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Auto Brakes Technology
This chapter is an introduction to brake systems, including the purpose of the brake system and its major components. Also included in this chapter is a brief overview of brake system development, from the earliest designs to modern anti-lock brake systems. Basic brake operation will be briefly discussed. This chapter is also an introduction to future chapters where brake system components and operation will be discussed in greater detail.
Purpose of the Brake System
Obviously, the purpose of the vehicle brake system is to stop the vehicle, Figure 1-1. However, hitting a wall will also stop the vehicle, therefore we must modify the first sentence to read that the brakes should stop the vehicle without damaging it or causing damage to anything else.
In addition, the brake system should stop the vehicle smoothly and consistently, so the driver will know what to expect when he or she applies the brake pedal. The braking force must be even from side to side, so the vehicle comes to a controlled stop. The components of the brake system must also allow the vehicle to be stopped over and over, thousands of times, before service is required. How the modern brake system performs these jobs is covered in this chapter.
Figure 1-1. Components of a modem brake system. (Jeep)
Brakes for Holding and Stopping
Brakes can be divided into two general classes: the holding brake and the stopping brake. A bolding brake is a simple mechanical device which keeps the vehicle from moving when it is already stationary. For instance, if you place a stick between the spokes of a bicycle wheel, the wheel cannot turn. The stick is a simple holding brake. A common example of an automotive holding brake is the parking gear or pawl used in automatic transmissions.
However, if you have ever accidentally placed an automatic transmission in Park before the vehicle was fully stopped, you know that this makes a very poor device for stopping a moving vehicle.
The stopping brake is designed to smoothly slow and eventually stop a moving vehicle. It relies on a complex set of parts that interact to convert the vehicle#39;s movement to heat, which is released to the surrounding air. When two parts move against each other, the resistance to movement between them is called friction. Stopping brakes use the principle of friction to convert movement to heat. Since even the smoothest materials have microscopic imperfections, two parts will encounter interference when they slide against each other.
In all automotive powertrains, friction is minimized by machining parts to be as smooth as possible, using bearings, and by forcing lubricating oil between moving surfaces. However, in the brake system, friction is vital if the vehicle is to be stopped. The heat produced by friction is removed to the surrounding air. Removing heat allows the brakes to function for long periods of time. How this is done will be discussed in this and other chapters.
Brake System Power
To move a vehicle from 0-60 mph requires a complete drive train. Bringing the vehicle from 60-0 mph is the job of the brake system. A 3000 lb. vehicle traveling at 60 mph has stored roughly 250,000 pounds of kinetic energy, or momentum. To overcome this energy and stop the vehicle as quickly as possible, the brake system must convert all this momentum to heat within a few seconds.
The average vehicle needs about 1/4 mile (1 320 feet) to accelerate from 0-60 mph. However, in an emergency, it must be stopped from 60 mph in 200 feet or less. Therefore, the brake system must be able to absorb energy at a much faster rate than the engine and drive train can produce. It is not unusual for a vehicle with a 100 horsepower engine to be equipped with a brake system capable of absorbing 600-700 horsepower.
Not only must the brake system absorb this energy and convert it to heat, it must disperse the heat before the brakes fade. Brake fade occurs when the friction elements become so hot they can no longer create friction. When this happens, the brake system requires greater pedal pressure to stop the vehicle. Eventually, no amount of pedal pressure will cause the brakes to operate. The brakes must be allowed to cool off before they will work normally. To prevent fading, the brake friction surfaces are heavy cast iron to absorb heat, and contains fins and openings designed to pass this heat to the surrounding atmosphere.
Evolution of the Brake System
The concept of braking may seem fairly obvious. However, the modern brake system is the result of many years of advancement in design, based on changing
Chapter 1 Introduction to Brake Systems
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types of transportation, improvements in materials, and government involvement. It will be helpful to review some of the highlights in the evolution of the modern brake system.
The First Brakes
As soon as man began using horses, camels, and oxen to pull carts and chariots, the need for brakes became evident. Several crude braking systems were developed thousands of years ago. The first brake consisted of a stick placed in a hole in the turning wheel. The other end of the stick then contacted the body of the cart, Figure 1-2. This brake was more of a mechanical holding brake than a true stopping brake. However, it worked well enough at low speeds, and made a simple, but effective parking brake.
Figure 1-2. An early brake method consisting of a stick pushed through a hole in the wheel. When the stick contacted the frame, it would jam, stopping the wheel rotation. (FMC)
Later, two types of friction brakes were developed. The first was the snubbing rope, Figure 1-3. A length of rope, or sometimes chain, was attached to the vehicle and wrapped around the rotating axle or wheel hub. When the vehicle was required to stop, the driver would pull on the rope, causing it to firmly grip the hu
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十
自动刹车技术
本章介绍制动系统，包括制动系统的目的及其主要部件。本章还简要介绍了制动系统的发展，从最早的设计到现代的防抱死制动系统。基本制动操作将简要讨论。本章也是对未来章节的介绍，其中将更详细地讨论制动系统组件和操作。
制动系统的目的
显然，车辆制动系统的目的是停止车辆，图1-1。然而，撞墙也会使车辆停下，因此我们必须修改第一句话：刹车应该在不损坏车辆的情况下停止，否则会损坏其他东西。
此外，制动系统应该平稳地和持续地停止车辆，因此驾驶员将知道当他或她应用制动踏板时会发生什么。制动力必须是从一侧到另一侧的，因此车辆受到控制的停止。制动系统的部件还必须允许车辆在需要维修之前数千次停下来。本章介绍了现代制动系统如何完成这些工作。
图1-1。调制解调器制动系统的部件。（吉普）
制动制动装置
制动器可分为两大类：保持制动器和止动制动器。螺栓制动器是一种简单的机械装置，当车辆已经静止时，它可以防止车辆移动。例如，如果你把一根棍子放在自行车车轮的辐条之间，车轮就不能转动。棍子是一个简单的保持制动器。汽车保持制动器的一个常见例子是自动变速器中使用的驻车齿轮或棘爪。
然而，如果你在汽车被完全停止之前意外地将自动变速器放置在停车场中，你就会知道这是一个非常糟糕的停车装置。
止动制动器被设计成平稳地减速并最终停止行驶的车辆。它依赖于一组复杂的部件相互作用，以将车辆的运动转换成热，并释放到周围的空气中。当两个部件相互运动时，它们之间的运动阻力称为摩擦力。刹住刹车，利用摩擦原理将运动转化为热量。由于即使是最光滑的材料也有微观缺陷，两部分在相互滑动时会受到干扰。
在所有的汽车动力传动系中，摩擦是通过加工零件尽可能平滑，使用轴承，并迫使润滑油之间移动表面最小化。然而，在制动系统中，摩擦是至关重要的，如果车辆要停止。摩擦产生的热量被排除在周围的空气中。除热允许制动器长时间运行。如何做到这一点将在本章和其他章节中讨论。
制动系统功率
移动车辆从0至60英里每小时需要一个完整的传动系。从60-0英里每小时的车辆是制动系统的工作。以每小时60英里的速度行驶的3000磅的汽车已经储存了大约250000磅的动能或动量。为了克服这一能量并尽快停止车辆，制动系统必须在几秒钟内将所有的动量转换为热量。
平均车辆需要约1/4英里（1英尺320），从0至60英里每小时加速。然而，在紧急情况下，必须在200英尺或更短的时间内停止60英里/小时。因此，制动系统必须能够以比发动机和传动系能够产生的快得多的速度吸收能量。对于100马力发动机的车辆来说，配备一个能吸收600～700马力的制动系统并不罕见。
制动系统不仅必须吸收这种能量并将其转化为热量，而且必须在制动器褪色之前分散热量。当摩擦元件变得如此热时，制动器就不会产生摩擦。当这种情况发生时，制动系统需要更大的踏板压力来停止车辆。最终，没有多少踏板压力会导致刹车操作。制动器必须在冷却前正常工作。为了防止褪色，制动摩擦表面是沉重的铸铁吸收热量，并包含翅片和开口设计，以将这种热量传递给周围的大气。
制动系统的发展
制动的概念似乎相当明显。然而，现代制动系统是多年来在设计的基础上不断变化的结果。
第1章制动系统介绍
十一
运输类型、材料改进和政府参与。这将有助于回顾现代制动系统的演变中的一些亮点。
第一制动器
一旦人类开始用马、骆驼和牛拉车和战车，刹车的需求就变得明显了。几千年前发展了几个原油制动系统。第一个制动器由一个放置在转轮上的孔的棒组成。另一端的棍子然后接触车的车体，图1-2。这种制动器更像是机械制动，而不是真正的制动。然而，它在低转速下运转良好，并且制造了一种简单但有效的驻车制动器。
图1-2。一种早期的制动方法，由一根棒穿过车轮的一个孔组成。当棍子接触框架，它会堵塞，停止车轮旋转。（FMC）
后来，开发了两种类型的摩擦制动器。第一个是缓行绳，图1-3。一段长度的绳索，有时是链条，附在车辆上，缠绕在旋转轴或轮毂上。当车辆被要求停止时，驾驶员会拉动绳索，使其牢牢抓住轮毂。当车轮转动试图将绳子紧紧地缠绕在车轴上时，制动力倍增。
另一种类型的摩擦制动器是在几个世纪后发展起来的，用于马车。这个制动器由一块木头组成，它被迫与车轮的轮辋上的金属带接触。木头和轮缘之间的摩擦使轮子和马车减速。木块是由司机操纵的杠杆施加的。一个变化的这种刹车是用来停止火车，图1-4。这些设计没有一个是有效的或平稳的，但动物牵引车的最高速度是有限的，所以制动不是关键。当汽车出现时，刹车必须改进。
图1-3.一种使用缓冲链的摩擦式制动器。(约翰·比恩)
图1-4.蒸汽机轮子上使用的摩擦制动装置。
汽车制动器进化
与现代车辆相比，早期的汽车刹车非常粗糙。第一批制造商更关心的是让汽车开动所涉及的问题。停止车辆WA这是次要的考虑。第一批汽车使用的轮辋制动器前面描述。很快就发现，即使在早期的汽车速度较低的情况下，这也是不适当的，并已完全成为惯例。当橡胶轮胎被引入时。它很快就被略为更高效的设计所取代。
许多早期的汽车只有后轮刹车。通常，制动器本身由安装在轴心中心外面的灵活皮带组成。有时车辆只使用Ne带，包裹在一个转鼓上，连接在变速器输出轴的后部的一个轮毂上。带子紧贴在轮毂上，造成摩擦。制动摩擦材料很简单：Fabri黄铜，皮革，甚至骆驼毛。制动器有时是用手柄而不是刹车踏板来操作的。从手制动到车轮的连接通常是一系列的杠杆和电缆。阿早期制动系统如图1-5所示。
一十二
汽车制动器技术
图1-5.一种早期的制动系统，包括皮带和手动操作连杆。(赫尔曼斯)
在20世纪20年代，安装在所有四个轮子上并由一只脚踏板操作的更有效的鞋和鼓制动器变得很普遍。石棉耐热摩擦材料减少了f的问题。增加衬里寿命。与此同时，液压制动器开始出现，在未来15年中逐渐取代机械制动系统。液压油逐渐改进为减轻其耐沸腾和耐腐蚀的能力。动力制动器是在20世纪40年代末引入的，并逐渐在所有车辆上普及。
盘式制动器最初是在1 950年代使用的，但直到20世纪70年代才被广泛使用。1967号汽车上首次安装了双主缸和故障警示灯等安全装置。美国联邦法律规定。石棉制动衬里已逐渐被其他较不危险的化合物所取代。为了应对日益增加的安全问题，防抱死制动系统已成为标准或在过去的10-15年里，几乎每一辆新车或卡车上都有可选的设备。
现代汽车制动器
大多数现代汽车和卡车都使用与第一辆汽车相同的基本制动系统，即液压系统和摩擦材料的组合。液压系统使用制动液进行传动。它通过将流体密封在一组封闭的管子和执行器中，来推动和运动。摩擦材料是耐热衬里和制动表面，执行实际行动，使车辆停止。现代制动系统还包括动力辅助装置、停车制动装置、电气和电子部件。
每一辆现代车辆都有前盘制动器和盘式或鼓式后轮制动器。使用高效、安全、持久的摩擦材料.主缸分为孤立的前、外两部分。部分。即使另一部分失去了所有的液压，每个部分也会运行。液压制动系统采用控制制动压力的阀门，以最大限度地提高制动功率。其他h液压元件警告液压系统故障。以下各节确定了最常见的制动系统部件。
踏板和主汽缸总成
制动踏板是制动系统中最明显的部分。制动踏板及其相关的连杆悬挂或悬挂在仪表板下的框架上。因此，现代制动器E踏板被称为悬挂踏板总成，图1-6.踏板通过连杆连接到主缸。按压踏板将推杆移动到主汽缸中。
主缸由三个主要部分组成：气缸、活塞和储罐。汽缸和活塞将制动踏板的运动转化为液压。p的运动活塞在气缸中运动，压在流体上，形成
第一章制动系统简介13
图1-6。一种悬挂式制动踏板。（本迪克斯）
液压。现代的主汽缸总是有两个独立的活塞，通常称为双主缸。双主缸实际上是一个壳体中的两个主缸。该设计将制动液压系统分成两个独立的系统。
该系统可分为前后部分或对角，在车辆的相对侧上有一个前制动器和一个后制动器。液压故障一个系统不影响其他系统，并且车辆仍然可以停止，尽管具有更多的踏板力和行驶。内置在系统中的压差开关通过照亮仪表板灯警告驾驶员。
主缸储器包含附加流体，以防其他液压系统部件需要。流体储存器具有在必要时添加流体的填料帽。一些水库有一个低流体警告开关，照亮仪表板灯，如果流体水平变得太低。非典型双主缸如图1-7所示。
动力助力器
除了最轻的车辆外，在主缸和防火墙之间安装了一个动力助力器，有时简称为动力制动器。动力助力器的目的是减少驾驶员必须施加在制动踏板上的压力。动力助力器通过施加制动时向主缸推杆施加力来实现这一点。这种附加力由进气歧管真空或液压压力提供。
大多数动力助推器是大型真空隔膜，由发动机进气歧管中的真空提供动力。一些车辆有一个小型电动泵，以在必要时提供额外的真空。
图1-7.一个双主缸组件的横截面视图，这个单元包含一个低的制动液位警告浮点开关。(福特汽车公司)
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汽车制动器技术
有些车辆，特别是那些装有柴油发动机和几辆装有重型拖曳包的货车或卡车，使用的是液压助推器。液压系统动力转向泵或由电动机操作的独立液压泵。图1-8展示了真空助推器
.
图1-8.双主缸，真空助推器，比例阀，以及现代车辆使用的管路。
管路和软管
由主缸产生的压力通过钢制液压管路和柔性制动软管传递到车轮。管道和软管必须在高压下输送流体，不损失压力。是的还是漏水的。线是用来连接不相对应的部分，如图1-8所示.钢总是用来尽量减少线路破裂或泄漏的可能性。线被固定在t上。车架尽量减少弯曲。夹子通常有橡胶衬套，以防止振动磨损在线上的孔。
制动软管是汽车车身与车轮之间的连接。由于车轮相对于阀体移动，这些软管必须包含液压系统中产生的高压。当车辆在路面上行驶时弯曲。这些软管由几层织物编织和橡胶组成，高压端连接到其他系统部件。恩斯。典型的制动线如图1-9所示。
液动阀门
为了精确控制制动液压系统的运行，在制动管路或主汽缸上安装了几个阀门。液压系统可能包含一个计量阀，延迟了应用。f前制动器，直到后制动器已应用。此外，一个比例阀被用来限制发送到后轮的压力量。这些阀门通常被组合成一个单一的一种叫做组合阀的装置。组合阀的切线图如图1-10所示.车轮液压单元
轮式液压单元接收主缸所产生的液压压力，并用来操作制动摩擦元件。当主汽缸将刹车踏板运动变成h时液压轮将液压元件的液压转化为机械运动。现代制动系统使用两种类型的车轮液压单元：卡尺活塞和车轮气缸。T型口径图1-11，由气缸内的一个或多个可移动活塞组成.整个程序集通常被称为“卡尺”。当压力施加在气缸上时，活塞就会向外移动。ARD，压缩摩擦
图1-9。剖视图的两层橡胶制动软管卷曲的配件。（瓦格纳和克莱斯勒）
图1-10。示出三功能组合阀的截面图。（本迪克斯）
第1章制动系统介绍
十五
图1—11盘式制动器卡钳总成。液压是用来操作卡尺的。
对运动转子的元件。大多数现代卡钳有一个或两个活塞，而在一些较旧的系统和一些高性能车辆的卡钳使用四个活塞，两个在转子的每一侧。
轮缸，图1-12，是两端有活塞的压力缸。来自主缸的压力进入气缸，向外推动活塞。活塞运动使制动蹄与旋转鼓接触。一些旧的系统使用了两个单活塞气缸。
图1-12。这说明安装在鼓式制动器总成上的轮缸。
车轮摩擦单元
现代汽车和卡车上使用了两大类车轮摩擦单元：盘式制动器，包括制动垫和圆盘，通常称为转子；鼓式制动器，由制动蹄和鼓轮组成。有些车辆在所有四个车轮上都有盘式制动器。更常见的是在前轴上使用盘式制动器，后部装有鼓轮。只有四轮鼓式制动器才出现在旧的汽车和卡车上。
衬垫和鞋的摩擦材料最初是由石棉制成的。然而，石棉被发现导致癌症，并被凯夫拉、聚合物、树脂和其他高温化合物所取代。转子和鼓是铸铁制成的。它们相对沉重地吸收制动过程产生的高热。一些鼓是由铝与铸铁衬里。
盘式制动器设计简单。卡尺和盘垫是固定的，安装在车轮主轴上。转子是转轮组件的一部分。卡钳组件中的液压使得制动垫被推到与转子接触。固定垫和旋转转子之间的摩擦力减慢了车辆的速度。热通过空气通过转子表面被去除。许多转子有内部翅片，迫使空气通过转子内部，去除更多的热量。
图1-13显示了焊盘与转子的关系。注意摩擦部件暴露于大气中。转子的旋转使水和污垢旋转。一些转子在制动表面上钻有孔以进行额外的冷却。
鼓式制动器有时被称为内部膨胀制动器，与较早讨论的外收缩鼓式制动器相比。现代汽车后轴仍普遍采用内胀式制动器。
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自动刹车技术
现代鼓式制动器由两个固定在转鼓内的鞋组成，图1-14。主缸的压力使轮缸向外推动鞋与滚筒接触。固定鞋和旋转滚筒之间的摩擦使车辆减速。通过空气通过滚筒外表面来除去热量。鼓式制动器组件的固定部件安装在垫板上，垫板也保护内部部件免受水和污垢的影响。
图1-14。轮缸迫使制动蹄衬里与制动鼓接触。（FMC）
车轮轴承
转子或滚筒转动固定轴。显然，这会在旋转和静止部件的接触点产生不必要的摩擦和磨损。为了减少摩擦，使用减摩轴承。在车轮组件上使用的三种主要类型的减摩轴承是圆
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