如果你在汽車愛好圈子裡待得夠久,你一定聽過不少「口耳相傳」的知識,這些知識來自於比你更資深的愛好者。
在網路普及之前,汽車知識的來源僅限於你的家人、年長的汽車同好、雜誌、圖書館的書籍,以及你自己的實驗。這些智慧,連同一些嚴重的誤解,都是在全球各地昏暗的車庫裡,在打開的引擎蓋下,透過低聲交談傳遞的。
現在我們有了網路,但網路上約有一半的資訊是錯誤或被誤述的,而且網路論壇的貢獻者沒有編輯來過濾那些胡說八道。
但即使在我們現在享受的龐大網路資訊連結出現之前,汽車界就已經有許多代代相傳的老婦人傳說。許多傳說至今仍然存在,有時還會因為重複而被放大。
偉大的 Keith Duckworth,Cosworth 的聯合創始人,有許多高尚的格言,其中一句是:「我寧願不知道,也不願被誤導。」
為此,我想開始一個簡短的系列,探討一些常見的迷思,並揭開它們為何錯誤的科學原理。讓我們從更大的煞車開始。
第一個迷思有點違反直覺。幾乎所有愛好者都會偏好更大的煞車卡鉗,理由看似合理:更大的來令片和更多的來令片接觸面積等於更強的煞車力道。可惜的是,科學並不同意。使用更大的煞車來令片不會改變任何煞車力道。聽起來不對,但事實就是如此。
科學原理:讓我們從大多數汽車上採用的來令片與碟盤之間的摩擦力開始。活塞將來令片壓向碟盤,活塞的背面受到液壓(最大踏板力時約為 2000 psi)的作用。活塞的力將煞車來令片壓向煞車碟盤,並試圖透過兩側來令片對碟盤的夾持力來停止碟盤的旋轉。
讓我們來點技術性的。在單一碟盤上,相對的來令片產生的「停止」扭矩量是由一個簡單的摩擦力方程式決定的:
F = μN
其中 F 是摩擦力,希臘字母 μ 代表摩擦係數,N 是將摩擦材料推入相應表面的法向力(例如,煞車來令片被壓入旋轉的碟盤)。摩擦力 F 透過碟盤的結構在輪轂上產生扭矩。
對於給定的法向力 N 和給定的摩擦係數 μ,增大煞車來令片的尺寸只是將活塞的法向力分散到更大的面積上。這會降低「每平方英吋」的來令片壓力,理論上你甚至可能體驗到更低的煞車性能。
想像一下在雪地上,雪鞋與細高跟鞋的區別。雪鞋(在適當的條件下)能讓你漂浮在雪上,因為你的體重分散在一個大面積上——「每平方英吋」的負載被廣泛分散,與高跟鞋相比大大降低了。雪鞋上的力較小——對於更大的煞車來令片,它只會降低來令片與碟盤之間的「增量面積壓力」。
回到公式:更大的煞車來令片不會增加煞車扭矩;它不會改變力方程式中的「N」(它只會改變來令片與碟盤的 psi 值),因此力「F」保持不變。同樣的論點也適用於更大的輪胎和路面抓地力,但那又是另一個(更複雜得多的)討論。
然而,更大的煞車碟盤確實會產生更大的煞車力道。這是因為透過更長的力臂(又稱槓桿)從來令片到輪轂中心產生了更大的煞車扭矩。對於更大的碟盤,煞車性能會得到「更大的煞車」的改善,但原因不是來令片的尺寸。
然而 #2:卡鉗中更多的活塞可以使法向力 N 在來令片的表面上更均勻。單一活塞推動煞車來令片中心不可避免地會導致來令片末端的壓力低於來令片背面板變形。這就是為什麼卡鉗中的更多活塞能改善煞車性能:來令片表面上的平均法向力 N 更接近活塞(們)施加到來令片組件背面板上的力。回到壓力方程式:更多的活塞意味著相同的煞車油壓力分散到更多的活塞面積上,因此有效法向力「N」會下降——需要更高的管路壓力。這變成了一個複雜的平衡。
實際上,來令片的「前緣」傾向於「卡住」碟盤(想像一下油漆刮刀)。同樣,直接在活塞後面的來令片部分,正如你預期的那樣,會對碟盤施加很大的壓力。當你移動到來令片相對於碟盤旋轉方向的「後緣」時,力會逐漸減小。由於摩擦會產生熱量,你可以看到來令片表面的溫度變化很大,因為它經歷了前緣的卡滯、中心的活塞強烈推動,以及後緣的遲緩。煞車來令片在重度煞車時,其表面區域可能會出現局部衰退。
最好的卡鉗在來令片的前緣後面有小的活塞,並隨著你移動到來令片後部而逐漸增大活塞。我們只有三個可以調整的旋鈕來改善煞車性能:增加法向力 N;增加摩擦係數;或增加力作用於輪轂的力臂(槓桿)。
所以,更大的煞車在「更大」意味著直徑更大的碟盤,為力提供更長的槓桿時是有效的。而「更大」的煞車在卡鉗獲得更有效的活塞面積時是有效的,這樣來令片表面的每個遠端部分都可以施加接近活塞試圖施加到來令片本身的法向力。這一切的缺點是什麼?更多的簧下質量(你的彈簧和減震器可能不喜歡)和更多的熱質量來儲存熱量(但更大的碟盤有更大的表面積來散熱——又變得複雜了)。如果你想吹毛求疵,更大、更重的碟盤需要更多的引擎動力來加速,所以理論上它們會讓你的汽車加速變慢……像所有事物一樣,這都是一個相互關聯的系統的一部分。
更大的來令片什麼時候有益?在減少煞車衰退方面,這是任何煞車系統(以我們目前的技術)都無法避免的現象。煞車衰退是來令片溫度的函數,而溫度本身又與來令片接觸面積有關。
我們大多數人在某個時候都經歷過煞車衰退——有時感覺就像汽車在加速,因為你預期踩下煞車踏板時會產生一些 G 力增加。
我舊的 64 年款 Imperial 原廠就配備了 Class 5 卡車鼓式煞車(即一輛 3 噸的汽車配備 10 噸額定卡車煞車),它從時速 70 英里煞停一次。在一分鐘內再試一次,來令片材料的 μ 就會從約 0.30 迅速變為軟綿綿的踏板。
鼓式煞車會積聚大量熱量;因此,從 60 年代和 70 年代開始,前輪開始採用碟式煞車(首先是前碟,因為你的前輪由於重量轉移,承擔了約 60% 的煞車工作)。碟式煞車碟盤對空氣開放,散熱效果更好。
當煞車來令片材料變熱時,會發生許多不良情況,「熱」意味著在賽車條件下接近 1000°F 或更高。
Road Atlanta 有 12 個彎道,對於街車來說,一圈的良好時間大約是 1 分 40 秒。煞車冷卻的時間不多,而且街車的來令片最終會衰退。
我記得過去在租用的賽道上測試街規跑車,有些車在煞車衰退之前連一圈都跑不完。
正如前面幾段提到的,來令片表面的局部加熱(以及因此的衰退)變化很大,所以賽車應用實際上可以看到更大的煞車來令片帶來煞車性能的提升,這得益於其熱效益。更大的煞車來令片將熱量分散到更大的表面積上。它們確實改善了煞車衰退性能,這確實能帶來更快的單圈時間。
更大的碟盤需要搭配新的卡鉗,所以整個組件能提供更好的煞車性能(特別是如果新卡鉗有多個活塞和更大的來令片來散熱)。
但是等等,還有另一個變數。在某個點上,輪胎會鎖死,煞車就變得毫無意義了。有人可能會爭辯說,如果你能在時速 80 英里時鎖死前輪,你就不需要更好的煞車(除非你在時速 80 英里以上比賽……)。
在配備 ABS 系統的汽車中,ABS 的介入點如何校準決定了你的最終停止能力,無論來令片尺寸如何(讓我們也將輪胎納入這個校準的方程式……)。
更高的摩擦係數總是理想的,但通常伴隨著妥協,例如低溫性能差、噪音大或磨損快等。大多數街車來令片的 μ 值約為 0.3 至 0.35。賽車來令片在某些條件下可以超過 0.5。
來令片是為特定的性能範圍而製造的,有點像輪胎是為特定用途而製造的,無論是雪地還是炎熱天氣的賽車。
同樣,回到來令片表面上變化的壓力,摩擦係數在表面上也會變化,甚至在單次煞車過程中也會在不同區域之間變化,因為 μ 與溫度密切相關,而溫度又與局部來令片壓力及碟盤速度密切相關。
請注意:煞車製造商公佈的 μ 值,其可靠性與 60 年代馬力聲稱和生髮藥膏廣告差不多。
像工程中的幾乎所有事物一樣,實際操作中一切都會變得相當複雜。
但核心問題是:更大的煞車更好嗎?這取決於什麼更大,但來令片本身的尺寸並不重要。
以我有限的經驗來看,更好的煞車總是更好的。「更大」並不總是意味著更好,儘管總的來說,採用更大的碟盤、卡鉗和來令片可以通過增加煞車表面積和更好的散熱來減少煞車衰退的可能性。但這一切都應該作為一個系統來進行。
我以前有一輛 2013 年款的 Boss 302 Mustang,我經常在 NASA DE 和 TT 活動中駕駛它。我早就意識到原廠的 Brembos 煞車不夠用,即使配備了 3 英吋前導管、Carbotech 賽車配方來令片和賽車油(我一直偏愛 Castrol SRF)。
我從原廠 14 英吋實心碟盤和鑄鐵 Brembo 街車卡鉗,升級為 Brembo 更厚的 15 英吋「浮動」2 件式碟盤(帶鋁合金輪轂蓋)、全賽規鍛造輻射式安裝 Brembo 「Pro」系列 4 活塞卡鉗、4 英吋前冷卻導管和 25 毫米厚的 Carbotech 賽車來令片。後煞車保持原廠,只更換了 Carbotech 來令片。
為了省錢,我找到了一套「匹配」的組件,包括二手卡鉗、幾套二手和未使用的備用碟盤和輪轂蓋,以及多套賽車來令片。我還將離合器升級為 McLeod 單元,它有自己的儲液罐,將其從煞車總泵上分離出來。
基本上,這與 S197 Mustang 車隊在 Pirelli World Challenge 系列賽中使用的煞車設置完全相同。結果:在賽道上不再有煞車問題!對於像 Boss 這樣沉重、高馬力的汽車來說,能夠在時速 130 英里以上衝入煞車區域,並且從未出現煞車衰退,這真是一個啟示。
這一切都說明,煞車應該被視為一個系統,而不僅僅是簡單地換上「更大的」這個或那個就萬事大吉了。