制动系统工作原理

引言我们都知道，踩下制动踏板后车速就会逐渐放慢直至停止。但这是如何实现的呢？汽车是如何将您腿部发出的力传递到车轮的？力又是如何经过放大，足以让汽车这么大的物体停下来的呢？典型的制动系统本文是制动系统六个部分的第一部分，我们将按踏板到车轮的顺序，从头到尾详细讲述制动系统的各个部分。介绍汽车制动系统的基本概念，分析一个简单制动系统的工作原理。踩下制动踏板以后，汽车通过制动液将脚下发出的力传递到制动器。而制动实际上需要的力要远远大于您的脚所施加的力，因此汽车必须将脚施加的力放大。放大的方式有两种：机械效益（杠杆作用） 液压放大制动器通过摩擦将制动力传递到轮胎，轮胎则通过摩擦将制动力传递到路面。在开始讨论制动系统的各部件之前，先让我们熟悉一下以下三条原理：杠杆作用 液压作用 摩擦力作用杠杆作用制动踏板以如下方式设计，它可以将您腿部发出的力在传递到制动液之前就放大几倍。如上图所示，在杠杆的左端施加一个力F。杠杆左端的长度（2x）是右端（x）的两倍。因此，我们可以在杠杆右端获得一个2F的力，它运动的位移(y)则只是左端位移（2y）的一半。改变杠杆左右两端的相对长度，也就改变了放大系数。液压系统任何液压系统的基本原理都很简单：作用于某一点的力被不能压缩的液体传递到另一点，这种液体通常是油类液体。 绝大多数制动系统都是通过这一过程放大制动力的。下面是一个最简单的液压系统：Your browser does not support JavaScript or it is disabled. -简易液压系统如上图所示：两个活塞（红色）分别装在充满油（蓝色）的两个玻璃圆桶中，圆桶之间由一个充满油的导管连接。如果给一个活塞（图中左边的活塞）施加一个向下的力，那么这个力就可以通过管道内的液压油传递到另一个活塞。由于油不能被压缩，所以这种传递方式的效率非常高，几乎所有的力都传递给了第二个活塞。液压系统最大的好处就是，连接两个液压缸的导管可以是任何长度，也可以曲折成各种形状以绕过中间的其他部件。此外，还有一个好处就是液压管可以分支，这样一个主缸就可以被分成多个副缸，如下图所示：Your browser does not support JavaScript or it is disabled.主缸与两个副缸使用液压系统的另一个好处就是力的放大或缩小相当容易。如果您读过滑轮组的工作原理或齿轮比原理，您就会知道，用力换取位移在机械系统中极为常见。在液压系统中，要做的就是改变其中一个活塞及其配套液压缸的尺寸，如下图所示：Your browser does not support JavaScript or it is disabled.液压放大上图中，力的放大倍数取决于活塞的直径。假设左边的活塞直径为5厘米，即半径为2.5厘米；右边的活塞直径为15厘米，即半径为7.5厘米。两个活塞的面积可以通过公式A=2πr2计算得出。左边活塞的面积为19.6平方厘米，右边活塞的面积为176平方厘米。右边活塞的面积是左边活塞的九倍。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九倍的力。因此，如果给左边的活塞施加一个100公斤的向下的力，右边的活塞就会产生一个900公斤的向上的力。 唯一的不足就是当左边的活塞向下移动9厘米时，右边的活塞只能向上移动1厘米。摩擦力摩擦力是一个物体在另一个物体上滑动时受到的阻力。请看下图，两个滑块都是用相同材料做成的，但其中一个较另一个更重。所以不难看出哪一个更难推动。摩擦力与重量我们可以通过近距离地观察其中一个滑块和桌面来了解其中的原因：通过显微镜来研究摩擦力用肉眼看起来很平滑的接触面，在显微镜下观察却是相当粗糙的。把滑块平放在桌面上时，滑块和桌面之间有许多小锯齿挤在一起，其中一些会相互咬合。滑块重量越大，咬合的锯齿就越多，其滑动阻力也会越大。不同的材料具有不同的微观结构。例如，橡胶与橡胶之间就比钢铁与钢铁之间更难滑动。材料的类型决定了摩擦系数，此系数等于推动滑块所需的作用力与滑块重量的比值。在上例中，如果摩擦系数为1.0，那么推动重100公斤的滑块需要施加100公斤的力，推动重400公斤的滑块需要施加400公斤的力。如果摩擦系数为0.1，那么10公斤的力就可以推动重100公斤的滑块，而推动重400公斤的滑块也只需施加40公斤的力。所以推动滑块所需的作用力与其重量成正比。滑块越重，推动它所需的作用力就越大。这一原理适用于制动器与离合器这样的装置，在这种装置上，制动片紧压着旋转盘。制动片受到的压力越大，汽车的制动力就越大。摩擦系数关于摩擦力的一个有趣现象是，推动物体所需的力通常比使其持续运动所需的力要大。两个接触面在没有发生相对位移的情况下存在一个静摩擦系数。如果两个接触面发生了相对位移，那么克服摩擦力所需的力就取决于动摩擦系数，动摩擦系数通常小于静摩擦系数。就汽车轮胎而言，其动摩擦系数远小于静摩擦系数。所以，当轮胎接触面与路面没有发生相对位移时，汽车轮胎提供的牵引力最大。当轮胎打滑（如刹车或熄火）时，牵引力会大大降低。在了解实际的汽车制动系统的各个部件之前，我们先来看一个简单的系统：Your browser does not support JavaScript or it is disabled.简单的制动系统         可以看到，踏板到制动轴的距离是制动缸到制动轴距离的四倍，所以在踏板上施加的力在传递到制动缸之前就会被放大四倍。还可以看到，制动缸的直径是连接踏板的液压缸直径的三倍，这又把制动力放大了九倍。综上所述，此系统把脚部发出的力放大了36倍。如果您对踏板施加了10公斤的力，那么在车轮处挤压制动片的力将达到360公斤。另一方面。这个简单的制动系统还存在几个问题有待解决。渗漏会导致什么结果？如果发生缓慢的渗漏，最终将导致制动缸内的制动液不足，制动系统也会随之失效。反之，如果发生急剧渗漏，您第一次刹车时所有的制动液就会喷射而出，制动系统就会完全失灵。现代汽车中的主缸就是为了解决这一问题而设计的。请阅读主缸和组合阀工作原理一文。有关制动系统的其他文章，请参加下一页上的链接。