همه چیز درباره سیستم ترمز خودرو؛ قسمت اول+عکس

به گزارش جام جم آنلاین به نقل از زومیت، از زمان اختراع اولین خودرو تاکنون، نحوه‌ی کنترل و متوقف کردن خودرو یکی از دغدغه‌های اصلی سازندگان بوده است. ترمز به عنوان حیاتی‌ترین سیستم ایمنی در خودروها وظیفه‌ی مهمی برعهده دارد. هنگامی که از اتوره بوگاتی، بنیان‌گذار شرکت خودروسازی بوگاتی، درباره‌ی عدم وجود سیستم ترمز در خودروهای مسابقه‌ای گرندپری این شرکت سوال شد پاسخ داد، خودروهای من برای حرکت ساخته شده‌اند نه توقف. با این حال، خیلی زود مشخص شد که نقش ترمز در خودروها فراتر از آن است که بتوان حتی در نمونه‌های مسابقه‌ای از آن چشم‌پوشی کرد.  به همین علت، از گذشته تا حال، همواره شاهد پیشرفت، تکامل و ظهور نوآوری‌های متنوع در سیستم‌های ترمز خودرو بوده‌ایم. امروزه بر خلاف گذشته، ترمزها تنها وظیفه‌ی کاهش سرعت و متوقف کردن خودرو را برعهده ندارند، بلکه در فرمان‌پذیری و شارژ باتری خودروهای هیبرید نیز اثر گذارند.

 

همه‌ی ما می‌دانیم که با فشردن پدال ترمز سرعت خودرو کاهش می‌یابد و در نهایت متوقف می‌شود، اما چگونه نیروی اندک پا سبب توقف خودرو می‌شود؟ این نیرو چگونه به چرخ‌های خودرو انتقال می‌یابد؟ برای پاسخ‌گویی به این سوالات باید با فرآیند کلی ترمزگیری از ابتدا تا انتها آشنا شویم.
هنگامی که پا روی پدال ترمز می‌فشارید، نیروی پای شما از طریق یک سیال به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌ها منتقل می‌شود. بدیهی است که نیروی پای شما بسیار کم‌تر از آن است که بتواند خودرویی با وزن و سرعت بالا را متوقف کند، بنابراین نیاز است این نیرو به طریقی افزایش یابد. مهندسان با به‌کارگیری اصول فیزیکی، نیروی پای راننده را چند برابر می‌کنند. این کار از طریق دو اصل مزیت مکانیکی (اهرم) و افزایش نیروی هیدرولیکی انجام می‌شود. نیروی افزایش یافته‌ی پای راننده به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌ها می‌رسد، سپس ترمزها این نیرو را به شکل نیروی اصطکاک به چرخ منتقل می‌کنند و در آخرین مرحله از این فرآیند، این نیرو به شکل نیروی اصطکاک به سطح جاده وارد می‌شود و سبب کاهش سرعت و در نهایت توقف می‌شود. قبل از پرداختن به اجزای سیستم ترمز، ابتدا به بررسی اصول فیزیکی مزیت مکانیکی، هیدرولیک و اصطکاک در فرآیند ترمزگیری می‌پردازیم.

مزیت مکانیکی (اهرم)
مزیت مکانیکی یک کمیت بی‌بعد است که نشان می‌دهد نیروی مقاوم (نیرویی که ماشین بر جسم وارد می‌کند) چند برابر نیروی محرک (نیرویی که ما بر ماشین وارد می‌کنیم) در یک ماشین است. در اهرم‌ها به دلیل چشم‌پوشی از اصطکاک، مزیت مکانیکی برابر است با نسبت طول بازوی محرک به طول بازوی مقاوم. نیروی F به سمت چپ اهرم وارد می‌شود، بنابراین طول بازوی محرک دو برابر طول بازوی مقاوم (سمت راست) است. به همین دلیل، با تقسیم طول بازوی محرک بر طول بازوی مقاوم، مزیت مکانیکی این اهرم برابر ۲ به دست می‌آید که به معنی اعمال نیروی 2F در سمت راست اهرم است. با تغییر فاصله‌ها در اهرم‌ها می‌توان ضریب چند برابری نیروها را تغییر داد.

هیدرولیک
اساس فیزیکی پشت سیستم‌های هیدرولیک بسیار ساده است. در سیستم‌های هیدرولیک می‌توان نیرو را از طریق یک سیال تراکم‌ناپذیر انتقال داد. به دلیل خواص فیزیکی مناسب روغن‌ها، در اغلب سیستم‌های هیدرولیکی، سیال مورد استفاده روغن است و به همین جهت در ترمز خودروها نیز از روغن ترمز به عنوان سیال استفاده می‌شود. در سیستم‌های هیدرولیک با استفاده از قانون پاسکال می‌توان به راحتی نیروی خروجی را به مضربی از نیروی ورودی تبدیل کرد. قانون پاسکال یک قانون پایه‌ای در هیدرودینامیک است که بیان می‌کند تغییر فشار در هر نقطه از سیال تراکم‌ناپذیر به همه‌ی نقاط و سطح سیال منتقل می‌شود. این فشار از رابطه‌ی  به دست می‌آید که در آن P فشار، F نیرو و A مساحت سطحی است که نیرو به آن وارد می‌شود.
 یک سیستم ساده هیدرولیکی با دو سیلندر سیال که توسط پیستونی محصور شده‌اند و از یک مسیر هیدرولیکی به یکدیگر متصل‌اند. یک نیروی رو به پایین F1  در پیستون سمت چپ فشاری را به تمام سطح مایع منتقل می‌کند. نتیجه این‌که نیروی رو به بالای F2  در پیستون سمت راست تولید می‌شود که بزرگ‌تر از F1 است، زیرا بر اساس قانون پاسکال نیروی F1 به‌طور یکسان به سطح مایع تراکم‌ناپذیر منتقل می‌شود و بنابراین P1=P2 خواد بود و با توجه به مساحت بزرگ‌تر A2، F2 بزرگ‌تر از F1 است. نکته‌ی قابل توجه دیگر در سیستم‌های هیدرولیک این است که لوله‌ی واسط میان دو پیستون می‌تواند هر طول و شکلی داشته باشد و همچنین می‌توان از این لوله برای پیستون‌های دیگر نیز انشعاب گرفت.

 

به زبان ساده اصطکاک میزان سختی لغزیدن دو جسم روی یکدیگر است. با توجه به شکل بالا، هر دو بلوک از جنس یکسانی ساخته شده‌اند، اما وزن یکی از دیگری بیش‌تر است. به‌طور حسی تقریبا همه‌ی ما می‌دانیم که هل دادن بلوک سنگین‌تر دشوارتر از هل دادن بلوک سبک‌تر است و دلیل آن چیزی نیست جز اصطکاک. برای روشن‌تر شدن موضوع باید نگاهی دقیق‌تر به سطح زیرین بلوک‌ها بیاندازیم. اگرچه با چشم غیرمسلح ممکن است سطح بلوک‌ها صاف و صیقلی به نظر برسد، اما حقیقت این است که حتی صاف‌ترین سطوح نیز در مقیاس میکروسکوپیک دارای ناهمواری‌های متعددی هستند. وقتی دو جسم روی یکدیگر قرار می‌گیرند، ناهمواری سطوح آن‌ها درون یکدیگر چفت می‌شود و هرچه وزن جسم بالایی سنگین‌تر باشد، ناهمواری سطوح بیش‌تر در یکدیگر فرو می‌روند و در نتیجه لغزش دو جسم روی یکدیگر بسیار دشوار می‌شود.

 

مواد مختلف ساختار میکروسکوپیک متفاوتی دارند، برای مثال، حرکت دادن دو سطح لاستیکی روی هم سخت‌تر از لغزاندن دو سطح استیل روی یکدیگر است. به همین جهت برای وارد کردن جنس سطوح در محاسبات اصطکاک از ضریبی به نام ضریب اصطکاک استفاده می‌شود که نسبت نیروی لازم برای لغزاندن جسم به وزن است. بنابراین، نیروی اصطکاک به وزن وابسته است و هرچه وزن بیش‌تر باشد نیروی ببزرگ‌تری لازم است. به همین ترتیب از این مفهوم در سیستم ترمز نیز استفاده می‌شود. هنگامی‌که لنت‌ها روی دیسک چرخ در حال حرکت فشرده می‌شوند، با افزایش نیروی وارد بر لنت‌ها، نیروی اصطکاک نیز افزایش می‌یابد.

 

حال که با اصول فیزیکی حاکم بر سیستم ترمز آشنا شدیم وقت آن است که به بررسی تاریخچه، اجزای سازنده و پیشرفت‌های سیستم ترمز خودرو بپردازیم. اولین سیستم‌های ترمز نصب شده روی خودروها مستقیما روی شفت نصب می‌شدند تا به جای کاهش سرعت چرخ‌ها، سرعت دورانی شفت را کنترل کنند. این سیستم‌ها سبب ایجاد تنش شدید روی شفت خودرو می‌شدند و تنها دلیل استفاده از این سیستم پیچیدگی نصب سیستم ترمز روی چرخ‌های خودرو بود. با پیشرفت علم و ظهور نوآوری‌های متعدد (به خصوص سیستم‌های هیدرولیکی) ترمز شفت جای خود را به ترمز چرخ داد. با وجود تمام نوآوری‌ها، تا سال ۱۹۳۰ میلادی ترمزها تنها روی چرخ‌های عقب خودرو نصب می‌شدند و در نتیجه این خودروها پایداری مناسب در پیچ‌ها و در شرایط ترمزهای اضطراری نداشتند. کم‌کم با پیشرفت‌های صنعت خودروسازی هر چهار چرخ خودروها به ترمز مجهز شد و سیستم‌ ترمز کابلی معرفی شد. سپس، ترمزهای هیدرولیکی معرفی شدند و پس از آن سیستم‌های سروو خلا عرضه شدند تا نیروی مورد نیاز برای فشردن پدال ترمز را کاهش دهند و با اندکی فشار پدال ترمز، نیروی لازم جهت کاهش سرعت و توقف خودرو تأمین می‌شود.
انواع سیستم ترمز
به‌طور کلی عملکرد سیستم‌های مختلف ترمز از اصول فیزیکی یکسانی پیروی می‌کنند و تنها تفاوتشان در میزان اثربخشی و نحوه‌ی انتقال نیروی پای راننده به ترمزهای تعبیه شده در چرخ‌هاست. ترمزها به دو دسته‌ی کلی مکانیکی و هیدرولیکی تقسیم می‌شوند که هر کدام به زیردسته‌های کوچک‌تر قسمت می‌شود. در ادامه به بررسی هر یک از این سیستم‌ها می‌پردازیم.
سیستم ترمز مکانیکی
ترمزهای مکانیکی از اولین نمونه‌های تعبیه شده در خودروها هستند. در سیستم‌ ترمز مکانیکی نیروی پای راننده از طریق پدال ترمز به یک کابل واسط منتقل می‌شود و کابل نیروی وارده را به کفشک‌های ترمز منتقل می‌کند. کفشک ترمز در حقیقت همان لنت‌های ترمز هستند با این تفاوت که به‌جای ایجاد اصطکاک با دیسک، درون یک محفظه‌ی کاسه‌ای شکل قرار دارند و با سطح داخلی کاسه ایجاد اصطکاک می‌کنند. اگرچه این سیستم ساده است، اما ایراداتی دارد که سبب شد به مرور زمان استفاده از آن منسوخ شود. از جمله ایرادات اساسی این سیستم احتمال پارگی سیم ترمز و از کار افتادن کلی سیستم ترمز است، به علاوه در این سیستم بر خلاف سیستم‌های دیگر نظیر ترمز هیدرولیکی، امکان چند برابر کردن نیروی وارد شده بر پدال وجود ندارد.

 

 

ادامه دارد...