剎車超簡史

徐寧

危險：剎不住車

2018年11月3日晚，蘭海高速蘭州南收費站口，一輛高速行駛的重型卡車一頭沖入排隊繳費的車流，導致15人死亡，44人受傷。事后，警方查明了這輛卡車失控的原因。原來，該車司機違反操作規程，在長下坡路段頻繁踩踏剎車，最終導致制動系統過熱而失效。

制動系統其實是一種能量轉化裝置。行駛中的汽車有很高的動能，制動系統通過巨大的摩擦力，將汽車的動能轉化為熱能。當動能被完全轉化成熱能時，汽車就停下了。

因剎車失效沖撞民居的卡車

在長下坡路段僅靠剎車制動是非常危險的。一旦剎車系統吸收的熱量達到極限，無法繼續轉化汽車動能，也就是剎車功能因過熱而失效，那么汽車就無法減速，這是所有卡車司機的噩夢。正確的做法是掛低擋，依靠變速箱制動。

行駛中的卡車具有的動能是驚人的。卡車發動機的輸出扭矩一般為2000～3000牛·米，扭矩是衡量發動機"力氣"的單位，扭矩越大，發動機的"力氣"也越大。然而，即便卡車的發動機扭矩已經高達家用轎車的十多倍，但卡車依然需要40多秒才能從靜止加速到時速80千米，而普通家用汽車完成同樣的加速一般不超過10秒。

從腳踩到液壓助力

要讓汽車停下來，就需要提供足夠的摩擦，所有汽車的制動系統都是基于這個原理，不同的只是提供摩擦的方式。早期汽車利用木塊摩擦鋼圈車輪提供制動。19世紀末，橡膠輪胎開始大規模裝配在汽車上，木質剎車塊因容易損壞橡膠輪胎而被棄用。取而代之的是鼓式制動裝置：駕駛員通過線纜將剎車襯片抵住內鼓，從而提供制動所需的摩擦。

現代汽車所采用的液壓制動系統是1918年由美國人洛克希德發明的。當駕駛員踩下剎車踏板，剎車管線中的剎車液將駕駛員的力放大后傳遞給剎車系統。

鼓式剎車裝置示意圖

液壓系統放大力的原理

氣體很容易被壓縮，而液體則不然，而且液體具有很好的流動性，因此液體是傳導制動力的優良介質。也正因如此，液壓剎車系統必須完全排掉空氣才能正常傳遞制動力。

液壓系統不僅傳遞力，還能放大力，其原理在于：在密閉的液壓系統中，各個活塞處的壓強保持一致。因此，根據帕斯卡定律（壓強=壓力/受壓面積），只要將制動活塞的面積放大到剎車踏板活塞面積的10倍，那么制動活塞處的壓力就會達到駕駛員踩踏壓力的10倍。這就是液壓系統放大力的原理。有了液壓系統的幫助，汽車在高速行駛時，制動系統也能提供足夠的制動力。汽車制造商起初對這種新型剎車裝置反應冷淡，但在事實面前，他們紛紛在車輛上裝配上了液壓制動系統。

高速是剎車的大敵

質量越大的車輛越難及時剎停。對以相同速度并排行駛的小汽車和卡車來說，卡車擁有的動能遠高于小汽車，這也是許多行駛中的超載大貨車剎不住車的原因，因為它們的動能實在太高，大大超過制動系統能夠轉化和吸收的量。當剎車系統吸收的熱量達到飽和，無法繼續吸收熱量時，制動系統就會剎不住車。

決定車輛動能的因素：質量和速度

速度是決定車輛動能的另一大因素。根據動能公式，物體的動能和物體移動速度的平方成正比。也就是說，如果同一輛汽車分別以時速10千米和時速40千米行駛，那么后一種情況下的動能是前一種的16倍！當汽車以時速100千米以上行駛時遇到緊急情況，極高的速度加上人的反應時間，從踩下制動踏板到車輛完全停止，需要至少100米的距離。

盤式制動器的誕生

19世紀末，一臺典型四沖程煤氣內燃機的最大輸出功率僅為2.9千瓦。1902年，四缸發動機的最大輸出功率已達到18千瓦，如今一輛緊湊型家用轎車的最大輸出功率已經達到100千瓦左右。汽車的最大功率決定汽車的最高時速，隨著汽車發動機的功率越來越大，傳統的鼓式剎車越來越難以滿足汽車的制動需求。

20世紀50年代，配置鼓式剎車的賽車因剎車不足而沖出賽道

盤式剎車結構示意圖

1952年的一天，在美國密蘇里州一座軍用機場的跑道上，被譽為傳奇試車手的諾曼·德威斯正在秘密測試一種新型賽車用盤式制動器。德威斯平時的工作是測試賽車的性能極限，時速超過150千米的高速駕駛對他來說是家常便飯。然而，當時賽車廣泛使用的鼓式剎車經常出現剎車故障——即便剎車踏板被踩到底，賽車依然沒有半點減速。經驗豐富的德威斯面臨這種情況時，只能小心地操縱賽車駛入賽道旁邊的草地進行減速。

工作人員用了200個巨型草垛，在機場跑道上圍出了一個“0”形的臨時賽道。在賽道兩端，分別有一個U形彎，如果賽車不能在入彎時迅速減速，就會沖出賽道。經過多輪測試，新型盤式制動器不但大大提高了賽車的制動性能，還比鼓式制動系統更不容易出現故障。在1960年舉辦的勒芒拉力賽上，裝配了盤式制動器的賽車取得了優異成績。從出現至今，盤式制動器的工藝和材料已有了長足進展，但依然保留了初期的結構。

以100千米/時行駛的汽車從踩下制動踏板到完全停止期間行駛過的路程，被稱為時速100千米剎車距離，這是重要性不輸于車身強度的安全指標之一。汽車輪胎的抓地力是左右時速100千米剎車距離的重要因素：同樣型號的汽車，如果配備抓地力優秀的輪胎，汽車可以在35米以內剎停;而如果配備某些抓地力差的輪胎，汽車則需要55米甚至更遠的距離才能剎停。如果40米外突然出現行人，裝備抓地力好的輪胎的車輛很有可能完全避免撞上行人，但裝備抓地力差的輪胎的車輛則會在低效制動后，以60千米的余速將行人撞飛。因此，短短幾十米實際上是生與死的距離。

卡車動能回收

汽車的制動系統將動能轉化為熱能

一些工程師設想到，如果能回收在卡車制動過程中產生的大量熱能，那么既能防止制動系統過熱，又能節約能源。自重45噸的某型號卡車就裝配了這樣的動能回收裝置，這樣每輛卡車每年能減少碳排放196噸。

飛機是如何剎住的？

一架波音777客機以240千米的時速降落在機場跑道上，雖然跑道長達1.5千米，但如果飛機不做任何減速，那么在22.5秒后就會沖出跑道盡頭。飛機著陸后，機上乘客會感覺到一股巨大的力量在反向拉扯飛機，讓飛機最終停下來。飛機的機輪上安裝有剎車裝置，僅靠該裝置的確也能夠剎停飛機，但飛行員只會在萬不得已的情況下才會這么做。落地時的飛機擁有驚人的動能，如果這些動能全部轉化為剎車的熱能，那么飛機的輪胎將完全熔化。那么，飛機著陸后是怎樣在短時間內減速并停止的呢？

飛機制動的原理

其實，除了機輪剎車，客機著陸后還會依靠改變機翼舵面和發動機反推來減速。著陸時，位于機翼上的減速板完全豎起后，能強迫快速滑過機翼的氣流向上方運動，且氣流也給機翼施加巨大的下壓力，從而增加機輪和地面的摩擦，提高機輪的制動力;同時，飛機降落后，發動機的推力反向器開啟，并將發動機氣流的噴射方向改為主要向前噴射，這種名為反推的制動方式是飛機降落后制動力的主要來源。