機車新手必看！一篇看懂煞車系統！

幾乎每一台現代車輛上，不論是腳踏車、機車、汽車，甚至是火車跟飛機，只要有輪子，就幾乎都有煞車系統的存在，而煞車系統中各個零件的功能又是透過什麼原理發揮作用，讓你從高速行駛的狀態中停下來呢？

「現代」煞車起源

所謂的煞車，其實可以泛指任何將「動能」轉化為其他「機械能」，藉此降低速度的方法，就連你快跑到一半突然減速，你的腳底與地面摩擦即是一種煞車系統，而自從人類開始打造機械開始，不論動力來源是你的雙腿或是畜力，甚至是發動機，就一直在尋找減速的方法。


加速很簡單，但停下來可是大工程，過去人們經常使用木製煞車來為馬車減速，其原理就是透過機械構造，驅動一塊木頭往輪框上死命的施壓，透過木塊與車輪間的摩擦，將輪子的動能轉化為熱能，達到減速的目的，有些則會在木塊上披覆皮革，用皮革產生更大的摩擦力，達到更好的減速效果，那即是一種「煞車皮」。


而現代車輛使用的煞車系統，相信要追溯至19世紀末，Gottlieb Daimler（就是賓士前身的那個戴姆勒）在 1899 年提出了鼓式煞車的構想，同期也有其他工程師提出相似概念，但直到 1902 年才由 Louis Renault（對，就是雷諾汽車的那個Renault）取得鼓式煞車的專利。

Photo：Wiki

早期的鼓式煞車還是依靠鋼索線傳，駕駛的腿勁直接決定了煞車力道的大小，而依靠液壓加壓的煞車系統，要到 1917 年後才由 Malcolm Loughhead（下圖右）推廣成功，大量量產，不過 Malcolm Loughhead 並非液壓煞車第一人，用液壓系統來控制煞車機構的概念在 1895 年就有，不過由於沒有推廣成功，所以才走回鋼索的老路。


碟煞時代

那麼，現代車輛上主流的碟煞系統，究竟是由誰，在什麼時候發明的呢？答案是 1902 年，由英國人 Frederick William Lanchester 發明，就一般理解來說，碟煞應該要比鼓煞強大才對，為什麼在二十世紀前期，卻是鼓煞系統佔上風呢？


答案就在前一欄，由於液壓系統在當時仍不是非常穩定的設計，雖然效率高，但是因為加工精度、液壓油等等問題，導致液壓系統經常爆管或損壞，因此即便液壓系統數量變多，大眾普遍還是偏好鋼索式的煞車系統，雖然費力但是相當可靠。

同樣用鋼索驅動，鼓式煞車的效率遠比碟煞來得更強勁，因此鼓煞系統在當時更受歡迎，一直要到二十世紀中期，液壓系統技術提升許多，穩定性與可靠性已非二十世紀前期那般，Frederick William Lanchester 發明的碟煞系統，才透過液壓系統提升煞車力道而終於實用化。


鼓煞系統

鼓煞（Drum Brake），一種與輪轂（ㄍㄨˇ）相結合的煞車設計，輪軸心直接穿過中間位置，整體結構分成四大部，分別是本體的「煞車鼓」、兩片半圓形的煞車片，負責整個煞車系統穩定性的背板，還有用來驅動煞車片的裝置（下圖上方位置的白色零件）。

Photo：wiki

在騎士捏下煞車，或是踩下煞車時，首先煞車鋼索或者推桿會直接驅動凸輪（或者任何用以驅動煞車片的伸縮機構），並促使煞車皮去推擠煞車鼓，此時煞車皮跟煞車鼓之間會產生煞車力，讓車輛減速。


但是這樣聽起來就只是把碟煞系統內外顛倒，那為什麼同樣採用機械式的鋼索驅動，但鼓煞系統的煞車力道卻比碟煞強呢？答案是「煞車自鎖作用（self-energizing）」，當駕駛操作煞車時，煞車皮會與車輪進向同軸向的方式產生煞車力，而最先接觸到煞車鼓的黃色區塊，會因為車輪旋轉方向與摩擦力的關係，以下方白色轉軸為支點，自動增加煞車皮與煞車鼓間的接合力量，並因為額外的力道而讓煞車皮拉扯向旋轉方向拉扯，煞車皮的接合面積會比騎士預期的更多，而這樣的效應會使煞車力量變強。


煞車力道會自己增強耶！聽起來很棒對吧？然而鼓煞系統是一種半封閉式的制動系統，煞車皮與煞車鼓之間產生的熱量不易排出，煞車皮產生的粉塵也會進一步減低煞車的效率，加上煞車自鎖作用容易帶來額外的制動力，使得溫度非常容易堆積，更不用說因為自鎖作用會帶來難以預料的制動力陡升，雖然制動力道很大，但穩定性不佳，嚴格來說其實挺危險的。


此外，當煞車皮與煞車鼓溫度過高時，煞車效率不只下降，最嚴重甚至會失效，因此在部分車型上，車廠甚至會在煞車鼓上開洞，或者加入鰭片來幫助散熱，算是一種時代背景下的因應之道，例如下圖由 Smith Kanrim 設計的賽車用鼓煞，堪稱是鼓煞時代最強的改裝品，從超大量的散熱設計就知道在鼓煞系統上，溫度就是最大的敵人，然而這樣特殊的設計也成為某些玩車文化（例如復古車、Cafe Racer 等）中極具指標性的「經典老味」。

Photo：victorylibrary.com

碟煞系統

碟煞（Disc Brake）顧名思義，就是由一組碟盤跟煞車卡鉗組成的制動系統，要構成一套現代碟煞系統的零件，共有煞車總泵（Master Cylinder）、煞車油管、煞車卡鉗（Caliper，或稱煞車分泵）、煞車皮，以及鎖付在輪框上的煞車碟盤（Disc、Rotor）。


現代的碟煞系統採用液壓系統來操作，其中運用的即是大家在國中學過的帕斯卡原理以及液體不可壓縮的特性，在活塞面積相對較小的總泵上施加的力道，在較大的卡鉗活塞上會產生較大的力量，而且因液體不可壓縮的特性，力量的傳輸可以更加完整。


在碟煞系統中，車輪轂、煞車碟盤、煞車卡鉗三者是各自獨立的零件，不像鼓煞那樣煞車鼓同時也是車輪轂，換句話說，碟煞與鼓煞最大的差異，在於「溫度」。

由於碟煞系統的碟盤與卡鉗都是開放式的結構，兩者雖然會因為煞車過程中產生的摩擦熱而升溫，但又因為可以直接撞風的關係，整體溫度可以得到控制，溫度較鼓煞更容易控制，也更不容易過熱。


那麼，煞車自鎖作用是否也存在於碟煞系統上呢？答案是有的，碟煞系統的煞車皮接觸到碟盤時，同樣會因為煞車碟盤旋轉方向與煞車皮摩擦力之間的交互作用，使得煞車皮同樣會產生自動加力的特性，實際的應用如所謂的「異徑活塞」，透過小活塞在同樣受壓的條件下，活塞推出量比大活塞更多的特性，讓煞車皮的前端（小活塞側）早一點點碰到碟盤，接著由大活塞將整個煞車皮推向碟盤，使制動的初始接合到完整制動階段一氣呵成。


不易過熱、煞車力道可控性高，而且保養維護比鼓煞更容易，雖然因為額外的重量使得碟煞系統比鼓煞更重一些，但整體來看碟煞系統仍是利大於弊，對於現代車輛安全來說有著相當重要的地位。


碟煞系統還分為「單邊活塞」、「對向活塞」等不同設計，僅有單側有活塞的卡鉗，在操作煞車時，因卡鉗帶有浮動銷設計，活塞推動煞車皮去擠壓煞車碟盤的同時，也會將沒有活塞的那側「拉」向煞車碟盤，使兩側煞車皮可以先後夾緊煞車碟盤，使制動力完整發揮。


另一種則是對向活塞卡鉗，在兩側都有活塞，操作煞車時卡鉗本身不會移動，而是將兩邊活塞推向碟盤，單側活塞卡鉗設計上更為簡單且易於製造，成本較低之外也更輕巧，對向活塞雖然因為機構較為複雜，比較重一些，但是煞車穩定性與精準度都比單側活塞的卡鉗更好，因此更常運用在高性能車款上。


為了配合卡鉗的設計不同，碟盤也大致分為「固定式」與「浮動式」，由於單側活塞卡鉗本體會隨著活塞移動量而產生浮動，因此碟盤本身需要足夠穩固，才能發揮出固定式卡鉗的優勢。


固定式煞車碟盤在減速過程中因為摩擦產生大量熱，碟盤會因為升溫而產生變形，在高溫下碟盤可能無法維持平整表面，甚至呈現波浪狀的樣態，在這個狀態碟盤與來令間的實際接觸面積下降，制動力會因此受到影響。


而浮動碟即是透過將「煞車盤面」與「煞車碟盤固定」兩件事情分開，讓內盤不直接受到盤面高溫影響，降低結構形變，而外盤因高溫膨脹時，又因為浮動扣與碟盤間仍有空間，因此盤面不會因為擠壓內盤而導致過度變形，大幅改善固定碟在高溫下因盤面變形所導致的制動效果不佳問題。

而內盤多半採用鋁合金製成，在同樣鎖點、同樣盤面尺寸的情況下，可以減少一些重量，對於簧下系統重有正向幫助，近幾年也有廠商嘗試透過加大鎖點間距，讓內盤鎖點的力矩最大化，進一步減少碟盤鎖點到浮動扣之間的內盤變形量，同時還能減少內盤的用料量，讓重量再輕一些。


除了溫度問題之外，因為對向活塞卡鉗是兩側煞車活塞同時向內推擠，但是每顆活塞推出的速度其實不一樣，這意味者在夾緊之前，碟盤可能會先承受某一側的壓力（如下圖為左側活塞先推到碟盤上），為了要讓煞車皮可以跟碟盤更緊密的貼合，碟盤本身如果具備一定程度的可動度，就可以讓活塞與碟盤間的動態活動量彼此配合，使制動力能夠完整發揮。


對向活塞卡鉗的鎖固方式還有分為傳統的「側鎖式」以及現代主流的「輻射式」，側鎖式從卡鉗由側面以卡鉗螺絲鎖固，在煞車時會因為卡鉗、卡座以及前叉鎖點的結合方向與煞車碟盤拉扯卡鉗的力量方向不同，在卡座上形成側向的剪力，造成卡座輕微扭曲，設計不良、準度不佳的卡座可能造成磨耗不均、煞車穩定性不佳的狀況。


而輻射式鎖固設計，則是將螺絲固定方向變成跟碟盤旋轉方向相同，因此在煞車時卡鉗本身的受力方向會與碟盤旋轉方向一致，由於旋轉力與摩擦力產生的方向相同，因此可以帶來更低的卡鉗變形量，穩定性與煞車的紮實度都更好。


活塞運動
配對很重要

既然是運用帕斯卡原理，那代表總泵的活塞尺寸與卡鉗（分泵）的活塞尺寸需要適度的配合，然而一般車友可能「概略的」知道換什麼卡鉗要搭配多大的總泵尺寸，卻不清楚兩者之間背後的活塞比，以下提供總泵活塞與卡鉗活塞尺寸對照表：


活塞比例正確，才能有效率的將手施加在拉桿上的力量有效的傳送到卡鉗活塞上，比如說過小的總泵活塞搭配過大的卡鉗活塞，就可能發生拉桿拉到底了，卡鉗活塞都還沒推出多少，又或者是過大的總泵活塞搭配過小的卡鉗活塞，稍微碰到一點點，活塞就大量推出導致煞車鎖死，但是只有對照表，可能難以理解何謂適合的配比，GALESPEED 推出了總泵計算機，只要知道自己的卡鉗活塞尺寸，就可以算出適合的總泵規格，是相當方便的工具！

計算機連結請點我

除了活塞大小之外，這幾年煞車總泵也很流行「可調」，這邊的可調不是指拉桿間距，而是指「槓桿比 Lever Ratio」，比如說 Brembo 著名的 RCS 系列，以下圖的總泵為例，騎士可以透過旋轉拉桿座上的旋鈕，調整支點到活塞的距離，使得拉桿到活塞間的力矩產生變化，藉此在同一支總泵上調整拉動拉桿時的手感。


至於一般車友常說的煞車手感「Q 度」，其實與煞車油管的彈性有較大的關係，在改裝煞車時，如果將煞車油管由橡膠油管換成金屬油管，由於油管的彈性下降，在煞車捏到底時，煞車油會無處可去，這時候總泵推出的煞車油會因為無處可去而頂住總泵活塞，使得手感變得比較「直接」，進而失去所謂的「Q 度」。


煞車是為了直覺操作而設計

煞車系統的設定方式其實相當複雜，每個環節都需要謹慎搭配，當你在操作煞車減速時，越單純、越符合大眾直覺的設計，反而更能發揮最大效益，然而這樣的設定在熱血份子來說往往都「不夠用」，但煞車系統並不是越強越好，當你在扣下煞車時需要謹慎調控煞車力度時，這樣的設定其實已經偏離道路使用需求很遠啦！而看完本文，你是否能理解煞車系統的各個環節如何運作、如何影響你的煞車安全性了呢？快留言跟我們分享吧！