“秒杀”之刹

宋喜秀

网络购物平台上，妙趣横生的商品“秒杀”洋溢着智慧与幸运；相映成趣的是，在汽车制动过程中，那险象环生的“刹车”瞬间，同样惊心动魄。

传统的制动流程是：驾驶员踩下制动踏板，向制动总泵施加压力，压力通过管路传递到每个车轮制动钳的活塞上，活塞驱动制动钳夹紧刹车盘，从而产生巨大摩擦力使车辆减速直至停车。一辆车从静止加速到100 km/h可能需要10 s，但从100 km/h开始刹车到静止可能只需要不足4 s。承载着巨大负荷与安全责任的制动系统，或以静制动，或以少胜多，或扬长补短，伤不起的“刹”机里，充满了玄机和商机。

1 能量守恒定律

众所周知，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。汽车的制动过程也是这样：在加速过程中，化学能转化成热能和动能；制动时，又将汽车的动能转化成热能散发到空气中。能量守恒定律表明，要保护和传递“正能量”，限制和化解“负能量”。

制动装置摩擦运动中产生的热量，会使其温度急剧上升，高温使得装置的制动能力大打折扣，这就是制动中“热疲软”现象。“热疲软”不仅浪费了运动能量，同时使汽车的制动距离大大延长，尤其是在紧急制动和下长坡时，“热疲软”现象更明显，存在严重安全隐患。受能量守恒定律启发，能够长时间提供并保持制动效能，同时制动性能无明显降低的各种辅助制动系统——缓速制动系统(Endurance Braking System，简称EBS)应运而生。具有环保节能价值的3种典型缓速器技术分别是：

1.1 发动机缓速器

发动机能够驱动汽车运动，应该也可以阻止汽车运动。当车辆需要制动减速时，如果能将发动机转变为制动工作模式，模拟空气压缩机，吸收来自车辆的运动能量，就能有效阻止汽车运动。

于是安装在发动机上的一套液压控制装置——发动机缓速器得到了广泛应用。该装置通过液压控制系统操控油门、气门的开关状态：当缓速器工作时，发动机曲轴在车辆拖动下被迫旋转，并在吸气、压缩、做功和排气4个冲程做负功，减少动能，使发动机进入制动状态；当缓速器停止工作时，发动机又恢复正常状态。

发动机缓速器诞生之前，有更为简洁的排气辅助制动装置，俗称“排气刹”。其工作原理是在发动机排气管内安装排气节流阀，制动时首先切断燃料供给，同时将排气管关闭，使发动机在压缩和排气行程做负功，达到降低车速的目的。排气制动系统是继行车制动和驻车制动后的第3套独立制动系统，所以又称“第三刹车”。排气辅助制动装置因其结构简单、性能可靠、操作方便，在国内商用汽车上得到了广泛运用。

1.2 液力缓速器

汽车在下长坡时使用排气制动有其局限性，特别是汽车处于低速状态时，通过控制排气形成的阻力明显弱化，对于矿用自卸车等吨位较大的车型尤其力不从心。因此，在第12届北京国际工程机械展(Bices 2013)上，装有液力变速器和液力缓速器的矿用自卸汽车就成了一些露天矿山的新宠，液力变速器和液力缓速器等高端配置格外引人注目。

液力缓速器一般安装在变速器的后端。缓速器的转子随变速器输出轴转动：当缓速器内没有液压油时，转子空转，无减速、缓速作用；当汽车需要缓速时，缓速器的转子高速运转，液压油在定子内被减速，给转子以很大的反转矩，从而对汽车产生制动作用，维持汽车恒速下坡。

转子转动的动能经液压油的阻尼作用转变成热能，通过散热器散发到空气中。因为这种作用于变速器输出轴的阻尼作用是连续、平顺的，所以具有平稳、可靠、无冲击的突出优势。

1.3 电力缓速器

电力缓速器包括：电涡流缓速器、永磁式缓速器、自励式缓速器和电力再生式制动系统。

电涡流缓速器俗称“电刹”，一般由定子、转子及固定支架组成。该装置安装在汽车驱动桥与变速箱之间，通过电磁感应原理实现无接触制动。它是制动系统的一个必要补充，但不能取代主制动系统。电涡流缓速器工作时，定子线圈内通电产生磁场，而转子随传动轴一起旋转。转子切割定子产生的磁力线，从而在转子盘内部产生涡旋状的感应电流。这样，定子就会向转子施加一个阻碍转子旋转的电磁力，从而产生制动力矩。同时，涡流在具有一定电阻的转子盘内部流通，由于电阻的热效应会把电能转化为热能，这样，车辆行驶的动能就通过电磁感应和电阻发热最终转化为热能散发。

永磁式缓速器是采用永久磁铁进行励磁，取代了电涡流缓速器中的电磁铁。磁铁周向转动式永磁式缓速器结构紧凑、体积小、质量轻，是目前国外市场开发的主流产品。但永磁铁产生的磁场有限，故所产生的制动力矩较小，也不能提供大小不同的制动力矩，同时因采用永磁稀土材料，所以价格较贵，散热效果也不理想。

自励式缓速器是一种无需外接电源并具有发电功能的汽车辅助制动装置。这种缓速器克服了普通电涡流缓速器制动带来的附加能耗及其对汽车蓄电池和其他电气设备的冲击。对于电驱动的纯电动汽车，则设计有能量回收装置，可以把一部分动能转换成电能储存起来。这种在减速过程中将车辆动能转化为电能的制动系统，被定义为“电力再生式制动系统(Electric Regenerative Braking System，简称RBS)”，并得到积极推广。

能量守恒，有机可乘。3种典型缓速器技术从欧美等地汽车强国传入我国后，国家标准GB 12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》中规定了EBS的性能要求和试验方法，GB 7258-2012《机动车运行安全技术条件》也明确规定：“车长大于9 m的客车(对专用校车为车长大于8 m)、总质量大于等于12000 kg的货车和专项作业车、所有危险货物运输车应装备缓速器或其他辅助制动装置。辅助制动装置的性能要求应使汽车能通过GB/T 13594规定的Ⅱ型或ⅡA型试验”。这些法规开辟了强制性运用EBS的新阶段。

2 杠杆原理

制动踏板能够利用杠杆原理放大驾驶员腿部的力量。如图2，因为杠杆的总长度(4X)是推杆上部长度(X)的4倍。因此在杠杆的下方施加一个力F，在杠杆中部1/4推杆处就可以得到下端4倍的力4F。但是它的行程S只有下端行程4S的1/4。

杠杆原理的本质是力矩平衡。在制动踏板围绕转轴匀速转动过程中正是“F×4S=4F×S”的力矩平衡关系赋予了“省力不省功”的智慧。

力矩平衡原则要求驾驶员“点到为止”，不能用力过大过猛，也不能过于“温柔”。过于“温柔”，容易造成追尾、撞人及其他碰撞事故。用力过大过猛，一是出现摩擦片与制动鼓之间的静摩擦力形成的摩擦力矩Mu大于轮胎与路面之间动摩擦力形成的摩擦力矩Mb，造成车轮锁死，既不能转向，也不能转动，从而产生侧滑、跑偏甚至侧翻；二是不能自动调节前、后轴的制动力分配比例，造成前、后轴制动与轴荷分配比例失调，导致车辆特别是汽车列车前翻及“叠罗汉”事故的发生。鼓式制动摩擦力矩平衡图，参见图3。

为此，GB 12676-1999《汽车制动系统结构、性能和试验方法》规定O3 和O4类挂车应装备满足GB/T 13594要求的防抱死制动系统。GB7258-2012《机动车运行安全技术条件》也明确规定：车长大于9 m的长途客车、旅游客车和未设立乘客站立区的公共汽车，所有专用校车、危险货物运输车和半挂牵引车，总质量大于等于12000 kg的货车和专项作业车及总质量大于10000 kg的挂车必须安装符合GB/T 13594规定的防抱制动装置。为了实现这些要求，相关车辆应该装备必要的刹车辅助系统，制动辅助系统主要包括以下几种：

2.1 防抱死制动装置

防抱死制动装置简称“ABS”(Anti-locked Braking System)。ABS是一种具有防滑、防锁死等功能的汽车安全控制系统，是在常规刹车装置基础上的改进型技术，分机械式和电子式2种。装备有电子式ABS的车辆在车轮即将达到抱死临界点时，制动在1 s内可作用60～120次，相当于不停地制动、放松，即相似于机械自动化的“点刹”动作，使制动效率达到90%以上。

因为ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置，所以已成为O3 和O4类挂车及牵引车的标准配置。

2.2 制动辅助系统

制动辅助系统简称“BAS”(Brake Assist System)。BAS是在关键的时候增加制动力，即让现有的ABS具有一定的智能，当踩制动踏板动作快、力量大时，BAS就判定驾驶员在紧急制动，并让ABS启动工作，迅速增大制动力。据统计，90%的驾驶员遇到紧急情况时，均不能采取快速、及时的制动措施，或者在最初次碰撞平息时，驾驶员会太早放松制动踏板，这2点正是制动辅助系统要解决的。BAS借助油门和制动系统上的感应器，感知驾驶员对油门踏板、制动踏板的踩踏时间或力度，进一步判断是否遇到紧急情况并相应采取紧急制动。当驾驶员在紧急情况下迅速踩制动踏板，但踩踏力不足时，此系统便会在不到1 s的时间内把制动力增至最大，缩短在紧急制动情况下的制动距离。有关测试结果表明，拥有制动辅助系统的车辆比未装有该系统的车辆可缩短约45%的制动距离。

杠杆省力，点刹得力。ABS与BAS的“秒刹”配置，使毫无生趣的制动系统插上了电子科技的翅膀，那一次又一次成功的避险操作，无不闪耀着智慧的光芒。

3 帕斯卡定律

液压系统背后的基本原理是：作用在一点的力被不能压缩的液体等量传递到另一点，这个规律就是帕斯卡定律。绝大多数液压制动系统都是利用这一定律放大了制动力量。在图2最简单的液压系统中，制动总泵活塞获得的的推力通过管道内的液压油传送到制动卡钳活塞。由于制动卡钳活塞的受力面积是第一个活塞的3倍，制动卡钳活塞因而获得了第一个活塞3倍的制动力。

液压系统的微妙之处在于：一是可以以任何长度、任何形状的液压管路绕过其他部件来连接2个液压缸；二是液压管路可以分支，一个主缸可以被分成多个副缸，完成对各个轮胎的制动；三是作用在一点的力可被等值传递，所以在较大的作用面积上可以获得成倍放大的作用力。

3.1 液压与气压

帕斯卡定律同时适用于气压制动。不同之处是气体可以压缩，压力波在液体中传播的速度比在气体中快，因此液体压力通过管道到达活塞的时间比气体要短一些：急速踩制动后，液压制动系统的制动器在0.1 s内就可以发挥作用；气压制动系统则需要0.3～0.9 s。但气压制动的力的放大范围比液压刹车要高很多，由于驾驶员能够发出的力是有限的，所以重型车一般选用放大倍数更大的气压系统控制刹车。

气刹用在重卡上，不但能够满足制动力较大的需求，气动制动特有的“断气刹”装置也是个安全保障。当发动机发生关闭或者故障，压缩机和气瓶无法供应足够空气压力时，诸如储能弹簧类的断气刹装置会驱动应急制动系统自动制动，从而保障车辆安全。

半挂车普遍采用双回路制动阀和手制动阀控制双回路制动系统的弹簧制动室(图4)。如果一条回路断裂或挂车控制回路还未连接，汽车制动阀的动作将会造成气体供应的减少和挂车气路气体压力的减少，挂车此时会自动地发生制动。

3.2 气刹时间差

压力波在气体中传播需要时间，时间长短与气管长度及管路背压有关，这就涉及到制动顺序的协调性问题。半挂车与牵引车制动系统之间的顺序协调性，要求制动作用顺序依次为牵引车前轮、半挂车车轮、牵引车后轮。GB 7258-2012《机动车运行安全技术条件》规定“汽车列车行车制动系的设计和制造应保证挂车最后轴制动动作滞后于牵引车前轴制动动作的时间不大于0.2 s”。

如何保证这0.2 s的气刹时间差呢？为此设计的挂车制动系统的核心部件紧急继动阀(图5)，因同时兼容继动阀、分配阀、单向阀、快放阀多种功能，可大大缩短挂车制动滞后时间。值得注意的是，目前市面上流行的几种紧急继动阀，因为其气压越前装置压力调节系统普遍不够灵敏、稳定，所以气刹时间差的保证效果并不理想。

液压气压，给力秒刹。液压气压系统美妙的帕斯卡定律给从事制动控制设计的工程师们提供了广阔的舞台。

4 摩擦力作用原理

摩擦力是一个物体在另一个物体上滑动时产生的相互阻力，摩擦力与物体接触面上的正压力成正比。这个原理表明，给制动盘、制动鼓的压力越大，车辆获得的制动力也越大。相应地，也越容易发生“热疲软”现象：在重型汽车下坡时，经常看到驾驶员用自带大水箱往制动片上洒水，防止制动过热而失效；飞机上使用制动也很频繁，所以飞机返航时，通常要立即放风扇过去为制动散热。

目前，汽车采用的制动器可分为鼓式制动器和盘式制动器2大类。

4.1 鼓式制动器

鼓式制动器是最早的汽车制动形式，在盘式制动器还未出现前，它已经被广泛用于各类汽车上。但由于结构问题，它在制动过程中的散热性能和排水性能都比较差，容易导致制动效率下降。由于成本比较低，主要用于制动负荷比较小的后轮。鼓式制动器还便于与驻车制动组合在一起，利用手操纵杆或驻车踏板扩展制动蹄，起到停车制动作用。

4.2 盘式制动器

盘式制动器又称碟式制动器，因形状而得名。它靠液压控制，主要由制动盘、分泵、制动钳等组成，具有散热快、质量轻、构造简单、调整方便等优点。特别是高负载时，其耐高温性能好，制动效果稳定，而且不怕泥水侵袭，适应于冬季和恶劣路况下行车。碟式制动器的美中不足是，材料成本和配置费用偏高，所以在很长时间内，仍会持续停留在选配阶段。

摩擦转动，可调可控，鼓式可靠，盘式轻松。商用汽车设计者从经济与实用的角度出发，一般采用前盘后鼓的混合形式。随着材料科学的发展及成本的降低，在汽车领域中，盘式制动取代鼓式制动已是大势所趋。

综上所述，“秒杀”之刹，意气风发。一套又一套智能又节能、高端又高效、平稳又平价的汽车制动系统正逐渐成为车辆的标准配置，从而为驾乘人员保驾护航。