制動器系統工作原理

引言

我們都知道,踩下制動踏板后車速就會逐漸放慢直至停止。但這是如何實現的呢?汽車是如何將您腿部發出的力傳遞到車輪的?力又是如何經過放大,足以讓汽車這么大的物體停下來的呢?

典型的制動系統
典型的制動系統

本文是制動系統六個部分的第一部分,我們將按踏板到車輪的順序,從頭到尾詳細講述制動系統的各個部分。本文將介紹汽車制動系統的基本概念,并分析一個簡單制動系統的工作原理。在其他文章中,我們將向您介紹汽車制動系統的其他部件,并詳細講述每個部件的工作原理。

您踩下制動踏板以后,汽車通過制動液將您的腳下發出的力傳遞到制動器。而制動實際上需要的力要遠遠大于您的腳所施加的力,因此汽車必須將您的腳施加的力放大。放大的方式有兩種:

制動器通過摩擦將制動力傳遞到輪胎,輪胎則通過摩擦將制動力傳遞到路面。在開始討論制動系統的各部件之前,先讓我們熟悉一下以下三條原理:

杠桿作用

制動踏板以如下方式設計,它可以將您腿部發出的力在傳遞到制動液之前就放大幾倍。

 

如上圖所示,在杠桿的左端施加一個力F。杠桿左端的長度(2x)是右端(x)的兩倍。因此,我們可以在杠桿右端獲得一個2F的力,它運動的位移(y)則只是左端位移(2y)的一半。改變杠桿左右兩端的相對長度,也就改變了放大系數。

液壓系統

任何液壓系統的基本原理都很簡單:作用于某一點的力被不能壓縮的液體傳遞到另一點,這種液體通常是油類液體。 絕大多數制動系統都是通過這一過程放大制動力的。下面是一個最簡單的液壓系統:
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簡易液壓系統

如上圖所示:兩個活塞(紅色)分別裝在充滿油(藍色)的兩個玻璃圓桶中,圓桶之間由一個充滿油的導管連接。如果給一個活塞(圖中左邊的活塞)施加一個向下的力,那么這個力就可以通過管道內的液壓油傳遞到另一個活塞。由于油不能被壓縮,所以這種傳遞方式的效率非常高,幾乎所有的力都傳遞給了第二個活塞。液壓系統最大的好處就是,連接兩個液壓缸的導管可以是任何長度,也可以曲折成各種形狀以繞過中間的其他部件。此外,還有一個好處就是液壓管可以分支,這樣一個主缸就可以被分成多個副缸,如下圖所示:

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主缸與兩個副缸

使用液壓系統的另一個好處就是力的放大或縮小相當容易。如果您讀過滑輪組的工作原理或齒輪比原理,您就會知道,用力換取位移在機械系統中極為常見。在液壓系統中,您要做的就是改變其中一個活塞及其配套液壓缸的尺寸,如下圖所示:

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液壓放大

上圖中,力的放大倍數取決于活塞的直徑。假設左邊的活塞直徑為5厘米,即半徑為2.5厘米;右邊的活塞直徑為15厘米,即半徑為7.5厘米。兩個活塞的面積可以通過公式A=2πr2計算得出。左邊活塞的面積為19.6平方厘米,右邊活塞的面積為176平方厘米。右邊活塞的面積是左邊活塞的九倍。這就意味著給左邊的活塞施加任何一個力,右邊的活塞就會產生一個九倍的力。因此,如果給左邊的活塞施加一個100公斤的向下的力,右邊的活塞就會產生一個900公斤的向上的力。 唯一的不足就是當左邊的活塞向下移動9厘米時,右邊的活塞只能向上移動1厘米。

摩擦力

摩擦力是一個物體在另一個物體上滑動時受到的阻力。請看下圖,兩個滑塊都是用相同材料做成的,但其中一個較另一個更重。所以不難看出哪一個更難推動。

摩擦力與重量

我們可以通過近距離地觀察其中一個滑塊和桌面來了解其中的原因:


通過顯微鏡來研究摩擦力

用肉眼看起來很平滑的接觸面,在顯微鏡下觀察卻是相當粗糙的。把滑塊平放在桌面上時,滑塊和桌面之間有許多小鋸齒擠在一起,其中一些會相互咬合;瑝K重量越大,咬合的鋸齒就越多,其滑動阻力也會越大。

不同的材料具有不同的微觀結構。例如,橡膠與橡膠之間就比鋼鐵與鋼鐵之間更難滑動。材料的類型決定了摩擦系數,此系數等于推動滑塊所需的作用力與滑塊重量的比值。在上例中,如果摩擦系數為1.0,那么推動重100公斤的滑塊需要施加100公斤的力,推動重400公斤的滑塊需要施加400公斤的力。如果摩擦系數為0.1,那么10公斤的力就可以推動重100公斤的滑塊,而推動重400公斤的滑塊也只需施加40公斤的力。

所以推動滑塊所需的作用力與其重量成正比;瑝K越重,推動它所需的作用力就越大。這一原理適用于制動器與離合器這樣的裝置,在這種裝置上,制動片緊壓著旋轉盤。制動片受到的壓力越大,汽車的制動力就越大。

摩擦系數

關于摩擦力的一個有趣現象是,推動物體所需的力通常比使其持續運動所需的力要大。兩個接觸面在沒有發生相對位移的情況下存在一個靜摩擦系數。如果兩個接觸面發生了相對位移,那么克服摩擦力所需的力就取決于動摩擦系數,動摩擦系數通常小于靜摩擦系數。

就汽車輪胎而言,其動摩擦系數遠小于靜摩擦系數。所以,當輪胎接觸面與路面沒有發生相對位移時,汽車輪胎提供的牽引力最大。當輪胎打滑(如剎車或熄火)時,牽引力會大大降低。

在了解實際的汽車制動系統的各個部件之前,我們先來看看一個簡單的系統:

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簡單的制動系統

可以看到,踏板到制動軸的距離是制動缸到制動軸距離的四倍,所以在踏板上施加的力在傳遞到制動缸之前就會被放大四倍。

還可以看到,制動缸的直徑是連接踏板的液壓缸直徑的三倍,這又把制動力放大了九倍。綜上所述,此系統把您腳部發出的力放大了36倍。如果您對踏板施加了10公斤的力,那么在車輪處擠壓制動片的力將達到360公斤。

另一方面。這個簡單的制動系統還存在幾個問題有待解決。滲漏會導致什么結果?如果發生緩慢的滲漏,最終將導致制動缸內的制動液不足,制動系統也會隨之失效。反之,如果發生急劇滲漏,您第一次剎車時所有的制動液就會噴射而出,制動系統就會完全失靈。

現代汽車中的主缸就是為了解決這一問題而設計的。請閱讀主缸和組合閥工作原理一文。有關制動系統的其他文章,請參加下一頁上的鏈接。

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