5.1 负责让汽车停止的制动器的结构

想停车时大家会怎么做?

想停车,就制动,这是人尽皆知的。但请您再回想一下自己开车时的情景。

当红灯亮起时您肯定是先松开加速踏板吧。接着汽车的速度慢慢降低,这时汽车就开始减速了。

之所以松开加速踏板就可以减速,是因为汽车中有各种阻力在发挥作用。行驶时发动机的旋转力战胜了阻力,而当驾驶员松开加速踏板时,汽车会因阻力逐渐减速,即使不踩制动踏板最终也会停止。因此在本章中,我会先讲解作用于汽车的阻力,再介绍制动装置。

那么汽车中究竟有哪些阻力呢?汽车中的阻力存在于发动机、变速器、轮胎以及车身等很多地方。在发动机中,气缸内的活塞上下运动时就会产生摩擦阻力。在变速器中,当齿轮啮合转动时,锯齿和锯齿的接触部分也会产生摩擦阻力。

轮胎表面的橡胶和路面之间会产生摩擦,转化成驱动汽车前进的抓地力。在抓地力的帮助下,轮胎不会空转,而是能够推动汽车前进。但抓地力毕竟是阻力,因此没有了发动机的旋转力,汽车就会减速。

阻力不只是由摩擦引起的,汽车在行驶过程中还会有空气阻力作用于车身,其大小为速度的2倍。也就是说,当速度增加为原来的2倍时,空气阻力就会增加到原来的4倍。速度越快,空气阻力的影响就越大。

汽车能够正常行驶是因为发动机的力战胜了这些阻力。而当驾驶员松开右脚踩住的加速踏板时,发动机的旋转力就会减弱,速度也就下降了。

但如果任由阻力发挥作用,汽车就会在停止前还要行驶很长一段距离。因此为了在十字路口的信号灯前平稳停车,还是要踩下制动踏板,使汽车在短时间内停止。制动装置是通过主动增加作用于汽车的阻力强制停车的。

下面我们就来看一下踩下制动踏板时是如何增加阻力使汽车停止的。

当驾驶员踩下制动踏板时,制动踏板的移动会传递到安装在发动机室内部的制动器主气缸中(图5.1)。制动器主气缸中有活塞,当驾驶员踩下制动踏板时活塞就会运动,挤出气缸中的制动液

制动系统的结构
制动系统的结构

下压被挤出的制动液的力,经由制动器主气缸前端的制动管道传递到四个轮胎。轮胎的内侧安装了制动装置,由制动卡钳制动垫制动盘构成,负责传递制动液下压的力(图5.2)。我们把这种制动装置称为盘式制动器(照片5.1)。

盘式制动器

照片5.1 一种盘式制动器
※照片由丰田汽车提供

盘式制动装置的结构

图5.2 盘式制动装置的结构
※制动卡钳夹住盘式制动器,制动卡钳内部有制动垫。当制动管道内的制动液受压时,卡钳内的活塞就会下压,使制动垫压住制动盘实施制动。

制动液把踩下制动踏板的力传递到制动卡钳内的活塞上,活塞借助这一力量上下运动,下压制动垫,受压的制动垫附着在制动盘上。

制动盘上有装有轮胎的轮毂。也就是说,当利用制动垫夹住制动盘使其停止转动时,轮胎也同样停止了转动。

实际上,制动装置是在制动盘左右安装了制动垫,利用左右的制动垫夹住制动盘。当驾驶员轻踩制动踏板时,制动垫就会轻轻地附着在制动盘上。而当驾驶员用力踩下制动踏板时,制动垫就会紧贴在制动盘上。这样一来就能调整制动的强度。

四个轮胎的内侧均配备了制动装置,这样就能使汽车平稳安全地减速。即使是自行车,比起仅在前后轮中的其中一个装上制动,前后轮同时制动更加安全。

不仅是汽车,自行车、火车以及飞机等交通工具的制动装置也都是利用了摩擦原理。

当制动装置试图使轮胎停止转动时,会因摩擦而产生热量。正是通过将汽车行驶的动力转化为热量并将其释放到空气中,汽车才能减速。

制动器利用摩擦将速度转化为热量。摩擦是在物体相互接触时产生的阻力,当忽略阻力继续摩擦时就会产生热量,即摩擦热。在寒冷的冬天搓手会觉得温暖,也是摩擦热在起作用。汽车的制动器就是产生摩擦热的装置。

上一节我介绍过,位于四个轮胎内侧的制动装置是由制动卡钳、制动垫和制动盘组成的。当制动垫夹住金属的制动盘时两者相互摩擦,产生摩擦热。摩擦热会从制动盘被释放到空气中,使汽车降低速度直至停止。

如前所述,普通小汽车的主要制动方式都是利用摩擦将速度转化为热量,再将其释放到空气中。一方面,汽车在发动机中燃烧汽油,用燃烧生成的热量带动活塞上下运动,再将其转化为旋转运动。而另一方面,汽车在停止时将速度转化为热量并将其释放到空气中。这样看来,汽车就是在反复进行热量交换,或者可以称为能量的轮回。

现在绝大部分小汽车的制动器都是盘式制动器,但也有一部分采用的是安装在后轮上的鼓式制动器(图5.3)。下面我就来介绍一下盘式制动器和鼓式制动器的特征。

鼓式制动装置的构成

图5.3 鼓式制动装置的构成
※鼓式制动器的内侧有制动蹄,当向制动液施压活塞下压时,制动蹄会向外扩张,紧贴鼓的内侧,实施制动。

在盘式制动器中,产生摩擦热的制动盘是暴露在外面的,这是为了将热量更容易地释放到空气中。

如果不将制动装置产生的热量源源不断地释放到空气中,也就无法制动。您或许听说过,也可能亲身体验过,当汽车在下坡路上长距离行驶时,如果始终踩着制动踏板就会导致无法制动。这是因为如果始终踩住制动踏板,制动盘产生的热量就会超过释放到空气中的热量,使得制动盘持续带热。

制动时产生的热量能使水沸腾,在赛车比赛中,制动盘甚至会像被火烧过一样热得通红。

再来说鼓式制动器。在薄薄的圆柱形的鼓内装有制动蹄,它与制动垫的功能相同,但在鼓式制动器内我们把它称为制动蹄。

当制动液的力量经由制动管道传递到活塞时,制动蹄就会向外扩张,紧贴到鼓的内侧。这样一来就会产生摩擦,生成摩擦热。因为摩擦热产生在鼓的内侧,所以与盘式制动器相比热量更容易保存。但由于制动时产生的热量还是应该尽快释放到空气中,因此这种结构也会成为一个缺点。

那么为什么会有鼓式制动器呢?这是因为在鼓式制动器中,制动蹄紧贴的是鼓的内侧,这就使得紧贴面上很难残存污物。在道路大都未经铺砌的时代,鼓式制动器流行的原因就在此。

现在的道路大多是经过铺砌的,人们不再担心会有泥巴之类的污物。并且,性能的提高使得汽车能以更快的速度行驶,因此冷却性良好、能使汽车从较高速度瞬间停止的盘式制动器普及开来。

但目前还有将鼓式制动器用在负担较小的后轮上的汽车。至于后轮制动的负担较小的原因,我会在之后的讲解中解释。

无论是汽车还是火车,当其从行驶状态一下转入制动状态时,乘客的身体都会前倾。正在走路或者跑步的人突然停止时,身体也会前倾。汽车在制动时也会出现与人的身体前倾相同的负重转移现象,即车身的重量集中到前轮。相反,汽车在加速时负重就会转移到后轮。

正是因为制动时负重会转移到前轮,才会给前轮的制动器带来很大的负担。因此,前轮的制动器必须生成大量的摩擦热,以产生强大的制动效果,所以要增大前轮的制动器容量。所谓增大容量,是指增加制动盘的直径和厚度,并增大制动盘。

而且,为了使热量尽快从容量较大的制动器中释放出来,还有的制动器在制动盘较厚的地方留出了缝隙,将空气通入圆盘中。我们称之为通风盘式制动器。此外,在跑车等频繁高速行驶的汽车中,还在其前保险杠上留出用于冷却制动器的小孔,把从小孔中进入的空气导入制动盘中,以强制提高冷却效果。

那么当驾驶员踩下制动踏板时,是如何改变前后轮的制动效果的呢?

对驾驶员来说无需进行特别的操作。之前我讲过,在制动装置中,当驾驶员踩下制动踏板时,制动器主气缸中的活塞会下压。制动装置中嵌入了改变前轮和后轮中活塞移动量的结构。

这一结构运用了非常简单易懂的杠杆原理,我来举一个身边的例子解释一下。请您把一支铅笔横放在桌子上,然后按住铅笔的中心点向前推,这时铅笔会直着向正前方移动。接下来您可以再按住铅笔偏右或者偏左的地方向前推,这时铅笔就会斜着移动,左右方向的移动距离不一样(图5.4)。

改变前后轮制动效果的结构

图5.4 改变前后轮制动效果的结构
※利用杠杆原理增强前轮的制动效果。平衡杆负责传递制动踏板的活动,其支点偏离中心,以改变制动器的压力。

大家可以把推铅笔的手指看作是制动踏板。 前后轮的制动器分别连着活塞,就像一根手指让铅笔左右移动的距离不同一样,一个制动踏板也会使得活塞的移动距离不同。平衡杆连接两个活塞,制动踏板安装在平衡杆偏离中心的位置上。这样一来,前轮制动器的制动效果当然更强。

在图5.1中,为了让您理解基本的结构,我只画了一个主气缸。但实际上制动器如图5.4所示,有两个主气缸。

与后轮相比,前轮制动器的制动负担更重,因此前轮配备的是易散热的盘式制动器。而后轮的制动负担比前轮小,采用的是小于前轮的盘式制动器或鼓式制动器。但是近年来小型汽车的性能都提高了,也能够在短时间内加速,因此后轮也通常采用盘式制动器。

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