電子制動器殼體剛度對夾緊力高溫衰退分析①

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的日益發(fā)展，尤其是電子技術(shù)越來越多地被集成到汽車零部件上，方便了駕駛員操控車輛，提供了更高的安全性和舒適性。汽車制動系統(tǒng)是車輛底盤的重要組成部分之一，也在不斷的創(chuàng)新和改進中，電子駐車制動系統(tǒng)(Electronic Parking Brake system)簡稱EPB越來越多地運到乘用車上[1]，其可以根據(jù)不同控制策略智能化地應對各種不同的工況，具有更高的安全性，更好的舒適性以及良好的人機交互界面，駕駛員只需要通過簡單地按壓或者抬起EPB控制按鈕，即可實現(xiàn)車輛駐車[2～3]。

國內(nèi)外更多的研究EPB控制系統(tǒng)以及控制策略，以此來滿足和擴展EPB的功能，但對處于坡道上的EPB夾緊后出現(xiàn)夾緊力衰退的機理尚無深入研究，尤其是當制動盤處于250℃并開始冷卻后導致的夾緊力衰退的研究。針對活塞直徑為38mm的EPB制動器殼體剛度研究，通過試驗驗證的方法，研究不同剛度的殼體通過EPB作用相同夾緊力后，隨著制動盤從250℃開始冷卻后，摩擦片對制動盤夾緊力的衰退，從而用于指導前期EPB制動器設計。

1 車輛坡道駐車靜力學分析和EPB制動器殼體設計

1.1 車輛坡道駐車靜力學分析

如圖1所示，根據(jù)車輛平衡方程計算可得單個車輛所需要最小制動力矩：

Mreq=0.5mgsin [arctan(aslope)]rTyre

單個制動器駐車時提供的制動力矩：

Mavlb=μ靜Fclreff

式中的變量說明如表1所示：

表1 靜力學公式變量說明

從圖1可以看到，F(xiàn)cl是摩擦片對制動盤施加的夾緊力，活塞和制動盤視為無變形的剛體，摩擦片在設計以及試驗均無變化，需要研究的制動器殼體對于高溫冷卻后對夾緊力衰退的影響，所以涉及到的變量只有殼體形狀，其他所有的周邊件以及系統(tǒng)參數(shù)均保持一致，初始設定的Fcl為17.5kN。

1.2 EPB制動器殼體設計

1.2.1 三維設計

通過Catia三維設計軟件進行殼體設計，殼體材料相同，設計了2款38mm缸徑活塞的殼體見圖2，圖3，分別為殼體1和殼體2，其剛度區(qū)別主要體現(xiàn)在橫梁處的設計。殼體2在橫梁處增加了材料,用于提高其剛度，并通過表2定義了殼體的物理參數(shù)。

表2 主要零件材料定義

1.2.2 殼體剛度的有限元仿真

將Catia中的建模文件轉(zhuǎn)換成STP并導入Abaqus有限元分析模塊中，使用C3D8實體單元劃分網(wǎng)格，如圖4和5。通過在殼體底部施加不同壓力，計算在殼體活塞孔底部中心處的變形量，以此作為殼體剛度的評估。其值見表3，從中可以得出，殼體2的設計剛度要好于殼體1，即殼體2較殼體1抵抗由制動壓力引起的變形能力更強。

表3 不同壓力下殼體變形有限元仿真數(shù)值

圖1 車輛坡道駐車示意圖和EPB卡鉗夾緊狀態(tài)示意圖

圖2 殼體1三維模型示意圖

圖3 殼體2三維模型示意圖

2 臺架實驗結(jié)果和分析

2.1 臺架殼體剛度測量

殼體變形試驗是為了驗證殼體剛度，制動器通過支架固定于臺架上，為了排除由摩擦片壓縮而引起的誤差，摩擦片用剛塊代替，在殼體的前后分別安放兩個千分表，進油孔與制動軟管相連。對制動器施加0～160bar的連續(xù)制動壓力，測量160bar時的千分表最大度數(shù)即為殼體變形量，如圖6。

圖4 殼體1有限元劃網(wǎng)格后的圖片

圖5 殼體2有限元劃網(wǎng)格后的圖片

根據(jù)圖7和圖8，從試驗結(jié)果可以看出:

(1) 殼體1 和殼體2 的各壓力下的變形結(jié)果趨勢和有限元結(jié)果趨勢吻合。其中殼體1在各壓力下和有限元的結(jié)果匹配較好。殼體2在60bar以下和有限元結(jié)果匹配較好，60bar至160bar，有限元結(jié)果再各壓力下比實測值略高，這可能是由于三維模型和實物存在一些差異，根據(jù)一般鑄造工藝，殼體的尺寸波動引起的局部材料和三維存在誤差，所以個別點和有限元結(jié)果不能非常吻合是可以接受的，但是整體變形趨勢是一致的。

(2) 殼體1的變形量無論是從制動器活塞底部還是制動器外側(cè)，均比殼體2大，殼體1的剛度低于殼體2。這主要是殼體2在橋壁處的材料比殼體1更多，可以更多地抵御相同壓力下的帶來的殼體變形。但是由于殼體是被施加固定夾緊力，當其在壓力作用下發(fā)生單位面積變形時，剛度好的殼體單位面積變形時受到的壓力更大，具體反應到摩擦片和制動盤間的夾緊力情況變化需要進一步通過系統(tǒng)臺架試驗來驗證。

(3) 殼體1活塞底部變形量比爪部略大，而殼體2則相反。說明殼體2在爪部多增加的材料可以有效地減小爪部的變形，如果殼體1需要減小爪部的變形，只需要在爪部開口處填補材料。

(4)殼體1殼體2 臺架殼體變形結(jié)果見表4表5。

表4 殼體1臺架殼體變形結(jié)果

表5 殼體2臺架殼體變形結(jié)果

① 帶剛塊的制動器總成 ②制動器支架固定板 ③模擬制動盤剛塊

圖7 殼體1臺架剛度測量曲線

圖8 殼體2臺架剛度測量曲線

2.2 系統(tǒng)臺架測試和分析

臺架測試通過電子制動器安裝于汽車后橋上搭建的臺架上，其羊角的軸承和臺架的慣量轉(zhuǎn)動臺相連，通過慣量臺帶動制動盤旋轉(zhuǎn)，模擬汽車行駛過程，同時可以通過控制正反轉(zhuǎn)速模擬汽車前進后退的溜車工況。通過一些固定于卡鉗和臺架上的傳感器，監(jiān)控摩擦片作用于制動盤的夾緊力以及制動盤所受到的扭矩。

圖9 殼體1夾緊力/制動力矩隨時間變化

圖10 殼體2夾緊力/制動力矩隨時間變化

從圖9的試驗結(jié)果曲線可以看到，殼體1隨著時間延長，其夾緊力鑄件逐漸衰退至接近15kN,但制動力矩仍然保持在950Nm至1000Nm,沒有出現(xiàn)制動力矩的衰退。

從圖10的試驗結(jié)果曲線可以看到，殼體2隨著時間的延長，其夾緊力逐漸衰退至13.5kN,制動力矩只有650Nm?？梢姎んw2在500秒后其剩余夾緊力相比殼體1要減少1.5kN,夾緊力衰退變化更大，減少約11%的夾緊力。

從圖11的曲線可以看到，隨著溫度從250℃逐漸減低到20℃，殼體1的EPB夾緊過程中，制動盤幾乎沒有滾動位移，受其傳感器精度影響，前3000秒內(nèi)有0.01m的位移波動，但可視為整車仍然處于一個靜止狀態(tài)。在這整個14000s的過程中，約3.9小時內(nèi)，沒有發(fā)生滾動位移。

從圖12的曲線可以看到，隨著溫度從250℃逐漸減低到110℃，制動系統(tǒng)沒有出現(xiàn)滾動位移，但從110℃逐漸減小至接近50℃時，系統(tǒng)出現(xiàn)了較大的滾動位移，滾動值為0.01+0.015+0.019+0.03+0.06=0.134m，即制動盤發(fā)生了0.134m的滾動位移，由于其滾動位移已經(jīng)大于0.1m，故試驗在1100s后終止。

圖11 殼體1溫度時間和滾動距離相對于時間的曲線

圖12 殼體2溫度時間和滾動距離相對于時間的曲線

3 結(jié) 論

通過以上的分析和試驗結(jié)果，我們可以得到：

(1) 制動器殼體橫梁處材料越多，其剛度越好，變形越小。

(2) 在相同缸徑，相同殼體材料，相同摩擦片以及相同電機駐車力作用下，剛度越好，變形越小的殼體會帶來更大的夾緊力衰退，伴隨著制動盤溫度減低后，其夾緊力會收到一定程度得減少，導致有溜車的風險。

(3) 后制動器38mm缸徑是最常用的活塞大小，在滿足制動器強度耐久試驗的前提下，通過有限元仿真計算60bar,100bar, 160bar下的殼體變形， 60bar大于0.1mm,100bar大于0.2mm，160bar大于0.3mm，將會對高溫冷卻后夾緊力衰退起到一定積極的作用。

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