引言
我們都知道，踩下制動(dòng)踏板后車(chē)速就會(huì)逐漸放慢直至停止。但這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？汽車(chē)是如何將您腿部發(fā)出的力傳遞到車(chē)輪的？力又是如何經(jīng)過(guò)放大，足以讓汽車(chē)這么大的物體停下來(lái)的呢？
 典型的制動(dòng)系統(tǒng) |
本文是制動(dòng)系統(tǒng)六個(gè)部分的第一部分，我們將按踏板到車(chē)輪的順序，從頭到尾詳細(xì)講述制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部分。本文將介紹汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的基本概念，并分析一個(gè)簡(jiǎn)單制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。在其他文章中，我們將向您介紹汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的其他部件，并詳細(xì)講述每個(gè)部件的工作原理。
您踩下制動(dòng)踏板以后，汽車(chē)通過(guò)制動(dòng)液將您的腳下發(fā)出的力傳遞到制動(dòng)器。而制動(dòng)實(shí)際上需要的力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于您的腳所施加的力，因此汽車(chē)必須將您的腳施加的力放大。放大的方式有兩種：
- 機(jī)械效益（杠桿作用）
- 液壓放大
制動(dòng)器通過(guò)摩擦將制動(dòng)力傳遞到輪胎，輪胎則通過(guò)摩擦將制動(dòng)力傳遞到路面。在開(kāi)始討論制動(dòng)系統(tǒng)的各部件之前，先讓我們熟悉一下以下三條原理：
- 杠桿作用
- 液壓作用
- 摩擦力作用
杠桿作用
如上圖所示，在杠桿的左端施加一個(gè)力F。杠桿左端的長(zhǎng)度（2x）是右端（x）的兩倍。因此，我們可以在杠桿右端獲得一個(gè)2F的力，它運(yùn)動(dòng)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(duì)長(zhǎng)度，也就改變了放大系數(shù)。
液壓系統(tǒng)
簡(jiǎn)易液壓系統(tǒng)
如上圖所示：兩個(gè)活塞（紅色）分別裝在充滿油（藍(lán)色）的兩個(gè)玻璃圓桶中，圓桶之間由一個(gè)充滿油的導(dǎo)管連接。如果給一個(gè)活塞（圖中左邊的活塞）施加一個(gè)向下的力，那么這個(gè)力就可以通過(guò)管道內(nèi)的液壓油傳遞到另一個(gè)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(gè)活塞。液壓系統(tǒng)最大的好處就是，連接兩個(gè)液壓缸的導(dǎo)管可以是任何長(zhǎng)度，也可以曲折成各種形狀以繞過(guò)中間的其他部件。此外，還有一個(gè)好處就是液壓管可以分支，這樣一個(gè)主缸就可以被分成多個(gè)副缸，如下圖所示：
主缸與兩個(gè)副缸
使用液壓系統(tǒng)的另一個(gè)好處就是力的放大或縮小相當(dāng)容易。如果您讀過(guò)滑輪組的工作原理或齒輪比原理，您就會(huì)知道，用力換取位移在機(jī)械系統(tǒng)中極為常見(jiàn)。在液壓系統(tǒng)中，您要做的就是改變其中一個(gè)活塞及其配套液壓缸的尺寸，如下圖所示：
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上圖中，力的放大倍數(shù)取決于活塞的直徑。假設(shè)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(gè)活塞的面積可以通過(guò)公式A=2πr2計(jì)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(gè)力，右邊的活塞就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)九倍的力。因此，如果給左邊的活塞施加一個(gè)100公斤的向下的力，右邊的活塞就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)900公斤的向上的力。 唯一的不足就是當(dāng)左邊的活塞向下移動(dòng)9厘米時(shí)，右邊的活塞只能向上移動(dòng)1厘米。
摩擦力
摩擦力與重量 |
我們可以通過(guò)近距離地觀察其中一個(gè)滑塊和桌面來(lái)了解其中的原因：
通過(guò)顯微鏡來(lái)研究摩擦力 |
用肉眼看起來(lái)很平滑的接觸面，在顯微鏡下觀察卻是相當(dāng)粗糙的。把滑塊平放在桌面上時(shí)，滑塊和桌面之間有許多小鋸齒擠在一起，其中一些會(huì)相互咬合。滑塊重量越大，咬合的鋸齒就越多，其滑動(dòng)阻力也會(huì)越大。
不同的材料具有不同的微觀結(jié)構(gòu)。例如，橡膠與橡膠之間就比鋼鐵與鋼鐵之間更難滑動(dòng)。材料的類(lèi)型決定了摩擦系數(shù)，此系數(shù)等于推動(dòng)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(shù)為1.0，那么推動(dòng)重100公斤的滑塊需要施加100公斤的力，推動(dòng)重400公斤的滑塊需要施加400公斤的力。如果摩擦系數(shù)為0.1，那么10公斤的力就可以推動(dòng)重100公斤的滑塊，而推動(dòng)重400公斤的滑塊也只需施加40公斤的力。
所以推動(dòng)滑塊所需的作用力與其重量成正比。滑塊越重，推動(dòng)它所需的作用力就越大。這一原理適用于制動(dòng)器與離合器這樣的裝置，在這種裝置上，制動(dòng)片緊壓著旋轉(zhuǎn)盤(pán)。制動(dòng)片受到的壓力越大，汽車(chē)的制動(dòng)力就越大。
摩擦系數(shù)
關(guān)于摩擦力的一個(gè)有趣現(xiàn)象是，推動(dòng)物體所需的力通常比使其持續(xù)運(yùn)動(dòng)所需的力要大。兩個(gè)接觸面在沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位移的情況下存在一個(gè)靜摩擦系數(shù)。如果兩個(gè)接觸面發(fā)生了相對(duì)位移，那么克服摩擦力所需的力就取決于動(dòng)摩擦系數(shù)，動(dòng)摩擦系數(shù)通常小于靜摩擦系數(shù)。 就汽車(chē)輪胎而言，其動(dòng)摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于靜摩擦系數(shù)。所以，當(dāng)輪胎接觸面與路面沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，汽車(chē)輪胎提供的牽引力最大。當(dāng)輪胎打滑（如剎車(chē)或熄火）時(shí)，牽引力會(huì)大大降低。 |
在了解實(shí)際的汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)部件之前，我們先來(lái)看看一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)：
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簡(jiǎn)單的制動(dòng)系統(tǒng)
可以看到，踏板到制動(dòng)軸的距離是制動(dòng)缸到制動(dòng)軸距離的四倍，所以在踏板上施加的力在傳遞到制動(dòng)缸之前就會(huì)被放大四倍。
還可以看到，制動(dòng)缸的直徑是連接踏板的液壓缸直徑的三倍，這又把制動(dòng)力放大了九倍。綜上所述，此系統(tǒng)把您腳部發(fā)出的力放大了36倍。如果您對(duì)踏板施加了10公斤的力，那么在車(chē)輪處擠壓制動(dòng)片的力將達(dá)到360公斤。
另一方面。這個(gè)簡(jiǎn)單的制動(dòng)系統(tǒng)還存在幾個(gè)問(wèn)題有待解決。滲漏會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果？如果發(fā)生緩慢的滲漏，最終將導(dǎo)致制動(dòng)缸內(nèi)的制動(dòng)液不足，制動(dòng)系統(tǒng)也會(huì)隨之失效。反之，如果發(fā)生急劇滲漏，您第一次剎車(chē)時(shí)所有的制動(dòng)液就會(huì)噴射而出，制動(dòng)系統(tǒng)就會(huì)完全失靈。
現(xiàn)代汽車(chē)中的主缸就是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。請(qǐng)閱讀主缸和組合閥工作原理一文。有關(guān)制動(dòng)系統(tǒng)的其他文章，請(qǐng)參加下一頁(yè)上的鏈接。