液壓盤式制動(dòng)器密封回位機(jī)理研究及設(shè)計(jì)計(jì)算

劉永傳，封萬程，李同占

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心,吉林長(zhǎng)春 130000)

0 引言

液壓盤式制動(dòng)器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、熱穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地應(yīng)用在汽車上。而液壓盤式制動(dòng)器活塞的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是盤式制動(dòng)器的關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)計(jì)合理與否直接影響制動(dòng)器工作時(shí)的靈敏性與可靠性。以往很多設(shè)計(jì)只考慮了活塞的密封，而忽略制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)后活塞回位等設(shè)計(jì)控制，造成新設(shè)計(jì)的液壓盤式制動(dòng)器可能存在如下問題：(1)制動(dòng)過程中，由于密封圈與活塞、密封圈用環(huán)槽間過盈量選取不當(dāng)，密封圈對(duì)活塞的“抱緊力”過大，造成制動(dòng)遲緩，甚至活塞被卡死，無法移動(dòng)；(2)制動(dòng)過程中，由于密封圈用環(huán)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成密封圈無法產(chǎn)生適當(dāng)變形，活塞移動(dòng)就與密封圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，制動(dòng)間隙無法復(fù)現(xiàn)；(3)由于制動(dòng)盤表面跳動(dòng)量大或偶爾受外力影響，通過制動(dòng)襯塊，活塞瞬時(shí)受一個(gè)回推外力，致使活塞與密封圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，使制動(dòng)間隙增大。

針對(duì)上述問題，生產(chǎn)廠往往通過大量試驗(yàn)來調(diào)整活塞、密封圈以及缸體之間的配合關(guān)系，造成大量浪費(fèi)。而作者將從靜密封機(jī)制分析入手，結(jié)合多年制造及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為液壓盤式制動(dòng)器活塞的密封回位提供結(jié)構(gòu)尺寸參考以及相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并舉例說明。

1 液壓盤式制動(dòng)器活塞的密封回位機(jī)制

圖1中視圖A為液壓盤式制動(dòng)器密封結(jié)構(gòu)示意圖。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)液一方面作用于活塞底端，推動(dòng)活塞及摩擦襯塊向制動(dòng)盤方向移動(dòng)，另一方面作用于制動(dòng)鉗缸體底端，推動(dòng)制動(dòng)鉗及摩擦襯塊向制動(dòng)盤方向移動(dòng)，從而使摩擦襯塊和制動(dòng)盤之間的制動(dòng)間隙消除，并在兩者端面產(chǎn)生正壓力，從而產(chǎn)生摩擦力，形成制動(dòng)力矩。在此過程中，密封圈內(nèi)環(huán)表面始終與活塞外表面始終緊貼，并存在“抱緊力”，該“抱緊力”應(yīng)能對(duì)制動(dòng)壓力產(chǎn)生密封。

圖1 液壓盤式制動(dòng)器密封結(jié)構(gòu)示意圖

液壓盤式制動(dòng)器制動(dòng)分兩種情況：

第一種情況，制動(dòng)間隙在設(shè)定范圍內(nèi)。此時(shí)，在“抱緊力”作用下，活塞移動(dòng)，密封圈內(nèi)環(huán)表面跟隨活塞移動(dòng)，密封圈只產(chǎn)生彈性變形(見圖2)，并且積累了彈性勢(shì)能。制動(dòng)解除后，活塞會(huì)因密封圈釋放彈性勢(shì)能而跟隨其回移，使活塞、摩擦襯塊、制動(dòng)盤三者之間的正壓力解除，制動(dòng)間隙復(fù)現(xiàn)，該過程制動(dòng)間隙保持不變；

圖2 制動(dòng)過程中的密封結(jié)構(gòu)

第二種情況，制動(dòng)間隙超出設(shè)定范圍(如盤式制動(dòng)器初始安裝狀態(tài)、摩擦襯塊磨損狀態(tài))。活塞移動(dòng)之初時(shí)，與第一種情況相同，但當(dāng)密封圈的彈性變形達(dá)到極限狀態(tài)后(即密封圈的彈性變形達(dá)到極限狀態(tài)時(shí))，活塞仍將繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)，活塞與密封圈將產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)(見圖3)，直至摩擦襯塊與制動(dòng)盤貼合，該相對(duì)滑動(dòng)不會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)解除而消失，即制動(dòng)解除后活塞只會(huì)回移至密封圈彈性變形消失，從而使制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整到設(shè)定范圍內(nèi)。

圖3 極限狀態(tài)時(shí)的密封結(jié)構(gòu)

從上述分析可知，密封圈與活塞之間“抱緊力”的大小，影響著盤式制動(dòng)器的密封以及制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間；而密封圈以及密封圈用環(huán)槽的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)影響密封圈的彈性變形量，該變形量對(duì)活塞回位量，即制動(dòng)間隙有重要影響。

2 液壓盤式制動(dòng)器活塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 活塞、密封圈和制動(dòng)鉗三者之間配合關(guān)系

根據(jù)上文分析可知，活塞、密封圈和制動(dòng)鉗三者之間關(guān)系的選取直接影響盤式制動(dòng)器的密封、制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間等性能。三者之間過盈量用密封圈寬度N與活塞外端面到溝槽內(nèi)端面距離P的比值表示，N、P如圖4所示。過盈量選取過小，會(huì)使“抱緊力”過小，從而出現(xiàn)盤式制動(dòng)器密封不嚴(yán)問題；而過盈量選取過大，則有可能使活塞移動(dòng)困難、反應(yīng)不靈敏。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，三者過盈量選取應(yīng)滿足以下條件：

圖4 密封結(jié)構(gòu)配合關(guān)系

2.2 密封結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)

密封結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)與選擇，是影響密封性能和壽命的重要因素。根據(jù)上文活塞密封回位機(jī)制的研究，推薦如圖4所示密封結(jié)構(gòu)，具體尺寸選取如下：

(1)密封圈結(jié)構(gòu)尺寸M×N：盤式制動(dòng)器密封圈大部分采用矩形密封圈，其尺寸規(guī)格見表1。

表1 密封圈端面寬度、高度及公差推薦值 mm

(2)活塞與制動(dòng)鉗缸體配合間隙Z。為保證活塞能夠自由移動(dòng)，并且制動(dòng)過程中不使摩擦襯塊發(fā)生偏磨，間隙Z選取要適當(dāng)，一般取0.04～0.18 mm。

(3)溝槽寬度W。根據(jù)橡膠變形時(shí)體積恒定這一情況并稍加寬，一般W≈M+1。

(4)溝槽深度P。根據(jù)第2.1節(jié)中所述，溝槽深度P與密封圈外徑與內(nèi)徑的高度差N有關(guān)，P≈N/1.1。

(5)溝槽圓端面倒角α。在制動(dòng)過程中，為便于活塞快速推出，提高制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，溝槽圓端面與活塞應(yīng)成一定角度α，其取值一般為4°～7°。

(6)溝槽上倒角β、Y。β和Y決定摩擦襯塊與制動(dòng)盤間隙，β一般為15°～25°；浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器Y值約為制動(dòng)間隙的2倍，固定鉗盤式制動(dòng)器Y值等于制動(dòng)間隙。

(7)溝槽下倒角λ、X。汽車在行駛過程中，由于存在跳動(dòng)，制動(dòng)盤通過摩擦襯塊擊打活塞，使活塞與密封圈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，不僅增加了下次制動(dòng)時(shí)反應(yīng)時(shí)間，由于頻繁相對(duì)滑動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致密封圈壽命大大縮短，為此，在溝槽下端面加倒角，使活塞帶動(dòng)密封圈產(chǎn)生彈性變形，而不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。λ一般為45°，X一般為0.2～0.5 mm。

3 舉例

需要為某車型設(shè)計(jì)一款雙缸φ50.8 mm的浮動(dòng)鉗盤式制動(dòng)器，要求新設(shè)計(jì)的液壓盤式制動(dòng)器應(yīng)滿足如下要求：

(1)壓力15 MPa時(shí)，120 s內(nèi)的壓力降Δp≤200 kPa；

(2)活塞滑動(dòng)阻力為70～700 N；

(3)制動(dòng)間隙Δs≤0.3 mm(即活塞回位量ΔL≤0.6 mm)。

密封圈按表1推薦值選取，M=(3.1±0.1)mm，N=(3.3±0.1)mm。

溝槽寬度W=M+1=4.1 mm。

由于密封圈截面寬度N已確定，因此P≈N/1.1≈3 mm。

其余特征參數(shù)根據(jù)上文可知，溝槽圓端面倒角α取中間值為6°；由于制動(dòng)間隙設(shè)計(jì)目標(biāo)Δs≤0.3 mm，并且考慮制動(dòng)間隙過小可能會(huì)導(dǎo)致拖滯力矩增加，因此取Y=0.5 mm；β取中間值，為20°；溝槽下倒角取λ=45°，X=0.5 mm。

綜上，得出活塞密封環(huán)槽結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 新設(shè)計(jì)液壓盤式制動(dòng)器密封環(huán)槽尺寸表

按上述設(shè)計(jì)的液壓盤式制動(dòng)器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如圖5—圖7所示。

圖5 密封性試驗(yàn)結(jié)果

圖6 活塞滑動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果

圖7 活塞回位量試驗(yàn)結(jié)果

新設(shè)計(jì)的盤式制動(dòng)器120 s內(nèi)壓力降Δp=180 kPa；最大活塞阻力為266 N；活塞回位量ΔL=0.52 mm，即制動(dòng)間隙Δs=0.26 mm。試驗(yàn)結(jié)果全部符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 總結(jié)

液壓盤式制動(dòng)器密封回位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)制動(dòng)器的密封性、反應(yīng)時(shí)間、拖滯力矩等都有影響。通過理論分析以及設(shè)計(jì)計(jì)算，詳細(xì)介紹了液壓盤式制動(dòng)器密封回位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，為液壓盤式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了參考。

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