旧题新开，再聊刹车卡钳（文案）
照例释放文案。这一期的内容明明那么实用，视频播放量缺那么可怜。
本期的主题是两个关于刹车卡钳的错误认知。
第一个，“对向多活塞卡钳里的活塞有大小区别，这样的设计可以在轻踩刹车时，只推出小活塞，重踩刹车时推出大活塞，让整个刹车制动力更加线性”。这样的说法你们听过么？反正我在B站这个平台，见了好几次了。这话的槽点还不止一个，让我一个个说道说道。
槽点1，大小活塞的出动先后顺序，真的是随着压力升高，先动小再动大么？来看一小段我借到的视频。看清楚了么？没看清楚的话，再来一遍慢镜头。显然，几个活塞差不多是同时开始动，但是第一个彻底弹出的是直径最大的活塞，然后是对面的一个中径活塞，再是剩下的那个大径活塞。两个小直径活塞是最后弹出的。其实这背后的道理非常简单，就是帕斯卡定律。所有分泵腔是相通的，里面的制动液压力是一样的。那么按照帕斯卡定律，面积更大的活塞自然承受更高的推力。有意思的是，所有发表上述观点的up主们都会在描述定钳制动力比浮钳强的时候引用帕斯卡定律，可是在讲这个活塞先后出击论时，怎么就把帕斯卡定律抛之脑后了呢？
当然了，心思缜密的网友们一定会意识到，这个活塞什么时候动，不单纯取决于推力，也取决于阻力。而活塞的滑移阻力来自活塞密封圈压迫活塞侧面的正向压力产生的摩擦力。具体来说，这个摩擦力取决于，1)密封圈和活塞环的过盈量，2)方形密封圈的弹性，3)两者接触面面积和4)表面摩擦系数。根据方形密封圈设计细节的不同，这个摩擦力可大可小。同等设计前提下，大直径活塞的滑移阻力比小直径活塞大一点也是正常。但这点差异恐怕是比不过活塞面积差的。毕竟面积比是直径比的平方。
这个活塞滑移阻力具体有多大，我相信绝大部分网友都没有概念，这里就用最近我工作中拆解的一只36mm缸径的后卡钳为例。这只卡钳用了滑移阻力偏大的方形密封圈设计，所以最大滑移阻力能去到200N，相当于20公斤力。拆解的时候，我需要把上半身的体重压到工具上，才能把活塞推出来。相比之下，我经常接触的其他卡钳，使用另一种方形密封圈，42mm缸径的活塞，最大滑移阻力也就是140N左右。200N对普通人来说是要费点力气的。但是如果用气压去顶，大概需要多大的气压呢？简单算一下就可以知道，只需要0.2MPa，也就是两个大气压的程度。而普通的空压机，像我自己这台，可以提供最大0.8MPa的气压，所以可以像刚才视频里那样很轻松就把活塞顶出来。
刚刚提到的这个压力用我们的专业术语来说，叫做Piston Threshold Pressure。也就是活塞启动阈值。这个阈值不能太小，不然活塞很容易在钳体里移动，方形密封圈也会因为抓不住活塞而无法在松开刹车踏板后拉活塞回位。反之，这个值也不能太大，不然它会抵消掉一部分管线压力，降低液压效率，并且使活塞响应变慢。一般来说，这个阈值不会超过0.5MPa。那这个0.5MPa在整个制动系统管路里是个什么水平呢？这里给各位观众一个参考：一般乘用车制动时的液压区间是1MPa到7MPa。如果不经常急刹的话，最常用的压力区间基本集中在1MPa到3MPa。并且，我们可以非常简单粗暴地认为，这个管线压力值除以10就是大致的减速度g值（基于实际制动力分配比的估算）。即1MPa时的减速度在0.1g前后，3MPa就是0.3g。那0.2到0.5MPa的活塞启动阈值对应的就是0.02g到0.05g这个区间。我要重申一下，这是个非常粗糙的换算，因为车重变化，（相同车辆）乘员人数多少都会轻易改变这个对应关系，更不要说前后轮的地面附着系数，刹车片摩擦系数浮动的影响了。这个换算只是帮你简单构建起数量级关系。而0.1g到0.3g是怎样的减速效果，各位可以在自己手机里装个APP，然后把手机放车里感受一下。感受完后再回去想想，什么样的人在什么样的场景下，会在0.02g到0.05g这样的区间里，精细地控制自己踩刹车踏板的力度，来实现大小活塞先后出击？这就是槽点2.
退一万步讲，就算通过精心设计活塞启动阈值（活塞滑移阻力），让大小活塞先后出动可行可用，这能获得线性的制动力么？稍稍思考一下就能想明白，在只有某一对活塞压着刹车片时，其产生的夹紧力也会随着液压上升而上升。这种关系是一次线性的，斜率就是活塞面积。当新的活塞加进来时，活塞面积增加了，那夹紧力的增长斜率就会改变。要说因此制动力有了多段变化，姑且还算说得过去。但是正是因为有了多段变化，制动力的增长就不再是线性的了。而且我们知道，定钳的大小活塞排布是有方向性的，但是这个大小活塞先后出动来获得线性也好，多段也好的制动力的逻辑，根本没有办法解释为什么大小活塞得有排布顺序这一点。这就是槽点3。
关于这个排布顺序背后的原因，我在讲扭矩扳手那个视频的P2里已经做了说明。而关于定钳带来线性脚感的成因，其实要用另外一套逻辑去理解。但是在继续看下去之前，请确保你已经看过，并且充分理解了我讲脚感的那个视频。这里重新回顾一下影响卡钳脚感的五大要素：
1） 卡钳钳体刚性
2） 刹车片压缩特性
3） 用于防拖刹的活塞回位间隙
4） 用于产生回位间隙的密封圈在压力作用下发生形变，因此需要补位的制动液体积
5） 制动液本身的压缩率。
如果用二维坐标棒状图来描述每个特性的压力对制动液容积特性，那么卡钳最终的脚感，就可以用他们的叠加结果来描述。以上是（设计中）可控（验证时）可知要素，如果要把不可控不可知要素算进去，那还得算上一个6）卡钳内部空气体积。如果把范围再扩大到制动液管路，那么7）连接卡钳的软管的膨胀特性也可以列出来。
上述特性可以被分为线性和非线性两类。明确线性的特性其实就只有1）卡钳钳体刚性和5）制动液压缩率。其他的全都是非线性特性。所以要让卡钳脚感变得线性，就得从那些非线性的特性下手，改善，或者抑制，甚至消灭它们。而定钳最容易改的就是3和4，只要降低活塞回位量就可以了。更甚至于，在几个月前，我通过一些信息渠道，大致确认了自己的一个猜想，就是所谓的竞技卡钳，它就没有活塞回位设计，也就是压根儿没有特性3和4。如果再搭配硬一点的，或者说压缩率曲线平直一点的刹车片，那就算不用主观脚感评价，客观的台架试验都能看出来是线性的。我要强调的是，脚感不是玄学，而是可以通过需液量（FVD）测试进行客观评价的。不过刚才提到的刹车片压缩率曲线这个点过后还会深挖一下，现在暂且先放一边。
那反驳了那么一大堆，还没有解释一个根本的逻辑问题，那就是为什么定钳要使用多活塞。如果我们单纯用帕斯卡定律去解释制动力的大小，那么活塞没必要做成多个。只要面积管够，单个活塞的制动力应该也能匹敌多活塞。要解释这个问题，还得先解决今天矛头指向的第二个错误认知：刹车片的摩擦材料面积越大，摩擦系数越高。
跟第一个误区相比，第二个误区的争议要大的多。因为大多数网友愿意相信在中学里学过的“摩擦系数和接触面积无关”这个结论。但这个结论并非普遍适用。它很难解释轮胎在不同气压下，接地面积不同带来的抓地力变化。在大学里，摩擦学（Tribology）用啮合或者粘附这些和接触面积相关的微观机制去解释摩擦力时，也得用真实接触面积（true contact area）这个概念去化解宏观现象和微观机制的矛盾。因此刹车片的摩擦系数到底是遵循中学物理的说法，还是类似轮胎抓地力变化的现象，就成了争议的焦点。并且这种争议还不局限于汽车圈，摩托车和自行车圈里也有。那实际情况到底如何呢？这里给各位观众一个工程上的结论：使用同样摩擦材料的刹车片，在同样的表面特征的刹车盘上，表现出来的摩擦系数，和两者之间的接触面积没有强相关性。
这个结论至少在我接触过的客户，以及刹车片供货商之间应该是没有异议的。并且我相信这个结论可以外推到使用同样刹车片供货商的友商，包括像布雷博这样的在改装圈拥有崇高地位的品牌。你还别不信，像我手上这几张名片来自于日本著名的摩擦材料制造商日清纺。根据我今年5月份访问他们工厂时对方给出的企业介绍，布雷博在他们家的营业额占比达到7%。（也就是说日清纺一年销售额里有7%是给布雷博做贴牌代工）你是不是觉得“才7%”？其实我们公司和隔壁ATE（Continental旗下卡钳供应商）也是7%。日系品牌Advics多一点，8%。扯远了，其实我想表达的是，在这个圈子里，一个刹车片供货商会给多个卡钳制造商以及主机厂供货，而卡钳制造商和主机厂也会从多个刹车片制造商那里采购。所以企业之间肯定是基于同一个前提，也就是我上面说的这个结论来进行摩擦材料的选择。当然了，如果友商不同意，欢迎随时打脸，我肯定虚心学习。
那口说无凭，来一点实物证据。我手上是三块大小不同的刹车片。它们来自同一个刹车片供货商：意大利品牌ITT。材料是GA9110，一种NAO型的摩擦材料。这些刹车片又去向同一个主机厂，用在三种大小不同的SUV车型的后卡钳上。把每块刹车片和刹车盘的接触面积以及摩擦系数总结起来是这个样子的。
这里的摩擦系数是基于每个卡钳型号，独立进行像AK-Master这样的台架试验，所测得的代表值，是写在递交给客户的图纸上的。实测结果会根据测试条件多少有点浮动，这就是为什么这三种尺寸的刹车片，摩擦系数并不完全相同的缘故。从这个数据里可以明显看出，摩擦系数和接触面积是没有直接联系的。了解一点刹车片标记的网友应该知道，这个摩擦材料旁边的HH是冷态和热态下的摩擦系数记号。这三种大小截然不同的摩擦片使用了同样的HH记号。并且，不光是我们公司，友商ATE的GA9110刹车片也打了HH标记。这些标记可以证明我所言非虚。
实际上这个中尺寸和大尺寸两款刹车片还有一个低金属（LS）摩擦材料GA6501的版本，用于欧洲市场车型。他们的接触面积和摩擦系数总结起来则是这样的。这个结果依旧符合我给出的观点。
既然摩擦材料的面积和摩擦系数没有直接联系，那么为什么定钳还是要把摩擦片做那么大，甚至有越做越大的趋势呢。那肯定有网友已经有答案了：为了提高刹车片的热容量。这个热容量可以用动能转化成热能的平均功率和刹车片的接触面积之比来量化，单位是W/mm2。举个简单的例子，假设有一辆车，最大载重时的重量为2吨，并且此时可以达到的最高速度为200km/h，直线减速时可以实现的最大平均减速度是1g，且该减速度下的后轮制动力占总制动力的25%。那么我们可以算出，最大车重最大速度时的整车动能约为3.1兆焦，减速时间5.67秒，平均功率545kW。分配到单个前卡钳上的功率是204kW，单个后卡钳则是68kW，一个卡钳里的两块制动片对半平分这些功率。
另一方面，卡钳厂商需要根据各种摩擦材料的特性给热容量划出一条线，并根据这个阈值算出所需的最少接触面积。比方说如果这条线划在10W/mm2，那么上述假设条件下，前轮需要的接触面积就是102cm2，后轮34cm2，如果划在15W/mm2，那么接触面积就得在前轮68cm2，后轮23cm2以上。以此类推。并且，因为NVH开发需要在摩擦材料上切出倒角，所以还得把这个倒角的余地也事先包含进去。如果刹车片面积不够，制动时转化出来的热能来不及耗散出去，那么片子就会快速升温超过承受极限，一开始可能还只是热衰减，继续下去还有可能发生摩擦材料碎裂或者起火，导致完全丧失制动力。所以我手上这些刹车片有大有小，就是因为他们分别对应了只搭载内燃机的小型SUV，以及搭载了混动系统的中型和大型SUV。所以我手上这些刹车片有大有小，就是因为他们分别对应了只搭载内燃机的小型SUV，以及搭载了混动系统的中型和大型SUV。混动系统的电机和电池包导致车身质量增大。极速相同时，车身质量越大等于动能越大，同样减速度下的减速功率也就越大，因此要用面积较大的刹车片。
一般汽车卡钳对于1g制动的设计前提肯定不是为了下赛道，而是以紧急避险为目的。所以制动时的尾速是0，也就是彻底刹停，且这种紧急避险不会连续重复发生，你可以简单理解为：挺过一次就是胜利（当然设计时不会真的只能承受一次）。与之相对的是，在赛道上，我们希望每个弯前制动的尾速都尽可能地高，逼近轮胎抓地力的极限。这就使得同样是1g平均减速度，一次弯前减速的平均功率要比彻底刹停要高。同样是上面的条件，但把尾速设定成90km/h时，平均功率就从545kW上升到了790kW。而且赛道上出弯后肯定是立刻加速，然后到下一个弯道再次重刹。如此反复，那在一个宽泛的时间范围里，制动功率要远超原厂设想的工况。就算不去动那个热容阈值，也得把接触面积提升上去。不但如此，还得强化刹车系统的冷却吹风。这才是改装卡钳刹车片面积大背后的逻辑。
搞清楚刹车片需要做大的原因，再回来看为什么定钳要做成多活塞。其实基础逻辑也非常简单，就是通过分散按压来实现接触压力均匀化。因为轮毂和轴头部分的尺寸限制，决定了刹车片要扩大面积，在圆周方向拓展尺寸比径向拓展要方便得多。这使得刹车片会趋近于长条形。但刹车片背板并不是刚体，它不能把活塞推力均匀分摊到整个摩擦材料上。如果坚持使用大直径单活塞，那么背板会弯曲变形，使得刹车片和刹车盘之间的接触压力集中在活塞按压的中央区域。这会造成几个结果，一是接触压力大的中央区域摩擦材料磨损得快，造成中间凹陷型偏磨，二是刹车片的压缩率也会变得高一些。
刹车片的压缩率测试遵循ISO 6310标准。如果你读过这个标准，就会发现，在这个测试里，负载的施加方式是和实际卡钳的活塞大小以及按压位置挂钩的。换句话说，就算是同一块刹车片，搭配上不同的活塞配置，会得到不同的测量结果。因此分散成多个活塞可以利用摩擦材料更多区域的弹性形变。这个原理有点类似之前讲轴承那期视频里的接触应力。因此分散按压，就算不能彻底改变压缩率的非线性，多少也能降低它的绝对值，从而降低非线性成分在整个需液量（FVD）里的占比。
而站在卡钳的角度上来说，分散活塞也可以降低卡钳的变形量。就好比在一座大桥上，是把巨大的载荷集中在中央一处更容易塌，还是分散到整个桥面更容易塌，就算没有学过材料力学也很容易想象对吧。这些细节对降低需液量都是有帮助。而这才是正儿八经的，对改装多活塞定钳提升脚感的科学解释。
好了，这就是本期视频的全部内容了。本来想着两千字解决问题，结果洋洋洒洒扯了六千字。这里还要感谢B站大佬SkyeyRing和另一位网友帮我检查文案。看在这份上，下次你们要是再看到宣扬这两个观点的视频，汽车也好，摩托车也好，自行车也好，把这个视频的链接发到评论区里。看看那些Up主怎么反驳。
下期视频应该会进入另一个我构思了很久，一直很想做的主题：汽车零部件的品质。这个话题内容有点多，我大概会分成四到五个视频做一个系列。感兴趣的朋友到时候可以捧个场。那么我们下期再见。
