Nous savons tous qu'appuyer sur la pédale de frein ralentit l'arrêt d'une voiture. 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'elle soit suffisante pour arrêter quelque chose d'aussi gros qu'une voiture ?
Lorsque vous appuyez sur la pédale de frein, votre voiture transmet la force de votre pied à ses freins par l'intermédiaire d'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 :
Les freins transmettent la force aux pneus en utilisant la frottement , et les pneus transmettent cette force à la route en utilisant également la friction. Avant de commencer notre discussion sur les composants du système de freinage, nous aborderons ces trois principes :
Nous discuterons de l'effet de levier et de l'hydraulique dans la section suivante.
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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) parcourue par l'extrémité gauche (2Y). Changer les longueurs relatives des extrémités gauche et droite du levier change les multiplicateurs.
L'idée de base derrière 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.
Deux pistons sont insérés dans deux cylindres en verre remplis d'huile et reliés l'un à l'autre par un tuyau rempli d'huile. Si vous appliquez une force vers le bas à un piston, la force est transmise au deuxième piston à travers l'huile dans le tuyau. Comme l'huile est incompressible, l'efficacité est très bonne - presque toute 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 traverser toutes sortes de choses séparant les deux pistons. Le tuyau peut également bifurquer, de sorte qu'un maître-cylindre peut entraîner plus d'un cylindre récepteur si vous le souhaitez.
L'autre avantage d'un système hydraulique est qu'il facilite la multiplication (ou la division) de la force. Si vous avez lu Comment fonctionnent un bloc et un tacle ou Comment fonctionnent les rapports de vitesse, alors 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.
Pour déterminer le facteur multiplicateur, commencez par regarder la taille des pistons. Supposons que le piston de gauche mesure 2 pouces (5,08 cm) de diamètre (rayon de 1 pouce / 2,54 cm), tandis que le piston de droite mesure 6 pouces (15,24 cm) de diamètre (rayon de 3 pouces / 7,62 cm) . L'aire des deux pistons est Pi * r 2 . L'aire du piston de 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. Ainsi, si vous appliquez une force descendante de 100 livres au piston gauche, une force ascendante de 900 livres apparaîtra à droite. Le seul problème est que vous devrez enfoncer 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.
Le frottement est une mesure de la difficulté à faire glisser un objet sur un autre. Jetez un oeil 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 il en est ainsi, examinons de près l'un des blocs et le tableau :
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. Le poids du bloc le plus lourd le fait s'écraser davantage, il est donc encore plus difficile de glisser.
Différents matériaux ont différentes structures microscopiques; par exemple, il est plus difficile de faire glisser du caoutchouc contre du caoutchouc que de faire glisser de l'acier contre de l'acier. Le type de matériau détermine le coefficient de frottement , le rapport de la force nécessaire pour faire glisser le bloc au poids du bloc. Si le coefficient était de 1,0 dans notre exemple, 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 une plaquette est pressée contre un disque en rotation. Plus la force qui appuie sur le patin est importante, plus la force d'arrêt est importante.
CoefficientsUne chose intéressante à propos de la friction est qu'il faut généralement plus de force pour détacher un objet que pour le faire glisser. Il existe 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 quantité de 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 surface de contact ne glisse pas par rapport à la route. Lorsqu'il glisse (comme lors d'un dérapage ou d'un épuisement), la traction est fortement réduite.
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Disons par exemple que la distance de la pédale au pivot est quatre fois la distance du cylindre au pivot, donc la force à la pédale sera multipliée par quatre avant d'être transmise au cylindre.
Aussi si le diamètre du cylindre de frein est trois fois le diamètre du cylindre de pédale. Cela multiplie encore la force par neuf. Au total, ce système augmente la force de votre pied par un facteur de 36. Si vous exercez une force de 10 livres sur la pédale, 360 livres (162 kg) seront générées au niveau de la roue en serrant les plaquettes de frein.
Il y a quelques problèmes avec ce système simple. Et si nous avons une fuite ? S'il s'agit d'une fuite lente, il ne restera finalement plus assez de liquide pour remplir le cylindre de frein et les freins ne fonctionneront pas. S'il s'agit d'une fuite majeure, alors la première fois que vous appliquez les freins, tout le liquide jaillira de la fuite et vous aurez une panne complète des freins.
Le maître-cylindre des voitures modernes est conçu pour faire face à ces défaillances potentielles. Assurez-vous de consulter l'article sur le fonctionnement des maîtres-cylindres et des vannes combinées, ainsi que les autres articles de la série sur les freins (voir les liens à la page suivante), pour en savoir plus.
