卡鉗活塞密封槽對需液量與制動拖滯力矩的影響因素研究

張璐 王燦

摘要：卡鉗密封槽是制動卡鉗總成的關(guān)鍵部分，密封槽的設(shè)計對卡鉗需液量及拖滯力矩等卡鉗性能直接相關(guān);本文從卡鉗密封槽總成結(jié)構(gòu)、密封機(jī)理進(jìn)行介紹，通過活塞受力及需液量計算模型對關(guān)鍵性能的影響因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的密封槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，最后通過臺架試驗程序?qū)Σ煌姆桨高M(jìn)行了試驗驗證，對卡鉗開發(fā)過程中密封槽的設(shè)計選型具有一定的工程指導(dǎo)意義。

Abstract： The seal groove is the key part of the brake caliper assembly. The design of the seal groove has a great influence on the basic performance of the caliper， such as the liquid demand and drag moment. This paper introduces the structure and sealing mechanism of the seal groove assembly of the caliper， and the key performance is calculated by the calculation model of piston force and liquid demand At last， through the bench test program， different schemes are tested and verified. In the process of calipers development， the design and selection of seal groove has a certain engineering guiding significance.

關(guān)鍵詞：制動卡鉗;密封槽;需液量;拖滯;臺架試驗

Key words： brake caliper;seal groove;brake liquid volume;drag torque;bench test

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）09-0171-03

0? 引言

隨著客戶對整車制動踏板感要求逐漸提升及對整車燃油經(jīng)濟(jì)性越來越嚴(yán)格的要求，對卡鉗總成性能開發(fā)及設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)?？ㄣQ密封槽與密封圈是卡鉗總成中的關(guān)鍵部件，除了提供卡鉗輪缸密封作用外，主要作用是提供足夠的回彈力來驅(qū)動活塞回位，而密封槽的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計對密封槽能夠提供的回彈力起到?jīng)Q定性的作用[1]，因此可通過對卡鉗密封槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)卡鉗總成活塞回位量、需液量及拖滯力矩以滿足工程要求。

本研究基于液壓制動特性與密封機(jī)理分析，通過卡鉗活塞受力分析及需液量計算建立卡鉗需液量分析模型提出密封槽優(yōu)化與性能平衡的方向，并通過臺架試驗對其活塞回位性能與拖滯力矩進(jìn)行驗證，為制動卡鉗總成設(shè)計與性能平衡提供參考依據(jù)。

1? 工作機(jī)理

1.1 液壓制動特性

汽車在制動過程中，駕駛員與車輛形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)[2]，駕駛員通過制動踏板將踏板力和踏板位移傳遞給制動系統(tǒng)，制動減速度反饋給駕駛員，當(dāng)踏板位移與踏板力通過真空助力器及管路傳遞到卡鉗時，卡鉗活塞受液壓作用力進(jìn)行移動并與制動盤相接觸產(chǎn)生減速度，此時卡鉗輪缸內(nèi)所需的制動液容量稱為需液量，若需液量越大，則所需產(chǎn)生特定制動減速度的踏板行程則形成越長。

當(dāng)駕駛員釋放制動時，卡鉗活塞通過卡鉗密封圈的回拉彈力進(jìn)行回位，此時活塞的位移稱為活塞回位量，若活塞回位量越大，則制動盤與摩擦片更易提早分離，此時制動拖滯力矩更小。因此活塞的需液量與回位量受卡鉗密封圈性能的直接影響，對于活塞回彈力來說兩者又存在相互矛盾的關(guān)系。

1.2 密封槽總成

密封槽總成包含卡鉗密封槽、密封圈及活塞三個主要部件，如圖2所示為密封圈總成，x方向為活塞徑向方向，y方向表示活塞中心軸向方向。當(dāng)卡鉗總成建壓時，液壓推動活塞朝制動盤向運(yùn)動，由于密封槽與活塞直接的直接接觸又存在摩擦力，密封圈被擠壓逐步發(fā)生變形并填充到密封槽前倒角內(nèi)[3]。在制動釋放過程中，活塞受到兩方面的作用力使其往回運(yùn)動，一方面是被擠壓的密封圈恢復(fù)需恢復(fù)原狀的彈力推動活塞回位，另一方面旋轉(zhuǎn)的制動盤推動摩擦片往回運(yùn)動，活塞與摩擦片的回位直接決定著制動盤與摩擦片的間隙。

1.3 密封槽結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

如圖2所示為密封槽結(jié)構(gòu)特征，具體包括密封槽內(nèi)、外徑、高度，密封槽前倒角和后倒角以及密封槽底部角度。密封槽內(nèi)徑由活塞尺寸選型決定，外徑和槽高度則由活塞直徑和矩形密封圈尺寸決定。

①底部角度是為了保證卡鉗總成的敲擊性能（Knockback），阻止密封圈及活塞往后部回彈與移動，但若底部角度過大，由于活塞往回的阻力越大，卡鉗總成的拖滯力矩也相對較大。

②密封槽后倒角也與敲擊性能相關(guān)，若后倒角角度過小，密封槽極限變形量越小，極限情況下制動盤與摩擦片間隙也不能有效消除。

③密封槽前倒角影響卡鉗需液量與拖滯力矩，若前倒角度過大，輪缸建壓時密封圈填充前倒角，泄壓后活塞回位量也會更大，極限情況下會導(dǎo)致制動空行程長。

2? 卡鉗需液量分析

2.1 活塞受力模型

在卡鉗建壓過程中密封圈的變形可分為兩個階段。建壓初始階段，密封圈與密封槽前倒角處未接觸，密封圈與活塞之間的摩擦片阻礙活塞向前運(yùn)動，兩者之間的相互作用使得密封圈發(fā)生彈性變形;第二階段為當(dāng)密封圈與密封槽前倒角處相接觸，逐步進(jìn)行擠壓從而填充密封槽前倒角，由于擠壓所填充到密封槽內(nèi)的密封圈能夠提供更大的正壓力，起到更好的密封作用，但其局部變形不利于提供靈敏的活塞的回位。

在摩擦片與制動盤相接觸之前，即在活塞的空行程位移階段，活塞的動力學(xué)模型為：

（1）

式中，m為活塞質(zhì)量，Ki為矩形密封圈的等效剛度，F(xiàn)f所受到的動摩擦力，Cea為活塞運(yùn)動阻尼。

當(dāng)摩擦片與制動盤接觸后，活塞的動力學(xué)模型為[6]：

（2）

式中，Kp為摩擦片與制動盤接觸的等效剛度，G為制動盤與摩擦片之間的間隙。

2.2 卡鉗需液量模型

卡鉗需液量為涉及到活塞移動、管路變形、制動液形變的制動液體積變化，因此需液量可以表示為[7]：

（3）

式中，？駐Vp為活塞移動所產(chǎn)生的液量;？駐Vh為軟管變形所產(chǎn)生的液量;？駐Vl為制動液本身的體積變化量。

而活塞移動所產(chǎn)生的液量可以通過活塞位移s表示為：

（4）

式中，d為活塞外徑。在活塞頂住摩擦片接觸制動盤后，假設(shè)此后的活塞位移為0，則由（1）～（4）式可以將活塞移動所產(chǎn)生的液量表示為：

（5）

制動軟管所產(chǎn)生的液量變化可以表示為：

（6）

式中，Vi為制動軟管內(nèi)的初始體積，EH為制動軟管的等效彈性模量。由式（1）到式（6）可得卡鉗的需液量p～V關(guān)系如下：

（7）

式中，？姿1與？姿2為補(bǔ)償系數(shù)。

3? 臺架試驗分析

3.1 試驗臺架

通過卡鉗總成需液量與拖滯力矩試驗臺架對不同設(shè)計規(guī)格的卡鉗密封槽進(jìn)行驗證，如圖4所示定慣量卡鉗需液量試驗臺，卡鉗總成經(jīng)過一輪磨合及由初速度為100km/h的制動工況后，分別測量輪缸壓力在500kPa，5000kPa以及12000kPa時候的卡鉗輪缸制動液變化量，用來評估該卡鉗總成的需液量。

經(jīng)過完整的卡鉗需液量試驗后，將制動角總成換裝到拖滯試驗臺上，圖4所示卡鉗拖滯試驗臺，該試驗臺為定轉(zhuǎn)速測量制動力矩，分別設(shè)置轉(zhuǎn)速為400rpm及800rpm，在不同的轉(zhuǎn)速工況下，初始制動壓力分別為500kPa，2500kPa，5000kPa及120000kPa，釋放制動壓力后測量卡鉗總成的拖滯力矩，作為評價卡鉗總成拖滯。

3.2 試驗結(jié)果分析

以下三種典型的密封槽結(jié)構(gòu)作為試驗對象，圖5所示為不同特征結(jié)構(gòu)，如表1所示，不同的倒角角度與寬度導(dǎo)致三者密封槽倒角面積分別為0.28，0.46與0.79mm^2，由上述論述結(jié)論，密封槽a的活塞回位量預(yù)期表現(xiàn)最優(yōu)，但其卡鉗拖滯力矩表現(xiàn)相對較差，反之，密封槽c的活塞回位表現(xiàn)較差，但其拖滯力矩較小。將以上三種規(guī)格的密封槽進(jìn)行樣件制作，分別進(jìn)行卡鉗需液量及活塞回位量、拖滯力矩試驗。

如圖6所示為卡鉗需液量試驗結(jié)果，其中在低壓階段（500kPa），c型密封槽活塞回位量最小，表現(xiàn)最佳;a型密封槽對應(yīng)的活塞回位量最大，這與本研究上文分析結(jié)果一致;同時，從試驗結(jié)果可以得出，當(dāng)處于高壓階段時（12000kPa），三種不同的卡鉗密封槽所對應(yīng)的活塞回位量差異較小，當(dāng)輪缸壓力越大，由密封槽角度差異導(dǎo)致的活塞回位性能差異越小。

圖7所示為卡鉗總成拖滯力矩試驗結(jié)果，分別為在400rpm及800rpm工況下，三種不同卡鉗密封槽的拖滯性能表現(xiàn)。壓力越高拖滯力矩有增大的趨勢，從不同密封槽的表現(xiàn)來看，a型密封圈的卡鉗拖滯力矩最大，c型密封圈的卡鉗拖滯力矩最小，無論在400rpm及800rpm均表現(xiàn)出此特征，密封槽角度越大，即密封槽倒角面積越大，拖滯力矩越小，也可以得出b型密封槽在卡鉗需液量與拖滯性能方面能夠取得一定的平衡，這也與活塞回位性能相矛盾。

4? 結(jié)語

本文基于卡鉗密封槽總成結(jié)構(gòu)及密封機(jī)理探究了密封槽關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征對卡鉗需液量及拖滯性能的影響，通過分析活塞受力模型建立卡鉗需液量計算模型并提出密封槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，通過卡鉗總成需液量臺架及拖滯性能臺架對不同的密封槽特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證;試驗表面密封槽前倒角角度，即倒角截面積越大，卡鉗所需液量就越大，但拖滯力矩現(xiàn)對較低;在卡鉗工程開發(fā)過程中可通對密封槽特征結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以平衡卡鉗需液量與拖滯性能以滿足需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]巫紹寧，高勇，莫易敏，等.活塞密封皮碗性能對制動拖滯影響分析與仿真.機(jī)械研究與應(yīng)用，2016（3）：140-143.

[2]陸洪明，李小華.基于車輛液壓制動卡鉗需液量的研究和應(yīng)用，2015中國汽車工程學(xué)會年會論文集.

[3]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].人民交通出版社，2006：305-307.

[4]Okon D. Anwana， Hao Cai.Analysis of Brake Caliper Seal-Groove Design[C].SAE Technical Paper，2002-01-0927.

[5]Junghan Kim， Namyeul Ryu， Youngtaek Kim. Optimized Caliper Design for Low Drag Using DFSS Method[J]. SAE Int. J.Passeng. Cars - Mech. Syst. 5（4）：2012.

[6]許世堂，易剛，姚佳.密封槽結(jié)構(gòu)對卡鉗活塞回位量、所需液量和拖滯力矩影響因素的研究[J].研究與開發(fā).

[7]葉楊烽.汽車制動鉗拖滯力矩檢測系統(tǒng)設(shè)計及研究[D].中國計量大學(xué)，2018.

作者簡介：張璐（1983-），男，上海人，中級工程師，碩士，主要研究方向為底盤制動系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、汽車動力學(xué)。