EPB 卡鉗拖滯力矩的 測試方法和解決方案

文|奇瑞商用車（安徽）有限公司 黃巨成 李虎本 朱亞偉

一、前言

隨著現代汽車電子產品的普及，一種取代傳統機械駐車的電子駐車系統越來越普及。EPB（Electrical Park Brake）駐車系統相比傳統的機械手剎更安全，不會因駕駛者的力度而改變制動效果。隨著全世界節能環保要求越來越高，各行各業都追求更少的燃料獲得更高的做功要求越來越高。針對汽車制動卡鉗技術，降低卡鉗拖滯力矩是永恒的追求的技術難點。制動卡鉗的拖滯力很大一方面是由于摩擦片和制動盤的分離不徹底（摩擦片沒有回位）。但是由于EPB 卡鉗駐車時卡鉗夾緊力更大，系統變形更大，故在駐車釋放后卡鉗的拖滯力矩相比傳統的卡鉗更惡劣。

拖滯力就是一種殘余應力，一般出現在液壓盤式制動器，由于制動活塞在工作缸內由液壓油推動工作，達到制動的目的。制動活塞回位不完全時，會產生殘余應力，也就是拖滯力。如果拖滯力大于標準的話，即使松開了剎車踏板，摩擦片始終和制動盤有殘余的摩擦力。過大的拖滯力的存在，導致車輛燃油經濟性降低，油耗將增大。

二、問題現象

此款車型后輪裝配集成式EPB（Electrical Park Brake）卡鉗的盤式制動器，主要技術參數為：卡鉗缸徑為φ38mm，制動盤厚度為12mm，制動有效半徑為125mm，如圖1 所示。

圖1 集成EPB 卡鉗的后浮動卡鉗盤式制動器

該車型正常行駛（非剎車過程）的過程中，后輪制動盤溫度急劇上升。進一步測試后輪拖滯力矩，左/右后輪輪邊拖滯力矩達到8N·m 以上。確定制動盤溫度上升的原因為后EPB 卡鉗拖滯力矩過大，摩擦片和制動盤持續接觸摩擦，導致溫度上升。

三、問題機理及措施實現

1、EPB 卡鉗的工作原理

EPB 卡鉗的主要組成部分如圖2 所示，相對于傳動的卡鉗EPB 卡鉗主要增加了電機齒輪單元、調整螺母、調整螺桿、滾針軸承、C 型扣環、O 型環、銅套、O 環和墊圈等。

EPB 卡鉗的電機齒輪單元如圖3 所示，其主要組成單元為電機、皮帶及齒輪箱。EPB 卡鉗的駐車原理為：當駕駛員有駐車需求的時，會促動拉起EPB駐車開關。由于開關的促動，ECU 內部繼電器會控制EPB 卡鉗電機齒輪單元通電，電機齒輪單元中電機會在電流作用下順時針轉動。電機順時針轉動通過皮帶傳遞給齒輪箱，經過齒輪箱的降速增扭后，帶動調整螺桿轉動（螺桿是固定在卡鉗體上）進而推動調整螺母直線向活塞運動，推動活塞向前運動最終推動摩擦片夾緊制動盤，實現駐車。釋放過程是相反的，當駕駛員有解除駐車需求的時，會促動按下EPB 駐車開關。由于開關的促動，ECU內部繼電器會控制EPB 卡鉗電機齒輪單元反向通電，電機齒輪單元中電機會在反向電流作用下逆時針轉動。電機逆時針轉動通過皮帶傳遞給齒輪箱，帶動調整螺桿逆時針轉動，進而帶動調整螺母直線反向向活塞運動。此時活塞不受調整螺母的壓力作用，活塞在矩形密封圈的作用下主動回位，活塞回位后摩擦片不再受活塞的壓力作用，摩擦片在制動盤的端面跳動過程中回位，進而駐車制動解除，工作原理如圖4 所示。

圖2 EPB 卡鉗組成

圖3 電機齒輪單元

圖4 EPB 卡鉗的駐車和釋放過程

2、卡鉗活塞的回位原理

制動卡鉗在液壓作用下，活塞與制動鉗體沿相反的方向運動，分別推、拉內外側摩擦塊貼近制動盤，卡鉗體只承受軸向力，切向力由支架來承受。制動結束活塞密封圈彈性變形復位，帶動活塞回到原位，同樣卡鉗也回到原位。隨著壓力的撤離，制動摩擦力也減小為零。制動盤的再次轉動，制動塊逐漸脫開制動盤。

如圖5 所示，駕駛員踩制動踏板實施制動時，在液壓力F1的作用下，活塞推動制動片1 向右運動使其壓住制動盤，當制動片1 與制動盤接觸時，制動片1 不再移動，而反作用力F2則推動制動鉗連同制動片2 向左運動，使其壓靠制動盤。制動盤與制動片之間產生摩擦力，進而對行駛的車輛進行減速或停車。當制動結束后輪缸在密封圈的回位作用原理下回位，摩擦片在制動盤敲打下回位。

圖 5 浮動卡鉗的工作原理

詳細的制動過程如圖6 所示。

圖 6 浮動卡鉗的制動過程

從以上制動過程中可以得出，制動過程中主要是依靠力和反作用力來推動摩擦片夾緊制動盤。但是制動壓力釋放后，系統不受外力作用，活塞和摩擦片回位主要是靠矩形密封圈。制動結束以后的活塞的回位原理如圖7 所示。

圖 7 浮動卡鉗活塞的回位原理

從浮動卡鉗活塞的回位過程可以得知，卡鉗活塞回位過程主要是矩形密封圈的變形后的恢復過程。矩形密封圈變形后恢復拖拽活塞回位，進而給摩擦片和制動盤釋放出間隙。矩形密封圈有最大的變形量δ，如圖8 所示。當活塞向外移動的距離大于δ 時，矩形密封圈能提供的最大回位能力仍然是δ。

圖 8 矩形密封圈的最大回位能力

以上分析得知，活塞最大的回位能力δ 是假設系統各組成部件完全是剛體的情況下。實際上由于制動卡鉗體在加壓的時候有軸向變形，摩擦片在受壓的時候存在壓縮變形、制動盤受壓也會存在變形等，最終卡鉗活塞能獲得的回位量小于矩形密封圈能提供的最大變形回位量δ。

圖9 卡鉗系統主要變形量Δ

如圖9 所示假設系統壓力P為零時，摩擦片和制動盤的單邊間隙Δ1為0.2mm，則雙邊間隙為0.4mm。假設當系統壓力P=16MPa 時，制動時摩擦片和制動盤接觸后會存在壓縮變形Δ3=0.02 5mm，卡鉗體軸向變形量Δ2=0.3mm。矩形密封圈最大回位變形能力Δ=0.6mm。當系統在P=16MPa壓力或者等同的駐車推力作用下，系統總的變形量為Δ1×2+Δ2+Δ3=0.4+0.02 5+0.3mm=0.702 5mm。從假設可知，系統最大變形量0.7025mm，大于矩形密封圈的最大變形量0.6mm。活塞向前移動的距離大于矩形密封圈的最大回位量，這將會導致系統外力P撤離后，系統仍然有0.102 5mm 的變形量無法消除，最終導致摩擦片和制動盤無法正常分離，時時存在摩擦，導致系統拖滯力增大。

3、措施實現

從以上問題機理分析可知，拖滯力的主要決定因素是活塞在制動（駐車制動/行程制動）后，能否順利的回位以給摩擦片和制動盤最大的間隙，減小摩擦。實際上EPB 卡鉗在駐車時，由于電機推動調整螺母壓活塞的力能達到1.5kN，甚至更大，則系統變形量會更大。從機理上看，傳統的卡鉗拖滯測試方法已經不適用于EPB 卡鉗。傳統的卡鉗拖滯測試方法和步驟如下：

（1）擦凈制動盤工作表面，在距制動盤外緣10mm 處的工作面所測得端面跳動量應符合制要求。

（2）制動鉗總成固定在臺架上（如圖10 所示），排空氣。

（3）將制動鉗總成活塞退回，使每個摩擦塊與制動盤間隙≥0.5mm。（4）制動盤空轉，調整拖滯力矩指示針，使其回零。（5） 將制動鉗總成加壓7MPa，持續5s 后完全泄壓，反復10 次。

（6）放置2 分鐘后，使制動盤以50r/min 的速度旋轉，測定拖滯力矩。

故障EPB 卡鉗按照以上試驗方法進行測量，結果如表1 所列。

表1 拖滯力矩（未執行EPB 夾緊）N·m

將以上卡鉗裝車驗證，在未執行坡道駐車時，制動盤溫度正常。多次大坡度執行EPB 駐車后，車輛正常行駛（非剎車過程）時制動盤溫度急劇上升。進一步測試后輪拖滯力矩，左/右后輪輪邊拖滯力矩達到8N·m 以上。

鑒于以上現象，調整臺架測試方法如下：

（1）擦凈制動盤工作表面，在距制動盤外緣10mm 處的工作面所測得端面跳動量應符合制要求。

（2）制動鉗總成固定在臺架上，如圖10 所示，排空氣。

（3）將制動鉗總成活塞退回，使每個摩擦塊與制動盤間隙≥0.5mm。

（4）制動盤空轉，調整拖滯力矩指示針，使其回零。

（5）將EPB 卡鉗通電，執行最大夾緊力駐車，然后釋放，如此反復5 次。

（6）將制動鉗總成加壓7MPa，持續5s 后完全泄壓，反復10 次。

（7）放置2 分鐘后，使制動盤以50r/min 轉速旋轉，測定拖滯力矩。

故障EPB 卡鉗按照以上試驗方法進行測量，結果如表2 所列。

表2 拖滯力矩（執行EPB 夾緊）N·m

執行EPB 夾緊后的卡鉗拖滯力矩，測試結果嚴重超過設計要求值3.5N·m。拖滯力過大，最終導致制動盤溫度異常上升。

針對故障和問題，對故障卡鉗進行如下調整：將卡鉗體剛度由0.3mm 調整為0.15mm，活塞回位量由0.3mm 調整為0.6mm。重新測試卡鉗拖滯力矩如表3 所列。

表3 拖滯力矩（整改樣件執行EPB 夾緊）N·m

將改進后卡鉗裝車驗證，多次大坡度執行EPB 駐車后，車輛正常行駛（非剎車過程）時制動盤溫正常，改進措施有效果。

圖 10 拖滯力矩試驗裝置示意圖

四、結論

本文通過對問題原理循序漸進地剖析，獲得了卡鉗拖滯力矩的產生原因以及卡鉗活塞的回位原理，明確了EPB駐車卡鉗的特殊性質，其拖滯力矩的測試方法相對于傳統卡鉗有較大的區別。進一步對故障件進行了優化，達到了改進效果。

通過此過程總結，針對特殊問題的解決思路為：首先從基本原理方面著手分析解決方案，制定解決措施和方案；再進一步驗證和借助檢測工具尋找根本原因，最后針對根本原因制定措施。希望通過本文的改進思路給從業者一定的指導作用。