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F1 剎車系統的學問(第一篇)

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     F1賽車從時速每小時100公里減速到完全停止只需要15米,這是一般汽車所需剎車距離的四分之一。F1賽車從300公里每小時的速度到完全停止也僅僅只需四秒鐘左右,這期間會有6G的重力過載。在如此高速和多變的彎道,F1的剎車系統能提供很高的剎車力度,不只是為了性能,同時也是為了安全,車手需要確保在踩下剎車時賽車不會失控。在深入之前,我們先從整體來看F1的剎車系統。

     當車手踩下剎車踏板時,力量會傳到兩個主液壓缸,一個控制前剎車,一個控制后剎車。讓我們先從前剎車開始,液壓缸會將力量送到剎車卡鉗,這會讓剎車片和剎車碟產生接觸,產生摩擦使賽車減速。主液壓缸里灌著剎車液,只有幾百毫升的容量。液體從液壓管傳送能量到剎車卡鉗,使剎車系統運作。因為液體是不可壓縮的,所以當踩下剎車踏板時,活塞擠壓剎車液的時候,這些液體就會移動到另一側,也就是剎車管,這也就是液壓系統是如何工作的。剎車卡鉗上裝有剎車片,剎車盤的兩側也都會有剎車片,液壓經剎車管進入卡鉗,擠壓剎車片當,剎車片接觸剎車盤的時候,它們的摩擦力會使剎車盤的轉速變慢,進而把車停下來。剎車卡鉗一般會設置在較低的地方,來使重心更低,但并不是正下方,一般是靠左或靠右一點,這是因為液壓閥要放在稍高的地方。

     那么液壓閥是什么?還記得嗎因為液體不可壓縮,所以當踩下踏板時剎車液會馬上傳遞到剎車系統,但有時候空氣會進入液壓系統,而氣體是可以被壓縮的,所以當氣體進入剎車系統時,氣體會降低剎車力度,想要讓氣體排出,就需要液壓閥的存在。通常,液壓閥會在剎車系統的高處,這樣氣體就會上升并從液壓閥排出。

     現在談談剎車片和剎車盤:剎車盤的直徑不能大于278MM,也不能寬于32MM,更大的剎車盤意味著有更大的減速力量。不同于一般汽車的鋼制剎車盤,F1賽車是使用一種特殊的碳材料,稱為“carbon-carbon”,這么叫是因為這種材料是兩種不同的碳材料交織而成的——碳素晶格和碳纖維,這兩種材料混合在一起是一種非常強壯物質、既能夠耐高溫,同時摩擦系數也非常出色(摩擦系數指兩個物體間相互作用的強度)。

    舉個例子吧,比如說冰,冰更容易打滑,有更低的摩擦系數,橡膠沒有冰那么滑,所以有更強大的摩擦系數。“carbon-carbon”這種材料具有很低的熱伸展和熱沖擊性能,在高溫下不容易破裂。這些特性對于超高溫環境非常重要。剎車盤受摩擦減速的過程是能量轉移的過程,動能通過剎車系統轉化為熱能,當剎車盤減速的時候,高摩擦力使得這些動能變為大量的熱能。一個冷剎車能在初段剎車時每0.1秒上升100攝氏度,碳制剎車的工作溫度是在400-800攝氏度之間,一次重剎車能把剎車溫度升到1000-1200攝氏度之間。

    剎車過熱會帶來不小的麻煩:如果剎車盤很熱并且不能吸收更多熱量,在剎車時就不再會有動能轉化為熱能的過程。如果一次剎車中剎車盤的溫度能從300攝氏度升到1000攝氏度,在過熱的情況下只可能從800攝氏度升到1000攝氏度。車手們常說的熱衰減就是由于剎車溫度所導致的問題,碳在高溫時會被氣化,剎車過多的時候,這種氣化會使剎車盤表面欠損,降低剎車效率,這就是為什么你會看到在F1賽車在經過重剎區時很多碳粉會從輪轂內噴出。最壞的情況,剎車過熱會導致剎車直接爆掉,所以剎車溫度必須受到控制,以便能撐完整場比賽。

    液冷使剎車降溫的方式在F1是被禁止的,所以工程師們只能用傳統的風冷降溫方式來解決問題。風冷的原理非常簡單,和夏天使用風扇降溫的原理是一樣的。空氣在快速經過剎車盤的時候,熱量會轉移到空氣分子上,將熱量帶走。

     當一輛賽車在高速行駛時,剎車通風導管將冷空氣推入剎車盤內來給剎車降溫,為進一步增加冷卻效率,剎車盤會有很多小開孔,空氣經過狹窄的通道叢中間流向四周,當剎車盤旋轉的時候,熱空氣會從四周被甩出,遠離剎車系統。經過多年的演變,這些剎車盤上的開口也變得更小更密,來抑制空氣流動過速問題。更大的剎車通風導管意味著更大的空氣阻力,通風導管的大小也能使同一輛賽車在直道上的速度表現有所不同。

     賽車自身的特性是改變剎車通風導管大小的重要因素。如果賽道有很多剎車區域,你需要更高的剎車冷卻效率,并給予剎車足夠的冷卻時間,當然你肯定不會想在剎車的時候溫度依然在800度以上,所以大剎車通風導管能帶來更好的降溫作用。如果在剎車不頻繁的賽道上,在剎車之前會有很多時間降溫,這時候就可以用小通風導管來慢慢降低溫度,所以選擇大小剎車通風導管也需要根據賽道的特性。     

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