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四个轮胎的内侧均配备了制动装置,这样就能使汽车平稳安全地减速。即使是自行车,比起仅在前后轮中的其中一个装上制动,前后轮同时制动更加安全。
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不仅是汽车,自行车、火车以及飞机等交通工具的制动装置也都是利用了摩擦原理。
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5.1.3 制动器将速度转化为摩擦热
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当制动装置试图使轮胎停止转动时,会因摩擦而产生热量。正是通过将汽车行驶的动力转化为热量并将其释放到空气中,汽车才能减速。
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制动器利用摩擦将速度转化为热量。摩擦是在物体相互接触时产生的阻力,当忽略阻力继续摩擦时就会产生热量,即摩擦热。在寒冷的冬天搓手会觉得温暖,也是摩擦热在起作用。汽车的制动器就是产生摩擦热的装置。
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上一节我介绍过,位于四个轮胎内侧的制动装置是由制动卡钳、制动垫和制动盘组成的。当制动垫夹住金属的制动盘时两者相互摩擦,产生摩擦热。摩擦热会从制动盘被释放到空气中,使汽车降低速度直至停止。
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如前所述,普通小汽车的主要制动方式都是利用摩擦将速度转化为热量,再将其释放到空气中。一方面,汽车在发动机中燃烧汽油,用燃烧生成的热量带动活塞上下运动,再将其转化为旋转运动。而另一方面,汽车在停止时将速度转化为热量并将其释放到空气中。这样看来,汽车就是在反复进行热量交换,或者可以称为能量的轮回。
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5.1.4 盘式制动器和鼓式制动器的不同
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现在绝大部分小汽车的制动器都是盘式制动器,但也有一部分采用的是安装在后轮上的鼓式制动器(图5.3)。下面我就来介绍一下盘式制动器和鼓式制动器的特征。
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图5.3 鼓式制动装置的构成※鼓式制动器的内侧有制动蹄,当向制动液施压活塞下压时,制动蹄会向外扩张,紧贴鼓的内侧,实施制动。
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在盘式制动器中,产生摩擦热的制动盘是暴露在外面的,这是为了将热量更容易地释放到空气中。
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如果不将制动装置产生的热量源源不断地释放到空气中,也就无法制动。您或许听说过,也可能亲身体验过,当汽车在下坡路上长距离行驶时,如果始终踩着制动踏板就会导致无法制动。这是因为如果始终踩住制动踏板,制动盘产生的热量就会超过释放到空气中的热量,使得制动盘持续带热。
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制动时产生的热量能使水沸腾,在赛车比赛中,制动盘甚至会像被火烧过一样热得通红。
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再来说鼓式制动器。在薄薄的圆柱形的鼓内装有制动蹄,它与制动垫的功能相同,但在鼓式制动器内我们把它称为制动蹄。
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当制动液的力量经由制动管道传递到活塞时,制动蹄就会向外扩张,紧贴到鼓的内侧。这样一来就会产生摩擦,生成摩擦热。因为摩擦热产生在鼓的内侧,所以与盘式制动器相比热量更容易保存。但由于制动时产生的热量还是应该尽快释放到空气中,因此这种结构也会成为一个缺点。
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那么为什么会有鼓式制动器呢?这是因为在鼓式制动器中,制动蹄紧贴的是鼓的内侧,这就使得紧贴面上很难残存污物。在道路大都未经铺砌的时代,鼓式制动器流行的原因就在此。
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现在的道路大多是经过铺砌的,人们不再担心会有泥巴之类的污物。并且,性能的提高使得汽车能以更快的速度行驶,因此冷却性良好、能使汽车从较高速度瞬间停止的盘式制动器普及开来。
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但目前还有将鼓式制动器用在负担较小的后轮上的汽车。至于后轮制动的负担较小的原因,我会在之后的讲解中解释。
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5.1.5 前后轮的制动负担不同
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无论是汽车还是火车,当其从行驶状态一下转入制动状态时,乘客的身体都会前倾。正在走路或者跑步的人突然停止时,身体也会前倾。汽车在制动时也会出现与人的身体前倾相同的负重转移现象,即车身的重量集中到前轮。相反,汽车在加速时负重就会转移到后轮。
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正是因为制动时负重会转移到前轮,才会给前轮的制动器带来很大的负担。因此,前轮的制动器必须生成大量的摩擦热,以产生强大的制动效果,所以要增大前轮的制动器容量。所谓增大容量,是指增加制动盘的直径和厚度,并增大制动盘。
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而且,为了使热量尽快从容量较大的制动器中释放出来,还有的制动器在制动盘较厚的地方留出了缝隙,将空气通入圆盘中。我们称之为通风盘式制动器。此外,在跑车等频繁高速行驶的汽车中,还在其前保险杠上留出用于冷却制动器的小孔,把从小孔中进入的空气导入制动盘中,以强制提高冷却效果。
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