足球之家:刹车系统工作原理

刹车系统工作原理

        在汽车之家的性能测试环节中，加速和刹车是最主要的两个测试项目，平时我们接触到一辆新车，往往问的第一个问题是这辆车有多快而不是这辆车刹车好不好，但问题在于速度慢多数情况下不会有什么太大问题而刹车不好很可能关系到生命安全，所以今天我们就来说说汽车的刹车。

        刹车系统的原理是制造出巨大的摩擦力，将车辆的动能转化为热能。众所周知，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。汽车在加速过程中把化学能转化成热能和动能，刹车时刹车系统又将汽车的动能转化成热能散发到空气中。一辆车从静止加速到时速100公里可能需要10秒钟，但从时速100公里刹车到静止可能只需要XX秒而已，可见刹车系统承受着巨大的负荷。从另一个角度来说，如果你想体验超级跑车的加速快感，用普通家用车也可以，只不过你需要反过来坐着并且是在急刹车中体验到。

        目前大部分小型车都采用液压制动，因为液体是不能被压缩的，能够几乎100%的传递动力，基本原理是驾驶员踩下刹车踏板，向刹车总泵中的刹车油施加压力，液体将压力通过管路传递到每个车轮刹车卡钳的活塞上，活塞驱动刹车卡钳夹紧刹车盘从而产生巨大摩擦力令车辆减速。

        我们先从刹车总泵说起，这个部件通常位于发动机舱防火墙靠近驾驶员的一侧，有些车的刹车总泵”小得可怜“，甚至让人怀疑它是否能提供足够的刹车力。其实完全不必为此担心，因为刹车系统运用了”帕斯卡定律“。

帕斯卡定律：

        根据静压力基本方程(p=p0+ρgh),盛放在密闭容器内的液体，其外加压强p0发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压强均将发生同样大小的变化。

        简单来说就是我们踩下制动踏板后施加到刹车总泵液体上的压强等于刹车盘活塞处的液体压强，但因为压强等于单位面积的压力，所以只要增大活塞的面积，施加的压力就会增大。例如下图这个实验，两个圆柱形活塞，左侧活塞直径是2英寸，右侧活塞直径是6英寸，也就是左侧活塞的3倍，那么如果给左侧活塞施加一定量的力，那么右侧活塞将产生一个9倍的力（面积是半径的平方乘以3.14），这也就是现在所有液压机构的理论基础，所以起重机可以通过液压系统举起数十吨的货物。

        尽管如此，仅靠人体施加的力度依然不足以产生足够制动力，因此需要刹车助力泵的协助。

        刹车助力泵和制动总泵是串联在一起的，通常它的外形是一个巨大的黑色类似圆柱或圆锥形容器，其实它也是一个活塞机构，里面有一个膜片把助力泵分成两个腔室，一边链接的是发动机进气管，另一边则与外界大气相通。由于发动机在工作时需要吸气，就会在助力泵的一侧产生真空，这样就使膜瓣两侧产生巨大压力差，和驾驶员施加的压力一同压向制动总泵从而产生巨大制动力。

制动总泵需要管路连通到每个刹车卡钳上，我们可以看到从刹车总泵上伸出的几根黑色管，这些管道都是金属材质的，原因很简单，金属没什么弹性，不会因为液体的压强增大而扩张，保证制动力的传递。但是在管路的尽头也就是车轮附近却不得不采用软管，因为在行驶过程中车辆悬挂总是不断的在做相对于车身的运动，一般家用车都采用橡胶材质软管。从刹车效果角度来看，软管终究不是最理想的，因此很多后期刹车改装中都采用所谓的”钢喉“，当然钢喉也不是传统的钢管，它的内部依然是橡胶管，而外表套上钢线编织管，提升耐高压性能。

        整个刹车系统中最直观的部分就是刹车盘和卡钳，它位于每个车轮上，透过轮毂就能看到。刹车盘就是一个金属盘，和车轮同轴转动，随时准备着被刹车卡钳无情的夹紧。对于消费者来说在刹车盘方面主要可以关注以下这两个信息：是否是通风盘；刹车盘直径。

        下面这张图片中显示的就是通风盘，我们可以看到中间有很多孔洞，行驶过程中气流会在这些孔洞中穿梭，冷却效果更好。从另一个角度说，相对于实心盘，通风盘由于扣掉了部分盘体，因而重量更轻，降低旋转时的惯性，有利于提高车辆加速和刹车性能，尽管这种作用可能很细微。

通风刹车盘

        刹车盘直径是描述刹车性能的直观指标，在其他因素相同的情况下，刹车盘越大，刹车性能理论上说就越好。我们都知道杠杆原理，如果刹车盘直径越大，刹车卡钳就可以越远离车轴中心点，这就相当于加长了力臂，同样大的摩擦力就获得了更好的制动效果。

        刹车卡钳是向刹车盘施加作用力的部件，刹车总泵产生的液压最终作用在卡钳内部的活塞上，活塞扩张之后会将刹车片推向刹车盘。

        也许有些读者会产生疑问，为什么我们看不到活塞在哪里？原因很简单，普通家用车刹车卡钳的活塞只在卡钳的一侧，通常是刹车盘后面的那一侧，所以从外面我们只能看到卡钳和卡钳上固定的刹车片。

高性能汽车使用的多活塞卡钳

        不过也有例外，那就是很多高性能车上采用的对向多活塞卡钳，”对向“就是指在刹车盘两侧都有活塞，刹车时两侧活塞对向施加压力，将两侧的刹车片推向刹车盘。

众所周知，当我们踩下制动踏板时，汽车会减速直到停车。但这个工作是怎么 样完成的？你腿部的力量是怎么样传递到车轮的？这个力量是什么样被扩大以至能让一台笨重的汽车停下来？

    首先我们把制动系统分成6部分，从踏板到车轮依次解释每部分的工作原理，在了解汽车制动原理之前我们先了解一些基本理论，附加部分包括制动系统的基本操作方式。

    基本的制动原理

    当你踩下制动踏板时，机构会通过液压把你脚上的力量传递给车轮。但实际上要想让车停下来必须要一个很大的力量，这要比人腿的力量大很多。所以制动系统必须能够放大腿部的力量，要做到这一点有两个办法：

    • 杠杆作用

    • 利用帕斯卡定律，用液力放大

    制动系统把力量传递给车轮，给车轮一个摩擦力，然后车轮也相应的给地面一个摩擦力。在我们讨论制动系统构成原理之前，让我们了解三个原理：

    •杠杆作用

    •液压作用

    •摩擦力作用

    杠杆作用

    制动踏板能够利用杠杆作用放大人腿部的力量，然后把这个力量传递给液压系统。

    如上图，在杠杆的左边施加一个力F，杠杆左边的长度（2X）是右边（X）的两倍。因此在杠杆右端可以得到左端两倍的力2F，但是它的行程Y只有左端行程2Y的一半。

液压系统

    其实任何液压系统背后的基本原理都很简单：作用在一点的力被不能压缩的液体传递到另一点，这种液体通常是油。绝大多数制动系统也在此中放大制动力量。下图是最简单的液压系统：

    如图：两个活塞（红色）装在充满油（蓝色）的玻璃圆桶中，之间由一个充满油的导管连接，如果你施一个向下的力给其中一个活塞（图中左边的活塞）那么这个力可以通过管道内的液压油传送到第二个活塞。由于油不能被压缩，所以这种方式传递力矩的效率非常高，几乎100%的力传递给了第二个活塞。液压传力系统最大的好处就是可以以任何长度，或者曲折成各种形状绕过其他部件来连接两个圆桶型的液压缸。还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主缸可以被分成多个副缸，如图所示：

    使用液压系统的另外一个好处就是能使力量成倍的增加。在液压系统中你需要做的只是改变一个活塞和液压缸的尺寸，如下图：

    上图表示的就是力的加倍放大，力放大的倍数要以活塞的直径来定。左边的活塞直径为2寸（注：相当于5.08cm），右边的活塞直径为6寸（相当于15.24cm）。因为圆的面积等于Pi * r2,所以左边的活塞面积为3.14平方厘米，右边的活塞面积为28.26平方厘米。右边的活塞面积比左边的大9倍。这就意味着给左边的活塞施加任何一个力，右边的活塞就会产生一个比左边大9倍的力。因此当你给左边的活塞施加一个100磅的向下的力时，右边的活塞就会产生一个900磅的向上的力。唯一的不足就是当左边的活塞向下运动9寸时，右边的活塞只能向上运动1寸。