探究油压碟刹失灵的原因

张天驰

摘要：随着科学技术的不断发展，自行车刹车也迎来了新时代，一种名叫“油压碟刹”的崭新刹车横空出世，为自行车刹车的发展树立J-个新的里程碑，起初，这种刹车只被用于山地车赛事中;而现如今，市面上的中高端自行车已经普遍安装了这种刹车，但是，许多没有经验的骑行者在使用这种现代化的刹车时常常固刹车失灵而出现意外。本文将对导致油压碟刹失灵的几种可能情况从多角度进行分析，并结合能量守恒等方法进行理论推导，从而揭示油压碟刹失灵的原因。

关键词：油压碟刹 热衰减 蒸发衰减 能量守恒 等效模型

引言

相比传统的通过刹车线制动的机械类刹车，油压碟刹具有着刹车效率高、刹车手感轻盈、工作稳定、维护周期长等诸多优点，但因其独特的工作原理，油压碟刹会出现普通机械类刹车不会出现的现象

瞬间制动力完全丧失，通常情况下，这种现象是不会发生的，但许多业余骑手由于缺乏专业知识，不当的使用刹车，导致在骑行的过程中突然无法制动，从而晾成悲剧，所以研究油压碟刹失灵的原因可以引导人们正确的使用刹车，保障人们骑行出行的安全，还可以为未来刹车器的改进方向提供思路，以设计出更为安全、高效、合理的刹车器。

导致常规机械类刹车刹车力下降的原因有很多，如刹车皮/来令片磨损;刹车摩擦面接触到油脂类物质;刹车线生锈等等，但对于一个维护得当，状态优良的机械类刹车来说，导致刹车力下降的原因只有一种热衰减，即因刹车碟片或刹车鼓热量累积导致摩擦面摩擦系数减小导致刹车力下降，那么，会不会是这个原因导致油压碟刹出现“瞬间制动力完全丧失”的现象呢？

1.热衰减对油压碟刹制动性能的影响

研究热衰减对刹车制动性能的影响实际上抛开了油压碟刹的内部结构，单纯的探究热量的累积对制动性能的影响，为了避免油压碟刹内部结构对本实验的影响，我们选用刹车原理类似，但内部结构简单的机械式线拉碟刹，本实验选用使用较普遍的SRAM AVID BB7线拉机械碟刹。

1.1设计实验

在地面上取一段实验区域并设定一条刹车线（如图1），让配备线拉碟刹的自行车以相同的速度经过刹车线开始以相同的力度刹车，每次实验使刹车碟片升高到不同温度，测量不同温度下的刹车距离。为了控制实验中刹车力度的一定，我们取一根橡皮筋套在刹车的手制上，使橡皮筋自然收紧时刹车处于工作状态，不使用刹车时用手指抵住刹车手柄，需要刹车时松开手指让橡皮筋收紧，这样可以保证每次刹车的力度都是相同的，用酒精喷灯对刹车碟片进行加热，加热时保持车轮慢速转动保证均匀受热，以免碟片局部温度过高导致碟片发生形变。

每次使用喷灯将碟片加热到不同的温度并尽快进行实验每次实验刹车线到前轮的距离，收集一定数量的数据，并将其绘制成图像如图2：

1.2图像分析

图像非常直观的反映了刹车碟片温度对刹车距离的影响，图像中曲线的凹陷处为刹车的最佳工作温度，刹车在此温度下工作时能提供最优秀的制动性能，超过此温度后，函数即呈单调递增趋势，分析图像不难发现，热量持续累积的确会导致刹车的制动力下降，但最终会在某个值附近趋于稳定，此时制动力已经大不如最佳工作状态，但仍具有制动力，骑行者只需增大捏手制的力度即可控制自行车，并不会导致瞬间制动力完全丧失，所以，热衰减并不是导致油压碟刹完全失灵的主要原因。

想要找到导致油压碟刹出现瞬间制动力完全丧失的原因，就必须结合油压碟刹的内部结构进行分析，油压碟刹主要结构有：

刹把：安装在自行车的把横上，骑行者通过刹把控制刹车的工作。

油缸（上）：内部充满制动液，位于刹把末端，内部的活塞通过连杆与刹把相连。

油管：内部充满制动液，用于连接上下油缸。

油缸（下）：内部充满制动液，安装在靠近自行车花鼓的前叉下端或后三角结构尾部，内置活塞。

来令片：紧贴下油缸活塞，使用插销固定，为刹车制动摩擦面之一。

碟片：安装在自行车花鼓的碟片安装座上，随车轮转动，为刹车摩擦面之一。

将其结构简化后即如图3所示：

刹车时，刹把被骑行者捏动，力通过连杆推动上油缸内的活塞，活塞推动密封在刹车内部的制动液，从而以制动液为介质，推动下油缸中的活塞，从而推动来令片，夹紧碟片达到刹车的目的，同时，刹车碟片上会累积热量，由于刹车时来令片与刹车碟片时接触的，碟片上的热量会通过来令片传递给内部的活塞再传递给刹车内部的刹车液，刹车液是有沸点的，在刹车工作时，刹车内部刹车液的压强比自然状态要大很多，根据压强与液体沸点的关系，此时制动液的沸点是要高于常压下的沸点的，若碟片上的热量持续传递给刹车内部的制动液，导致制动液温度过高，超过了常压下的沸点，此时刹车制动液因压强较大暂时不会产生物态变化，而当骑行者松开刹车的瞬间，刹车液恢复到常压，此时由于刹车液温度高于其沸点，刹车液会瞬间沸腾成为气体，在刹车内部形成气体空腔，且由于刹车内部的散热条件十分不利，此现象会持续较长时间，气体的压缩比是远远大于液体的，当骑行者再次對刹把施压欲制动时，骑行者所做的功几乎全部用来压缩刹车内部的气体，无法传递足够的力推动刹车下活塞进行制动，此时，油压碟刹便完全丧失了制动能力，本文将这种情况定义为“蒸发衰减”此情况若是发生在长下坡区域，则相当危险。

但是，想要使刹车制动液升高到沸点是十分不容易的，那么，这种现象在实际状况中能否发生呢？

2.“蒸发衰减”发生的条件

刹车高负荷工作主要有两种，第一种是短时间极高强度刹车，即从很高的速度短时间内制动到相对地面静止，第二种是长时间连续刹车，下文中将分别对这两种情况进行探究。

2.1刹车时初速度对刹车制动液升温的影响

刹车是将动能转化为内能的装置，根据能量守很定律，在刹车过程中，自行车的动能转化为刹车碟片的内能、刹车制动液的内能、刹车碟片散失到环境中的热量、自行车与地面的摩擦生热、空气与整个体系的摩擦生热，为了研究的方便，由于自行车与地面的摩擦生热和空气与整个体系的摩擦生热占比很小忽略此对研究结果无较大影响，故不考虑这两个方向的机械能损失。

为了能推导出刹车液所获得的能量，我们需将结果进行等效，此过程可以看作：自行车的动能先完全转化为刹车碟片的内能，刹车碟片再将内能传递给刹车内部的制动液及散失到周围的环境中。

油压碟刹的刹车油管是由多股钢丝及数层聚合材料包裹而成散热条件十分不利，所以我们认为刹车液获得热量后便不再散失。

由此可得：

其中：

n：刹车制动液获得的能量占比

c：刹车制动液的比热容

ml：刹车内部刹车液的质量

△T：刹车液升高的温度

m2：自行车的质量

v：自行车开始刹车时的速度

刹车液的比热容根据刹车液型号的不同略有出入，此处我们假定刹车使用的是shirnano nuneral oil刹车液，比热容约为1800J/（kg.℃），且不计温度的改变对比热容的影响，此刹车液沸点约为180摄氏度，假设室温为30摄氏度，一只油压碟刹内部刹车液质量约为279，自行车的质量根据级别及用处的不同差别很大，在此我们假定车辆为通勤旅行及轻度越野用的轻型xe级别的山地车，质量取13kg，关于刹车制动液获得的能量占比的取值，由于各种刹车内部结构及采用的专利技术不同，此值的差异较大，我们选择骑行爱好者们使用较多的中高端刹车smmano xt m8000作为取值对象，则η值约为10%。将上述数据带人到①式中进行运算，可得到使刹车液达到沸点所需的刹车起始速度约为3115km/h，已接近2倍音速，显然，自行车的速度并不可能这么快，使用自行车开始刹车的初速度过高并不能导致油压碟刹出现蒸发衰减的现象。

2.2持续刹车距离对刹车升温的影响

在某些情况下（如长下坡区域），刹车的作用并不是使自行车速度减小或是停止，而是使自行车以一个相对安全且容易操控的速度匀速下坡，我们假设骑行者用使用刹车保持刹车摩擦面的滑动摩擦力不变，且自行车匀速运动，此时摩擦力会对刹车碟片持续做功，这些能量转化为刹车碟片的内能、刹车制动液的内能、刹车碟片散失到环境中的热量、自行车与地面的摩擦生热、空气与整个体系的摩擦生热，参照（一）中的方法，仍忽略自行车与地面的摩擦生热和空气与整个体系的摩擦生热，使用等效模型将此升温过程等效为：摩擦力做的功先完全转化为刹车碟片的内能，然后碟片再将热量传递给刹车内部的刹车油及逸散到周围的环境中，仍认为刹车液在获得热量后便不再散失。

由此可得：

其中：

η：刹车制动液获得的能量占比

c：刹车制动液的比热容

△T：刹车液升高的温度

m1：刹车内部刹车液的质量

f：刹车来令片与刹车碟片之间的滑动摩擦力

s：自行车连续刹车行走的距离

刹车液的比热容、刹车液升高的温度、刹车内部刹车液的质量、刹车制动液获得的能量占比的取值参照（一）中的数据进行取值，刹车来令片与刹车碟片之间的滑动摩擦力假定为20N，将数据带入②式中进行运算可得刹车液达到沸点时连续刹车距离为3645m，在许多山区路段的长下坡区域，是有可能出现这种距离的连续刹车的。所以，连续使用刹车距离过长才是导致油压碟刹出现蒸发衰减的主要原因。

3.结论

本文首先通过分析实验数据排除了热衰减导致油压碟刹出现失灵这一情况，接着通过对油压碟刹的结构进行分析，提出了蒸发衰减这一概念：由于油压碟刹内部制动液沸腾导致刹车出瞬间制动力完全丧失，并结合能量守恒，等效模型等方法，通过两次理论推导得出了连续使用刹车距离过长才是导致油压碟刹出现蒸发衰减的主要原因这一结论，揭示了油压碟刹失灵的真正原因。

导致油压碟刹出现瞬间制动力完全丧失的主要原因是连续使用刹车距离过长所导致的蒸发衰减，一般情况下，在连续制动约4000米时油压碟刹内部的刹车制动液会沸腾汽化变成气体导致油压碟刹无法正常工作从而丧失刹车力，热衰减虽然会导致刹车性能下降但是并不会导致其出现瞬间制动力完全丧失的现象。根据得出的结论，在使用油压碟刹时，应该避免长时间连续使用刹车的情况，在长下坡路段尽量使用点刹的方式，减少刹车来令片与碟片接触的时间，从而使碟片上更多的热量逸散到空气中，避免油压碟刹出现蒸发衰减而使制动力完全丧失，若面对不得不高强度使用刹车的骑行，则应选用较为高端的油压碟刹，高端的油压碟刹会配备鱼鳍状散热来令片、多层复合刹车碟片、陶瓷活塞等，可以有效地延長蒸发衰减出现的时间，另外，蒸发衰减发生之前一定会伴随有热衰减的发生，若是在使用油压碟刹的过程中感觉需要的刹车力度明显增大时，需立即停车，对刹车进行降温处理，避免刹车温度进一步升高导致蒸发衰减的现象。总之，最重要的还是骑行者本人，科学、合理地使用刹车，才能避免其出现蒸发衰减的现象而失灵，才能保障我们骑行的安全。

参考文献

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