不只是槓杆原理~~细说油压煞车

http://www.5i01.cn/topicdetail.php?f=318&t=382571&p=1

在国内各大 自行车论坛里,

一定会有这么一二篇:

我快被我的油压刹车 搞死了

怎么换了油煞煞车煞车力道更差?......等



猫也曾经 是这些喊救命的一员,嗯......应该不是曾经.....我也将来应该还会是...



几次遇到问题,几次的摸索,也慢慢使猫对油压煞车有了点的概念

故在此,分享给各位车友





在此猫就以SHIMANO的油压煞车为题材,来做讨论



一般油压煞车,由上而下大致分为3部分

1.煞把Brake Lever

2.油管Hose

3.卡钳Caliper






其中

煞把又包含 油壶,主油缸, 煞车杆

油管又包含 铜头, 油管本体

卡钳则又包含 活塞, 副油缸, 煞车片







以下,猫就由上而下开始介绍.......





由左而右就是把煞把的壶盖取出的顺序(里面的刹油猫已预先抽干)

左:把2支螺丝打开

中:首先看到的是油封

右:把油封拿开,可见整个油壶






油壶油封






打开油壶,可以看见主油缸(总泵)外型(红线)








油管




shimano 的油管的接头有2种规格,分别为SM-BH59及SM-BH61二种

上图为BH59接头加上850mm的油管,完整货号如上图SM-BH59 0850

所以要自己要订购油管,要把货号记清楚,免得买到不合用的

BH61的接头是用侧锁式的(如06XT卡钳)









卡钳






一般而言,卡钳是由上图的几个小零件组装而成

如果,猫还是以上图来介绍卡钳,那就逊掉了............

猫,这次要把卡钳再大部分解一层,好让各位看看卡钳的作动机转及理论







如同先前提到的:卡钳是由 活塞, 副油缸, 煞车片 来组成

所以,猫在这4项里再做申论









首先,活塞

















原则上这个活塞是不会出大问题

不过,猫曾经在对岸的论坛中看到有人提出,他的油煞,每到下雪季节就会从活塞里冒出油来,

所以猫怀疑是否是因为冬天寒冷以致这个活塞体积缩小,造成活塞与油封间出现空隙,再加上油压缸里的液压......结果就溢出了





由上图可知,活塞的直径为20mm(方格为20X20mm)



也或许是油封老化造成的

老化原因是用错刹车油吗?dot4? 流言终结者~~(煞车油腐蚀试验)







卡钳活塞油封












副油缸........






上图:

左图棉花棒由注油孔插入,可由油管孔看到棉花棒另一端,

而得知右图红色部分是相通的(煞车油走的通道)











由以上介绍 我们大略可以想像出以下的动画





























再来我们可以假设以下的情况

设:煞车油理想状态体积为完全不可压缩,油管弹性系数为0

故:可推出V1=V2





下图:则把要讨论的V1(活塞伸出体积)及V2(刹车总泵活动体积)

图示化以方便理解V1=A x H ; V2=a x h

PS: V1=V2










再下来 我们要导入液压常用的巴斯卡原理

巴斯卡原理的中心思想:
对一密闭液体所施的压力，必会传递到液体各部份及容器壁上，且其值不变





设:a即是煞把推活塞的圆面积,而推动煞把活塞的力量为f

则我们施予整个煞车密闭系统中煞车油压力为f/a

此为表示在此时整个刹车系统里的刹车油是处于f/a的压力下

当然,推动刹车活塞部分的煞车油也是处于f/a的压力下



如下图

把推动煞车活塞部分的煞车油再放大详解

由下图不难理解,此时推动单一活塞的总力量为f/a X A










依前文

我们得到一个公式:






耶~~等等,XTR不是为对向的双活塞卡钳吗?

那推煞车片的力道(Fb)不该是2倍fA/a吗?

猫认为这样讲似乎是不对的,猫举一例子来反面解释为什么不是2倍



因为如果以单活塞卡钳来看其实,在另一边还是有装上煞车皮的

只是这个煞车皮是不动的(直接贴紧卡钳),那这一边的煞车力道是哪来的?



答案很简单:

就是牛顿第3定律(作用力=反作用力)

也是说,一边卡钳施多少力,则另一边也就产生另一反作用力





这种感觉应该可以去问买过 giant某些06车款配的hayes sole 单活塞的车友们

当这些车友由hayes sole 升级 为双活塞煞车,为什么没有明显感觉出双活塞的煞车力道是单活塞的2倍之大,由此可见一斑















由上面公式,可知要增加煞车力道我们有3种方式:

1.可以增加f (按刹车把力量)

2.增加A(卡钳伸出活塞的底面积)

3.也可以减少a(煞把活塞底面积)





我们再申论 以上三点(假设要放大煞车力4倍来说),有以下3种方式

1.第1点增加按煞把力量4倍即可

2.增加活塞底面积4倍

3.缩小煞把活塞底面积4倍





第1点增加按煞把力为4倍,这应该很容易理解



比较有问题的是第2.3点

因为2.3点还有一个要素要考量

这个因素就是 煞车油体积(V1=V2)是不变的







以第2点来说:

以煞车油的体积是不变的前提下,如增加活塞底面积4倍

势必会使活塞伸出长度,缩为原来的1/4

这意味该活塞将使盘片与卡钳的距离要更近,所以盘片,煞车片间的对准要更精确

如下图的油压系统放大倍率为4倍


按这里检视图片





以第3点来说

煞车油的体积是不变的前提下,缩小煞把活塞底面积4倍

会使压煞把的距离增为4倍

当然,这之间要考虑使用者的手指长度与使用上的实用性












而真正的切线煞车力(煞车力矩) =
推煞车片力(Fb) X 煞车片摩擦系数(Fr) X 碟盘半径(R)

所以,其实要增加切线煞车力(煞车力矩)还有增加煞车片的摩擦系数与加大碟盘半径,2种方式





首先:谈到煞车片摩擦系数就必须谈到煞车片....以shimano来说,在煞车皮材质上就有一些小差异了

目前市面上还有流通的大致为Resin 与 Metal这2种

Resin 货号为M07S

Metal货号为M06



Resin M07S为新一代的煞车皮配方,新导入合成树脂,

可以降低长时间煞车锁产生的噪音

至于旧款的金属配方,也非一无是处,至少比较耐磨就是一特点



至于在制动力上呢?猫目前手上没有 M06 Metal 可以与 M07S Resin做比较

所以,报告先欠著了









最后,可以加大煞车力道的方式: 加大碟盘半径





目前,常使用在自行车上的盘片尺寸分别为160mm;180mm;203mm

一般直觉上我们感觉加大碟盘,所得的煞车力道是随着盘片半径(力臂),而做线性提升



以160mm 与 180mm 的碟盘做比较:



160mm与180mm的碟盘半径分别为80mm与90mm

80mm与90mm则分别为该盘片煞车力臂

故180的盘片煞车力臂为160的90/80=1.125倍



耶~~~怎么才1.125倍啊!!??

等等~~先别急着下定论,注意到没?

猫是说力臂是1.125倍,并不是说煞车制动力为1.125倍



一般我们说的煞车制动力应是指:

把一个移动中的物体,变成停止状态



所以,越好的制动力,应是指能在越短距离内使移动物体停止



因此,事情就开始有点复杂了

有些物理底子的人 看到以下这个公式就应该明白了








m=全车质量

v=速度

S=煞车片与盘片摩擦距离



又前文中我们导出:


切线煞车力(煞车力矩):
推煞车片力道(Fb) X 煞车片摩擦力(Fr) X 碟盘半径(R)



这里我们可得完整公式:






其中S(煞车片与盘片摩擦距离)反比于 盘片半径(R)

所以,160的盘片 所需磨擦的距离为180盘片的1.125倍

故S160=1.125 x S180 (S180=S160/1.125)



所以我们假设 以160碟盘来磨擦1圈的距离可以完全煞停的动能

换到180的碟盘上则需转几圈呢?





S160= 160mm x 3.14

S180= S160/1.125 = 160mm x 3.14 / 1.125





而S180是占180盘片的几圈呢?

S180= 160mm x 3.14 / 1.125

180盘片的圆周=180mm x 3.14

所以是占




嗯!答案出来了! 160碟盘转一圈可以煞住的动能

拿到180碟盘上只需0.79圈





不只0.79这样如此,我们还要换算成26吋的轮圈来求实际省下的煞车距离

1-0.79=0.21(180碟盘省下的圈数)

0.21 x 26吋 x 3.14= 17.1444吋=43.55公分



如果以160转一圈可煞停的动能下,180碟盘可比160碟盘提早43.55公分煞停

嗯~~我想,这个数字应该能比较安慰你了吧!





总结:

为什么V夹的煞车力臂是26吋 轮圈,可是制动力却比力臂160mm的油碟差?

ANS: 因为 油压系统可以放大压煞车片的力道(一般为10~17倍),这倍数远胜于26吋轮圈对于160mm盘片的倍率







要如何得知你目前煞车的的放大倍率?

原则上,我们可以肉眼来粗估计卡钳的放大倍率

压煞把然后观察 煞把支点移动的距离/卡钳活塞移动的距离=放大倍率(一般设定在10~17倍)

类似的道理,用在线拉V夹上所得即为1(表示V夹并无放大)

机械碟,因为猫没玩过机械碟,所以猫猜测:机械碟的卡钳里应该有类似齿轮的机构来放大煞车力道

一样应可由上述方式粗估计放大倍率





为什么要有4活塞,6活塞,8活塞的 卡钳的问世?

ANS:原因很简单 就是要增加A(活塞伸出底面积),并不单纯只是增加磨擦面积而已

所以,我们观察多活塞的卡钳,其活塞位移的动作都是很小(造成常常磨碟)





金属油管的必要性?

其实前文的煞车油V1=V2在现实世界里是不存在的

通常油管都会有些微的弹性,所以V1其实是稍微大于V2的

这其中的小差异就是用来撑开油管所丧失的,要减少这丧失唯有降低油管的弹性

(所以我们观察按煞把时,可以发现油管是有撑直的趋势)



以油管外围包复金属网即是一个好方法

也可以加厚油管来达成



所以,有人说金属油管的感觉比较直接,很死硬

而塑胶油管则带点Q感,即是由此而来



换个技术层面的说法:

当我们用力压煞把金属油管是可以比较完整的把力道传到煞车片上,不流失

而塑胶油管则会把一小部份的力道浪费到撑膨油管上





加大碟盘的优缺点?

优点:同上文所述可以增加制动力,外观上也让人更喷张些

缺点:因为盘片圆心离煞车作用区域(圆周)更远了,使得圆周的固定性更差,

如果转弯的动作大一点,急一点,盘片就会产生类似荡剑一般的抖动效果,因而磨到煞车皮









空气跑进去油压系统中,一定就会油压失灵吗?

不一定如此!

这还要看这个气泡的位置来定论。如果气泡是在油壶里 则不影响煞车功能

其实,油壶在整个油压系统中,是不属于油压的一部份的(油壶里的油是不受煞把活塞压力)

所以,油壶里有没有跑空气进去,并不是那么重要(这一点可以从一些机车透明油壶里看到气泡 得证)



也就有这么一说:把车倒立会造成油压煞车跑进空气

其原因就是,如果你的油壶里原先是有气泡,因为倒立就会让这气泡有机会回归到刹车总泵里(进入油压系统中)



相反的,有些骑士 其实油管中原先已有空气,

用着用着,突然一天煞车力道居然回复到先前没空气的煞感了

原因就是,在油管里的气泡 跑到油壶了



如下图:

表示油壶里的气泡,并不干扰到整个油压系统的运作