ELI5：制动器如何实现制动操作？

在这个“通俗解释”系列中，我们用一种5岁幼儿也能理解的通俗表达方式来解释复杂的话题。为了指导我们顺利完成这个旅程，我们邀请极星高级工程师Gareth Thomas作为顾问。他在制动领域有着非常丰富的经验。与本系列的前一个版本一样，我们首先从一节简单的物理速成课开始。当汽车移动时，车轮具有运动形式的能量，也称为动能。如果你在车上踩下制动踏板，制动器将向车轮施加摩擦力，也就是说，它们挤压制动盘，将动能转化为热能。在这个摩擦力的作用下，移动的汽车的动能转化为热量，与我们在寒冷天气搓手取暖的情况非常类似。这种热损耗可以让汽车停下来。尽管在汽车的整个发展历史上存在着无数种制动系统版本，但是它们都需要使用摩擦力。没有摩擦力就无法实现制动。最初的一些制动器版本仅仅用一些木块压向车轮。虽然它们远没有达到最佳效果，并且对车轮造成了严重的磨损，但是由于它们设法制造了摩擦力，因此它们仍然有效。

制动鼓和液压制动器

那么，如何在不损坏车轮的情况下对车轮施加摩擦力呢？20世纪初，制造制动器的天才们想出了一个巧妙的解决方案：在车轮上安装制动鼓。制动鼓内有两个耐热制动片，可以向外压向制动鼓。由于制动鼓与车轮相连，因此，让制动鼓减速就会使车轮同时减速。这样就解决了车轮磨损问题，但是他们的这种制动装置仍然存在一些缺陷。早期的汽车依靠一套复杂的拉索与钢丝系统将压力从踏板传递到车轮。踩下踏板时会拉动连接车轮的制动拉索。然而，该系统面临两方面的问题。除了拉索经常容易断裂之外，与此同时，在所有车轮上实现相同的制动压力所要求的精度也是一项巨大的挑战。踩下制动踏板时，如果拉索的拉力分配不当，可导致汽车侧滑掉头。液压制动器的发明解决了这些问题。液压制动管线通过管道将制动系统连接到位于车轮上的制动鼓。这些管道内充满了无法压缩的制动液，这意味着它们可以传输踩下制动踏板时所产生的力，并且不会对传输的压力造成任何损失。通过使用加压制动液，踩下制动踏板时可以将压力同时传递到所有制动管线。在20世纪50年代，液压制动器是汽车上使用的唯一一种制动系统。现在，得益于制动鼓和液压制动管线，我们已经成功地将旋转车轮的动能以一种可控的方式转化为热能。接下来，如何处理产生的所有这些热能？  

制动盘和制动卡钳

制动器过热会对制动效果产生灾难性的影响。如果出现过热情况，制动器就不再能够将动能转化为热能，导致“制动器衰退”（由于过热而失去制动力）。解决这个问题的方法很简单：丢弃制动鼓，用制动盘和制动卡钳取而代之。制动盘位于车轮上并在制动卡钳内运动。鼓式制动器以外推方式工作，而盘式制动器通过挤压方式工作。制动卡钳挤压制动盘，从而产生…是的，你猜对了，产生摩擦力。  制动盘和制动卡钳组合的尺寸越大，产生的制动力就越大。盘式制动器在散热方面也很出色。这通过多种方式实现。首先，制动卡钳不是封闭在制动鼓内，从而有利于热量逸出。其次，车轮上设计有孔，可以让热空气逸出。第三，设计有制动器冷却管道。这是一个小通道，从汽车前部通向制动器背面，使新鲜空气能够冷却制动器。这就像大热天坐在风扇前降温一样。尽管盘式制动器能够提供出色的制动力，但是鼓式制动器也并非一无是处或不安全。盘式制动器的制造和更换成本要比鼓式制动器高得多。如果不经常使用制动器或长时间停放汽车，制动器也会出现腐蚀生锈情况。而鼓式制动器是一个全封闭系统，因此不会出现这样的腐蚀现象。此外，鼓式制动器还可以用作驻车制动器，从而简化制动系统。

磨损

确保尽可能延长制动器使用寿命的一个主要方法是避免将过多的能量引入系统。这意味着制动时不要用力过大或制动过迟，而是应该试着用更小的力并更早地制动。这使得通过制动系统传递的压力更小，并且减少了制动器与制动盘之间的摩擦，这意味着能量的消散过程更加和缓。在寒冷季节，如果汽车在非常寒冷的环境下停在户外，有时会出现驻车制动器“冻住”的情况。为了避免驻车制动器“冻住”，如果可能的话，将汽车停在车库内，里面的温度稍高一些，可以防止出现这种情况。我们希望这节速成课能向你提供关于制动器的更多知识。如果你认为这些知识仍然不够，可以随时点击下面的箭头了解关于我们的制动器以及我们的世界知名合作伙伴布雷博 (Brembo) 的更多信息。