某車型駐車制動器駐車原理研究

胡磊，董良

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型駐車制動器駐車原理研究

胡磊，董良

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

盤式制動器以其制動性能好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種汽車上，文章對滾珠斜坡（BIR）制動器的駐車原理進(jìn)行了分析，介紹了盤式制動器駐車力矩的計算方法，并通過某車型進(jìn)行了實際驗證，其結(jié)果是駐車制動力的總和大于該車在測試狀態(tài)下整車滿載質(zhì)量的20%，滿足法規(guī)要求，表明了算法的有效性。

滾珠斜坡制動器；盤式制動器；駐車力矩；駐車制動力

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-25-04

引言

駐車制動系統(tǒng)的功能是使汽車在平路或坡道停駐時保持靜止不動。其實現(xiàn)機(jī)理是由控制裝置將操縱力放大之后傳遞到駐車制動器上。駐車制動系統(tǒng)必須保證其控制裝置能夠保持任意鎖止，同時能自由釋放控制力[1]。傳統(tǒng)的駐車制動系統(tǒng)布置如下：

圖1 傳統(tǒng)駐車制動系統(tǒng)關(guān)系圖

駐車制動系統(tǒng)包含駐車手柄、駐車?yán)z、駐車制動器等部件，各部件功能如下：

駐車手柄功能：a.提供人機(jī)界面，實現(xiàn)駐車操縱、保持與釋放 b.放大手柄操縱力并傳遞給駐車?yán)z。

駐車?yán)z：按設(shè)計方向提供駐車操縱力的有效傳遞

駐車制動器：通過摩擦片與制動盤或鼓之間的靜摩擦將拉絲操縱力轉(zhuǎn)換為駐車制動力

汽車駐車制動器分為：鼓式、盤式、盤中鼓式、電子駐車式，其中盤式制動器以其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制動性能好(在同樣小的制動力矩下，其結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量都比鼓式制動器小)及熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和各種汽車上。

文章主要介紹滾珠斜坡(BIR)制動卡鉗駐車原理，并在理解原理的基礎(chǔ)上探討駐車力矩的計算方法。與集成在制動盤上的鼓式駐車制動器相比，BIR不需要獨立的駐車制動器，因此更為緊湊和經(jīng)濟(jì)。

1、駐車制動系統(tǒng)理論計算

駐車制動系統(tǒng)匹配首先必須要滿足相關(guān)法規(guī)要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能提升。

法規(guī)要求識別：

GB 7258-2012《機(jī)動車運行安全技術(shù)條件》[2]：在空載狀態(tài)下，駐車制動裝置應(yīng)能保證車輛在坡度為20%、輪胎與路面間的附著系數(shù)大于等于0.7的坡道上正、反兩個方向保持駐車。達(dá)到規(guī)定駐車效能時的手柄操縱力≤400N。操縱裝置在三分之二全行程內(nèi)必須達(dá)到規(guī)定制動效能，駐車制動機(jī)構(gòu)裝有自動調(diào)節(jié)裝置時允許在全行程的四分之三行程時達(dá)到規(guī)定制動效能。

GB 21670-2008《乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法》[3]：駐車制動系統(tǒng)應(yīng)能使?jié)M載車輛在坡度為20%的上、下坡道上保持靜止；達(dá)到規(guī)定駐車效能時控制力≤400N；動態(tài)駐車時充分發(fā)出的平均減速度和停車前的瞬時減速度≥1.5m/s2。

1.1 制動系統(tǒng)理論駐車坡度計算

汽車上坡時整車受力如下：

圖2 整車上坡受力圖

Z2為地面對后軸的法向反作用力，單位N

L為整車軸距，單位mm

G為整車重量，單位N

L1為整車質(zhì)心距前軸距離，單位mm

hg為整車質(zhì)心高度，單位mm

?為地面附著系數(shù)，取0.7

由（2-1）、（2-2）可知，汽車所能停駐的理論極限道路傾角為：

汽車上坡可停駐的理論制動力矩為：

汽車下坡時整車受力如下：

圖3 整車下坡受力圖

同理可得，

汽車下坡可停駐的理論極限道路傾角為：

汽車下坡可停駐的理論制動力矩為：

故只需計算上坡駐車力矩即可滿足下坡駐車要求[5]。

1.2 滾珠斜坡式制動器

經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為物質(zhì)文明的一種象征和人類生活中不可或缺的一部分，自上個世紀(jì)中后期以來，面對能源危機(jī)與環(huán)境破壞等一系列問題的挑戰(zhàn)，為了適應(yīng)越來越快的社會節(jié)奏和滿足駕駛者對安全、舒適、方便等性能越來越高的要求，盤式制動器以其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制動性能好及熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點,已經(jīng)受到越來越多的消費者贊同和認(rèn)可，也被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和各種汽車上。其中滾珠斜坡(BIR)機(jī)械式CHR型[6]駐車制動,一直受業(yè)內(nèi)人士的好評，并已經(jīng)出現(xiàn)大面積應(yīng)用的熱潮。

1.2.1 滾珠斜坡制動器的駐車原理

駐車制動：支桿在手剎拉力F2的作用下，帶動傳動軸繞中心軸旋轉(zhuǎn)，由于傳動盤固定于缸體上不動，傳動軸帶動鋼珠從球窩底部沿斜線軌跡上升，鋼珠推動傳動軸向右沿中線軸方向移動，傳動軸推動整個機(jī)構(gòu)（調(diào)整螺栓、調(diào)整螺母、活塞）產(chǎn)生活塞輸出的壓制力F3，活塞推動內(nèi)摩擦片向右移動夾緊制動盤產(chǎn)生F3內(nèi)摩擦片；在反作用力的影響下，缸體向左移動，帶動外摩擦片夾緊制動盤，產(chǎn)生F3外摩擦片，最終夾緊并抱死制動盤，達(dá)到駐車的目的（F3=F3外摩擦片=F3內(nèi)摩擦片）。

圖4 滾珠斜坡制動器結(jié)構(gòu)簡圖

駐車釋放：摩擦片與制動盤的間隙是由調(diào)整螺母、和活塞密封圈的設(shè)計變形量來控制的，當(dāng)釋放手剎時，壓縮彈簧恢復(fù)變形將通過壓環(huán)推動調(diào)節(jié)螺栓回位，進(jìn)而活塞密封圈的變形恢復(fù)帶動回活塞回位。為使行車制動和駐車制動互不影響，調(diào)整螺母采用的是鋸齒型螺紋，具有升角大、防自鎖及單向運動的特點[8]，如圖5所示：

圖5 調(diào)整螺母鋸齒型螺紋

1.2.2 滾珠斜坡制動器駐車力矩計算

駐車機(jī)構(gòu)用于使車輛無時間限制的停駐在一定位置甚至斜坡上，它也有助于車輛在坡道上起步。駐車機(jī)構(gòu)應(yīng)采用機(jī)械式驅(qū)動機(jī)構(gòu)而不用液壓或氣壓驅(qū)動以避免產(chǎn)生故障。駐車制動 桿輸入力矩后，作用到活塞的推力計算方法如下：

將滾道簡化為平面 ，以旋轉(zhuǎn)盤為受力分析對象，它受到3個鋼球的正壓力N1(N1為每個鋼球產(chǎn)生的壓力)以及減摩墊片的摩擦力矩T2，設(shè)駐車制動桿輸入力矩為T0，旋轉(zhuǎn)盤受力簡圖，如圖6所示：

圖6 旋轉(zhuǎn)盤受力簡圖

由于減摩墊片對旋轉(zhuǎn)盤的摩擦力矩和鋼球壓力產(chǎn)生的摩擦力矩與T0平衡 ，即 ：

式中：T2—減摩墊片對旋轉(zhuǎn)盤的摩擦力矩，N·m；

N1—每個鋼球?qū)πD(zhuǎn)盤的壓力，N；

u1—旋轉(zhuǎn)盤與鋼球接觸處的摩擦系數(shù)；

L1—鋼球中心到旋轉(zhuǎn)盤軸線的距離，m；

T0—駐車制動桿輸入力矩，N·m。

設(shè)減摩墊片對旋轉(zhuǎn)盤的作用力為F，那么當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤平衡時，有：

為了求減摩墊片對旋轉(zhuǎn)盤的摩擦力矩，設(shè)減摩墊片的均布壓力為P，減摩墊片半徑為R，那么有：

式中：u2— 減摩墊片表面的摩擦系數(shù) 。

因為減摩墊片產(chǎn)生的力又可寫為：

將式（2）和（3）代入式（1）得：

將式（4）代入式（5）得：

由于u2很小，所以分母第1項可以忽略不計，則式（7）可以簡為：

根據(jù)牛頓第三定律可知，旋轉(zhuǎn)盤對減摩墊片的推力也為F，由于整個機(jī)構(gòu)（調(diào)整螺栓、調(diào)整螺母、活塞）為剛性連接，得活塞上推力也為F。

2、計算示例

本文選取某小型城市SUV車型作為示例，其制動系統(tǒng)為常見的前盤后盤式設(shè)計，后面為BIR式制動器，具有駐車功能，進(jìn)行駐車制動計算驗證。

2.1 理論駐車坡度計算

所需各參數(shù)如下表：

表1 整車參數(shù)

最大駐車坡度：

最小駐車坡度：

計算結(jié)果顯示汽車滿載時最小駐車坡度為16.1°，大于11.3°（換算坡度為20%），符合法規(guī)及駐車制動設(shè)計要求。

2.2 駐車手柄操縱力計算

汽車滿載條件下，20%坡道駐車時最小手柄操縱力為：

駐車所需手柄操縱力小于400N法規(guī)要求，符合設(shè)計要求。

2.3 后駐車制動器駐車力計算

2.3.1 單個車輪產(chǎn)生的最大制動力矩

當(dāng)車輛在最大坡上駐車時（20%滿載上坡），后輪最大制動力為：

單個車輪所需的制動力矩：

2.3.2 操縱手剎后駐車制動桿輸入力矩：

F手最大時（即F手=400N），計算駐車制動桿輸入力矩

表2 駐車系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

此時駐車制動桿輸入力矩：

2.3.3 后駐車制動器制動力矩：

摩擦片與制動盤摩擦因數(shù)u=0.32，單側(cè)摩擦片對制動盤的壓緊力F0= F活塞，有效制動半徑Re = l l 8m m，那么有制動器制動力矩：T制動器=2uF活塞Re=511.1N?m＞467.9N?m

綜上，在滿足滿載20%坡度駐車條件時，因為后制動器活塞產(chǎn)生制動力大于車輪所需制動力，且后制動器所能產(chǎn)生的制動力矩大于車輪所需產(chǎn)生的制動力矩，因此該系統(tǒng)滿足駐車制動要求。

3、結(jié)束語

駐車制動器是保障車輛安全的重要部件之一，其設(shè)計合理與否和技術(shù)狀態(tài)的好壞不僅直接影響停車安全，也影響行車安全，因為在行車緊急制動失靈的情況下，駐車制動器將成為車輛制動的最后一道關(guān)卡。隨著轎車逐步走入家庭，人們對車輛安全性的重視程度不斷加深以及盤式制動器應(yīng)用的日益廣泛，駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計也越來越完善。

文章對滾珠斜坡（BIR）制動器的駐車原理進(jìn)行了簡述，介紹了盤式制動器駐車力矩的理論計算方法，并通過某車型實際驗證了算法的有效性。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（第2版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004：282-310.

[2] GB 7258-2012機(jī)動車運行安全技術(shù)條件[S].

[3] GB 21670-2008乘用車制動系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗方法[S].

[4] 余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：71-102.

[5] 王望予.汽車設(shè)計（第4版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2003:257-285.

[6] 桂建生.盤式制動器（九）[J].輕型汽車技術(shù).2002（8）總156.

[7] 楊建磊,車綿,孫玉彪.BIR制動器駐車力矩計算方法[J].汽車工程師.2010（11）.

[8] 唐憬憬,董鵬.盤式液壓制動器駐車機(jī)構(gòu)的研究[J].輕型汽車技術(shù).2007（9/10）總217/218.

Study on parking principle of a certain type of Disc brake

Hu Lei, Dong Liang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Disc brake with good braking performance is applied in all kinds of vehicles. In this paper, the principle of Integral parking brake is analyzed. This article introduces the method of calculating parking torque of disc brake.And it is verified in practice by a vehicle.The result showed that the sum of parking brake force bigger than 20% of the curb mass in the tested state can meet the requirements of the regulations and prove the validity of the algorithm.

BIR; Disc brake; Parking torque; Parking brake force

U463.5

A

1671-7988 (2017)10-25-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.010

胡磊，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。