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F1 刹车系统的学问(第一篇)

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     F1赛车从时速每小时100公里减速到完全停止只需要15米,这是一般汽车所需刹车距离的四分之一。F1赛车从300公里每小时的速度到完全停止也仅仅只需四秒钟左右,这期间会有6G的重力过载。在如此高速和多变的弯道,F1的刹车系统能提供很高的刹车力度,不只是为了性能,同时也是为了安全,车手需要确保在踩下刹车时赛车不会失控。在深入之前,我们先从整体来看F1的刹车系统。

     当车手踩下刹车踏板时,力量会传到两个主液压缸,一个控制前刹车,一个控制后刹车。让我们先从前刹车开始,液压缸会将力量送到刹车卡钳,这会让刹车片和刹车碟产生接触,产生摩擦使赛车减速。主液压缸里灌着刹车液,只有几百毫升的容量。液体从液压管传送能量到刹车卡钳,使刹车系统运作。因为液体是不可压缩的,所以当踩下刹车踏板时,活塞挤压刹车液的时候,这些液体就会移动到另一侧,也就是刹车管,这也就是液压系统是如何工作的。刹车卡钳上装有刹车片,刹车盘的两侧也都会有刹车片,液压经刹车管进入卡钳,挤压刹车片当,刹车片接触刹车盘的时候,它们的摩擦力会使刹车盘的转速变慢,进而把车停下来。刹车卡钳一般会设置在较低的地方,来使重心更低,但并不是正下方,一般是靠左或靠右一点,这是因为液压阀要放在稍高的地方。

     那么液压阀是什么?还记得吗因为液体不可压缩,所以当踩下踏板时刹车液会马上传递到刹车系统,但有时候空气会进入液压系统,而气体是可以被压缩的,所以当气体进入刹车系统时,气体会降低刹车力度,想要让气体排出,就需要液压阀的存在。通常,液压阀会在刹车系统的高处,这样气体就会上升并从液压阀排出。

     现在谈谈刹车片和刹车盘:刹车盘的直径不能大于278MM,也不能宽于32MM,更大的刹车盘意味着有更大的减速力量。不同于一般汽车的钢制刹车盘,F1赛车是使用一种特殊的碳材料,称为“carbon-carbon”,这么叫是因为这种材料是两种不同的碳材料交织而成的——碳素晶格和碳纤维,这两种材料混合在一起是一种非常强壮物质、既能够耐高温,同时摩擦系数也非常出色(摩擦系数指两个物体间相互作用的强度)。

    举个例子吧,比如说冰,冰更容易打滑,有更低的摩擦系数,橡胶没有冰那么滑,所以有更强大的摩擦系数。“carbon-carbon”这种材料具有很低的热伸展和热冲击性能,在高温下不容易破裂。这些特性对于超高温环境非常重要。刹车盘受摩擦减速的过程是能量转移的过程,动能通过刹车系统转化为热能,当刹车盘减速的时候,高摩擦力使得这些动能变为大量的热能。一个冷刹车能在初段刹车时每0.1秒上升100摄氏度,碳制刹车的工作温度是在400-800摄氏度之间,一次重刹车能把刹车温度升到1000-1200摄氏度之间。

    刹车过热会带来不小的麻烦:如果刹车盘很热并且不能吸收更多热量,在刹车时就不再会有动能转化为热能的过程。如果一次刹车中刹车盘的温度能从300摄氏度升到1000摄氏度,在过热的情况下只可能从800摄氏度升到1000摄氏度。车手们常说的热衰减就是由于刹车温度所导致的问题,碳在高温时会被气化,刹车过多的时候,这种气化会使刹车盘表面欠损,降低刹车效率,这就是为什么你会看到在F1赛车在经过重刹区时很多碳粉会从轮毂内喷出。最坏的情况,刹车过热会导致刹车直接爆掉,所以刹车温度必须受到控制,以便能撑完整场比赛。

    液冷使刹车降温的方式在F1是被禁止的,所以工程师们只能用传统的风冷降温方式来解决问题。风冷的原理非常简单,和夏天使用风扇降温的原理是一样的。空气在快速经过刹车盘的时候,热量会转移到空气分子上,将热量带走。

     当一辆赛车在高速行驶时,刹车通风导管将冷空气推入刹车盘内来给刹车降温,为进一步增加冷却效率,刹车盘会有很多小开孔,空气经过狭窄的通道丛中间流向四周,当刹车盘旋转的时候,热空气会从四周被甩出,远离刹车系统。经过多年的演变,这些刹车盘上的开口也变得更小更密,来抑制空气流动过速问题。更大的刹车通风导管意味着更大的空气阻力,通风导管的大小也能使同一辆赛车在直道上的速度表现有所不同。

     赛车自身的特性是改变刹车通风导管大小的重要因素。如果赛道有很多刹车区域,你需要更高的刹车冷却效率,并给予刹车足够的冷却时间,当然你肯定不会想在刹车的时候温度依然在800度以上,所以大刹车通风导管能带来更好的降温作用。如果在刹车不频繁的赛道上,在刹车之前会有很多时间降温,这时候就可以用小通风导管来慢慢降低温度,所以选择大小刹车通风导管也需要根据赛道的特性。     

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