八字形復位簧低拖滯力矩卡鉗關鍵控制要素分析

洪慶良，王慶輝，夏基燕

（1.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300；2.北京經緯恒潤科技股份有限公司，北京 100015）

為順應國家“碳達峰”、“碳中和”中長期落地實施規劃及國家五階段燃油汽車油耗限值、新能源汽車補貼退坡等節能政策要求日趨嚴格，如何通過對新技術、新工藝、新材料的研究來達到降低整車能耗的目的，日益成為各大研究機構及汽車廠商的研究課題。

汽車燃油經濟性主要受汽車行駛阻力與發動機有效油耗率的影響。其中，制動卡鉗拖滯力矩作為汽車行駛阻力之一，對汽車燃油經濟性影響較大。研究表明，乘用車整車行駛阻力每降低12 N，油耗可降低約0.1 L/100 km。

行業內標準QC/T 592—2013中規范了對卡鉗拖滯力矩的性能指標要求：卡鉗拖滯力矩性能需滿足“按第10圈卡鉗拖滯力矩最大控制值”不大于3.5 Nm。根據近年來對低拖滯制動卡鉗的研究，單個卡鉗拖滯力矩平均可控制在（2.0～2.5）Nm之間，由此帶來的整車油耗正貢獻約為（0.21～0.27）L /100km。按照民用乘用汽車單車年平均行駛里程（2×10）km計算，折合可降低碳排放量約為108.19 kg；據中國汽車工業協會統計數據，按截至2020年底全國民用汽車保有量超過2.8億輛計算，折合全年可降低碳排放量約（3×10）t。由此可見，研究如何降低卡鉗拖滯力矩，對于汽車技術節能減排、綠色發展具有重要意義。

1 低拖滯力矩制動卡鉗技術方案概述

近年來，隨著汽車零部件企業新技術、新工藝、新材料研究的不斷深入，降低制動卡鉗拖滯力矩的途徑也較為多樣，常見技術方案包括三大類：

一是通過低摩擦技術降低卡鉗機構的摩擦阻力，途徑包括：（1）通過機械加工精度（如導向銷桿與銷孔的粗糙度、制動襯片的厚薄差等）的提升來降低卡鉗移動部件的滑動阻力；（2）通過低摩阻新材料（如高性能潤滑油脂、特氟龍涂層、酚醛樹脂活塞等）的應用來降低卡鉗移動部件的滑動阻力。

二是通過卡鉗結構的最優化設計提升卡鉗效率，途徑包括：（1）卡鉗活塞缸回位槽結構參數的最優化設計；（2）鉗體與支架剛度的最優化設計；（3）鉗體活塞缸重心的最優化設計；（4）制動襯片壓縮率的最優化控制。

三是通過導入復位結構提升卡鉗部件的回位能力，途徑包括：（1）制動襯片主動復位結構（如八字形復位彈簧、復位彈片等）；（2）制動襯片的隨動復位結構（如隨活塞移動的背爪結構、膠粘固定隨動結構等）。

其中，制動襯片八字形復位簧主動回位結構，如圖1所示，是目前降低卡鉗拖滯力矩最常用的措施之一，其最大優點是結構簡單、主動回位效果明顯、性價比高。其降低制動卡鉗拖滯力矩的原理為：在解除制動壓力后，卡鉗活塞在矩形密封圈的回位作用下實現回退，兩八字形復位彈簧的卡腳插在內外側制動襯片背板的孔內，在彈簧推力作用下推動兩制動襯片外移脫開制動盤，使制動襯片與制動盤間產生間隙，達到減小制動卡鉗拖滯力矩、降低能耗的目的。

圖1 八字形復位簧卡鉗結構圖

2 八字形復位簧結構低拖滯力矩卡鉗關鍵控制要素分析

八字形復位簧主動回位結構增大了制動襯片回位后與制動盤之間的間隙，與此同時，也導致制動時卡鉗需液量的增大，進而引發了制動踏板初始行程的增加、制動響應時間的增加，從而對制動安全性和制動踏板感產生不好的影響。

為此需要對八字形復位簧結構方案的關鍵設計參數進行分析，并合理分解與制定零部件的性能指標，以此兼顧與平衡制動系統各項性能要求，達到經濟性、舒適性與安全性的協調統一。以下結合實際開發案例，對某產品在八字形復位簧結構措施實施前后的降拖滯效果及關鍵控制要素進行具體分析。

圖2 制動卡鉗拖滯力矩臺架測試裝置圖

為研究有/無八字形簧對制動卡鉗性能的影響，并考慮制動片的磨損情況在其中的影響，根據QC/T 592—2013中的拖滯力矩測試方法，如圖2所示，對3組制動卡鉗和制動襯片進行拖滯力矩測試。

2.1 制動卡鉗與制動襯片組合的拖滯力矩測試及分析

依據QC/T 592—2013進行試驗，測得第10圈卡鉗拖滯力矩，結果如表1—表3所示。

表1 同編號制動卡鉗與制動襯片組合時拖滯力矩測試結果

表2 同一制動卡鉗與不同制動襯片組合時 拖滯力矩測試結果1

測試結果表明（1）任一樣本的制動卡鉗與制動襯片組合，帶八字形復位簧結構比不帶八字形復位簧結構的卡鉗拖滯力矩小；（2）隨著制動襯片的磨損，帶八字形復位簧結構的卡鉗拖滯力矩呈下降趨勢、不帶八字形復位簧結構的卡鉗拖滯力矩呈增大趨勢。

表3 同一制動襯片與不同制動卡鉗組合時 拖滯力矩測試結果2

2.2 制動卡鉗與制動襯片組合的卡鉗需液量測試及分析

經對樣件測試，不同壓強狀態下卡鉗需液量測試結果如表4所示。根據制動踏板感控制需要，要求在10 MPa試驗壓強下卡鉗需液量不應大于2.5 mL。

表4 制動卡鉗需液量測試結果

測試結果表明，在10 MPa試驗壓強下，卡鉗需液量均滿足不大于2.5 mL的要求；在不同壓強下，帶八字形復位簧相對不帶八字形復位簧需液量的變化差值在0.002 mL～0.280 mL之間。根據制動主缸缸徑和制動踏板杠桿比計算，在10 MPa壓強下反映在制動踏板踏點處的位移變化量最大為5.78 mm，對制動踏板感主觀感覺影響微小。

2.3 八字形復位簧彈力測試及分析

根據胡克定律（Hooke's law），在彈性限度范圍內，彈簧彈力大小與彈簧的伸長（或壓縮）的長度成正比，即

式中，為彈簧彈力，N；為彈簧剛度，N/mm；為彈簧自由長度，mm；L為彈簧伸長（壓縮）后長度，mm。

對制動襯片在全新狀態和全磨損狀態時八字形簧的回位力進行檢測，分析其在初始及極限狀態下，在推動制動襯片移動時是否會導致卡鉗體或卡鉗活塞的回縮，從而影響制動踏板感。如圖3所示，八字形簧自由狀態開口長度為，初始工作狀態長度為，隨著制動片的磨損，八字形簧開口長度從逐漸被壓縮到制動片全磨損工作狀態長度L，公式（1）中的L從變化到L的過程中八字形簧彈力呈增大趨勢，作用在兩制動襯片上的推力隨之增大，被壓縮到L狀態時八字形簧彈力達到最大。

圖3 八字形復位簧工作狀態示意圖

在制動襯片全新及全磨損狀態下，測試制動盤的旋入端（1#簧）與旋出端（2#簧）兩八字形簧彈力，結果如表5所示。

表5 八字形復位簧彈力測試結果

測試結果表明，制動襯片從全新狀態到全磨損狀態，八字形復位簧剛度穩定（0.26～0.28），彈力在8.625 N～17.255 N之間變化，其與制動鉗體的滑動阻力（要求值小于98 N）和活塞滑動阻力（要求值150 N～600 N）相比較小，不會對其正常移動產生影響，只會推動制動襯片（滑動阻力值要求小于8 N）移動以消除卡鉗活塞回縮產生的間隙，從而在制動襯片與制動盤之間產生間 隙，達到降低卡鉗拖滯力矩的目的，結合2.2卡鉗需液量的測試結果均不會對制動踏板感產生影響。

3 結束語

通過對采用八字形復位簧的制動卡鉗的拖滯力矩、需液量測試，以及八字形復位簧的回復力測試和分析，研究結果表明：

（1）采用八字形復位簧可以有效降低制動卡鉗拖滯力矩，且隨著制動襯片的磨損，拖滯力矩的降低效果依舊有效。

（2）八字形復位簧的彈力大小與卡鉗拖滯力矩、需液量、踏板感密切關聯，在低拖滯卡鉗方案選擇與開發設計時需進行相應校核和測試分析。

（3）在八字形簧結構尺寸、簧徑確定的情況下，彈簧剛度是彈簧力大小的決定因素。為了有效控制復位彈簧的性能，使其能有效產生所需的回復力并降低對制動卡鉗需液量的影響，需要對彈簧剛度作為關鍵要素進行有效的控制。

試驗測試論證了該八字形復位簧結構低拖滯卡鉗在工程開發中的實施可行性，為低拖滯卡鉗的工程開發提供了設計及驗證思路，具有較好的設計開發指導意義。