探究油壓碟剎失靈的原因

張天馳

摘要：隨著科學技術的不斷發展，自行車剎車也迎來了新時代，一種名叫“油壓碟剎”的嶄新剎車橫空出世，為自行車剎車的發展樹立J-個新的里程碑，起初，這種剎車只被用于山地車賽事中;而現如今，市面上的中高端自行車已經普遍安裝了這種剎車，但是，許多沒有經驗的騎行者在使用這種現代化的剎車時常常固剎車失靈而出現意外。本文將對導致油壓碟剎失靈的幾種可能情況從多角度進行分析，并結合能量守恒等方法進行理論推導，從而揭示油壓碟剎失靈的原因。

關鍵詞：油壓碟剎 熱衰減 蒸發衰減 能量守恒 等效模型

引言

相比傳統的通過剎車線制動的機械類剎車，油壓碟剎具有著剎車效率高、剎車手感輕盈、工作穩定、維護周期長等諸多優點，但因其獨特的工作原理，油壓碟剎會出現普通機械類剎車不會出現的現象

瞬間制動力完全喪失，通常情況下，這種現象是不會發生的，但許多業余騎手由于缺乏專業知識，不當的使用剎車，導致在騎行的過程中突然無法制動，從而晾成悲劇，所以研究油壓碟剎失靈的原因可以引導人們正確的使用剎車，保障人們騎行出行的安全，還可以為未來剎車器的改進方向提供思路，以設計出更為安全、高效、合理的剎車器。

導致常規機械類剎車剎車力下降的原因有很多，如剎車皮/來令片磨損;剎車摩擦面接觸到油脂類物質;剎車線生銹等等，但對于一個維護得當，狀態優良的機械類剎車來說，導致剎車力下降的原因只有一種熱衰減，即因剎車碟片或剎車鼓熱量累積導致摩擦面摩擦系數減小導致剎車力下降，那么，會不會是這個原因導致油壓碟剎出現“瞬間制動力完全喪失”的現象呢？

1.熱衰減對油壓碟剎制動性能的影響

研究熱衰減對剎車制動性能的影響實際上拋開了油壓碟剎的內部結構，單純的探究熱量的累積對制動性能的影響，為了避免油壓碟剎內部結構對本實驗的影響，我們選用剎車原理類似，但內部結構簡單的機械式線拉碟剎，本實驗選用使用較普遍的SRAM AVID BB7線拉機械碟剎。

1.1設計實驗

在地面上取一段實驗區域并設定一條剎車線（如圖1），讓配備線拉碟剎的自行車以相同的速度經過剎車線開始以相同的力度剎車，每次實驗使剎車碟片升高到不同溫度，測量不同溫度下的剎車距離。為了控制實驗中剎車力度的一定，我們取一根橡皮筋套在剎車的手制上，使橡皮筋自然收緊時剎車處于工作狀態，不使用剎車時用手指抵住剎車手柄，需要剎車時松開手指讓橡皮筋收緊，這樣可以保證每次剎車的力度都是相同的，用酒精噴燈對剎車碟片進行加熱，加熱時保持車輪慢速轉動保證均勻受熱，以免碟片局部溫度過高導致碟片發生形變。

每次使用噴燈將碟片加熱到不同的溫度并盡快進行實驗每次實驗剎車線到前輪的距離，收集一定數量的數據，并將其繪制成圖像如圖2：

1.2圖像分析

圖像非常直觀的反映了剎車碟片溫度對剎車距離的影響，圖像中曲線的凹陷處為剎車的最佳工作溫度，剎車在此溫度下工作時能提供最優秀的制動性能，超過此溫度后，函數即呈單調遞增趨勢，分析圖像不難發現，熱量持續累積的確會導致剎車的制動力下降，但最終會在某個值附近趨于穩定，此時制動力已經大不如最佳工作狀態，但仍具有制動力，騎行者只需增大捏手制的力度即可控制自行車，并不會導致瞬間制動力完全喪失，所以，熱衰減并不是導致油壓碟剎完全失靈的主要原因。

想要找到導致油壓碟剎出現瞬間制動力完全喪失的原因，就必須結合油壓碟剎的內部結構進行分析，油壓碟剎主要結構有：

剎把：安裝在自行車的把橫上，騎行者通過剎把控制剎車的工作。

油缸（上）：內部充滿制動液，位于剎把末端，內部的活塞通過連桿與剎把相連。

油管：內部充滿制動液，用于連接上下油缸。

油缸（下）：內部充滿制動液，安裝在靠近自行車花鼓的前叉下端或后三角結構尾部，內置活塞。

來令片：緊貼下油缸活塞，使用插銷固定，為剎車制動摩擦面之一。

碟片：安裝在自行車花鼓的碟片安裝座上，隨車輪轉動，為剎車摩擦面之一。

將其結構簡化后即如圖3所示：

剎車時，剎把被騎行者捏動，力通過連桿推動上油缸內的活塞，活塞推動密封在剎車內部的制動液，從而以制動液為介質，推動下油缸中的活塞，從而推動來令片，夾緊碟片達到剎車的目的，同時，剎車碟片上會累積熱量，由于剎車時來令片與剎車碟片時接觸的，碟片上的熱量會通過來令片傳遞給內部的活塞再傳遞給剎車內部的剎車液，剎車液是有沸點的，在剎車工作時，剎車內部剎車液的壓強比自然狀態要大很多，根據壓強與液體沸點的關系，此時制動液的沸點是要高于常壓下的沸點的，若碟片上的熱量持續傳遞給剎車內部的制動液，導致制動液溫度過高，超過了常壓下的沸點，此時剎車制動液因壓強較大暫時不會產生物態變化，而當騎行者松開剎車的瞬間，剎車液恢復到常壓，此時由于剎車液溫度高于其沸點，剎車液會瞬間沸騰成為氣體，在剎車內部形成氣體空腔，且由于剎車內部的散熱條件十分不利，此現象會持續較長時間，氣體的壓縮比是遠遠大于液體的，當騎行者再次對剎把施壓欲制動時，騎行者所做的功幾乎全部用來壓縮剎車內部的氣體，無法傳遞足夠的力推動剎車下活塞進行制動，此時，油壓碟剎便完全喪失了制動能力，本文將這種情況定義為“蒸發衰減”此情況若是發生在長下坡區域，則相當危險。

但是，想要使剎車制動液升高到沸點是十分不容易的，那么，這種現象在實際狀況中能否發生呢？

2.“蒸發衰減”發生的條件

剎車高負荷工作主要有兩種，第一種是短時間極高強度剎車，即從很高的速度短時間內制動到相對地面靜止，第二種是長時間連續剎車，下文中將分別對這兩種情況進行探究。

2.1剎車時初速度對剎車制動液升溫的影響

剎車是將動能轉化為內能的裝置，根據能量守很定律，在剎車過程中，自行車的動能轉化為剎車碟片的內能、剎車制動液的內能、剎車碟片散失到環境中的熱量、自行車與地面的摩擦生熱、空氣與整個體系的摩擦生熱，為了研究的方便，由于自行車與地面的摩擦生熱和空氣與整個體系的摩擦生熱占比很小忽略此對研究結果無較大影響，故不考慮這兩個方向的機械能損失。

為了能推導出剎車液所獲得的能量，我們需將結果進行等效，此過程可以看作：自行車的動能先完全轉化為剎車碟片的內能，剎車碟片再將內能傳遞給剎車內部的制動液及散失到周圍的環境中。

油壓碟剎的剎車油管是由多股鋼絲及數層聚合材料包裹而成散熱條件十分不利，所以我們認為剎車液獲得熱量后便不再散失。

由此可得：

其中：

n：剎車制動液獲得的能量占比

c：剎車制動液的比熱容

ml：剎車內部剎車液的質量

△T：剎車液升高的溫度

m2：自行車的質量

v：自行車開始剎車時的速度

剎車液的比熱容根據剎車液型號的不同略有出入，此處我們假定剎車使用的是shirnano nuneral oil剎車液，比熱容約為1800J/（kg.℃），且不計溫度的改變對比熱容的影響，此剎車液沸點約為180攝氏度，假設室溫為30攝氏度，一只油壓碟剎內部剎車液質量約為279，自行車的質量根據級別及用處的不同差別很大，在此我們假定車輛為通勤旅行及輕度越野用的輕型xe級別的山地車，質量取13kg，關于剎車制動液獲得的能量占比的取值，由于各種剎車內部結構及采用的專利技術不同，此值的差異較大，我們選擇騎行愛好者們使用較多的中高端剎車smmano xt m8000作為取值對象，則η值約為10%。將上述數據帶人到①式中進行運算，可得到使剎車液達到沸點所需的剎車起始速度約為3115km/h，已接近2倍音速，顯然，自行車的速度并不可能這么快，使用自行車開始剎車的初速度過高并不能導致油壓碟剎出現蒸發衰減的現象。

2.2持續剎車距離對剎車升溫的影響

在某些情況下（如長下坡區域），剎車的作用并不是使自行車速度減小或是停止，而是使自行車以一個相對安全且容易操控的速度勻速下坡，我們假設騎行者用使用剎車保持剎車摩擦面的滑動摩擦力不變，且自行車勻速運動，此時摩擦力會對剎車碟片持續做功，這些能量轉化為剎車碟片的內能、剎車制動液的內能、剎車碟片散失到環境中的熱量、自行車與地面的摩擦生熱、空氣與整個體系的摩擦生熱，參照（一）中的方法，仍忽略自行車與地面的摩擦生熱和空氣與整個體系的摩擦生熱，使用等效模型將此升溫過程等效為：摩擦力做的功先完全轉化為剎車碟片的內能，然后碟片再將熱量傳遞給剎車內部的剎車油及逸散到周圍的環境中，仍認為剎車液在獲得熱量后便不再散失。

由此可得：

其中：

η：剎車制動液獲得的能量占比

c：剎車制動液的比熱容

△T：剎車液升高的溫度

m1：剎車內部剎車液的質量

f：剎車來令片與剎車碟片之間的滑動摩擦力

s：自行車連續剎車行走的距離

剎車液的比熱容、剎車液升高的溫度、剎車內部剎車液的質量、剎車制動液獲得的能量占比的取值參照（一）中的數據進行取值，剎車來令片與剎車碟片之間的滑動摩擦力假定為20N，將數據帶入②式中進行運算可得剎車液達到沸點時連續剎車距離為3645m，在許多山區路段的長下坡區域，是有可能出現這種距離的連續剎車的。所以，連續使用剎車距離過長才是導致油壓碟剎出現蒸發衰減的主要原因。

3.結論

本文首先通過分析實驗數據排除了熱衰減導致油壓碟剎出現失靈這一情況，接著通過對油壓碟剎的結構進行分析，提出了蒸發衰減這一概念：由于油壓碟剎內部制動液沸騰導致剎車出瞬間制動力完全喪失，并結合能量守恒，等效模型等方法，通過兩次理論推導得出了連續使用剎車距離過長才是導致油壓碟剎出現蒸發衰減的主要原因這一結論，揭示了油壓碟剎失靈的真正原因。

導致油壓碟剎出現瞬間制動力完全喪失的主要原因是連續使用剎車距離過長所導致的蒸發衰減，一般情況下，在連續制動約4000米時油壓碟剎內部的剎車制動液會沸騰汽化變成氣體導致油壓碟剎無法正常工作從而喪失剎車力，熱衰減雖然會導致剎車性能下降但是并不會導致其出現瞬間制動力完全喪失的現象。根據得出的結論，在使用油壓碟剎時，應該避免長時間連續使用剎車的情況，在長下坡路段盡量使用點剎的方式，減少剎車來令片與碟片接觸的時間，從而使碟片上更多的熱量逸散到空氣中，避免油壓碟剎出現蒸發衰減而使制動力完全喪失，若面對不得不高強度使用剎車的騎行，則應選用較為高端的油壓碟剎，高端的油壓碟剎會配備魚鰭狀散熱來令片、多層復合剎車碟片、陶瓷活塞等，可以有效地延長蒸發衰減出現的時間，另外，蒸發衰減發生之前一定會伴隨有熱衰減的發生，若是在使用油壓碟剎的過程中感覺需要的剎車力度明顯增大時，需立即停車，對剎車進行降溫處理，避免剎車溫度進一步升高導致蒸發衰減的現象。總之，最重要的還是騎行者本人，科學、合理地使用剎車，才能避免其出現蒸發衰減的現象而失靈，才能保障我們騎行的安全。

參考文獻

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