Cara kerja rem cakram dan ABS

Apa yang ditunjukkan model

Injak pedal rem mobil dengan kaki kanan, dan satu setengah ton logam melambat dari kecepatan jalan tol dalam beberapa detik. Kaki Anda mungkin bisa mendorong dengan sekitar 300 newton, kira-kira seberat karung 30 kg. Di antara pedal dan jalan, dorongan itu harus tumbuh menjadi ribuan newton, lalu diserahkan kepada ban yang hanya bisa mencengkeram sampai batas tertentu sebelum tergelincir. Pameran ini mengikuti kedua bagian cerita itu.

Model menampilkan rem satu roda depan dalam ukuran sebenarnya. Di kiri ada pedal, dengan booster rem vakum dan master silinder di belakangnya. Saluran rem baja berjalan dari master silinder melewati modulator ABS menuju selang fleksibel dan kaliper mengambang berwarna merah. Kaliper itu mengapit cakram berventilasi berdiameter 300 mm, di dalam roda dengan ban berjari-jari 0,31 m. Kita melihatnya dari sisi dalam, seperti dari bawah bagian tengah mobil, sehingga piston menghadap Anda.

Di belakang rem ada lintasan uji berskala 1:40 dengan lajur kering, lajur basah, dan lajur es. Saat model mengerem, sebuah mobil biru kecil menjalankan pengereman yang sama di lintasan. Panel di sudut panggung menampilkan gaya di setiap tahap, lalu kecepatan roda, slip, dan tekanan secara langsung, dan terakhir tabel jarak pengereman. Semuanya dihitung dari ukuran model.

Bagaimana dorongan 300 N menjadi 25 kN di kampas

Pedal adalah tuas. Porosnya di atas, kaki pengemudi menekan 0,4 m di bawahnya, dan batang penekan terpasang 0,1 m di bawahnya. Momen harus seimbang, jadi batang penekan mendapat empat kali gaya kaki: 300 N menjadi 1200 N. Bayarannya, kaki bergerak empat kali lebih jauh daripada batang penekan.

Berikutnya booster rem vakum, tabung hitam besar itu. Sebuah diafragma karet membaginya menjadi dua ruang. Selama mesin hidup, kedua sisi bertekanan rendah. Saat pedal bergerak, sebuah katup membiarkan udara luar masuk ke ruang belakang, dan tekanan udara pada diafragma menambah dorongan pengemudi. Pada model ini booster mengeluarkan 3,5 kali yang masuk, sehingga master silinder menerima 4200 N. Perbandingan itu adalah nilai model; booster sungguhan dirancang sesuai kebutuhan tiap mobil.

Master silinder mengubah gaya itu menjadi tekanan. Pistonnya berdiameter 22,2 mm (7/8 inci, ukuran yang umum), sehingga luasnya 3,87 cm². Tekanan adalah gaya dibagi luas, jadi 4200 N ÷ 0,000387 m² = 10,9 MPa, sekitar 107 kali tekanan atmosfer.

Hukum Pascal di saluran rem

Minyak rem adalah cairan dan volumenya hampir tidak berubah di bawah tekanan. Dalam sistem tertutup, artinya tekanan yang dinaikkan di satu titik terasa di seluruh cairan. Inilah hukum Pascal, dan berkat hukum ini sepasang piston bekerja seperti tuas yang terbuat dari minyak.

Piston kaliper berdiameter 54 mm. Luas sebanding dengan kuadrat diameter, jadi luasnya (54 ÷ 22,2)² = 5,92 kali luas piston master. Tekanan 10,9 MPa yang sama pada 22,9 cm² mendorong dengan 24,9 kN, kira-kira seberat 2,5 ton. Jika pedal, booster, dan kedua piston dihitung, gaya kaki sudah dilipatgandakan 4 × 3,5 × 5,92 = 83 kali.

Seperti tuas mana pun, gaya dibayar dengan jarak. Minyak yang terdorong keluar dari master silinder harus pergi ke suatu tempat, dan volumenya sama di kedua ujung. Untuk setiap 1,2 mm gerak piston master, piston kaliper hanya bergerak 0,2 mm. Ini cocok untuk rem, karena kampas hanya perlu menutup celah kurang dari satu milimeter sebelum menekan cakram.

Kaliper pada model adalah jenis mengambang dengan satu piston. Piston mendorong kampas dalam ke cakram. Gaya reaksinya mendorong bodi kaliper ke arah sebaliknya, dan bodi itu bergeser pada dua pin pemandu sampai jari-jarinya menarik kampas luar ke sisi lain cakram. Kedua kampas akhirnya ditekan dengan 24,9 kN yang sama.

Dari gaya jepit ke gaya di jalan

Menjepit kampas saja tidak menghentikan apa pun; yang menghentikan adalah gesekan. Dengan koefisien gesek 0,4 antara kampas dan besi cor, tiap sisi memberi hambatan 0,4 × 24,9 kN = 9,9 kN, dan kedua sisi memberi 19,9 kN. Hambatan itu bekerja sekitar 0,115 m dari as, di tengah kampas, jadi torsi pengereman adalah 19,9 kN × 0,115 m = 2290 N·m.

Ban harus mengubah torsi itu menjadi gaya di jalan. Dibagi jari-jari gelinding 0,31 m, rem meminta 7,37 kN dari ban. Panel menampilkan angka ini sebagai "diminta dari ban". Bisa atau tidaknya ban memberikannya bergantung pada jalan, dan di sinilah bagian kedua cerita dimulai.

Mengapa roda terkunci tergelincir lebih jauh

Ban yang menggelinding punya bidang kontak yang sesaat diam di atas aspal. Cengkeraman di sana adalah gesekan statis, alasan yang sama mengapa mobil bisa mulai jalan tanpa rodanya berputar di tempat. Begitu ban tergelincir, cengkeramannya menjadi gesekan luncur (kinetis), yang biasanya lebih lemah. HyperPhysics dari Georgia State University mengatakannya dengan sederhana: traksi yang bisa didapat ban ditentukan oleh gesekan statis, dan saat roda terkunci dan tergelincir, gaya geseknya "biasanya jauh lebih kecil".

Ban sungguhan tidak langsung melompat dari satu keadaan ke keadaan lain. Saat mengerem, permukaan ban berputar sedikit lebih lambat daripada laju mobil. Para insinyur mengukurnya dengan rasio slip: (kecepatan mobil − kecepatan permukaan ban) ÷ kecepatan mobil. Nol berarti menggelinding bebas dan 100% berarti roda terkunci. Cengkeraman naik tajam pada beberapa persen pertama slip, mencapai puncak, lalu turun ketika ban tergelincir.

Model memakai kurva Burckhardt, pencocokan yang banyak digunakan dengan konstanta terbitan untuk aspal kering, aspal basah, dan es. Di aspal kering cengkeraman memuncak di μ = 1,17 pada slip 17% dan turun ke 0,76 saat roda terkunci. Di aspal basah puncaknya 0,80 pada slip 13% dan turun ke 0,51. Ini nilai model dari pencocokan, bukan hasil ukur ban tertentu.

Setiap roda pada model menanggung seperempat mobil 1500 kg, yaitu 3679 N. Di jalan basah ban paling banyak bisa memberi 0,80 × 3679 N = 2,9 kN. Rem meminta 7,4 kN, lebih dari dua kali lipat, sehingga slip melonjak dan roda berhenti dalam sekitar sepersepuluh detik. Bekas selip di jalan dimulai di situ. Sejak itu ban hanya memberi 0,51 × 3679 N, dan jarak berhentinya panjang.

Angka jarak pengereman

Jika gaya ban tetap sebesar μ kali berat, mobil melambat sebesar μg, dengan g = 9,81 m/s². Mobil yang melaju dengan kecepatan v lalu butuh jarak v² ÷ (2μg) untuk berhenti. Pada 100 km/h, yaitu 27,8 m/s:

Simulasi pada model menghitung pengereman tiap seperempat milidetik dan memberi jawaban yang hampir sama. Dengan roda terkunci mobil berhenti dalam 50,9 m di jalan kering dan 76,4 m di jalan basah, sedikit lebih pendek dari rumus karena ban mencengkeram lebih kuat sesaat sebelum terkunci. Dengan ABS mobil berhenti dalam 35,6 m di jalan kering dan 51,6 m di jalan basah. Angka ini sedikit lebih panjang dari angka puncak ideal, karena ABS menjaga ban di dekat puncak, bukan tepat di puncak. Pada 50, 100, dan 130 km/h, hasil simulasi cocok dengan v² ÷ (2μg).

Dalam rumus itu kecepatan paling berpengaruh, karena dikuadratkan. Pada 50 km/h jarak berhenti di jalan kering dengan ABS adalah 9,0 m; pada 130 km/h menjadi 60,1 m. Jarak yang ditempuh selama pengemudi bereaksi tidak dihitung. Dengan waktu reaksi satu detik, pada 100 km/h bertambah lagi 27,8 m sebelum rem mulai bekerja.

Apa yang dilakukan modulator ABS

Rem antiterkunci menjaga slip di dekat puncak kurva cengkeraman. Ring bergigi pada hub, 48 gigi pada model, lewat di depan sensor magnetik, dan pulsanya memberi tahu unit kontrol seberapa cepat roda berputar. Dengan membandingkan roda satu sama lain dan dengan seberapa cepat mobil melambat, unit itu tahu kapan sebuah roda mulai terkunci.

Modulator punya dua katup untuk setiap roda. Katup masuk biasanya terbuka sehingga tekanan dari pengemudi langsung diteruskan. Saat slip melewati 20%, unit kontrol model menutup katup masuk dan membuka katup keluar. Minyak keluar dari kaliper, tekanan turun, dan jalan memutar roda kembali. Begitu slip turun di bawah 8%, katup keluar menutup dan katup masuk terbuka lagi untuk membangun tekanan kembali. Di antaranya, kedua katup bisa sama-sama tertutup untuk menahan tekanan. Pompa kecil mengembalikan minyak yang dibuang ke arah master silinder, itulah sebabnya pengemudi merasakan pedal berdenyut.

Pada model, siklus ini berulang sekitar 13 kali per detik di jalan kering dan 14 kali per detik di jalan basah. Sakelar gerak lambat meregangkan pengereman agar Anda bisa mengikuti katup dan label tekanan satu siklus demi satu siklus.

Kemudi tetap berfungsi

Ban hanya bisa mendorong ke samping selama ia menggelinding. Saat roda depan terkunci, karetnya tergelincir ke arah mobil sudah bergerak, dan memutar setir hampir tidak berpengaruh. Sakelar "Belok satu lajur" meminta pengemudi model bergeser 3,5 m ke samping selama pengereman. Dengan ABS, mobil biru berpindah lajur sepenuhnya di jalan kering dan basah. Dengan roda terkunci, mobil bergeser kurang dari satu meter, hampir semuanya terjadi sesaat sebelum roda berhenti berputar. Cengkeraman ke samping di sini berasal dari aturan model sederhana yang mengecil saat slip membesar, jadi angkanya adalah gambaran kasar, bukan hasil pengukuran.

Inilah alasan utama nasihat bagi pengemudi mobil ber-ABS: injak pedal dengan mantap dan arahkan setir menghindari rintangan, bukan memompa rem.

Panas di cakram

Menghentikan mobil mengubah energi kinetiknya menjadi panas. Seperempat mobil model pada 100 km/h membawa ½ × 375 kg × (27,8 m/s)² = 145 kJ. Dengan ABS sekitar 130 kJ di antaranya dihasilkan di kampas; sebagian besar sisanya hilang dalam slip ban. Model menganggap 90% panas kampas masuk ke cakram yang beratnya 9 kg. Besi cor kelabu menyimpan sekitar 450 J per kilogram untuk setiap derajat, jadi satu kali berhenti memanaskan seluruh cakram sekitar 29 °C.

Kedengarannya kecil, tetapi di turunan gunung yang panjang atau di sirkuit balap, rem jarang sempat mendingin. Penggeser "Rem sebelumnya" menumpuk pengereman tanpa pendinginan sama sekali. Setelah 18 pengereman sebelumnya, cakram mendekati 580 °C dan berpijar merah redup; pijaran mulai sekitar 525 °C, titik Draper. Cakram sungguhan terus melepas panas ke udara lewat siripnya, jadi ini adalah keadaan terburuk.

Roda terkunci hanya memasukkan sedikit sekali panas ke cakram, hanya 13 kJ pada pengereman di jalan kering, karena cakram tidak lagi berputar melawan kampas. Energinya justru masuk ke ban dan jalan, dan dari situlah bekas selip hitam terbentuk.

Bagian yang lebih sederhana dari aslinya

Model memperlakukan satu roda seolah selalu menanggung seperempat mobil yang tetap. Pada pengereman sungguhan, berat berpindah ke roda depan, sehingga roda depan bisa mengerem lebih kuat dan roda belakang lebih lemah. Itulah sebabnya mobil membagi pengereman antara as depan dan belakang. Kurva ban mengabaikan kecepatan, suhu, dan keausan, dan aturan kontrol ABS memakai ambang slip tetap 8% dan 20%, sedangkan unit sungguhan menyesuaikan diri dengan jalan. Kurva es dari pencocokan Burckhardt datar, jadi di sana ABS tidak bisa memperpendek jarak berhenti, hanya menjaga kemudi. NHTSA mencatat bahwa ABS bisa memperpanjang jarak berhenti di permukaan lepas seperti kerikil atau salju lembut, yang tidak dicakup model. Celah kampas digambar sekitar sepuluh kali lebih besar dari aslinya supaya Anda bisa melihatnya menutup.

Sejarah singkat

Frederick William Lanchester mematenkan rem cakram jenis kaliper di Birmingham pada 1902. Malcolm Loughead (kemudian Lockheed) mematenkan rem hidraulis pada 1917, dan Duesenberg memasangnya pada Model A miliknya pada 1921. Rem cakram membuktikan dirinya di ajang 24 Hours of Le Mans 1953, yang dimenangi Jaguar dengan mobil berem cakram, dan Citroën DS memulai produksi massal berkelanjutan dengan rem ini sejak 1955.

Mengikuti energi selama berhenti penuh

Untuk seluruh mobil 1500 kg pada 100 km/h, gunakan kecepatan yang belum dibulatkan, 100 ÷ 3,6 m/s. Energi kinetik translasi adalah ½ × 1500 × (100 ÷ 3,6)² = 578.704 J, sekitar 579 kJ. OpenStax mendefinisikan energi kinetik dengan bentuk ini. Perhitungan tidak memasukkan energi putaran roda dan penggerak, hambatan udara, serta hambatan gelinding. Ini neraca energi mobil sederhana, bukan uji sertifikasi rem. Membaginya menurut beban roda model yang sama menghasilkan sekitar 145 kJ per roda, sesuai perhitungan panas sebelumnya.

Jumlah energi tidak menunjukkan seberapa cepat rem harus menyerapnya. Jika waktu berhenti diasumsikan 5 s, membuang 579 kJ berarti daya rata-rata sekitar 116 kW. Dengan gaya pengereman tetap, daya pada awal jauh lebih besar daripada saat hampir berhenti, karena daya adalah gaya kali kecepatan. Rem mungkin harus menangani daya sesaat yang besar meski rata-rata sepanjang perjalanan rendah. Kapasitas daya dan panas yang tersimpan dalam cakram menjawab pertanyaan berbeda.

Kapasitas panas cakram model 9 kg sekitar 9 × 450 = 4050 J/K. Memasukkan seluruh energi seperempat mobil ke cakram itu akan menaikkan suhu rata-ratanya sekitar 36 °C. Kenaikan yang ditampilkan lebih kecil, sekitar 29 °C, karena sebagian energi masuk ke selip ban dan hanya 90% panas kampas dialokasikan ke cakram. Jangan mengambil 90% energi seluruh mobil lalu memasukkannya ke satu cakram: bagian roda lain akan ikut terhitung. Suhu tampilan juga bukan suhu sesaat permukaan gesek. Lapisan permukaan yang tipis bisa lebih panas daripada rata-rata seluruh cakram.

Menggandakan kecepatan melipatgandakan energi empat kali, bahkan sebelum memperhitungkan perubahan perilaku ban. Menggandakan massa menggandakan energi. Namun massa saling menghapus dalam rumus jarak ideal karena beban normal dan gaya gesek asumsi juga menjadi dua kali. Ini bukan izin membawa muatan berlebih: ban nyata, suhu rem, beban gandar, dan batas komponen tidak meningkat tanpa batas dalam proporsi yang sama. Penghapusan massa berlaku untuk model dengan koefisien tetap dan torsi rem memadai.

Membaca selip tanpa mencampur dua gesekan

Koefisien kampas dan koefisien kontak ban-jalan berada di bagian perhitungan berbeda. Koefisien kampas asumsi 0,4 menentukan torsi pada cakram. Kurva jalan menentukan berapa banyak gaya yang diminta benar-benar dapat memperlambat mobil. Kampas yang mencengkeram lebih kuat tidak menaikkan kurva jalan. Ketika torsi sudah cukup untuk mengunci roda, menambah gaya pedal tanpa pengendalian terutama membuat roda lebih cepat terkunci.

Dalam perhitungan sensitivitas terpisah, pertahankan tekanan dan geometri tetapi asumsikan koefisien kampas 0,35 dan 0,45. Nilai ini dipilih untuk perbandingan, bukan rentang kerja semua kampas. Dibandingkan 0,4, torsi menjadi 87,5% dan 112,5% dari acuan. Di jalan basah keduanya masih bisa meminta gaya lebih dari kemampuan ban. Jadi angka torsi lebih besar tidak otomatis berarti berhenti lebih pendek. Pameran tidak menyediakan pengaturan bahan kampas; ini perhitungan pendamping model.

Jika mobil melaju 100 km/h dan permukaan ban 85 km/h, selipnya (100 − 85) ÷ 100 = 0,15, atau 15%. Roda masih berputar cepat. Selip bukan persentase waktu roda terkunci, juga bukan sudut menyamping ban. Puncak kering dan basah model pada 17% dan 13% menunjukkan bahwa sedikit perbedaan kecepatan dapat memberi pengereman kuat. Rentang 10 sampai 20% yang sering disebut bukan titik terbaik universal bagi setiap ban atau permukaan.

Pengendali juga harus menangani kecepatan acuan yang berubah. Selama pengereman kecepatan mobil turun, sehingga kecepatan roda tertentu bisa menunjukkan gelinding yang wajar pada satu saat dan selip berlebih pada saat lain. Mendekati berhenti, pembagian dengan kecepatan kendaraan menjadi tidak stabil secara numerik. Pengendali nyata memerlukan logika kecepatan rendah dan perkiraan gerak kendaraan; sensor roda tidak secara mandiri mengukur kecepatan terhadap jalan. Karena itu ambang sederhana pameran tidak boleh disalin ke pengendali kendaraan.

Apa yang dapat disimpulkan dari uji jalan

Laporan NHTSA tahun 2009, The Long-Term Effect of ABS in Passenger Cars and LTVs, membedakan uji rem dari hasil kecelakaan. Dalam pembahasan berhenti lurus dengan injakan mendadak, ABS empat roda memperpanjang median jarak berhenti di kerikil sebesar 28%. Roda terkunci menimbun material lepas seperti baji di depannya, tetapi kendali kemudi hilang dan mobil dapat berputar terhadap sumbu vertikal. Hasil ini berlaku pada kondisi uji tersebut, bukan setiap jalan kerikil atau generasi ABS. Memilih Es di sini tidak mereproduksinya: kerikil lepas dan es berbeda secara fisik.

Analisis statistik laporan memakai data kecelakaan 1995 sampai 2007. Perkiraan penurunan tingkat keterlibatan keseluruhan dalam kecelakaan nonfatal adalah 6% untuk mobil penumpang dan 8% untuk truk ringan serta van. Persentase ini menggambarkan populasi penelitian, bukan pengurangan jarak pada satu pengereman. Efek bersih terhadap keterlibatan dalam kecelakaan fatal mendekati nol, dengan jenis kecelakaan berbeda berubah ke arah berbeda. Hanya menyebut perbandingan jarak yang menguntungkan akan mengaburkan perbedaan uji mekanisme terkendali dan hasil pengemudi di lalu lintas.

Mobil ber-ABS tetap perlu ruang berhenti. Kemudi dan pengereman memakai gaya kontak ban yang sama; manuver tajam dapat menyisakan kemampuan lebih kecil untuk melambat. Hasil pindah lajur pameran memakai aturan cengkeraman samping yang dijelaskan, bukan model ban lengkap atau jaminan keselamatan. ABS juga bukan kendali stabilitas elektronik: mempertahankan putaran saat mengerem adalah tugas lebih sempit daripada memperbaiki putaran kendaraan yang tidak diinginkan. Demonstrasi tidak menggantikan petunjuk pabrikan atau jarak mengikuti yang aman.

Membandingkan simpanan panas dan pemulihan energi di layar

Rem gesek mengubah sebagian besar energi mekanis yang dibuang menjadi panas. Rem regeneratif memakai generator yang diputar roda untuk mengembalikan sebagian energi ke baterai. Pusat Data Bahan Bakar Alternatif Departemen Energi AS menjelaskan jalur generator-baterai ini untuk kendaraan hibrida. Regenerasi mengubah tujuan energi, bukan menambah cengkeraman. Torsi berlebihan bisa membuat roda selip, baik berasal dari kampas maupun mesin listrik. Pameran tidak memiliki mode regeneratif, tampilan baterai, atau pengendali pengereman gabungan.

Saluran udara dalam cakram berventilasi memberi jalur pendinginan di antara pengereman. Ventilasi tidak menghilangkan energi kinetik atau menjamin rem tetap dingin pada penggunaan berulang. Pelemahan rem akibat panas berarti kinerja menurun saat komponen panas. Perubahan koefisien kampas dan mendidihnya cairan merupakan mekanisme berbeda dengan gejala pedal berbeda. Model mempertahankan koefisien dan tidak menghitung pendidihan; cakram berpijar tidak memicu hilangnya efektivitas yang dihitung di sini. Ini ilustrasi suhu, bukan prediksi pelemahan rem.

Bandingkan dengan kontrol sebenarnya. Pilih Basah, pertahankan Gaya pada pedal dan Kecepatan, lalu nyalakan dan matikan ABS. Bandingkan kecepatan roda dan mobil sebelum membaca jarak berhenti. Nyalakan Gerak lambat 1/8 dan ikuti kenaikan, penahanan, serta pelepasan tekanan. Angka 15 sampai 20 siklus per detik bukan spesifikasi tetap semua ABS; model menghasilkan sekitar 13 atau 14 dalam kondisi tadi. Kemudian tambah Rem sebelumnya (tanpa pendinginan) dengan jalan dan kecepatan tetap. Suhu naik, tetapi hasil berhenti tidak memperoleh pelemahan rem nyata. Terakhir, aktifkan Belok satu lajur dan bandingkan pergerakan samping dengan dan tanpa ABS. Ini perbandingan terkendali dalam model, bukan latihan untuk jalan umum.