汽車駐車制動拉索的布置與設計

崔祥波， 游廷海，張德志

(奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院，安徽蕪湖 241006)

汽車駐車制動拉索的布置與設計

崔祥波， 游廷海，張德志

(奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院，安徽蕪湖 241006)

為探索汽車駐車制動拉索的布置和設計要點，對拉索各零件的受力情況及其之間的關系進行研究,基于力學分析結論，結合多年的實際研發(fā)經(jīng)驗，給出拉索的布置設計、結構設計和周邊件設計的關鍵點。

駐車制動拉索；布置；設計要點

0 引言

汽車駐車制動系統(tǒng)分為機械式和電子式兩種，駐車制動拉索(后面簡稱拉索)是機械式駐車制動系統(tǒng)的重要組成件。文中建立一個拉索的力學模型，分析拉索各子零件的受力情況及它們之間的關系?；诖?，對拉索的結構設計、布置設計、周邊件設計要點進行了研究。汽車中還有很多和駐車制動拉索相似的零件，比如換擋操控拉索、車門操控拉索等，其設計研究均可參考此文。

1 駐車制動拉索的作用和結構分析

拉索的作用有兩個：(1)傳遞手剎操縱機構(后面簡稱手剎)輸入的操縱力。拉索的力傳遞效率越高，它傳遞給制動器的力就越大，制動效果就越好，這個過程很明顯，不再贅述。(2)傳遞手剎輸入的操縱行程。制動器內部的駐車拉臂要有足夠的行程才能使制動蹄產生足夠大的變形量，進而產生需要的駐車力。駐車制動系統(tǒng)各零件和固定拉索的車身都不是絕對剛體，有彈性，會消耗一些行程。在手剎輸出行程一定的情況下，如果拉索消耗行程比較大，則制動蹄變形量不足，傳遞的力無法形成有效支撐，也就無法傳遞力。行程傳遞是力傳遞的基礎，所以，拉索的行程傳遞效率越高越好。

圖1是一種典型的駐車拉索結構圖，拉索主要由鋼絲繩、鋼絲繩前球銷、鋼絲繩后球銷、護管、護管前接頭、護管后接頭、回位彈簧、支架等組成。

圖1 一種典型的駐車拉索結構圖

護管是拉索的核心子零件，有必要先對其內部結構作詳細分析。圖2是護管內部結構剖視圖，護管由外層PVC、鋼絲卷簧管、內襯管三部分硫化卷制在一起而成，是一個復合結構件。外層PVC起密封和保護作用，和鋼絲卷簧管硫化在一起。鋼絲卷簧管是用鋼絲繞制而成的細長管，起導向支撐作用。卷簧各圈之間有間隙Δs(為突出顯示，Δs畫得比較大，實際很小，接近于0)，力和行程的傳遞要先消除這個間隙，所以卷簧的致密度直接影響拉索的行程效率。為提高拉索的行程效率，也有公司要求，拉索總成制作前要對護管進行一次大壓力的縱向壓縮，以提高其致密度。卷簧各圈無法光滑連接，所以其內壁無法做得很光滑，如果鋼絲繩直接裝入卷簧管中，使用時很快會被磨破，所以在卷簧管內需要加一個內襯管，鋼絲繩最終是穿入內襯管中。駐車時，鋼絲繩和內襯管摩擦，顯然，內襯管的主要作用是減小摩擦力。內襯管常用材料為PE，也有公司使用有自潤滑性能的聚四氟乙烯做內襯管，進一步減小摩擦力。護管之所以做成這種復合結構而不是直接使用無縫鋼管，原因有兩個：(1)拉索走向往往需要很多折彎，用鋼管制作，制造和裝配都會非常困難；(2)拉索有一段需要跟著后懸架一起跳動，要求拉索有一定柔性以適應這種跳動帶來的長度變化和力沖擊，鋼管不滿足要求。

圖2 護管內部結構剖視圖

2 駐車制動拉索受力分析

實車拉索往往不可能完全直線布置，如圖3所示，假設右側那個空間被零件P占用了，則拉索要避讓，拉索就必然需要折彎。經(jīng)理論分析和試驗驗證，受力分析結論如下：

(1)鋼絲繩只受到3個力F1、F4、f1，其關系為F1=F4+f1。

(2)護管只受到3個力F2、F3、f2，其關系為F2=F3+f2。

(3)F1=F2，力大小相等，方向相反。

(4)F3=F4，力大小相等，方向相反。

(5)f1=f2，力大小相等，方向相反。

(6)f1、f2隨輸入力F1的增加而增加，綜合摩擦因數(shù)平均值為0.136，設計時按此計算。

(7)護管前接頭和護管后接頭都只受壓力(F2、F3)，不受拉力。

(8)靜態(tài)段支架不管支架是否鉚接在護管上，支架均不參與鋼絲繩和護管各力之間的平衡，支架受力接近于0。支架的作用僅僅是定位護管的走向，受到的力等于因固定走向而帶來的護管彈力，這個力很小，一般不超過150 N。

(9)動態(tài)段支架和靜態(tài)段支架一樣，不參與鋼絲繩和護管各力之間的平衡。但動態(tài)段支架的作用，除了定位護管的走向，還要承受動態(tài)段拉索長短變化帶來的沖擊力和拖拽力，所以支架和護管的鉚接力要足夠大，最少200 N以上，否則拉索沖擊力可能破壞鉚接狀態(tài)，鉚接狀態(tài)被破壞后護管很快就會被磨破。

(10)不同工況下拉索各部位受力最大值分析。以乘用車為例，根據(jù)法規(guī)要求、行業(yè)內實際情況、特殊工況下手剎的最大受力，結合(1)—(7)的結論，可計算得到不同工況下拉索各部位最大受力值，見表1，這就是拉索和周邊件剛度及強度校核的輸入力。

F1—鋼絲繩前球銷受到的手剎傳來的輸入力F2—護管前接頭受到的壓力F3—護管后接頭受到的壓力F4—鋼絲繩后球銷受到的制動器拉力(等于鋼絲繩的輸出力)f1—鋼絲繩受到的內襯管的摩擦力f2—內襯管受到的鋼絲繩的摩擦力

圖3 拉索有折彎布置情況下的力學模型

表1 不同工況下拉索各部位最大受力值

3 拉索布置設計

3.1 整體走向設計

盡可能對稱布置，以使左右拉索的長度相等且對稱彎曲，其好處是左右拉索的力效率和行程效率相等，拉索輸入給左右駐車制動器的力和行程相等。

3.2 拉索引出車身的角度

與水平面夾角不宜超過30°，否則與之配合的手剎的設計會比較困難。與車身縱向中心線的夾角不宜超過10°，否則手剎的縱向力被分解掉的力太大，并且手剎平衡架容易被拉裂。

3.3 溫度場設計

主要是注意拉索和排氣管的距離。各工況溫度場環(huán)境中，拉索表面溫度不得超過120 ℃，理想狀態(tài)是控制在100 ℃以內，以防止PVC老化及潤滑脂干枯。

3.4 拉索靜態(tài)段和動態(tài)段的設計

3.4.1 靜態(tài)段設計

不隨著后懸架跳動而跳動的一段稱為靜態(tài)段。設計目標是：(1)不和周邊件干涉。(2)曲率半徑不小于100 mm。靜態(tài)段進行靜態(tài)校核即可，設計簡單，確定好支架的位置就能達到以上要求。

3.4.2 動態(tài)段設計

隨著后懸架跳動而跳動的一段稱為動態(tài)段。設計目標是：(1)跳動空間范圍內不得和周邊件干涉。應做出懸架上下跳動極限范圍內的拉索運動包絡，尤其要注意和輪胎的距離。(2)曲率半徑不小于100 mm。(3)合理的長度。如圖4所示，拉索AZ段隨后懸架跳動而跳動，AZ段即為跳動段。布置拉索時，拉索旋轉中心A和后懸架旋轉中心B往往無法重合，跳動時拉索“理論中心曲線長度”AZ會有變化，而后懸架長度BZ固定不變(后懸架是剛體件)。拉索“實際長度”小于“理論中心曲線長度”，則無伸縮富余量，在圖中車輪上極限位置會被拉斷；拉索實際長度比理論中心曲線長度大太多，則伸縮富余量大，在圖中車輪下極限位置曲率半徑小，拱緊力大，容易損壞支架。動態(tài)段實際長度一般應比理論中心曲線長度的最大值大0～10 mm，且動態(tài)段長度應不小于450 mm(在不與周邊件干涉的前提下，越長越好)，長度越短柔性越差就越容易扭傷。動態(tài)段需要進行動態(tài)校核，設計復雜。

點Z—拉索后接頭和制動器固定點 點A—拉索動態(tài)段支架固定點

點B—后懸架旋轉中心軸中點

圖4 拉索旋轉中心和后懸架旋轉中心不重合示意圖

3.4.3 靜態(tài)段和動態(tài)段分割方案

如圖5所示，靜態(tài)段和動態(tài)段通過支架分割為界限明顯的兩段，分割方案有4種，目標都是盡可能使拉索旋轉中心和后懸架旋轉中心重合，減小拉索在跳動時的長度變化。各方案具體描述見表2。方案一和方案二最理想，如果受周邊件限制無法達成，則選用方案三和方案四。

點X—拉索前接頭和車身中通道固定點 點Y—拉索前端支架固定點 點Z—拉索后接頭和制動器固定點 點A1、A2、A3—拉索動態(tài)段支架固定點 點B—后懸架旋轉中心軸中點

圖5 拉索動態(tài)段和靜態(tài)段分割方案圖

表2 拉索動態(tài)段和靜態(tài)段4種分割方案

4 拉索設計的關鍵點

4.1 回位彈簧設計

駐車制動器有3種結構型式：帶駐車功能的綜合鼓式制動器、盤中鼓式制動器、帶駐車功能的綜合卡鉗制動器。前兩種制動器的駐車拉臂回位彈簧的力無法設計得太大，駐車拉臂回位彈簧不能兼做拉索回位彈簧，所以駐車拉索需要自帶回位彈簧。綜合卡鉗的駐車拉臂回位彈簧可以設計得足夠大，該回位彈簧可以兼做拉索回位彈簧，所以和綜合卡鉗配合的拉索可以不帶回位彈簧。

拉索回位彈簧的總體設計原則是：(1)初始力足夠大。這樣才能保證鋼絲繩回位，松開手剎時，鋼絲繩摩擦力阻力一般要求小于10 N，所以回位彈簧初始壓力應大于10 N。(2)剛度小。拉動手剎，回位彈簧被進一步壓縮，彈簧剛度小，其彈力才不會明顯增加，不會過多消耗手剎操縱力。剛度一般不大于2 N/mm。(3)在“拉索工作行程”范圍內操縱拉索，彈簧不得出現(xiàn)“并圈”現(xiàn)象。如果彈簧并圈，拉索力將全部消耗在拉索內部，無法傳遞給制動器。拉索工作行程可以用手剎的滿行程來定義，設計合理并且調整得當?shù)鸟v車系統(tǒng)，在手剎操縱滿行程的2/3以內即可使整車在20%的坡道上駐車，這種坡道已經(jīng)非常陡峭，在日常生活中很少遇到。所以，手剎不會拉動到滿行程，以手剎的滿行程作為拉索的工作行程足夠。手剎滿行程一般不大于21 mm。

4.2 拉索密封結構的設計

拉索總成的密封結構非常重要，其作用有3個：第一個作用是防進水結冰。如果拉索在使用過程中進水，氣溫0 ℃以下這些水會結冰，鋼絲繩和護管被凍在一起，導致拉索無法拉動，完全失去功能。在寒帶地區(qū)的一些駕駛員，到了冬天很少使用手剎駐車，其目的也是防止拉索進水結冰。設計良好的拉索，密封性良好，不必有此擔心。第二個作用是防止?jié)櫥瑩]發(fā)。顯然，潤滑脂在裸露的環(huán)境中很容易揮發(fā)，拉索的密封性越好潤滑脂的使用壽命周期越長。潤滑脂揮發(fā)，拉索內部潤滑不足，內部摩擦力將急劇上升，不但駐車費力，還會導致鋼絲繩和內襯管磨損。第三個作用是保護潤滑脂的品質。密封不良，會進水或粉塵，破壞潤滑脂的潤滑能力，造成鋼絲繩和內襯管的早期磨損。密封結構設計主要集中在接頭和鋼絲繩配合處。

4.3 A+B長度的設計

如圖1所示，A+B尺寸即鋼絲繩活動段的總長度。這個長度影響：(1)拉索和手剎及制動器的掛入裝配性，A+B過短，不易裝配。(2)駐車制動系統(tǒng)的調整富余量，A+B過長，裝配后系統(tǒng)沒有調整富余量。(3)左件和右件的長度差異影響手剎平衡塊的扭轉角度，差異過大，平衡塊扭轉角度大，容易被拉裂。

4.4 拉索原因導致駐車系統(tǒng)松曠及行程加大的失效模式分析

駐車制動系統(tǒng)在制動器的效能因數(shù)、拉索的力傳遞效率和行程傳遞效率都很高的情況下，仍會出現(xiàn)以下兩種問題:問題一,車輛使用一段時間手剎行程會變大，手剎要操縱更大的行程才能駐坡，甚至還出現(xiàn)松曠異響，其原因一般是表3中的1—4。該問題通過調整駐車系統(tǒng)松緊度可以解決，但應想辦法減低失效模式的影響程度。問題二,新下線的車駐坡能力就不好，這往往是表3中的原因5—6導致，該問題無法通過調整駐車系統(tǒng)松緊度解決，只能靠提高系統(tǒng)剛度解決，這兩個原因往往被忽略，應引起重視。

表3 拉索原因導致駐車系統(tǒng)松曠及行程加大的原因分析

4.5 各零件材料選擇

如前所述，動態(tài)段支架受力較大，一般用2 mm厚的鋼板制作，并做出各種加強筋，以保證其強度和剛度。靜態(tài)段支架受力不大，可以根據(jù)空間結構需要，用1.5 mm鋼板、鋼絲、塑料制作，也可以用彈簧來引導拉索走向。護管前接頭和護管后接頭，主要考慮承受壓力的能力，可以用鋼材、鋅鋁合金、尼龍制作，鋅鋁合金和尼龍使用比例越來越高。鋼絲繩前球銷和鋼絲繩后球銷，主要考慮承受拉力的能力以及耐磨性，可以用鋼材、鋅鋁合金制作?；匚粡椈梢话闶褂?5Mn60、Si2Mn等彈簧鋼絲制作。

4.6 對周邊件的設計要求

(1) 影響整車NVH密封性的周邊件。比如拉索過車身中通道位置，為滿足整車NVH要求，應對中通道配合面的平面度和尺寸精度提出要求。

(2)影響拉索裝配牢固度的周邊件。比如和拉索接頭及支架配合的周邊件，應對其平面度和尺寸精度提出要求。

(3)影響拉索裝配后有效長度的周邊件。和護管接頭配合的周邊件，應對其剛度及定位尺寸精度提出要求。

4.7 拉索的使用壽命

以頻繁使用手剎的城市工況計算，平均每3～4 km使用一次手剎，30×104km使用手剎的次數(shù)不超過10萬次，拉索工作耐久試驗一般要求10萬次以上無功能失效，所以拉索一般為伴隨整車終生不更換。

4.8 試驗項目

最重要試驗項目包括：力效率、行程效率、擺動耐久、工作耐久和防水性能。一般都是將拉索總成按實車裝配狀態(tài)裝配，模擬各種工況進行相應的試驗。尤其應重視擺動耐久試驗，大部分拉索的問題都發(fā)生在擺動耐久上，拉索應按實車狀態(tài)裝配，裝配拉索的夾具剛度應不低于車身，模擬后懸架擺動的運動機構，其擺動幅度和擺動軌跡應按實車情況。

5 結論

文中對拉索各部位的受力情況、力學關系及力的生成過程進行了研究和試驗驗證；對拉索的結構設計、材料選擇、行程變化規(guī)律、試驗項目進行了研究；對拉索的布置設計、周邊件設計進行了研究。

[1]公安部道路交通管理標準化技術委員會.機動車運行安全技術條件:GB 7258-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2]全國汽車標準化技術委員會.汽車用操縱拉索總成:QC/T 29101-1992[S].北京：中國標準出版社，1992.

[3]劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

[4]魯?shù)婪騆.汽車制動系統(tǒng)的分析與設計[M].張蔚林,陳名智,譯.北京:機械工業(yè)出版社,1985.

TheLayoutandDesignofAutomobileParkingBrakeCable

CUI Xiangbo, YOU Tinghai, ZHANG Dezhi

( Automotive Engineering Research Institute,Chery Automobile Co., Ltd.,Wuhu Anhui 241006,China)

In order to explore the key points of layout and design of automobile parking brake cable,the force conditions of various parts of parking brake cable and the relationship between them were studied.Based on the analysis conclusion,combining with many years practical research and development experience,the key points of cable layout design， structure design and the surrounding parts design were given.

Parking brake cable;Layout; Design key points

2017-08-01

崔祥波(1977—)，男，碩士研究生，工程師，從事汽車制動系統(tǒng)的產品設計工作。E-mail：cuixiangbo@mychery.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.12.003

U463.5

B

1674-1986(2017)12-009-05