機(jī)械球盤式集成式制動(dòng)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(jì)之初，汽車工業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展期。中國(guó)汽車行業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)內(nèi)制動(dòng)器供應(yīng)商的機(jī)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(dá)到一定駐車力時(shí)需要更大拉線力或行程的情況。因此提升機(jī)械集成式制動(dòng)鉗的駐車效率成為汽車制動(dòng)器供應(yīng)商急需解決的問題之一。

二、機(jī)械集成式制動(dòng)鉗的工作原理

1、IPB的定義

IPB是集成式駐車制動(dòng)器（Integrated Parking Brake）的簡(jiǎn)稱，是將駐車制動(dòng)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(jiǎn)稱CAR)和球盤式（Ball in Ramp Brake Caliper，簡(jiǎn)稱BIR）。按其工作形式可分為機(jī)械式（Integrated Mech anical Parking Brake Caliper,簡(jiǎn)稱MPB）和電子式（Electr omechanical Parking Brake Caliper,簡(jiǎn)稱EPB）。

2、球盤集成式制動(dòng)鉗的工作原理

球盤集成式制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)因制動(dòng)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(dòng)鉗總成的組成如圖1所示。

駐車機(jī)構(gòu)的工作原理：當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)擺臂時(shí)，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(dòng)盤方向作軸向移動(dòng)。螺套在此推動(dòng)并傳遞至螺桿，螺桿推動(dòng)活塞，活塞推動(dòng)內(nèi)摩擦塊，內(nèi)側(cè)制動(dòng)塊壓在制動(dòng)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(yùn)動(dòng)拉外摩擦塊對(duì)著制動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)，制動(dòng)盤兩側(cè)產(chǎn)生相同的制動(dòng)力。釋放手制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)塊與制動(dòng)盤的正常間隙是由螺桿螺套間隙和活塞密封圈的設(shè)計(jì)變形量來控制的原理如圖2所示。

圖2 駐車機(jī)構(gòu)的工作原理

三、機(jī)械集成式制動(dòng)鉗駐車效率損失原因

1、反作用力

駐車力是由擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)一系列零件運(yùn)動(dòng)最終轉(zhuǎn)化為活塞的平移形成了推力，零件運(yùn)動(dòng)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(jī)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(yùn)動(dòng)過程中所損耗的力，主要為摩擦力，如圖4所示。

圖3 零件運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化示意圖

圖4 運(yùn)動(dòng)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(huì)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(shí)驗(yàn)，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(huì)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(dòng)、自調(diào)軸轉(zhuǎn)動(dòng)、鋼球滾動(dòng)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(gè)分力。第一個(gè)力為對(duì)螺套的推力（F1=Fcosθ）；第二個(gè)力為對(duì)鋼球的回推力（F2=Fsinθ），這個(gè)力減小了擺臂的輸入力的效果，從而也減小了對(duì)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(huì)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(duì)同軸度進(jìn)行100%檢測(cè)，對(duì)于同軸度超差的不良品堅(jiān)決隔離，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，在裝配生產(chǎn)線上需采用能保證同軸度的工裝、設(shè)備進(jìn)行裝配，或采用特殊技術(shù)在裝配過程中矯正零件裝配時(shí)的同軸度。

2、提高零件的剛性

零件剛性過差，在受力時(shí)產(chǎn)生變形，此時(shí)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。可以通過采用較厚的板材、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（折彎處增加凸筋及焊接加強(qiáng)板等）、選用剛性更強(qiáng)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(diǎn)保證。可通過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(dòng)鉗集合了行車制動(dòng)及駐車制動(dòng)功能，若駐車后活塞無法回位，則制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤會(huì)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(duì)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(shí)，活塞的推出力為6000N；此時(shí)扭簧的反作用力若增加10N，則擺臂實(shí)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(dòng)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(jì)，必須在保證間隙自調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)定。

4、球道尺寸控制

自調(diào)軸、自調(diào)座各有三個(gè)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(jī)構(gòu)運(yùn)作時(shí)的同軸度，因此對(duì)于自調(diào)軸、自調(diào)座的三個(gè)球道的偏差需制定一定的要求。如三個(gè)球道的角度偏差不大于5%；要保證較小的偏差，對(duì)于冷墩模具的尺寸、工藝則需更嚴(yán)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(jì)是存在軸向間隙的，主要用于自調(diào)機(jī)構(gòu)的自調(diào)。螺桿螺套的間隙過小，則活塞回位量不足，會(huì)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(jì)應(yīng)與上節(jié)中的球道偏距設(shè)計(jì)相配合。在滿足自調(diào)機(jī)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(shí)，螺桿螺套間隙消除，以達(dá)到球道對(duì)力反饋的最佳效果，是設(shè)計(jì)、驗(yàn)證中的重點(diǎn)研究方向。

五、結(jié)論

汽車的駐車制動(dòng)器是保證斜路面上保持汽車長(zhǎng)期靜置的裝備，因此必須安全可靠。機(jī)械集成式制動(dòng)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(duì)供應(yīng)商的選擇。本文鑒于以上出發(fā)點(diǎn)對(duì)影響駐車效能的因素做了分析闡述，并提出了現(xiàn)實(shí)可行的改善建議，為讀者了解機(jī)械集成式制動(dòng)鉗的駐車效能損失因素、改善駐車效率的研究提供了參考。