制動卡鉗導向銷斷裂影響因素分析

汪方俊　吳海軍　辛慶鋒　呂波濤　史路浩　胡勇俊

摘 要：制動卡鉗的功能穩(wěn)定性是整車制動制動性能關鍵指標之一，故在產(chǎn)品開發(fā)過程中需進行零件級、系統(tǒng)級以及整車級別的測試驗證，以滿足市場環(huán)境中的所有工況下的性能要求。本文以產(chǎn)品驗證初期出現(xiàn)的制動卡鉗導向銷斷裂為例，對引起卡鉗導向銷斷裂的試驗方法、結構強度等因素進行了研究。分析出引起導向銷斷裂的關鍵因素，并通過結構的改進。消除了導向銷的斷裂風險，為后續(xù)的開發(fā)提供的技術支持。

關鍵詞：卡鉗導向銷 斷裂分析 試驗方法

1 前言

制動卡鉗是車輪制動系統(tǒng)的關鍵部件，卡鉗導向銷的作用是將卡鉗與支架連接，使卡鉗有軸向移動，車輛在制動時，隨著液壓力的作用，卡鉗沿著導向銷移動，夾緊制動盤從而形成制動，同時松開踏板時，又能使卡鉗回位達到解除制動的效果[1]。因車輛在高速制動時，制動盤的轉動慣性會傳遞至卡鉗導向銷，故卡鉗導向銷需要良好的抗剪切能力，同時保證制動時優(yōu)良的噪音表現(xiàn)，上述的技術能力可以通過測試或者CAE分析測出。

2 卡鉗導向銷斷裂故障說明

試驗車輛在進行24通道試驗時，在進行第467個循環(huán)時出現(xiàn)了左前卡鉗導向銷斷裂故障，更換導向銷后再次在第500個循環(huán)出現(xiàn)了斷裂故障，根據(jù)標準要求，制動系統(tǒng)部件試驗需滿足480循環(huán)無異常。前導向銷斷裂循環(huán)次數(shù)不滿足標準要求。

導向銷斷裂部位為銷軸直徑過渡處，經(jīng)斷口分析，該斷裂屬于受剪切力作用的疲勞斷裂。

還有種現(xiàn)象就是后卡鉗在經(jīng)過800個循環(huán)試驗結束后導向銷處無異常;

3 導向銷斷裂原因分析

導向銷常規(guī)的設計和制造裝配狀態(tài)下，所受剪切力比較小，同時導向銷是冷鐓工藝成型，產(chǎn)品自身的抗剪切能力較強。正常狀態(tài)不會疲勞斷裂。導向銷出現(xiàn)的異常斷裂故障在實際道路試驗中未有發(fā)生，為排查出導向銷異常斷裂的根本原因，本文特從設計、制造和試驗方法等角度進行了研究，制定改善措施，避免市場出現(xiàn)類似問題。

3.1 產(chǎn)品設計因素對導向銷的影響分析

導向銷將卡鉗與鉗體支架連接，制動時卡鉗在油液的推動下向制動盤一側移動，當摩擦片接觸制動盤時，卡鉗以導向銷為軸線移動，在移動過程會受到沿制動盤徑向的剪切力和卡鉗自重帶來的Z向重力，兩個受力的合力在顛簸路會使導向銷受一定沖擊。該沖擊力是否會造成導向銷斷裂，需要理論進行CAE分析。

針對該故障，特對前、后導向銷進行了剛度和強度CAE對比分析：

1）約束條件：夾緊處1-6自由度，見圖1;

2）載荷條件：導向銷頭部徑向加載力5000N;

經(jīng)分析，前、后導向銷的頭部加載5000N時的變形量分別為0.5mm和0.48mm，剪切應力滿足材料的許用應力。同對標了同類型的導向銷結構，其他車型的導向銷設計與該故障件結構一致。說明導向銷無設計缺陷，不會引起斷裂故障等問題。

3.2 試驗條件對導向銷斷裂的影響分析

車輛24通道試驗臺是道路模擬試驗臺，采用道路模擬試驗方法，能夠在實驗室內復現(xiàn)道路90%的故障。該試驗方法可以快速的試驗出產(chǎn)品結構是否存在設計缺陷。目前也是主流主機廠驗證結構件的主要方式。該試驗方法對制動的試驗條件是：

1）制動油壓設定為20Mpa;

2）試驗循環(huán)480，每循環(huán)制動次數(shù)32次;

3）試驗儲液罐置于卡鉗之下。

緊急制動時，管路油壓一般在8～10MPa，在零部件設計驗證時制動油壓不超過16MPa，道路模擬試驗油壓的設置超出了設計驗證范圍，油壓過大，會使卡鉗、制動盤等的變形超設計預期，導向銷的受力模型發(fā)生變化。

蓄液罐設置在卡鉗之下，會導致制動加壓泄壓之后卡鉗活塞的制動液回流，卡鉗活塞無預壓力而回退，再次制動同時伴隨著高頻振動狀態(tài)下，卡鉗處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易導致卡鉗導向銷的受力變化，同時在試驗過程中卡鉗處產(chǎn)生金屬敲擊聲，而該敲擊聲是制動后3s產(chǎn)生的。說明制動后油液回流至儲液罐，盤片間隙、活塞與片間隙加大，卡鉗一直在非設計狀態(tài)進行工作，導致導向銷的剪切力增大。

3.3 前后卡鉗結構對導向銷斷裂的影響分析

試驗中出現(xiàn)斷裂的導向銷均為前卡鉗，后卡鉗的導向銷結構、尺寸與前卡鉗導向銷相似，但并沒有出現(xiàn)故障。前后卡鉗在重量和結構存在差異，前卡鉗較后卡鉗重2kg，同時后卡鉗集成了駐車機構，軸向間隙緊湊，非制動狀態(tài)，前卡鉗活塞與盤的間隙最大4.4mm，但后卡鉗該間隙只有0.55mm。為驗證間隙與重量在該試驗條件下是否會對導向銷產(chǎn)生負作用，本文對不同間隙下的導向銷進行了CAE分析。

1）分析目的：前后制動卡鉗初始位置與卡鉗活塞最大退回量狀態(tài)下導向銷受力差異;

2）約束條件：約束卡鉗安裝支架

3）加載載荷：在制動卡鉗重心分別加載30g重量加速度質量。

分析結果顯示前導向銷在上述條件下的應力為184.72MPa和209.932MPa，說明卡鉗活塞退回量的增大會影響導向銷的受力狀態(tài)。同時后導向銷在上述條件下的應力分別為107.796MPa和108.960MPa，與前導向銷的差異大，這也驗證了為什么后卡鉗導向銷沒有出現(xiàn)故障的原因。

4 導向銷斷裂風險分析

試驗方法的不合理導致了導向銷異常斷裂，在實際工況下是否會存在？經(jīng)某OEM統(tǒng)計，車輛98%的制動減速度在0.3g以下，該車型在極端工況下能達到的最大制動強度是1g。要達到20Mpa的壓力，需要用1000N的踏板力，駕駛員是無法踩出。故雖然在模擬臺上出現(xiàn)了導向銷斷裂故障，但是實際不會出現(xiàn)該工況，風險極低。同時車輛已在試驗場進行了為期3個月的結構耐久測試，未出現(xiàn)導向銷異常的報告，說明產(chǎn)品在設計和質量管控上均滿足要求。

5 結論

制動卡鉗為安全部件，產(chǎn)品設計與驗證均非常重要。本文通過斷裂故障的問題排查重新梳理了產(chǎn)品設計，確定了產(chǎn)品設計的可靠性。同時針對試驗方法不合理的部分也進行的改善，如將試驗油壓設定在最大抱死壓力，與實際的最惡劣工況吻合，將儲液罐置于卡鉗之上，將保證了驗證的合理性，使得驗證結果更加合理。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算.北京： 清華大寫出版社，2004.