关于车辆的刹车,你真的了解吗?

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其实汽车的各个部件就是这样:首先有了我们口中常说的“三大件”(发动机、变速箱、底盘悬架),然后才有了配合三大件的其它部分的零件。所以,越是向汽车的核心部件去进发研究,越是会发现其要考虑的东西比“看得见摸得着”的部分多得多。而今天我们讲到的制动系统(即我们常说的刹车),就是这样的一个部分。老规矩,按照问题顺序,我一个一个进行解答和说明。 

1、车子是怎么停下的?

估计大多数同学看到这个问题,都会觉得我这么一问是有些多余——“车子嘛,自然是通过刹车来停下的”。稍稍多想一点的同学,答案也无外乎是“应该是制动系统的工作,让轮毂逐渐减速,来达到了停止的效果”。但其实我想问的是“从物理的能量转换角度上来看,车子是如何停下的?”

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

是的,我们大多数对于制动系统,看到的是其机械原理,但从未从能量的角度来关注过制动系统——正因为此,只要从能量的角度明白了制动系统的工作原理,那么一辆车子很多地方的设计理念,就能一下子迎刃而解了。

首先,对于汽车来说,大多数人都知道一个道理:汽车之所以能开动起来,无非是化石燃料燃烧所具备的热能转换为汽车前进所需的机械动能而已。好的,既然车辆行动是从热能转换为动能,那么,制动系统就应该反过来,将动能转换为热能。也就是说,制动系统是“用来降低车速的热交换器”。既然如此,对于制动系统来说,有两个问题就要考虑——如何有效的将动能转化为热能,以及转化出来的热能如何尽快的处理掉。

先说第一点:如何有效的将动能转化为热能。

要了解这一点,我们需要知道这个转化过程是从哪儿来的——还记得我在讲“轮胎对一辆车有多重要?”的时候提到的所谓车轮静摩擦力的概念吗?是的,制动系统一样,是依靠于轮胎的静摩擦力的。车辆的最大制动力就是这辆车在当前重量、当前轮胎下的最大静摩擦力,一旦突破了这个摩擦里,车辆的轮子就会转为力量更小的滑动摩擦力,导致制动力减小。所以,一切都要以轮胎的能力为基础。

在这里我补充两个小知识:如果你想要改善自己车辆的行驶、制动能力(驾驶表现更好、刹车距离变短),最为直观、高效、高性价比的方案,便是换一套适合当前路况的轮胎。

再说第二点:转化出来的热能如何尽快的处理掉。

热量这个东西对于任何工业产品来说都是个双刃剑——有时候我们需要它来帮助我们工作(比如发动机),而有时候它又成为了阻碍工业产品持续稳定工作的大敌。这次的制动系统就是如此:正因为制动系统的工作原理是将动能转化为热能,那这些多余的热能如何继续转化为不影响车子的能量就成为制动系统的最大难题(高中物理的能量第一定律:能量既不可产生也不可消灭,它只能从一个形式转化为另一个形式,或者从一个物体转化到另一个物体上)。于是在目前的车辆工程设计水平上,我们将这些热量转化的主要方式就是:利用风。

为何近代轮毂的设计都会尽力将轮辐设计成窄小的外形构成(哪怕是轮辐数量较少的锻造轮毂都会尽量减小轮辐宽度),其主要的作用就是为了将簧下质量、轮毂支撑力、轮毂导热力维持在一个相对平衡的水平上。而这最后一点,就与我们车子的制动系统息息相关。

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

2、制动系统的核心原理和核心部件?

要知道,正如我们上面所说的一样,制动系统的工作原理是将动能转化为热能,那么其转化的出的热能必然是很高的。笔者有一次玩卡丁车,在卡丁车跑了7分钟后因好奇心大起在没带手套的情况下碰了下刹车片,结果仅仅是轻轻一碰就把左手的无名指烫掉了一块皮……(现在想想都疼……)可以说,在持续工作的情况下,车辆制动系统产生的热量是巨大的。

然而这就产生了个问题——我们让汽车停下来都是通过“踩刹车踏板”这个动作的,哪怕你这个动作做得再用力,其产生的能量放到汽车的制动系统上估计连让车减速1km/h的能量都不够。所以我们的制动系统一定是用了一些手段将我们踩在制动系统上的力量“放大”了无数倍,这样才能让车辆有效减速。

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

那么,这种放大过程经历了什么呢?对于汽车来说,主要是几个步骤:一个是通过压力转化为静摩擦力的力量放大方式,即通过改变静摩擦系数来做到逐级放大。比如制动系统的来令片、蹄片对刹车制动盘的制动过程;以及车辆本身重量和轮胎材质产生的与地面的摩擦力。

其次就是通过惯性来分解部分力量,达到制动力变相放大的结果。最典型的例子就是车辆的悬架机构用过连杆、垫片等形式轴性固定在了车辆上(对,换轮胎时你能直接把轮毂卸下,但制动系统和悬架是有单独的连接机构的),通过连杆消除5个运动相性后(回忆一下悬架篇,车辆的6个运动相性),留下一个Y轴旋转的动作。所以我们踩刹车的时候车辆才会往前倾斜,因为这样才能将部分动能转化为势能。

最后一个,也是最为重要的一个,就是利用了帕斯卡定律了。

帕斯卡定律——不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后,此压力增值瞬时间传至静止流体各点。这条定律看起来简单,但如果换成我们容易理解的方式,你就会发现这玩意儿简直是‘神的恩赐’。我们用简单的话来解释一下——如果一个密闭的空间内装满液体,那么你在这个密闭空间外侧用一个大小为单位1的力,这个力会传递到密闭空间的各个点上。如果我们做的BT一点,假设这个密闭空间只有两个地方能用上力,一个地方的面积为面积1,另一个地方面积为面积10(嗯,面积1的10倍),那么如果在面积1的上面作用单位1的力,那么传递到面积10上的力——就是单位10。

依靠着这个原理,人类发明了千斤顶、水压机……以及制动泵。汽车在制动时,刹车踏板连接这一个小开口面积的活塞、制动泵输出的位置是一个大开口面积的活塞。当脚步给刹车踏板压力时,通过制动泵的面积差将人脚的压力进行放大,最终再通过刹车主缸传递个刹车蹄片、刹车油泵,最终达到制动力的合理放大。

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

3、我们如何改进制动系统?

了解了上面三个制动放大步骤,整车的制动进化就可以围绕着这些地方来做文章。

轮胎

还是上面说过的,我这里再说一次——如果想显著改善车辆在当前路面条件下的制动力,最直接的方法就是换上当前路面下摩擦系数更高的轮胎。毕竟这是制动力最终的产生地点,改善了这个位置的极限能力后,你会发现车辆制动能力有着飞跃性的提升。

来令

如果已经改善了轮胎,但还是觉得制动力度不够的话,可以通过更换来令片来提升刹车效果。哦对了,说了这么半天,我还没解释我说的来令是啥……就是刹车皮啦,那个玩意儿固定在卡钳上,属于消耗品。来令片的物流特性说实话跟轮胎有些类似——针对于不同的行驶特性,来令片从适合街道到适合竞技的种类应有尽有。但通常上,耐久性、适温性(能发挥最大效果的温度,这也是赛车暖胎圈的一个必要工作,暖来令)、耐热性是决定了来令工作的几个重要指标。通常耐久性好的来令片性能都不算高,而通过特殊材料制作的高性能来令片耐久性不咋地。所以如何选择就与轮胎一样,是一门玄学。

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

刹车油

常规保养料之一,但因为其保养时间很长(3-4年)所以经常被人忽略。刹车油通常放在刹车油壶中,内部串联着刹车主缸和各个车轮的制动卡钳(通过刹车油管)。通常情况下,刹车油会对整个制动系统内部进行液体密封的维持,以保证在制动系统时构成完整的帕斯卡空间(见上面描述)。所以,市面上买到的任何刹车油,其上面标记的DOT3、DOT4等字样跟制动力是否提升无任何关系——这些字样只是标明了其工作的一些温度、湿度等参数的上下限而已。尤其是高DOT等级的刹车油,其更容易吸收湿气而劣化的特性,注定了需要更加频繁的进行更换,但由于是高沸点的刹车油,如果长期、高强度需要使用制动系统,还是建议使用高DOT等级的刹车油。

刹车油管、卡钳、刹车盘:非常规保养料,需要协同考虑。

通常的情况下,想提升制动性能就是更换更大的刹车盘(鼓式刹车暂且不提),或使用通风盘、划线盘、打孔盘来增强刹车盘的散热性;以及使用更大、活塞更多的刹车卡钳来增大摩擦面积以及制动压力。但如果在开车时感觉制动的脚感很怪、制动力不扎实的话,通常是刹车油管膨胀导致的结果,所以不妨从更换更好的刹车油管开始下手。

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

4、一句话建议

跟以前一样——前面的不懂没关系,最后针对大家说一说日常用车对于制动系统的小建议:正好我刚刚换完刹车油,可以借着经验来谈谈。

制动系统是最容易遭受磨损而衰减的,所以每次保养请务必检查制动系统的状况——一个维修店的技术水平好不好,你看看其检查制动系统的水平即可(换机油机滤那是招揽生意的;维修钣金更换零件那是靠熟练工的;只有喷漆,这是门玄学,看经验的)。

关于车辆的刹车,你真的了解吗?

请不要在没有任何知识、没有任何经验、没有任何专业人士的指导的情况下自行对制动系统进行补强,包括更换刹车盘、卡钳等。虽然大刹车盘和大卡钳有助于提升制动力,但对整车来说过大的刹车盘和卡钳会急剧增加簧下质量,同时也需要更大的轮毂做inch-up工作,这样就会破坏车辆动力、操控性上的平衡。

如果需要调整更好的制动力的话,更换更好的轮胎、更好的来令片、更好的刹车油管是最为行之有效的方法。按照轮胎>来令片>刹车油管的顺序更换。注意车辆手册上的更换要求即可。

制动系统对于热量非常敏感,长期、高强度刹车就会引起气阻和热衰减现象。所以在平时行车时,请尽量用油门开度控制车速;刹车时,在不出现危急情况下,尽量慢踩慢松,以达到保护制动系统的目的。另外,长时间行车后,请不要立即用冷水冲洗制动系统,会造成轻微变形导致制动力减弱甚至失效。

本文是驾仕派友号买车问问的原创文章,我们觉得挺有用就搬运过来了,已获原作者授权。

编注:为了丰富原创频道的内容,原创君与优质媒体号进行合作,引入更多优质原创内容,同时也为这些优秀的自媒体号提供展示平台。此篇文章来自于微信公众号——“驾仕派”,微信搜索“jiashipai”。

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