機械球盤式集成式制動鉗總成駐車效率的分析及改善措施

文|黃巨成 李虎本 奇瑞商用車（安徽）有限公司

一、前言

21世紀之初，汽車工業(yè)進入飛速發(fā)展期。中國汽車行業(yè)在激烈的市場競爭環(huán)境中，較高的性能要求和較低的成本控制成為行業(yè)共同期望，并帶給零部件供應(yīng)商更大的生存壓力。

目前國內(nèi)制動器供應(yīng)商的機械式駐車效率普遍不高，在保證一定駐車力的前提下難以保證較小的拉線力或行程。在這種駐車效率較低的情況下更容易出現(xiàn)駐車能力不足或者達到一定駐車力時需要更大拉線力或行程的情況。因此提升機械集成式制動鉗的駐車效率成為汽車制動器供應(yīng)商急需解決的問題之一。

二、機械集成式制動鉗的工作原理

1、IPB的定義

IPB是集成式駐車制動器（Integrated Parking Brake）的簡稱，是將駐車制動裝置和卡鉗結(jié)合為一體的集成式卡鉗。按結(jié)構(gòu)形式可分為凸輪軸式 (Camshaft and Rod brake Caliper，簡稱CAR)和球盤式（Ball in Ramp Brake Caliper，簡稱BIR）。按其工作形式可分為機械式（Integrated Mech anical Parking Brake Caliper,簡稱MPB）和電子式（Electr omechanical Parking Brake Caliper,簡稱EPB）。

2、球盤集成式制動鉗的工作原理

球盤集成式制動鉗的結(jié)構(gòu)因制動器供應(yīng)商不同而有一定差異，但基本原理相同。某種球盤式制動鉗總成的組成如圖1所示。

駐車機構(gòu)的工作原理：當(dāng)轉(zhuǎn)動擺臂時，自調(diào)軸在自調(diào)座上旋轉(zhuǎn)，并由于帶有角度的滾道，便朝制動盤方向作軸向移動。螺套在此推動并傳遞至螺桿，螺桿推動活塞，活塞推動內(nèi)摩擦塊，內(nèi)側(cè)制動塊壓在制動盤上，產(chǎn)生的反作用力便通過固定在鉗體上的自調(diào)座傳遞至鉗體。鉗體的運動拉外摩擦塊對著制動盤運動，制動盤兩側(cè)產(chǎn)生相同的制動力。釋放手制動時，制動塊與制動盤的正常間隙是由螺桿螺套間隙和活塞密封圈的設(shè)計變形量來控制的原理如圖2所示。

圖2 駐車機構(gòu)的工作原理

三、機械集成式制動鉗駐車效率損失原因

1、反作用力

駐車力是由擺臂轉(zhuǎn)動后帶動一系列零件運動最終轉(zhuǎn)化為活塞的平移形成了推力，零件運動轉(zhuǎn)化示意圖，如圖3所示。在駐車過程中輸出力受到的反作用力分為兩種：一種是為保證活塞回位、自調(diào)機構(gòu)自調(diào)、保證零部件某些功能而必不可少的力，如拉簧（扭簧）力和自調(diào)彈簧力等；另一種為零部件運動過程中所損耗的力，主要為摩擦力，如圖4所示。

圖3 零件運動轉(zhuǎn)化示意圖

圖4 運動過程中所損耗的力

2、零件變形

駐車力的傳導(dǎo)、輸出所涉及的零件均為鋼材料，具有較好的剛性。但仍不可避免的會有剛性變形。變形量的大小直接影響駐車的效率特別是行程的大小。通過分析和實驗，如擺臂和拉線座，在1200N的拉力下，變形量甚至可超過1mm，如圖5所示；螺桿螺套等件在10kN的載荷下也會產(chǎn)生近0.5mm的變形，如圖6所示。

圖5 擺臂、拉線座變形

圖6 螺桿、螺套變形

3、力的分解

輸入力通過擺臂的轉(zhuǎn)動、自調(diào)軸轉(zhuǎn)動、鋼球滾動和自調(diào)軸平移等過程轉(zhuǎn)化為活塞的推出力，此過程中球道的作用尤為關(guān)鍵。

從圖7中可以看出，球道具有一定角度。球道推力F的作用效果被分為兩個分力。第一個力為對螺套的推力（F1=Fcosθ）；第二個力為對鋼球的回推力（F2=Fsinθ），這個力減小了擺臂的輸入力的效果，從而也減小了對螺套的推出力。

圖7 力的分解

四、駐車效率的改善措施、建議

1、提高裝配后活塞與自調(diào)軸同軸度

裝配后活塞與自調(diào)軸同軸度不良，則會導(dǎo)致零部件卡滯，減小了力的作用效果。要保證裝配后的同軸度，首先需保證各零件的相關(guān)形位公差、各球道的角度偏差和深度尺寸等。為了保證裝配出的成品件同軸度，需在生產(chǎn)線上對同軸度進行100%檢測，對于同軸度超差的不良品堅決隔離，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。同時，在裝配生產(chǎn)線上需采用能保證同軸度的工裝、設(shè)備進行裝配，或采用特殊技術(shù)在裝配過程中矯正零件裝配時的同軸度。

2、提高零件的剛性

零件剛性過差，在受力時產(chǎn)生變形，此時力的作用損失，或零件因尺寸變化而無法保證較理想的輸出力，如擺臂、拉線座的變形控制，在條件允許下，變形量應(yīng)控制在0.5mm以下?？梢酝ㄟ^采用較厚的板材、設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)化（折彎處增加凸筋及焊接加強板等）、選用剛性更強的材料等方法改善變形量。

如自調(diào)軸、自調(diào)座的球道尺寸和順滑度直接影響輸入力與輸出力的杠桿比。要保證在載荷作用下變形盡量小，除了選用合適的材料外，球道表面的硬度也需重點保證?？赏ㄟ^滲碳等熱處理來提升硬度并保證滲碳深度。

3、合理減小扭簧/拉簧反作用力

集成式制動鉗集合了行車制動及駐車制動功能，若駐車后活塞無法回位，則制動鉗與制動盤會一直拖磨，產(chǎn)生較大拖滯。因此需要扭簧將轉(zhuǎn)臂帶回（球道、螺套回位）以保證活塞有足夠的間隙完成回位，此過程即為駐車間隙自調(diào)。因此扭簧的作用是必不可少的，扭簧的反作用力也無法消除。

扭簧的反作用力大小對于輸出力的影響非常大。如某產(chǎn)品理論杠桿比為10，即當(dāng)擺臂處輸入力為600N時，活塞的推出力為6000N；此時扭簧的反作用力若增加10N，則擺臂實際輸入力為590N（減小10N），活塞的推出力為5900N（減小100N）。但如果扭簧的力過小則制動鉗無法完成駐車間隙自調(diào)，也是不可取的。因此扭簧力大小的設(shè)計，必須在保證間隙自調(diào)的基礎(chǔ)上進行設(shè)定。

4、球道尺寸控制

自調(diào)軸、自調(diào)座各有三個球道，主要影響尺寸為球道角度、偏距及各球道的偏差。球道角度影響了力跟行程的變化：角度過大，力的輸出偏小；角度過小，球道升程不足，容易不駐車。偏距為球道底部圓角與角度球道的偏移距離：偏距過大則初始力的上升過慢，造成輸出力偏小；偏距過小則前一小部分球道作用不理想，僅用于螺桿螺套間隙消除，沒有力的輸出。球道尺寸的偏差影響自調(diào)機構(gòu)運作時的同軸度，因此對于自調(diào)軸、自調(diào)座的三個球道的偏差需制定一定的要求。如三個球道的角度偏差不大于5%；要保證較小的偏差，對于冷墩模具的尺寸、工藝則需更嚴格的控制來確保。

5、螺桿、螺套的軸向間隙設(shè)定

螺桿螺套的嚙合設(shè)計是存在軸向間隙的，主要用于自調(diào)機構(gòu)的自調(diào)。螺桿螺套的間隙過小，則活塞回位量不足，會造成拖滯過大；間隙過大；則角度球道需要一部分行程用于消除間隙，角度球道的作用被削弱。

因此，螺桿螺套的軸向間隙設(shè)計應(yīng)與上節(jié)中的球道偏距設(shè)計相配合。在滿足自調(diào)機構(gòu)自調(diào)間隙的前提下，如何使在盡量小的輸入力下，鋼球爬上角度球道的同時，螺桿螺套間隙消除，以達到球道對力反饋的最佳效果，是設(shè)計、驗證中的重點研究方向。

五、結(jié)論

汽車的駐車制動器是保證斜路面上保持汽車長期靜置的裝備，因此必須安全可靠。機械集成式制動鉗總成已被廣泛應(yīng)用于各乘用車廠商，因此駐車效率的優(yōu)劣也很大程度上決定了對供應(yīng)商的選擇。本文鑒于以上出發(fā)點對影響駐車效能的因素做了分析闡述，并提出了現(xiàn)實可行的改善建議，為讀者了解機械集成式制動鉗的駐車效能損失因素、改善駐車效率的研究提供了參考。