How Bearings Work
Have you ever wondered how things like inline skate wheels and electric motors spin so smoothly and quietly? The answer can be found in a neat little machine called a bearing.
The bearing makes many of the machines we use every day possible. Without bearings, we would be constantly replacing parts that wore out from friction. In this article, we'll learn how bearings work, look at some different kinds of bearings and explain their common uses, and explore some other interesting uses of bearings.
The Basics
The concept behind a bearing is very simple: Things roll better than they slide. The wheels on your car are like big bearings. If you had something like skis instead of wheels, your car would be a lot more difficult to push down the road.
That is because when things slide, the friction between them causes a force that tends to slow them down. But if the two surfaces can roll over each other, the friction is greatly reduced.
Bearings reduce friction by providing smooth metal balls or rollers, and a smooth inner and outer metal surface for the balls to roll against. These balls or rollers "bear" the load, allowing the device to spin smoothly.
Bearing Loads
Bearings typically have to deal with two kinds of loading, radial and thrust. Depending on where the bearing is being used, it may see all radial loading, all thrust loading or a combination of both.
The bearings that support the shafts of motors and pulleys are subject to a radial load.
The bearings in the electric motor and the pulley pictured above face only a radial load. In this case, most of the load comes from the tension in the belt connecting the two pulleys.
The bearings in this stool are subject to a thrust load.
The bearing above is like the one in a barstool. It is loaded purely in thrust, and the entire load comes from the weight of the person sitting on the stool.
The bearings in a car wheel are subject to both thrust and radial loads.
The bearing above is like the one in the hub of your car wheel. This bearing has to support both a radial load and a thrust load. The radial load comes from the weight of the car, the thrust load comes from the cornering forces when you go around a turn.
Types of Bearings
There are many types of bearings, each used for different purposes. These include ball bearings, roller bearings, ball thrust bearings, roller thrust bearings and tapered roller thrust bearings.
Ball Bearings
Ball bearings, as shown below, are probably the most common type of bearing. They are found in everything from inline skates to hard drives. These bearings can handle both radial and thrust loads, and are usually found in applications where the load is relatively small.
Photo courtesy The Timken Company
Cutaway view of a ball bearing
In a ball bearing, the load is transmitted from the outer race to the ball, and from the ball to the inner race. Since the ball is a sphere, it only contacts the inner and outer race at a very small point, which helps it spin very smoothly. But it also means that there is not very much contact area holding that load, so if the bearing is overloaded, the balls can deform or squish, ruining the bearing.
Roller Bearings
Roller bearings like the one illustrated below are used in applications like conveyer belt rollers, where they must hold heavy radial loads. In these bearings, the roller is a cylinder, so the contact between the inner and outer race is not a point but a line. This spreads the load out over a larger area, allowing the bearing to handle much greater loads than a ball bearing. However, this type of bearing is not designed to handle much thrust loading.
A variation of this type of bearing, called a needle bearing, uses cylinders with a very small diameter. This allows the bearing to fit into tight places.
Photo courtesy The Timken Company
Cutaway view of a roller bearing
Ball Thrust Bearing
Ball thrust bearings like the one shown below are mostly used for low-speed applications and cannot handle much radial load. Barstools and Lazy Susan turntables use this type of bearing.
Photo courtesy The Timken Company
Ball thrust bearing
Roller Thrust Bearing
Roller thrust bearings like the one illustrated below can support large thrust loads. They are often found in gearsets like car transmissions between gears, and between the housing and the rotating shafts. The helical gears used in most transmissions have angled teeth -- this causes a thrust load that must be supported by a bearing.
Photo courtesy The Timken Company
Roller thrust bearing
Tapered Roller Bearings
Tapered roller bearings can support large radial and large thrust loads.
Photo courtesy The Timken Company
Cutaway view of (left) a spherical roller thrust bearing and (right) a radial tapered roller bearing
Tapered roller bearings are used in car hubs, where they are usually mounted in pairs facing opposite directions so that they can handle thrust in both directions.
Some Interesting Uses
There are several types of bearings, and each has its own interesting uses, including magnetic bearings and giant roller bearings.
Magnetic Bearings
Some very high-speed devices, like advanced flywheel energy storage systems, use magnet bearings. These bearings allow the flywheel to float on a magnetic field created by the bearing.
Some of the flywheels run at speeds in excess of 50,000 revolutions per minute (rpm). Normal bearings with rollers or balls would melt down or explode at these speeds. The magnetic bearing has no moving parts, so it can handle these incredible speeds.
Giant Roller Bearings
Probably the first use of a bearing was back when the Egyptians were building the pyramids. They put round logs under the heavy stones so that they could roll them to the building site.
This method is still used today when large, very heavy objects like the Cape Hatteras lighthouse need to be moved.
Earthquake-Proof Buildings
The new San Francisco International Airport uses many advanced building technologies to help it withstand earthquakes. One of these technologies involves giant ball bearings.
The 267 columns that support the weight of the airport each ride on a 5-foot-diameter (1.5-meter) steel ball bearing. The ball rests in a concave base that is connected to the ground. In the event of an earthquake, the ground can move 20 inches (51 cm) in any direction. The columns that rest on the balls move somewhat less than this as they roll around in their bases, which helps isolate the building from the motion of the ground. When the earthquake is over, gravity pulls the columns back to the center of their bases*.
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
یاتاقانها چگونه کار می کنند ؟
آیا تا به حال، چگو نگی کارکرد وسایلی مانند چرخهای اسکیت یا موتور های الکتر یکی که به نرمی و با سرعت می چرخند شما را متعجب ساخته است ؟علت را می توان در کلمه ی کوچک و ساده ی یاتاقان (bearing) یافت. یاتاقانها ممکن است در ابزارهایی که ما همه روزه از انها استفاده می کنیم وجود داشته باشند بدون یاتاقان، می بایست پیوسته اجزایی را که تحت اصطکا ک خراب می شوند عوض کرد.
دراین مقاله می آموزیم که یاتاقان ها چگونه کار می کنند و به برخی از انوا یاتاقان ها گذری اجمالی خواهیم داشت
مفاهیم اولیه:
مفاهیم مربوط به یاتاقانها ساده می باشند چرخهای ماشین شما مانند یک یاتاقا ن بزرگ عمل می کنند. اگر شما چیزی مانند اسکیت را بجای چرخهای اتومبیل تان مورد استفاده قرار دهید، اتومبیل تان به سختی خوا هد توانست از یک سرازیری به پایین جاده حرکت کند. زیرا وقتی که اشیاء می لغزند اصطکاک بین آنهاباعث ایجاد نیرویی می شود که تمایل به کاهش سرعت آن شئ دارد، اما اگر دو سطح بتوانند نسبت به هم بغلتند اصطکاک به مقدار چشم گیری کاهش می یابد.
یاتاقانها بوسیله ی لایه های فلزی داخلی وخارجی ونیز غلتک یا ساچمه ها ی فلزی صیقلی که نسبت به هم می غلتند ،اصطکاک را کاهش می دهند. این غلتک ها یا ساچمه ها با تحمل بار وارده اجازه می دهند که وسیله بطور یکنواخت وبه نرمی بچرخد
بارگذاری یاتاقانها:
یاتاقانها عموما به دو شکل بارگذاری می شوند، شعاعی (radial force) و محوری (force trust ) با توجه به جایی که یاتاقان در آنجا بکار می رود ممکن است تمام بار شعاعی یا محوری یا ترکیبی از هر دو باشد.
یاتاقان ها یی که متصل به شفت موتور و قرقره می باشند و تحت تاثیر بارهای شعاعی قرار دارند .
یاتاقانهای بکار رفته در موتور الکتریکی وقرقره در تصویر فوق تنها تحت تاثیربارهای شعاعی قرار دارند. بیشترین بارها از نیروی کشش تسمه مرتبط کننده ی در قرقره بوجود می آید.
یاتاقان بکاررفته در این صندلی تحت تاثیربار محوری می با شد.
یاتاقان نشان داده شده در شکل فوق ، مانند یاتاقانها ی بکار رفته در تکیه گا هها عمل می کند . این یاتاقان تحت تاثیر نیروهای محوری خا لص می باشد .وتمام بار ناشی از نیروی وزن شخصی می باشد که به روی صندلی نشسته است .
یاتاقانها ی بکار رفته در چرخ یک ماشین که تحت تاثیربارهای محوری وشعاعی می باشند .
یاتاقان فوق مانند یاتاقانی که در رینگ (توپی) چرخ ماشین شما قرار دارد، عمل می کند . این یاتاقانها هم متحمل بار محوری می شوند و هم متحمل بار شعاعی. بار شعاعی ناشی از وزن ماشین می باشد وبار محوری ناشی از نیروهای جانبی است که وقتی شما در پیچ جاده دور می زنید به آن اعمال می شود.
انواع یاتاقانها:
گونه های بسیار زیاد ی از یاتاقانها وجود دارد که هریک برای هدفی خاص بکار می روند . برخی از آنها عبارتنداز: یاتاقان ساچمه ای (بلبرینگ) ، یاتاقان غلتکی(رولر برنیگ )، یاتاقان طولی- سا چمه ای ، یاتاقان محوری - ساچمه ای ، یاتاقان غلتکی محوری ویاتاقان غلتکی- مخروطی
یاتاقان های ساچمه ای :
یاتاقانهای ساچمه ای (آنچه در شکل نشان داده شده است)احتمالا رایج ترین نوع یاتاقان می باشند .آنها در هر چیز از اسکیت گرفته تا وسایل سنگین بکاررفته اند .این یاتاقانها هم بارهای محوری وهم بارهای شعاعی را تحمل می کنند .واغلب در جاهایی بکار می روند که بار نسپتا کو چک است .
نیم برشی از یاتاقان ساچمه ای
دریک یاتاقان ساچمه ای بار از جداره بیرونی به ساچمه ها منتقل می شود واز آنجا نیز یه جداره ی درونی انتقال می یابد. این ساچمه ها به علت کروی بودن در نقاط کوچکی با دیواره ها ی درونی وبیرونی تماس دارند که باعث می شوند به نرمی بچرخند .اما این موضوع سبب می شود که سطح کوچکی بار را تحمل کند، بنابر این اگر باراضافه بر یاتاقان وارد شود ساچمه ها دچار تغییر شکل یا لهشدگی می شوند که آنهم باعث خرابی یاتاقان خواهد شد.
یاتاقانهای غلتکی :
یاتاقانهای غلتکی - آنچه که در شکل زیر نشان داده شده است - در جاها یی مانند غلتک تسمه ی نقاله که باید بارها ی سنگین شعاعی را تحمل کنند به کار می روند.دراین یاتاقانها ، غلتک ها استوانه ای هتند بنابراین سطح تماس جداره ی داخلی
وخارجی باغلتک ها یک نقطه نیست، بلکه یک خط است . این توزیع باربر یک سطح گسترده تر به یاتاقانهای اجازه می دهد که بار بیشتری را نسبت به یاتاقانهای ساچمه ای تحمل کنند درحالیکه این نوع از یاتاقانها بارهای محوری را تحمل نمی کنند.
با اندکی تغییر، در این یاتاقانها واستفاده از غلتک های با شعاع بسیار کوچک یاتاقان سوزنی حاصل می شود . در این حالت یاتاقان در محلهایی کیپ قرار می گیرد (م : برای جلوگیر ی از نفوذ مایعات و...)
نیم برشی از یک یاتاقا غلتکی
یاتاقانهای محوری -ساچمه ای
یاتاقانهای محوری - ساچمه ای:آنچه که در زیر نشان داده شده است - عموما برای کارهای با سرعت پایین مورد استفاده قرار می گیرند و نمی توانند بارهای شعاعی زیادی تحمل کنند . در صندلی های چرخان ومیزهای دایره ای شکل (با پایه وسط )از این یاتاقانها استفاده می شود
یاتاقان محوری - ساچمه ای
یاتاقانهای محوری - غلتکی
یاتاقانهای محوری - غلتکی ( شبیه آنچه در زیر نشان داده شده است ) می توانند بارهای محوری زیادی را تحمل کنند.
آنها اغلب در جعبه دنده ها ، مانند سیستم انتقال قدرت اتومبیل ودر بین چرخ دنده ها ونیز بین محفظه شفت های دوار بکار می روند . چرخ دنده های حلزونی که در اغلب سیستم های انتقال قدرت بکار می روند دارای دندانه های زاویه دار می باشند که باعث ایجاد بارهای محوری می شود واین بارها را یاتاقانها تحمل می کنند .
یاتاقان محوری -غلتکی
یاتاقانهای غلتکی -مخروطی
یاتاقانهای غلتکی مخروطی می توانند بارهای بزرگ شعاعی ومحوری را تحمل نمایند .
نیم برش (شکل چپ)یک یاتاقان غلتکی با غلتکهای کره ای و (شکل سمت راست)یک یاتاقان مخروطی - غلتکی
یاتاقانهای غلتکی - مخروطی در رینگ (توپی)چرخ بکار می رود. در این حالت آنها همیشه بصورت دوتا دوتا ودر سوی مخالف هم نصب می شوند. تا بتوانند بارهای محوری را در هردو جهت تحمل کنند
برخی استفاده های جالب توجه :
دراین قسمت برخی از یاتاقانها با استفاده های جالب توجه معرفی می شوند مانند یاتاقانهای مغناطیسی ویاتاقانهای غلتکی عظیم .
یاتاقانهای مغناطیسی:
در برخی از وسایل با سرعت بالا مانند سیستم های ذخیره انرژی چرخ لنگر پیشرفته از یاتاقانهای مغناطیسی استفاده می شود این یاتاقانها به چرخ لنگر اجازه می دهند تا در یک میدان مغناطیسی که بوسیله یاتاقان ایجاد می شود شناور بماند . برخی از این چرخ لنگرها با سرعتی بیش از 50000 دور بر دقیقه می چرخد . یاتاقانهای معمولی با غلتک یا ساچمه ممکن است در این سرعت ذوب یا منفجر شوند . یاتاقانهای مغناطیسی هیچ حرکت اجزائی ندارند وبه این علت می توانند این سرعت باور نکردنی را تحمل کنند .
یاتاقانهای غلتکی عظیم :
احتمالا اولین استفاده از یاتاقانها در گذشته به هنگام ساختن اهرام ثلاثه مصر باشد . آنهابه منظور غلتاندن سنگ های عظیم به محل ساختمان ها، کنده های گردی را در زیر این سنگ ها قرار می دادند. این روش ممکن است امروزه نیز به منظور جابه جایی اشیاء سنگین بکار گرفته شود .
ساختمانهای ضد زلزله :
فرودگاه جدید سا نفرانسیسکو از بسیاری از تکنولوژیهای پیشرفته ساختمان سازی به منظور مقاومت ساختمانهایش در برابر زلزله استفاده کرده است . یکی از این تکنولوژی ها، استفاده از یاتاقانهای غلتکی عظیم می باشد .
267ستون هر کدام سوار بر بلبرینگ های ساچمه ای با قطر5 فوت ( 1.5 متر) که وزن ساختما نهای فرودگاه را تحمل می کنند . ساچمه ها در مکانهای مقعری که به زمین متصل است ساکن می باشند . در یک زمین لرزه، زمین می تواند 20 اینج (51 سانتیمتر )در تمام جهات حرکت داشته باشد . ستون هایی که بر روی این ساچمه ها قراردارند کمتر از این مقدار حرکت می کنند واین باعث می شود ساختمان از حرکت زمین در امان بماند . وقتی زمین لرزه شدید باشد جاذبه ستون ها را به مکان خود باز می گرداند*
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
