“秒殺”之剎

宋喜秀

網(wǎng)絡(luò)購物平臺上，妙趣橫生的商品“秒殺”洋溢著智慧與幸運(yùn)；相映成趣的是，在汽車制動過程中，那險(xiǎn)象環(huán)生的“剎車”瞬間，同樣驚心動魄。

傳統(tǒng)的制動流程是：駕駛員踩下制動踏板，向制動總泵施加壓力，壓力通過管路傳遞到每個(gè)車輪制動鉗的活塞上，活塞驅(qū)動制動鉗夾緊剎車盤，從而產(chǎn)生巨大摩擦力使車輛減速直至停車。一輛車從靜止加速到100 km/h可能需要10 s，但從100 km/h開始剎車到靜止可能只需要不足4 s。承載著巨大負(fù)荷與安全責(zé)任的制動系統(tǒng)，或以靜制動，或以少勝多，或揚(yáng)長補(bǔ)短，傷不起的“剎”機(jī)里，充滿了玄機(jī)和商機(jī)。

1 能量守恒定律

眾所周知，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變。汽車的制動過程也是這樣：在加速過程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能和動能；制動時(shí)，又將汽車的動能轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)到空氣中。能量守恒定律表明，要保護(hù)和傳遞“正能量”，限制和化解“負(fù)能量”。

制動裝置摩擦運(yùn)動中產(chǎn)生的熱量，會使其溫度急劇上升，高溫使得裝置的制動能力大打折扣，這就是制動中“熱疲軟”現(xiàn)象?！盁崞＼洝辈粌H浪費(fèi)了運(yùn)動能量，同時(shí)使汽車的制動距離大大延長，尤其是在緊急制動和下長坡時(shí)，“熱疲軟”現(xiàn)象更明顯，存在嚴(yán)重安全隱患。受能量守恒定律啟發(fā)，能夠長時(shí)間提供并保持制動效能，同時(shí)制動性能無明顯降低的各種輔助制動系統(tǒng)——緩速制動系統(tǒng)(Endurance Braking System，簡稱EBS)應(yīng)運(yùn)而生。具有環(huán)保節(jié)能價(jià)值的3種典型緩速器技術(shù)分別是：

1.1 發(fā)動機(jī)緩速器

發(fā)動機(jī)能夠驅(qū)動汽車運(yùn)動，應(yīng)該也可以阻止汽車運(yùn)動。當(dāng)車輛需要制動減速時(shí)，如果能將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿庸ぷ髂Ｊ?，模擬空氣壓縮機(jī)，吸收來自車輛的運(yùn)動能量，就能有效阻止汽車運(yùn)動。

于是安裝在發(fā)動機(jī)上的一套液壓控制裝置——發(fā)動機(jī)緩速器得到了廣泛應(yīng)用。該裝置通過液壓控制系統(tǒng)操控油門、氣門的開關(guān)狀態(tài)：當(dāng)緩速器工作時(shí)，發(fā)動機(jī)曲軸在車輛拖動下被迫旋轉(zhuǎn)，并在吸氣、壓縮、做功和排氣4個(gè)沖程做負(fù)功，減少動能，使發(fā)動機(jī)進(jìn)入制動狀態(tài)；當(dāng)緩速器停止工作時(shí)，發(fā)動機(jī)又恢復(fù)正常狀態(tài)。

發(fā)動機(jī)緩速器誕生之前，有更為簡潔的排氣輔助制動裝置，俗稱“排氣剎”。其工作原理是在發(fā)動機(jī)排氣管內(nèi)安裝排氣節(jié)流閥，制動時(shí)首先切斷燃料供給，同時(shí)將排氣管關(guān)閉，使發(fā)動機(jī)在壓縮和排氣行程做負(fù)功，達(dá)到降低車速的目的。排氣制動系統(tǒng)是繼行車制動和駐車制動后的第3套獨(dú)立制動系統(tǒng)，所以又稱“第三剎車”。排氣輔助制動裝置因其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、操作方便，在國內(nèi)商用汽車上得到了廣泛運(yùn)用。

1.2 液力緩速器

汽車在下長坡時(shí)使用排氣制動有其局限性，特別是汽車處于低速狀態(tài)時(shí)，通過控制排氣形成的阻力明顯弱化，對于礦用自卸車等噸位較大的車型尤其力不從心。因此，在第12屆北京國際工程機(jī)械展(Bices 2013)上，裝有液力變速器和液力緩速器的礦用自卸汽車就成了一些露天礦山的新寵，液力變速器和液力緩速器等高端配置格外引人注目。

液力緩速器一般安裝在變速器的后端。緩速器的轉(zhuǎn)子隨變速器輸出軸轉(zhuǎn)動：當(dāng)緩速器內(nèi)沒有液壓油時(shí)，轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)，無減速、緩速作用；當(dāng)汽車需要緩速時(shí)，緩速器的轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)，液壓油在定子內(nèi)被減速，給轉(zhuǎn)子以很大的反轉(zhuǎn)矩，從而對汽車產(chǎn)生制動作用，維持汽車恒速下坡。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的動能經(jīng)液壓油的阻尼作用轉(zhuǎn)變成熱能，通過散熱器散發(fā)到空氣中。因?yàn)檫@種作用于變速器輸出軸的阻尼作用是連續(xù)、平順的，所以具有平穩(wěn)、可靠、無沖擊的突出優(yōu)勢。

1.3 電力緩速器

電力緩速器包括：電渦流緩速器、永磁式緩速器、自勵(lì)式緩速器和電力再生式制動系統(tǒng)。

電渦流緩速器俗稱“電剎”，一般由定子、轉(zhuǎn)子及固定支架組成。該裝置安裝在汽車驅(qū)動橋與變速箱之間，通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)無接觸制動。它是制動系統(tǒng)的一個(gè)必要補(bǔ)充，但不能取代主制動系統(tǒng)。電渦流緩速器工作時(shí)，定子線圈內(nèi)通電產(chǎn)生磁場，而轉(zhuǎn)子隨傳動軸一起旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子切割定子產(chǎn)生的磁力線，從而在轉(zhuǎn)子盤內(nèi)部產(chǎn)生渦旋狀的感應(yīng)電流。這樣，定子就會向轉(zhuǎn)子施加一個(gè)阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁力，從而產(chǎn)生制動力矩。同時(shí)，渦流在具有一定電阻的轉(zhuǎn)子盤內(nèi)部流通，由于電阻的熱效應(yīng)會把電能轉(zhuǎn)化為熱能，這樣，車輛行駛的動能就通過電磁感應(yīng)和電阻發(fā)熱最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)。

永磁式緩速器是采用永久磁鐵進(jìn)行勵(lì)磁，取代了電渦流緩速器中的電磁鐵。磁鐵周向轉(zhuǎn)動式永磁式緩速器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，是目前國外市場開發(fā)的主流產(chǎn)品。但永磁鐵產(chǎn)生的磁場有限，故所產(chǎn)生的制動力矩較小，也不能提供大小不同的制動力矩，同時(shí)因采用永磁稀土材料，所以價(jià)格較貴，散熱效果也不理想。

自勵(lì)式緩速器是一種無需外接電源并具有發(fā)電功能的汽車輔助制動裝置。這種緩速器克服了普通電渦流緩速器制動帶來的附加能耗及其對汽車蓄電池和其他電氣設(shè)備的沖擊。對于電驅(qū)動的純電動汽車，則設(shè)計(jì)有能量回收裝置，可以把一部分動能轉(zhuǎn)換成電能儲存起來。這種在減速過程中將車輛動能轉(zhuǎn)化為電能的制動系統(tǒng)，被定義為“電力再生式制動系統(tǒng)(Electric Regenerative Braking System，簡稱RBS)”，并得到積極推廣。

能量守恒，有機(jī)可乘。3種典型緩速器技術(shù)從歐美等地汽車強(qiáng)國傳入我國后，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12676-1999《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》中規(guī)定了EBS的性能要求和試驗(yàn)方法，GB 7258-2012《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》也明確規(guī)定：“車長大于9 m的客車(對專用校車為車長大于8 m)、總質(zhì)量大于等于12000 kg的貨車和專項(xiàng)作業(yè)車、所有危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車應(yīng)裝備緩速器或其他輔助制動裝置。輔助制動裝置的性能要求應(yīng)使汽車能通過GB/T 13594規(guī)定的Ⅱ型或ⅡA型試驗(yàn)”。這些法規(guī)開辟了強(qiáng)制性運(yùn)用EBS的新階段。

2 杠桿原理

制動踏板能夠利用杠桿原理放大駕駛員腿部的力量。如圖2，因?yàn)楦軛U的總長度(4X)是推桿上部長度(X)的4倍。因此在杠桿的下方施加一個(gè)力F，在杠桿中部1/4推桿處就可以得到下端4倍的力4F。但是它的行程S只有下端行程4S的1/4。

杠桿原理的本質(zhì)是力矩平衡。在制動踏板圍繞轉(zhuǎn)軸勻速轉(zhuǎn)動過程中正是“F×4S=4F×S”的力矩平衡關(guān)系賦予了“省力不省功”的智慧。

力矩平衡原則要求駕駛員“點(diǎn)到為止”，不能用力過大過猛，也不能過于“溫柔”。過于“溫柔”，容易造成追尾、撞人及其他碰撞事故。用力過大過猛，一是出現(xiàn)摩擦片與制動鼓之間的靜摩擦力形成的摩擦力矩Mu大于輪胎與路面之間動摩擦力形成的摩擦力矩Mb，造成車輪鎖死，既不能轉(zhuǎn)向，也不能轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生側(cè)滑、跑偏甚至側(cè)翻；二是不能自動調(diào)節(jié)前、后軸的制動力分配比例，造成前、后軸制動與軸荷分配比例失調(diào)，導(dǎo)致車輛特別是汽車列車前翻及“疊羅漢”事故的發(fā)生。鼓式制動摩擦力矩平衡圖，參見圖3。

為此，GB 12676-1999《汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法》規(guī)定O3 和O4類掛車應(yīng)裝備滿足GB/T 13594要求的防抱死制動系統(tǒng)。GB7258-2012《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》也明確規(guī)定：車長大于9 m的長途客車、旅游客車和未設(shè)立乘客站立區(qū)的公共汽車，所有專用校車、危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車和半掛牽引車，總質(zhì)量大于等于12000 kg的貨車和專項(xiàng)作業(yè)車及總質(zhì)量大于10000 kg的掛車必須安裝符合GB/T 13594規(guī)定的防抱制動裝置。為了實(shí)現(xiàn)這些要求，相關(guān)車輛應(yīng)該裝備必要的剎車輔助系統(tǒng)，制動輔助系統(tǒng)主要包括以下幾種：

2.1 防抱死制動裝置

防抱死制動裝置簡稱“ABS”(Anti-locked Braking System)。ABS是一種具有防滑、防鎖死等功能的汽車安全控制系統(tǒng)，是在常規(guī)剎車裝置基礎(chǔ)上的改進(jìn)型技術(shù)，分機(jī)械式和電子式2種。裝備有電子式ABS的車輛在車輪即將達(dá)到抱死臨界點(diǎn)時(shí)，制動在1 s內(nèi)可作用60～120次，相當(dāng)于不停地制動、放松，即相似于機(jī)械自動化的“點(diǎn)剎”動作，使制動效率達(dá)到90%以上。

因?yàn)锳BS既有普通制動系統(tǒng)的制動功能，又能防止車輪鎖死，使汽車在制動狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向，保證汽車的制動方向穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏，是目前汽車上最先進(jìn)、制動效果最佳的制動裝置，所以已成為O3 和O4類掛車及牽引車的標(biāo)準(zhǔn)配置。

2.2 制動輔助系統(tǒng)

制動輔助系統(tǒng)簡稱“BAS”(Brake Assist System)。BAS是在關(guān)鍵的時(shí)候增加制動力，即讓現(xiàn)有的ABS具有一定的智能，當(dāng)踩制動踏板動作快、力量大時(shí)，BAS就判定駕駛員在緊急制動，并讓ABS啟動工作，迅速增大制動力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%的駕駛員遇到緊急情況時(shí)，均不能采取快速、及時(shí)的制動措施，或者在最初次碰撞平息時(shí)，駕駛員會太早放松制動踏板，這2點(diǎn)正是制動輔助系統(tǒng)要解決的。BAS借助油門和制動系統(tǒng)上的感應(yīng)器，感知駕駛員對油門踏板、制動踏板的踩踏時(shí)間或力度，進(jìn)一步判斷是否遇到緊急情況并相應(yīng)采取緊急制動。當(dāng)駕駛員在緊急情況下迅速踩制動踏板，但踩踏力不足時(shí)，此系統(tǒng)便會在不到1 s的時(shí)間內(nèi)把制動力增至最大，縮短在緊急制動情況下的制動距離。有關(guān)測試結(jié)果表明，擁有制動輔助系統(tǒng)的車輛比未裝有該系統(tǒng)的車輛可縮短約45%的制動距離。

杠桿省力，點(diǎn)剎得力。ABS與BAS的“秒剎”配置，使毫無生趣的制動系統(tǒng)插上了電子科技的翅膀，那一次又一次成功的避險(xiǎn)操作，無不閃耀著智慧的光芒。

3 帕斯卡定律

液壓系統(tǒng)背后的基本原理是：作用在一點(diǎn)的力被不能壓縮的液體等量傳遞到另一點(diǎn)，這個(gè)規(guī)律就是帕斯卡定律。絕大多數(shù)液壓制動系統(tǒng)都是利用這一定律放大了制動力量。在圖2最簡單的液壓系統(tǒng)中，制動總泵活塞獲得的的推力通過管道內(nèi)的液壓油傳送到制動卡鉗活塞。由于制動卡鉗活塞的受力面積是第一個(gè)活塞的3倍，制動卡鉗活塞因而獲得了第一個(gè)活塞3倍的制動力。

液壓系統(tǒng)的微妙之處在于：一是可以以任何長度、任何形狀的液壓管路繞過其他部件來連接2個(gè)液壓缸；二是液壓管路可以分支，一個(gè)主缸可以被分成多個(gè)副缸，完成對各個(gè)輪胎的制動；三是作用在一點(diǎn)的力可被等值傳遞，所以在較大的作用面積上可以獲得成倍放大的作用力。

3.1 液壓與氣壓

帕斯卡定律同時(shí)適用于氣壓制動。不同之處是氣體可以壓縮，壓力波在液體中傳播的速度比在氣體中快，因此液體壓力通過管道到達(dá)活塞的時(shí)間比氣體要短一些：急速踩制動后，液壓制動系統(tǒng)的制動器在0.1 s內(nèi)就可以發(fā)揮作用；氣壓制動系統(tǒng)則需要0.3～0.9 s。但氣壓制動的力的放大范圍比液壓剎車要高很多，由于駕駛員能夠發(fā)出的力是有限的，所以重型車一般選用放大倍數(shù)更大的氣壓系統(tǒng)控制剎車。

氣剎用在重卡上，不但能夠滿足制動力較大的需求，氣動制動特有的“斷氣剎”裝置也是個(gè)安全保障。當(dāng)發(fā)動機(jī)發(fā)生關(guān)閉或者故障，壓縮機(jī)和氣瓶無法供應(yīng)足夠空氣壓力時(shí)，諸如儲能彈簧類的斷氣剎裝置會驅(qū)動應(yīng)急制動系統(tǒng)自動制動，從而保障車輛安全。

半掛車普遍采用雙回路制動閥和手制動閥控制雙回路制動系統(tǒng)的彈簧制動室(圖4)。如果一條回路斷裂或掛車控制回路還未連接，汽車制動閥的動作將會造成氣體供應(yīng)的減少和掛車氣路氣體壓力的減少，掛車此時(shí)會自動地發(fā)生制動。

3.2 氣剎時(shí)間差

壓力波在氣體中傳播需要時(shí)間，時(shí)間長短與氣管長度及管路背壓有關(guān)，這就涉及到制動順序的協(xié)調(diào)性問題。半掛車與牽引車制動系統(tǒng)之間的順序協(xié)調(diào)性，要求制動作用順序依次為牽引車前輪、半掛車車輪、牽引車后輪。GB 7258-2012《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定“汽車列車行車制動系的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)保證掛車最后軸制動動作滯后于牽引車前軸制動動作的時(shí)間不大于0.2 s”。

如何保證這0.2 s的氣剎時(shí)間差呢？為此設(shè)計(jì)的掛車制動系統(tǒng)的核心部件緊急繼動閥(圖5)，因同時(shí)兼容繼動閥、分配閥、單向閥、快放閥多種功能，可大大縮短掛車制動滯后時(shí)間。值得注意的是，目前市面上流行的幾種緊急繼動閥，因?yàn)槠錃鈮涸角把b置壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)普遍不夠靈敏、穩(wěn)定，所以氣剎時(shí)間差的保證效果并不理想。

液壓氣壓，給力秒剎。液壓氣壓系統(tǒng)美妙的帕斯卡定律給從事制動控制設(shè)計(jì)的工程師們提供了廣闊的舞臺。

4 摩擦力作用原理

摩擦力是一個(gè)物體在另一個(gè)物體上滑動時(shí)產(chǎn)生的相互阻力，摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。這個(gè)原理表明，給制動盤、制動鼓的壓力越大，車輛獲得的制動力也越大。相應(yīng)地，也越容易發(fā)生“熱疲軟”現(xiàn)象：在重型汽車下坡時(shí)，經(jīng)?？吹今{駛員用自帶大水箱往制動片上灑水，防止制動過熱而失效；飛機(jī)上使用制動也很頻繁，所以飛機(jī)返航時(shí)，通常要立即放風(fēng)扇過去為制動散熱。

目前，汽車采用的制動器可分為鼓式制動器和盤式制動器2大類。

4.1 鼓式制動器

鼓式制動器是最早的汽車制動形式，在盤式制動器還未出現(xiàn)前，它已經(jīng)被廣泛用于各類汽車上。但由于結(jié)構(gòu)問題，它在制動過程中的散熱性能和排水性能都比較差，容易導(dǎo)致制動效率下降。由于成本比較低，主要用于制動負(fù)荷比較小的后輪。鼓式制動器還便于與駐車制動組合在一起，利用手操縱桿或駐車踏板擴(kuò)展制動蹄，起到停車制動作用。

4.2 盤式制動器

盤式制動器又稱碟式制動器，因形狀而得名。它靠液壓控制，主要由制動盤、分泵、制動鉗等組成，具有散熱快、質(zhì)量輕、構(gòu)造簡單、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。特別是高負(fù)載時(shí)，其耐高溫性能好，制動效果穩(wěn)定，而且不怕泥水侵襲，適應(yīng)于冬季和惡劣路況下行車。碟式制動器的美中不足是，材料成本和配置費(fèi)用偏高，所以在很長時(shí)間內(nèi)，仍會持續(xù)停留在選配階段。

摩擦轉(zhuǎn)動，可調(diào)可控，鼓式可靠，盤式輕松。商用汽車設(shè)計(jì)者從經(jīng)濟(jì)與實(shí)用的角度出發(fā)，一般采用前盤后鼓的混合形式。隨著材料科學(xué)的發(fā)展及成本的降低，在汽車領(lǐng)域中，盤式制動取代鼓式制動已是大勢所趨。

綜上所述，“秒殺”之剎，意氣風(fēng)發(fā)。一套又一套智能又節(jié)能、高端又高效、平穩(wěn)又平價(jià)的汽車制動系統(tǒng)正逐漸成為車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置，從而為駕乘人員保駕護(hù)航。