Hur cykelbromsbelägg fungerar: Vetenskapen bakom stoppkraft

Har du någonsin undrat hur små bromsbelägg på din cykel kan få en cyklist och deras cykel att stanna snabbt?

De flesta vet vad bromsbelägg gör – de stoppar din cykel. Men få förstår hur de faktiskt fungerar. Under varje mjukt stopp och kontrollerad nedförsbacke finns en blandning av fysik, ingenjörskonst och smart materialvetenskap!

Låt oss gå igenom vetenskapen bakom bromsbelägg och vad som gör att vissa presterar bättre än andra.

1. Grunderna: Att omvandla rörelse till värme

Kommer ni ihåg i NO-lektionen när vi lärde oss att energi inte kan skapas eller förstöras, bara omvandlas från en form till en annan? Det är vad som händer under inbromsningsprocessen!

När din cykel rör sig har den kinetisk energi – rörelseenergin.

Kinetisk energi kan beräknas med:

0,5 x systemets massa x kvadraten på hastigheten.

Så vi ser att den totala kinetiska energin beror på två variabler:

1) cyklistens och cykelns massa

2) hastigheten (hur fort du kör).

Ju tyngre systemets massa och/eller hastighet är, desto större är energin. Hastigheten har dock en enorm inverkan på den totala energin eftersom den kinetiska energin är en funktion av kvadraten på hastigheten.

Varje gång din hastighet fördubblas, fyrfaldigas den totala kinetiska energin! Det är därför en stabil och pålitlig bromsning är avgörande för långa nedförsbackar på cykeln!

För hydrauliska skivbromsar, som är alltför vanliga nuförtiden för de flesta cyklar, trycks bromsvätskan till när du drar i bromshandtagen:

1. Bromsoket som trycker beläggen mot rotorn
2. Friktionen mellan bromsbelägget och rotorn omvandlar kinetisk energi till termisk (värme) energi, eventuellt även ljudenergi (gnisslande bromsar) 😖
3. Rotorn och luften runt den avleder värmen.

Det är en exakt omvandlingsprocess: rörelse (kinetisk energi) > friktion > värme (termisk energi) > cykeln stannar.

För lite friktion = dålig bromsning.

För mycket värme = blekning av bromsarna, glaserade bromsbelägg och till och med skevhet i bromsskivan!

Det är därför bromsbeläggsdesign fokuserar på att kontrollera friktion och värme, inte bara skapa den.

2. Friktion: Grunden för bromskraft

Bromsbelägg stoppar din cykel genom två typer av friktion:

Limfriktion

När dina bromsbelägg trycker mot rotorn medan rotorerna är i rörelse, överför friktion och värme ett lager av bromsbeläggsmaterial till rotorerna . Detta kallas ett överföringslager – tänk dig vägytor när en bil får en utbränning eller avdrift.

Det här överföringslagret är anledningen till att det är så viktigt att bromsskivorna monteras ordentligt ! Varje cyklist med skivbroms kan intyga hur svag bromskraften hos skivbromsar är tills de är ordentligt insatta.

Vid inbromsning fäster och bromsar detta överföringslager tillfälligt , vilket saktar ner din cykel och är mycket mindre destruktivt jämfört med den andra typen av friktion vi kommer att behandla: slipande friktion.

Slitande friktion

Detta inträffar när beläggets yta försiktigt gnider mot rotorn . Det avlägsnar ett litet lager material varje gång och omvandlar energi till värme. Detta leder till snabbare slitage på beläggen och skador på rotorn, men det är den oundvikliga kostnaden för att få stopp på din cykel! Energin måste ta vägen någonstans...

3. Värme: Den dolda fienden

Vid hård inbromsning kan temperaturen vid gränssnittet mellan belägg och rotor nå upp till 250 °C !

Exempel:
En cyklist på 75 kg + en cykel på 9 kg som kör i 40 km/h bär på cirka 5185 J kinetisk energi. Vid en enda inbromsning från 40 km/h till ett så hårt stopp som möjligt skulle de två bromsskivorna värmas upp med ~47 °C . Detta beräknas med hjälp av den grundläggande värmeöverföringsekvationen.

ΔT​ =Q/( m × c) , där:

• $Q$ är den termiska energin (den kinetiska energin på 5185 J),
• $m$ är rotorns massa (antas vara 110 g), och
• $c$ är rotormaterialets specifika värmekapacitet (förutsatt rostfritt stål).

Vi antar också att bromskraften slutligen fördelas mellan två identiska rotorer, och att det inte sker någon värmeöverföring mellan luft- och rotorsystemet.

Om vi ​​ändrar på saker och ting, säg att vi bromsar i 50 km/h med samma förhållanden som tidigare, så skulle de enskilda rotorerna istället värmas upp med 88 °C ! Kom ihåg att detta inte tar hänsyn till omgivningstemperaturen.

Vi kan se hur mycket stryk bromsskivorna och bromsbeläggen måste tåla, särskilt i långa och snabba nedförsbackar eller tyngre system som elcyklar.

Naturligtvis måste beläggen och rotorn hantera denna värme ordentligt. Om inte, börjar problemen:

• Bromsblekning: När bromsbeläggsmaterialet överhettas förlorar det friktion, vilket resulterar i en plötslig minskning av bromskraften. Det är därför bromsbeläggstillverkare som Shimano har kylflänsar på bromsbeläggens baksida.
• Glasering: Detta är när dynan smälter något, hårdnar och blir slät – vilket minskar greppet.
• Rotorvridning: Ojämn värmeexpansion böjer rotorn, vilket orsakar pulsering eller friktion.

Om du någonsin sett stålrotorer bli gula/bruna/lila/blå är detta ett tecken på att stålet har börjat oxidera, vilket indikerar temperaturer långt över 200 °C.

4. Balansering av allt: Värme, grepp, kontroll

I praktiken avgör både friktion och värmehantering hur bra en cykels bromssystem fungerar. Men precis som i bilar kan cykelbromsar inte generera obegränsad kraft eller motstå extrema temperaturer för alltid.

Även de bästa bromsbeläggen och bromsskivorna har begränsningar. Om du trycker dem för hårt kommer de att överhettas, bli glasiga eller blekna. Men det finns också en annan begränsning: greppet .

Oavsett hur kraftfulla dina bromsar är, kan de bara stoppa så effektivt som dina däck har grepp i vägen eller leden . Om bromskraften överstiger väggreppet kommer däcken att slarva eller förlora greppet, vilket minskar kontrollen och ökar stoppsträckan.

Därför handlar ett bra bromssystem inte bara om rå bromskraft. Det handlar om balansen mellan:

• Genererar tillräckligt med friktion för att stoppa snabbt och säkert
• Hantera värmen så att bromsarna förblir konsekventa, och
• Att matcha den kraften med däckets förmåga att bibehålla greppet.

Ur ett designperspektiv handlar moderna cykelbromsar om denna avvägning. Målet är att leverera maximal bromsprestanda utan att offra kontroll eller stabilitet , oavsett förhållanden – torr asfalt, löst grus eller våta utförsleder.

5. Bromsbeläggsmaterial

Med tanke på den stora variationen av situationer man och sina cyklar kan befinna sig i har tillverkare skapat ett urval av bromsbelägg formulerade med olika blandningar, där varje typ är mer lämpad för en viss köregenskap än den andra.

Bromsbeläggsblandningar kan formuleras med hjälp av en extremt mängd olika blandningar, vilket är anledningen till att varje bromsbeläggstillverkare skyddar sitt unika recept!

För att läsa mer om de olika föreningarna som används, klicka här!

6. Slutliga tankar

Bromsning handlar inte bara om kraft – det handlar om kontroll, konsekvens och självförtroende . Bakom varje mjuk inbromsning finns en balans mellan fysik och materialdesign.

Dina bromsbelägg hanterar den balansen varje gång du cyklar. Så när det är dags att byta ut dem, välj belägg som är utformade med verklig forskning bakom sig. För när det gäller bromskraft behöver du bromsar som du kan lita på.

UpptäckTracEdge bromsbelägg – Tillverkade av erfarna taiwanesiska ingenjörer som designar och tillverkar bromsbelägg för fordons-, lok- och jordbrukssektorn!

Med ❤️,
Tim