制动系(一)

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制动原理液压系统力学分析工程取舍

汽车制动系统

从踏板力到轮胎摩擦:拆解制动能量传递路径与关键部件设计取舍

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制动原理液压系统力学分析工程取舍

汽车制动系统

从踏板力到轮胎摩擦:拆解制动能量传递路径与关键部件设计取舍

1第 1 页 · 汽车制动系统

什么是制动

上页我们看到了制动系统的全貌——油壶、管路、卡钳、盘、片。那它到底是靠什么让车停下来的?回忆一下冬天搓手——两只手来回摩擦,越搓越热。你以为刹车里有更复杂的魔法?原理一模一样。

制动本质
把汽车的动能转化为热能,再散发到空气里
靠摩擦实现
刹车片夹紧刹车盘,两面剧烈摩擦
摩擦生热
搓手也会发热,原理完全相同
极限:热散不及
连续下长坡,盘温过高,制动会「失灵」
冬天搓手取暖对应 →汽车制动

手搓:动能→摩擦→热能;刹车:汽车动能→摩擦→热能,热能都得散出去

2第 2 页 · 什么是制动

制动系统基本组成

信号传递分四段:脚力→液压→机械→摩擦。横看即从踏板到轮胎的完整链路。

图解渲染中…
b2利用发动机真空把踏板力放大3-5倍e5监测轮速,抱死时脉冲式泄压g7摩擦件,把动能转化为热能耗散掉
3第 3 页 · 制动系统基本组成

鼓式制动器结构

前面说过制动系统的基本组成,现在把镜头推进车轮内部——鼓式制动器藏在那里。想象轮子内侧有个圆筒在高速旋转,刹车时它会被从里面「抱」住,轮子就这样慢慢停住。

制动鼓
随车轮一起转动的铸铁圆筒,内壁就是要产生摩擦的那一面
制动蹄
弧形钢件外贴摩擦片,刹车时被顶向外侧、贴向鼓壁
轮缸(分泵)
把刹车油的压力变成机械推力,是把蹄往外顶的「执行者」
摩擦制动原理
蹄紧贴鼓壁后,摩擦力把转动的动能转化成热能散掉
双手从内侧夹紧转动的圆桶对应 →制动蹄「抱紧」制动鼓

桶在转、手不动,手夹得越紧摩擦越大;蹄被油压顶出贴住旋转的鼓也是同一回事

4第 4 页 · 鼓式制动器结构

鼓式制动器增力机制

分析鼓式制动器主蹄如何借助摩擦力自行放大制动力。

1
轮缸推紧
轮缸活塞外推,将主蹄压向旋转着的制动鼓表面。
2
摩擦切入
鼓面拖着蹄走,摩擦力沿切向作用在蹄面上。
3
绕支生矩
蹄下端被锚销钉死,切向摩擦力绕支点形成旋转力矩。
4
楔紧放大
该力矩把蹄进一步楔入鼓壁,制动力被放大,这就是自增力。
5
主从有别
从蹄摩擦方向相反,产出的力矩把蹄拉离鼓壁,是退矩。
5第 5 页 · 鼓式制动器增力机制

盘式制动器结构

鼓式制动是「从内侧撑开」摩擦片,盘式正好反过来——是「从两面夹紧」制动盘。这页拆开看夹紧机构由哪几块组成、怎么压下去。

制动盘(rotor)
随车轮旋转的铸铁圆盘,两侧是被夹的工作面
制动钳(caliper)
整体套在制动盘外,内部装有分泵、活塞、摩擦片和导向销
「夹紧」动作的产生
液压推活塞压内片,反力让钳体沿导向销滑,外片反向压上盘面
浮动钳 vs 固定钳
前者单活塞靠滑移(结构简单),后者活塞分居两侧(刚性更好、响应更快)
做三明治时两手压面包对应 →盘式制动器夹紧制动盘

制动盘像夹心,摩擦片像两片面包,液压就是压下去的手

6第 6 页 · 盘式制动器结构

盘式制动器工作过程

踩下制动踏板的那一刻,盘式制动器内部六个环节依次启动,每一步都是下一步的前提。

1
踏板推主缸
踩下踏板,通过助力装置推动主缸内的活塞
2
主缸建压
主缸活塞压缩制动液,把机械力转化为液压
3
油液传压
高压制动液沿管路流向各车轮的制动钳
4
钳内活塞动
液压推动制动钳内的活塞沿轴向向外移动
5
摩擦块夹盘
内外两侧制动块同时夹紧旋转的制动盘
6
摩擦生热减速
摩擦力将制动盘的动能转化为热能,实现减速
7第 7 页 · 盘式制动器工作过程

鼓式 vs 盘式

最常见的误解是'盘式一定优于鼓式'——其实两种结构各有适用场景,关键看制动强度与散热需求。

鼓式制动器
  • 散热性能:封闭式刹车鼓包裹刹车蹄,热量难散出
  • 制动力来源:刹车蹄自增力,越踩越抱紧
  • 方向稳定性:倒车时自增力减弱甚至反向
  • 维护便利性:内部紧凑,调整繁琐需拆解
盘式制动器
  • 散热性能:刹车盘外露直触空气,散热快
  • 制动力来源:靠卡钳夹紧,无自增力机制
  • 方向稳定性:前后/倒车制动效能一致
  • 维护便利性:盘面磨损肉眼可见,拆装简便
重载长下坡优先鼓式(自增力省踏板力),乘用车高速主用盘式(散热快、踏板线性),高端车型常前后混用。
8第 8 页 · 鼓式 vs 盘式

制动间隙的作用

上一页我们看到活塞把摩擦片推向刹车盘。但不踩刹车时,摩擦片与盘面并不紧贴——中间留了一段微小间隙。这看似多余的设计,背后有热力学与机械学的双重考量。

热膨胀余量
制动时摩擦面瞬时温度可达 300~600℃,金属受热膨胀,间隙必须吃掉这部分形变
磨损补偿空间
摩擦片每次制动都磨损变薄,间隙给自调机构留出推进活塞的余地
保证完全释放
松开刹车后摩擦片必须彻底脱离盘面,否则持续摩擦会产生拖滞、磨损与油耗
桥梁伸缩缝对应 →制动间隙

桥面遇热膨胀会拱起,伸缩缝留出余地;制动盘同样会热胀,间隙就是它的'安全距离'

9第 9 页 · 制动间隙的作用

鼓式制动器间隙调整

调整的核心是用底板上的小孔伸入工具,旋转星形螺母撑开蹄片,贴紧后再回退留出运行间隙。

1
定位调节孔
底板上的小孔,是伸入工具的唯一通道
2
卡住星形螺母
刹车勺对准齿槽,准备旋转
3
旋进撑开蹄片
螺母转动推动两蹄下端向外扩张,逼近鼓壁
4
回退留出间隙
倒退2-3齿,形成运行间隙
5
转动检验
轻转制动鼓,无卡滞即合格
10第 10 页 · 鼓式制动器间隙调整

盘式制动器间隙调整

盘式制动器靠密封圈的弹性变形自动回位活塞,无需人工调整间隙。

1
制动施压
液压推动活塞外移,把刹车片压向制动盘,矩形密封圈被拉伸变形
2
解除制动
松开制动踏板后,轮缸内油压迅速下降到零
3
密封圈回弹
弹性变形的密封圈恢复原状,顺势把活塞向内拉回一小段距离
4
间隙自动形成
活塞微量回退使刹车片与制动盘之间留出约0.05~0.15mm工作间隙
5
磨损时自动补偿
刹车片变薄,活塞外移量跟着增大,但回退量始终恒定,间隙保持稳定
11第 11 页 · 盘式制动器间隙调整

制动踏板机构

从左到右是力的传递链,虚线展示杠杆比带来的力与行程关系。

图解渲染中…
B支点O靠近推杆端,i=L₁/L₂通常为4~6E踏板力F₁经杠杆放大为推杆力F₂F踏板行程S₁是主缸活塞行程S₂的i倍
12第 12 页 · 制动踏板机构

制动主缸

踏板靠推杆把脚劲送进来——但这股力怎么「变身」成能推动四个轮子卡钳的液压?中间需要一个翻译官:制动主缸。

串联双腔结构
前后两个独立液压腔分别接前后轮组,任一腔泄漏另一腔仍能制动
皮碗与补偿孔
皮碗封住高压油,补偿孔连储液罐,回位时自动补油排气
帕斯卡定律
活塞推油→管路各点压强相等→卡钳大活塞把压强变大力
H 型 / X 型分配
两腔管路如何分给四轮:H 型一前一后、X 型对角交叉,影响单点失效表现
注射器对应 →制动主缸

推杆=活塞、针筒=缸体;堵住针头推活塞,几公斤力就能让针头那边压强远超大气压

P=F1A1=F2A2P = \dfrac{F_1}{A_1} = \dfrac{F_2}{A_2}
13第 13 页 · 制动主缸

液压传动原理

从左到右看力的传递:小活塞产生压强,帕斯卡定律让压强等值传到各处,大活塞面积更大所以输出力被放大。

图解渲染中…
c1主缸小活塞,面积S1较小f1轮缸大活塞,面积S2较大d2压强P=单位面积承受的力h1面积比S2/S1就是力放大倍数
14第 14 页 · 液压传动原理

伺服制动系统

前页讲到主缸把踏板力变成液压。但1吨多的车要刹停,纯靠腿踩需五六十公斤踏板力,谁顶得住?于是工程师请来一位「隐形助手」——真空助力器。

助力必要性
1吨多轿车纯人力制动需踏板力50~80kg,普通驾驶员难以胜任
双腔+膜片结构
助力器分真空腔与大气腔,中间是橡胶膜片,控制阀决定何时放大气
压差即免费劳力
踩刹车时大气进入大气腔,两侧产生约1个大气压的压差,把膜片向主缸方向推
助力比3~5倍
踏板力被放大3~5倍:踩10kg,主缸实际受力30~50kg
真空来源与失效
真空来自发动机进气歧管;熄火后残留真空仅够2~3脚制动,之后退回纯人力
千斤顶顶起汽车对应 →真空助力器放大踏板力

你压手柄(输入小力),千斤顶把整车顶起(输出大力);你踩踏板(输入),大气压帮你顶主缸(输出)

F助力=(P大气P真空)A膜片1barA膜片F_{助力}=(P_{大气}-P_{真空})\cdot A_{膜片}\approx 1\text{bar}\cdot A_{膜片}
15第 15 页 · 伺服制动系统

真空助力器工作原理

从左往右看:真空分灌两腔→踩踏板切大气→产生压差→膜片出力→推主缸。

图解渲染中…
B始终保持真空,作为基准低压侧C不踩时真空,踩下时通大气E大气压减真空度,再乘膜片面积F真空助力的核心放大机制
16第 16 页 · 真空助力器工作原理

动力制动系统

真空助力器靠发动机抽真空帮忙,但柴油货车真空度差、人力也远远不够。换条路:把空气主动压进钢瓶里存好,需要制动时让高压气体冲出来推刹车——这就是气压制动。

气源系统
空压机持续向储气罐充气,维持0.6~0.8 MPa 高压气体
制动控制阀
踏板只控制阀门开度,调节送入制动气室的气压大小
制动气室
气压推动膜片,把气压能转成推动凸轮或推杆的机械力
储能式设计
预先储能+瞬时大流量,发动机熄火仍可多次制动
高楼水塔供水对应 →气压制动系统

水泵把水压上水塔=空压机把气压进储气罐;开龙头放水=踩踏板让气体推动膜片

F=P×AF = P \times A
17第 17 页 · 动力制动系统

气压制动传动

从空压机到制动器,气压如何一步步传递到位?沿箭头方向读即可。

图解渲染中…
a2维持储气筒压力在安全范围a4踏板机械信号转为气压输出a5把气压能转为机械推力a7气压制动的最终效果
18第 18 页 · 气压制动传动

驻车制动的功能

前面讲的行车制动全靠液压——但液压管路一旦漏油、整套系统就失效。驻车制动正是为此设计的"机械备份":不靠液压、不靠气压,只靠一根钢索。

坡道停车锁止
停车后锁止后轮,防止下坡溜车或上坡起步时后溜
应急制动
液压失效时,仅靠钢索拉线即可对后轮产生制动力
纯机械独立传动
与行车制动系统完全分离,不受液压管路破裂、真空失效影响
仅作用于后轮
制动力有限,但足以应对长时间停车与应急减速
门的插销对应 →驻车制动的机械锁止

纯机械、不耗能、不依赖其他系统;平时不起眼,关键时刻绝对可靠

19第 19 页 · 驻车制动的功能

驻车制动机构类型

看图先沿顶部入口向下,再左右对照两条路径的结构差异。

图解渲染中…
b1按传动方式分流的判断点c3柔性拉线,跨车身传递制动力d3硬连接集成鼓,紧凑但占传动轴空间
20第 20 页 · 驻车制动机构类型

驻车制动锁止原理

前页提到驻车制动机构有多种类型,其中最常见的就是棘轮式。拉一下手刹就能稳稳停住、不自动回松——背后靠的是经典的机械自锁原理。

棘轮与棘爪
棘轮是带齿的钢轮,棘爪是铰接的卡块,靠弹簧或自重贴向齿面
拉起时棘爪跳过
拉起手柄时棘爪斜面被齿顶推开,棘轮单向旋转收紧钢索
松手后棘爪卡入
松手后钢索反拖棘轮反转,但棘爪被齿槽挡住——机械自锁形成
按下按钮释放
按压按钮抬升棘爪脱离齿面,棘轮才能反转松绳
棘轮扳手对应 →驻车制动棘轮机构

都是单向传动——朝一个方向可动,反方向被棘爪锁住

21第 21 页 · 驻车制动锁止原理

车轮抱死的危害

驻车制动锁死车轮后车才不会溜——但行驶中锁死车轮,就是另一回事了。想象穿轮滑鞋急停:身体沿原方向滑出去,方向感全没了。

滚动→滑动
车轮停转后靠滑动摩擦与地面接触,纵向附着系数从静摩擦跌到动摩擦
侧向力几乎归零
横向附着系数同样跌至滑动摩擦水平,无法再提供转向所需的侧向力
转向能力丧失
轮胎无横向力可用,方向盘转动对车头轨迹几乎毫无影响
后轮抱死引发甩尾
后轮锁死后前轮仍可转向,车尾失去跟随,绕前轴向外旋转失控
摩擦圆上限
纵向制动力与侧向力共享同一附着力上限,纵向用满则侧向归零
穿轮滑鞋急停对应 →车轮抱死

轮滑鞋锁死后只能沿原方向滑出去,根本无法转向;抱死的车轮就是这种状态

Fb2+Fl2(μN)2F_b^2 + F_l^2 \leq (\mu N)^2
22第 22 页 · 车轮抱死的危害

ABS工作原理

沿主轴从左读到右:传感器→ECU→调节器→轮缸;下方分支是ECU按滑移率切换的三种压力模式。

图解渲染中…
dec目标滑移率约10~30%,不同车型标定不同br -.-> ws虚线表示闭环反馈:制动改变轮速,传感器再次采样inc/hold/dec2每秒可切换4~10次,驾驶员感觉踏板在抖
23第 23 页 · ABS工作原理

ABS制动循环

ABS 通过每秒十余次的快速循环,让车轮始终在抱死临界点跳舞,维持转向能力。

1
检测抱死趋势
轮速传感器发现车轮减速过快,ECU 判定即将抱死
2
减压
液压单元打开回油通道,制动分泵油压降低,制动力退出
3
保压恢复
车轮转速回升,ECU 切换至保压或缓慢回油阶段
4
再增压
转速恢复到接近车速,电磁阀重新接通,制动力恢复
24第 24 页 · ABS制动循环

EBD与ESC系统

ABS 解决了车轮不抱死,但有两个问题没解决:刹车时载荷前移导致后轮易抱死;转弯时车要甩尾单靠防抱死救不了。EBD 和 ESC 正是为这两件事而生的功能扩展。

EBD 电子制动力分配
实时依据载荷转移、减速度、轮速差异,动态调整前后轮制动压力分配比
EBD 是 ABS 升级
复用 ABS 的轮速传感器和液压调节器,本质是软件算法升级,无需新增执行器
ESC 车身稳定控制
在 ABS+EBD 基础上加横摆控制,对单个车轮独立制动,纠正转向不足与转向过度
ESC 多两类手段
新增转向角、横摆率、侧向加速度传感器;纠偏时还会请求发动机降扭,形成制动+动力双重干预
学骑自行车的进阶对应 →ABS→EBD→ESC 的演进

先学不摔倒(ABS),再学前后刹车力度配合(EBD),最后学转弯时的车身平衡(ESC)

25第 25 页 · EBD与ESC系统

防滑系统自测

点击作答

EBD(电子制动力分配)系统和 ABS 在制动时承担的核心职责有何本质区别?

26第 26 页 · 防滑系统自测

制动系统知识回顾

  • 制动的核心是可控地把车辆动能转化为热能。
  • 操纵、传动、促动、控制闭环协同,间隙调整保证可靠。
  • 鼓式借几何与摩擦增力,盘式以开放结构换取散热优势。
  • 液压与气压制动负责传力分配,增力机构减负,驻车机构独立锁止。
  • ABS抑制抱死,EBD优化轮间分配,ESC纠正失稳趋势。
延伸主题:制动性能评价指标制动法规与检测方法新能源车制动能量回收
27第 27 页 · 制动系统知识回顾

课后思考

先独立思考再看参考答案——每个问题都值得多琢磨一会。

1为什么鼓式制动器能「自己越踩越紧」,而盘式制动器却做不到?这背后的物理本质是什么?

参考答案鼓式蹄片张开的摩擦力产生径向分力,把蹄进一步压向制动鼓——形成正反馈;盘式卡钳夹紧方向与摩擦力方向垂直,没有这个自增力分量。

2如果为一辆40吨重卡设计制动系统,鼓式和盘式之间你会怎么权衡?为什么?

参考答案重卡几乎都用鼓式+气压制动:气源充沛、增力效应在大载荷下尤其明显;盘式散热强但单次制动力矩上限较低,大尺寸气动卡钳成本和体积都不划算。

3电动汽车的「再生制动」和传统摩擦制动是替代关系还是互补关系?紧急制动时两者怎么协调?

参考答案再生制动制动力有限、依赖电池状态,只能互补不能替代;ESC/ABS按减速度请求、车速、电池SOC动态分配两者比例,安全永远优先。

28第 28 页 · 课后思考