres (180 kg) de force pour faire glisser le bloc de 400 livres. Si le coefficient était de 0,1, il faudrait 10 livres de force pour glisser vers le bloc de 100 livres ou 40 livres de force pour faire glisser le bloc de 400 livres..

Ainsi, la quantité de force nécessaire pour déplacer un bloc donné est proportionnelle au poids de ce bloc. Plus il y a de poids, plus il faut de force. Ce concept s'applique aux dispositifs tels que les freins et les embrayages, où un patin est pressé contre un disque en rotation. Plus la force exercée sur le coussin est élevée, plus la force d'arrêt est importante.

Coefficients

-Une chose intéressante à propos du frottement est qu'il faut généralement plus de force pour briser un objet que pour le maintenir en mouvement. Il y a un coefficient de frottement statique, où les deux surfaces en contact ne glissent pas l'une par rapport à l'autre. Si les deux surfaces glissent l'une par rapport à l'autre, la force est déterminée par le coefficient de frottement dynamique, qui est généralement inférieur au coefficient de frottement statique.

Pour un pneu de voiture, le coefficient de frottement dynamique est bien inférieur au coefficient de frottement statique. Le pneu de voiture offre la plus grande traction lorsque la zone de contact ne glisse pas par rapport à la route. Lorsqu'il glisse (comme lors d'un dérapage ou d'un burnout), la traction est fortement réduite.

Avant d'entrer dans toutes les parties d'un système de freinage de voiture réel, examinons un système simplifié:

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Vous pouvez voir que la distance de la pédale au pivot est quatre fois la distance du cylindre au pivot, donc la force sur la pédale sera multipliée par quatre avant d'être transmise au cylindre.

Vous pouvez également voir que le diamètre du cylindre de frein est trois fois le diamètre du cylindre de pédale. Cela multiplie encore la force par neuf. Dans l'ensemble, ce système augmente la force de votre pied par un facteur de 36. Si vous appliquez 10 livres de force sur la pédale, 360 livres (162 kg) seront générées au niveau de la roue serrant les plaquettes de frein.

Il y a quelques problèmes avec ce système simple. Et si nous avons un fuite? S'il s'agit d'une fuite lente, il ne restera finalement pas assez de liquide pour remplir le cylindre de frein et les freins ne fonctionneront pas. S'il s'agit d'une fuite majeure, la première fois que vous appliquez les freins, tout le liquide jaillira de la fuite et vous aurez une défaillance complète des freins..

Le maître-cylindre des voitures modernes est conçu pour faire face à ces pannes potentielles. N'oubliez pas de consulter l'article sur le fonctionnement des maîtres-cylindres et des soupapes combinées, et le reste des articles de la série de freins (voir les liens sur la page suivante), pour en savoir plus.

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