探究油壓碟剎失靈的原因

張?zhí)祚Y

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自行車(chē)剎車(chē)也迎來(lái)了新時(shí)代，一種名叫“油壓碟剎”的嶄新剎車(chē)橫空出世，為自行車(chē)剎車(chē)的發(fā)展樹(shù)立J-個(gè)新的里程碑，起初，這種剎車(chē)只被用于山地車(chē)賽事中;而現(xiàn)如今，市面上的中高端自行車(chē)已經(jīng)普遍安裝了這種剎車(chē)，但是，許多沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的騎行者在使用這種現(xiàn)代化的剎車(chē)時(shí)常常固剎車(chē)失靈而出現(xiàn)意外。本文將對(duì)導(dǎo)致油壓碟剎失靈的幾種可能情況從多角度進(jìn)行分析，并結(jié)合能量守恒等方法進(jìn)行理論推導(dǎo)，從而揭示油壓碟剎失靈的原因。

關(guān)鍵詞：油壓碟剎 熱衰減 蒸發(fā)衰減 能量守恒 等效模型

引言

相比傳統(tǒng)的通過(guò)剎車(chē)線制動(dòng)的機(jī)械類(lèi)剎車(chē)，油壓碟剎具有著剎車(chē)效率高、剎車(chē)手感輕盈、工作穩(wěn)定、維護(hù)周期長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但因其獨(dú)特的工作原理，油壓碟剎會(huì)出現(xiàn)普通機(jī)械類(lèi)剎車(chē)不會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象

瞬間制動(dòng)力完全喪失，通常情況下，這種現(xiàn)象是不會(huì)發(fā)生的，但許多業(yè)余騎手由于缺乏專業(yè)知識(shí)，不當(dāng)?shù)氖褂脛x車(chē)，導(dǎo)致在騎行的過(guò)程中突然無(wú)法制動(dòng)，從而晾成悲劇，所以研究油壓碟剎失靈的原因可以引導(dǎo)人們正確的使用剎車(chē)，保障人們騎行出行的安全，還可以為未來(lái)剎車(chē)器的改進(jìn)方向提供思路，以設(shè)計(jì)出更為安全、高效、合理的剎車(chē)器。

導(dǎo)致常規(guī)機(jī)械類(lèi)剎車(chē)剎車(chē)力下降的原因有很多，如剎車(chē)皮/來(lái)令片磨損;剎車(chē)摩擦面接觸到油脂類(lèi)物質(zhì);剎車(chē)線生銹等等，但對(duì)于一個(gè)維護(hù)得當(dāng)，狀態(tài)優(yōu)良的機(jī)械類(lèi)剎車(chē)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致剎車(chē)力下降的原因只有一種熱衰減，即因剎車(chē)碟片或剎車(chē)鼓熱量累積導(dǎo)致摩擦面摩擦系數(shù)減小導(dǎo)致剎車(chē)力下降，那么，會(huì)不會(huì)是這個(gè)原因?qū)е掠蛪旱鷦x出現(xiàn)“瞬間制動(dòng)力完全喪失”的現(xiàn)象呢？

1.熱衰減對(duì)油壓碟剎制動(dòng)性能的影響

研究熱衰減對(duì)剎車(chē)制動(dòng)性能的影響實(shí)際上拋開(kāi)了油壓碟剎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單純的探究熱量的累積對(duì)制動(dòng)性能的影響，為了避免油壓碟剎內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的影響，我們選用剎車(chē)原理類(lèi)似，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械式線拉碟剎，本實(shí)驗(yàn)選用使用較普遍的SRAM AVID BB7線拉機(jī)械碟剎。

1.1設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在地面上取一段實(shí)驗(yàn)區(qū)域并設(shè)定一條剎車(chē)線（如圖1），讓配備線拉碟剎的自行車(chē)以相同的速度經(jīng)過(guò)剎車(chē)線開(kāi)始以相同的力度剎車(chē)，每次實(shí)驗(yàn)使剎車(chē)碟片升高到不同溫度，測(cè)量不同溫度下的剎車(chē)距離。為了控制實(shí)驗(yàn)中剎車(chē)力度的一定，我們?nèi)∫桓鹌そ钐自趧x車(chē)的手制上，使橡皮筋自然收緊時(shí)剎車(chē)處于工作狀態(tài)，不使用剎車(chē)時(shí)用手指抵住剎車(chē)手柄，需要?jiǎng)x車(chē)時(shí)松開(kāi)手指讓橡皮筋收緊，這樣可以保證每次剎車(chē)的力度都是相同的，用酒精噴燈對(duì)剎車(chē)碟片進(jìn)行加熱，加熱時(shí)保持車(chē)輪慢速轉(zhuǎn)動(dòng)保證均勻受熱，以免碟片局部溫度過(guò)高導(dǎo)致碟片發(fā)生形變。

每次使用噴燈將碟片加熱到不同的溫度并盡快進(jìn)行實(shí)驗(yàn)每次實(shí)驗(yàn)剎車(chē)線到前輪的距離，收集一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，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(chē)碟片溫度對(duì)剎車(chē)距離的影響，圖像中曲線的凹陷處為剎車(chē)的最佳工作溫度，剎車(chē)在此溫度下工作時(shí)能提供最優(yōu)秀的制動(dòng)性能，超過(guò)此溫度后，函數(shù)即呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，分析圖像不難發(fā)現(xiàn)，熱量持續(xù)累積的確會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)的制動(dòng)力下降，但最終會(huì)在某個(gè)值附近趨于穩(wěn)定，此時(shí)制動(dòng)力已經(jīng)大不如最佳工作狀態(tài)，但仍具有制動(dòng)力，騎行者只需增大捏手制的力度即可控制自行車(chē)，并不會(huì)導(dǎo)致瞬間制動(dòng)力完全喪失，所以，熱衰減并不是導(dǎo)致油壓碟剎完全失靈的主要原因。

想要找到導(dǎo)致油壓碟剎出現(xiàn)瞬間制動(dòng)力完全喪失的原因，就必須結(jié)合油壓碟剎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，油壓碟剎主要結(jié)構(gòu)有：

剎把：安裝在自行車(chē)的把橫上，騎行者通過(guò)剎把控制剎車(chē)的工作。

油缸（上）：內(nèi)部充滿制動(dòng)液，位于剎把末端，內(nèi)部的活塞通過(guò)連桿與剎把相連。

油管：內(nèi)部充滿制動(dòng)液，用于連接上下油缸。

油缸（下）：內(nèi)部充滿制動(dòng)液，安裝在靠近自行車(chē)花鼓的前叉下端或后三角結(jié)構(gòu)尾部，內(nèi)置活塞。

來(lái)令片：緊貼下油缸活塞，使用插銷(xiāo)固定，為剎車(chē)制動(dòng)摩擦面之一。

碟片：安裝在自行車(chē)花鼓的碟片安裝座上，隨車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，為剎車(chē)摩擦面之一。

將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后即如圖3所示：

剎車(chē)時(shí)，剎把被騎行者捏動(dòng)，力通過(guò)連桿推動(dòng)上油缸內(nèi)的活塞，活塞推動(dòng)密封在剎車(chē)內(nèi)部的制動(dòng)液，從而以制動(dòng)液為介質(zhì)，推動(dòng)下油缸中的活塞，從而推動(dòng)來(lái)令片，夾緊碟片達(dá)到剎車(chē)的目的，同時(shí)，剎車(chē)碟片上會(huì)累積熱量，由于剎車(chē)時(shí)來(lái)令片與剎車(chē)碟片時(shí)接觸的，碟片上的熱量會(huì)通過(guò)來(lái)令片傳遞給內(nèi)部的活塞再傳遞給剎車(chē)內(nèi)部的剎車(chē)液，剎車(chē)液是有沸點(diǎn)的，在剎車(chē)工作時(shí)，剎車(chē)內(nèi)部剎車(chē)液的壓強(qiáng)比自然狀態(tài)要大很多，根據(jù)壓強(qiáng)與液體沸點(diǎn)的關(guān)系，此時(shí)制動(dòng)液的沸點(diǎn)是要高于常壓下的沸點(diǎn)的，若碟片上的熱量持續(xù)傳遞給剎車(chē)內(nèi)部的制動(dòng)液，導(dǎo)致制動(dòng)液溫度過(guò)高，超過(guò)了常壓下的沸點(diǎn)，此時(shí)剎車(chē)制動(dòng)液因壓強(qiáng)較大暫時(shí)不會(huì)產(chǎn)生物態(tài)變化，而當(dāng)騎行者松開(kāi)剎車(chē)的瞬間，剎車(chē)液恢復(fù)到常壓，此時(shí)由于剎車(chē)液溫度高于其沸點(diǎn)，剎車(chē)液會(huì)瞬間沸騰成為氣體，在剎車(chē)內(nèi)部形成氣體空腔，且由于剎車(chē)內(nèi)部的散熱條件十分不利，此現(xiàn)象會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，氣體的壓縮比是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體的，當(dāng)騎行者再次對(duì)剎把施壓欲制動(dòng)時(shí)，騎行者所做的功幾乎全部用來(lái)壓縮剎車(chē)內(nèi)部的氣體，無(wú)法傳遞足夠的力推動(dòng)剎車(chē)下活塞進(jìn)行制動(dòng)，此時(shí)，油壓碟剎便完全喪失了制動(dòng)能力，本文將這種情況定義為“蒸發(fā)衰減”此情況若是發(fā)生在長(zhǎng)下坡區(qū)域，則相當(dāng)危險(xiǎn)。

但是，想要使剎車(chē)制動(dòng)液升高到沸點(diǎn)是十分不容易的，那么，這種現(xiàn)象在實(shí)際狀況中能否發(fā)生呢？

2.“蒸發(fā)衰減”發(fā)生的條件

剎車(chē)高負(fù)荷工作主要有兩種，第一種是短時(shí)間極高強(qiáng)度剎車(chē)，即從很高的速度短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)到相對(duì)地面靜止，第二種是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)剎車(chē)，下文中將分別對(duì)這兩種情況進(jìn)行探究。

2.1剎車(chē)時(shí)初速度對(duì)剎車(chē)制動(dòng)液升溫的影響

剎車(chē)是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的裝置，根據(jù)能量守很定律，在剎車(chē)過(guò)程中，自行車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為剎車(chē)碟片的內(nèi)能、剎車(chē)制動(dòng)液的內(nèi)能、剎車(chē)碟片散失到環(huán)境中的熱量、自行車(chē)與地面的摩擦生熱、空氣與整個(gè)體系的摩擦生熱，為了研究的方便，由于自行車(chē)與地面的摩擦生熱和空氣與整個(gè)體系的摩擦生熱占比很小忽略此對(duì)研究結(jié)果無(wú)較大影響，故不考慮這兩個(gè)方向的機(jī)械能損失。

為了能推導(dǎo)出剎車(chē)液所獲得的能量，我們需將結(jié)果進(jìn)行等效，此過(guò)程可以看作：自行車(chē)的動(dòng)能先完全轉(zhuǎn)化為剎車(chē)碟片的內(nèi)能，剎車(chē)碟片再將內(nèi)能傳遞給剎車(chē)內(nèi)部的制動(dòng)液及散失到周?chē)沫h(huán)境中。

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

由此可得：

其中：

n：剎車(chē)制動(dòng)液獲得的能量占比

c：剎車(chē)制動(dòng)液的比熱容

ml：剎車(chē)內(nèi)部剎車(chē)液的質(zhì)量

△T：剎車(chē)液升高的溫度

m2：自行車(chē)的質(zhì)量

v：自行車(chē)開(kāi)始剎車(chē)時(shí)的速度

剎車(chē)液的比熱容根據(jù)剎車(chē)液型號(hào)的不同略有出入，此處我們假定剎車(chē)使用的是shirnano nuneral oil剎車(chē)液，比熱容約為1800J/（kg.℃），且不計(jì)溫度的改變對(duì)比熱容的影響，此剎車(chē)液沸點(diǎn)約為180攝氏度，假設(shè)室溫為30攝氏度，一只油壓碟剎內(nèi)部剎車(chē)液質(zhì)量約為279，自行車(chē)的質(zhì)量根據(jù)級(jí)別及用處的不同差別很大，在此我們假定車(chē)輛為通勤旅行及輕度越野用的輕型xe級(jí)別的山地車(chē)，質(zhì)量取13kg，關(guān)于剎車(chē)制動(dòng)液獲得的能量占比的取值，由于各種剎車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及采用的專利技術(shù)不同，此值的差異較大，我們選擇騎行愛(ài)好者們使用較多的中高端剎車(chē)smmano xt m8000作為取值對(duì)象，則η值約為10%。將上述數(shù)據(jù)帶人到①式中進(jìn)行運(yùn)算，可得到使剎車(chē)液達(dá)到沸點(diǎn)所需的剎車(chē)起始速度約為3115km/h，已接近2倍音速，顯然，自行車(chē)的速度并不可能這么快，使用自行車(chē)開(kāi)始剎車(chē)的初速度過(guò)高并不能導(dǎo)致油壓碟剎出現(xiàn)蒸發(fā)衰減的現(xiàn)象。

2.2持續(xù)剎車(chē)距離對(duì)剎車(chē)升溫的影響

在某些情況下（如長(zhǎng)下坡區(qū)域），剎車(chē)的作用并不是使自行車(chē)速度減小或是停止，而是使自行車(chē)以一個(gè)相對(duì)安全且容易操控的速度勻速下坡，我們假設(shè)騎行者用使用剎車(chē)保持剎車(chē)摩擦面的滑動(dòng)摩擦力不變，且自行車(chē)勻速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)摩擦力會(huì)對(duì)剎車(chē)碟片持續(xù)做功，這些能量轉(zhuǎn)化為剎車(chē)碟片的內(nèi)能、剎車(chē)制動(dòng)液的內(nèi)能、剎車(chē)碟片散失到環(huán)境中的熱量、自行車(chē)與地面的摩擦生熱、空氣與整個(gè)體系的摩擦生熱，參照（一）中的方法，仍忽略自行車(chē)與地面的摩擦生熱和空氣與整個(gè)體系的摩擦生熱，使用等效模型將此升溫過(guò)程等效為：摩擦力做的功先完全轉(zhuǎn)化為剎車(chē)碟片的內(nèi)能，然后碟片再將熱量傳遞給剎車(chē)內(nèi)部的剎車(chē)油及逸散到周?chē)沫h(huán)境中，仍認(rèn)為剎車(chē)液在獲得熱量后便不再散失。

由此可得：

其中：

η：剎車(chē)制動(dòng)液獲得的能量占比

c：剎車(chē)制動(dòng)液的比熱容

△T：剎車(chē)液升高的溫度

m1：剎車(chē)內(nèi)部剎車(chē)液的質(zhì)量

f：剎車(chē)來(lái)令片與剎車(chē)碟片之間的滑動(dòng)摩擦力

s：自行車(chē)連續(xù)剎車(chē)行走的距離

剎車(chē)液的比熱容、剎車(chē)液升高的溫度、剎車(chē)內(nèi)部剎車(chē)液的質(zhì)量、剎車(chē)制動(dòng)液獲得的能量占比的取值參照（一）中的數(shù)據(jù)進(jìn)行取值，剎車(chē)來(lái)令片與剎車(chē)碟片之間的滑動(dòng)摩擦力假定為20N，將數(shù)據(jù)帶入②式中進(jìn)行運(yùn)算可得剎車(chē)液達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)連續(xù)剎車(chē)距離為3645m，在許多山區(qū)路段的長(zhǎng)下坡區(qū)域，是有可能出現(xiàn)這種距離的連續(xù)剎車(chē)的。所以，連續(xù)使用剎車(chē)距離過(guò)長(zhǎng)才是導(dǎo)致油壓碟剎出現(xiàn)蒸發(fā)衰減的主要原因。

3.結(jié)論

本文首先通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)排除了熱衰減導(dǎo)致油壓碟剎出現(xiàn)失靈這一情況，接著通過(guò)對(duì)油壓碟剎的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了蒸發(fā)衰減這一概念：由于油壓碟剎內(nèi)部制動(dòng)液沸騰導(dǎo)致剎車(chē)出瞬間制動(dòng)力完全喪失，并結(jié)合能量守恒，等效模型等方法，通過(guò)兩次理論推導(dǎo)得出了連續(xù)使用剎車(chē)距離過(guò)長(zhǎng)才是導(dǎo)致油壓碟剎出現(xiàn)蒸發(fā)衰減的主要原因這一結(jié)論，揭示了油壓碟剎失靈的真正原因。

導(dǎo)致油壓碟剎出現(xiàn)瞬間制動(dòng)力完全喪失的主要原因是連續(xù)使用剎車(chē)距離過(guò)長(zhǎng)所導(dǎo)致的蒸發(fā)衰減，一般情況下，在連續(xù)制動(dòng)約4000米時(shí)油壓碟剎內(nèi)部的剎車(chē)制動(dòng)液會(huì)沸騰汽化變成氣體導(dǎo)致油壓碟剎無(wú)法正常工作從而喪失剎車(chē)力，熱衰減雖然會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)性能下降但是并不會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)瞬間制動(dòng)力完全喪失的現(xiàn)象。根據(jù)得出的結(jié)論，在使用油壓碟剎時(shí)，應(yīng)該避免長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用剎車(chē)的情況，在長(zhǎng)下坡路段盡量使用點(diǎn)剎的方式，減少剎車(chē)來(lái)令片與碟片接觸的時(shí)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(xiàn)蒸發(fā)衰減而使制動(dòng)力完全喪失，若面對(duì)不得不高強(qiáng)度使用剎車(chē)的騎行，則應(yīng)選用較為高端的油壓碟剎，高端的油壓碟剎會(huì)配備魚(yú)鰭狀散熱來(lái)令片、多層復(fù)合剎車(chē)碟片、陶瓷活塞等，可以有效地延長(zhǎng)蒸發(fā)衰減出現(xiàn)的時(shí)間，另外，蒸發(fā)衰減發(fā)生之前一定會(huì)伴隨有熱衰減的發(fā)生，若是在使用油壓碟剎的過(guò)程中感覺(jué)需要的剎車(chē)力度明顯增大時(shí)，需立即停車(chē)，對(duì)剎車(chē)進(jìn)行降溫處理，避免剎車(chē)溫度進(jìn)一步升高導(dǎo)致蒸發(fā)衰減的現(xiàn)象?？傊钪匾倪€是騎行者本人，科學(xué)、合理地使用剎車(chē)，才能避免其出現(xiàn)蒸發(fā)衰減的現(xiàn)象而失靈，才能保障我們騎行的安全。

參考文獻(xiàn)

[1]李桂景，袁興啟，許斌，自行車(chē)制動(dòng)性能測(cè)試方法比對(duì)[J].檢驗(yàn)檢疫學(xué)刊，2018，v.28（03）：30—32+36.

[2]姜燕，王峰，顧秀杰.DOT4型汽車(chē)制動(dòng)液的研究[J].艦船防化，2011（6）：23—26.

[3]陳東生，周嘉源，錢(qián)軍，等，混合法測(cè)固體比熱容儀器的研制[J]，物理實(shí)驗(yàn)，2005，25（1）：22-24.

[4]自行車(chē)碟剎剎車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)[D].杭州電子科技大學(xué)，2012.