制動(dòng)卡鉗螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠性測(cè)試方法研究

龐方超 楊清淞 寧世儒 李旭偉

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司底盤試驗(yàn)研究部）

制動(dòng)系統(tǒng)是影響車輛行駛安全的因素之一[1]。車輛緊急制動(dòng)可靠性是車輛開發(fā)及驗(yàn)證過(guò)程中不可回避的重要問(wèn)題之一[2-3]。其中制動(dòng)卡鉗在緊急制動(dòng)工況下會(huì)受到較大的沖擊振動(dòng)荷載，螺栓連接處又因存在預(yù)緊軸力散差大，螺栓強(qiáng)度利用率低等缺點(diǎn)，難以滿足此連接點(diǎn)高可靠性要求[4-5]，因此汽車制動(dòng)卡鉗與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點(diǎn)的可靠性驗(yàn)證至關(guān)重要[6]。文獻(xiàn)[7-11]研究發(fā)現(xiàn)橫向載荷更容易導(dǎo)致螺紋連接結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)。文獻(xiàn)[12]在對(duì)應(yīng)變修正的基礎(chǔ)上建立了超聲波波速隨試樣應(yīng)力變化的關(guān)系模型。文獻(xiàn)[13]利用空間傳感技術(shù)，配合超聲波技術(shù)可以測(cè)定螺栓空間內(nèi)的壓力。本文利用超聲波測(cè)距技術(shù)測(cè)試車輛極端制動(dòng)工況下卡鉗螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠性，檢驗(yàn)車輛制動(dòng)系統(tǒng)的使用可靠性。

1 試驗(yàn)方案

根據(jù)車輛緊急制動(dòng)工況下對(duì)螺紋連接可靠性的要求，在受到100 次循環(huán)的常規(guī)制動(dòng)力（向前1.3 g 加速度，向后1.0 g 加速度），需保證原始螺栓的預(yù)緊力衰減不超過(guò)30%。此外為測(cè)試極限制動(dòng)力以及考慮到實(shí)際工況下制動(dòng)力的變化，因此在常規(guī)制動(dòng)力基礎(chǔ)上增大10%和20%，設(shè)立階梯式循環(huán)加載力，施加制動(dòng)力載荷如圖1 藍(lán)色線條所示。

圖1 制動(dòng)壓力和制動(dòng)力曲線圖

試驗(yàn)過(guò)程中分別在第30 次、50 次及100 次循環(huán)結(jié)束后用超聲測(cè)距儀測(cè)量制動(dòng)卡鉗螺栓的長(zhǎng)度，判斷螺栓長(zhǎng)度變化量是否超過(guò)預(yù)緊時(shí)螺栓長(zhǎng)度變化量的30%，如超過(guò)，則可初步懷疑螺栓預(yù)緊力衰減值超過(guò)30%，然后再利用力矩扳手對(duì)螺栓力矩值進(jìn)行復(fù)核。

本次試驗(yàn)采用線性作動(dòng)缸來(lái)模擬制動(dòng)子部件系統(tǒng)向前向后的制動(dòng)力，線性作動(dòng)器設(shè)備如圖2 所示。設(shè)計(jì)固定工裝模擬轉(zhuǎn)向節(jié)在實(shí)車上的安裝狀態(tài)以及輪胎工裝，軸承螺栓力矩、銷釘力矩、制動(dòng)油管力矩、輪轂螺絲、轉(zhuǎn)向節(jié)連接處螺栓力矩值皆與實(shí)車裝配時(shí)預(yù)緊力矩相一致。之后將線性作動(dòng)器沿整車車坐標(biāo)系X 方向與模擬輪胎工裝在輪胎接地點(diǎn)處柔性連接，釋放多余的自由度使施力方向時(shí)刻與輪胎半徑保持垂直，保證線性作動(dòng)器輸入的制動(dòng)力載荷與車輪在緊急制動(dòng)時(shí)輪胎受到來(lái)自于地面的反作用力保持一致且具有良好的穩(wěn)定性，并在施力點(diǎn)處外接高精度的位移傳感器，采集施力點(diǎn)處整體臺(tái)架的變形量，精確監(jiān)控加載曲線是否發(fā)生漂移，從而輔助判斷臺(tái)架的整體剛性是否發(fā)生變化，測(cè)試是否存在異常。然后再結(jié)合液壓線性作動(dòng)器采集到的力和位移信號(hào)曲線進(jìn)行比對(duì)分析，并觀察力值和位移信號(hào)在時(shí)間周期循環(huán)內(nèi)其零位和幅值變化范圍是否發(fā)生漂移，用于進(jìn)一步論證試驗(yàn)臺(tái)架是否存在異常狀況，從而保證臺(tái)架測(cè)試進(jìn)行的準(zhǔn)確性和有效性。制動(dòng)鉗加壓裝置主要用于對(duì)制動(dòng)卡鉗精確輸入穩(wěn)定的制動(dòng)壓力（如圖1 藍(lán)色線條所示），并輸出制動(dòng)壓力曲線，整體臺(tái)架如圖3 所示。為精準(zhǔn)模擬實(shí)車狀態(tài)，并充分驗(yàn)證本試驗(yàn)方法的有效性及普適性，制動(dòng)卡鉗螺栓力矩值分別采用裝車最大扭矩100 N·m+50°（扭矩轉(zhuǎn)角法）和裝車最小扭矩98.5 N·m，其他條件不變的情況下進(jìn)行2 輪測(cè)試。為了排除溫度對(duì)于制動(dòng)子部件系統(tǒng)的影響，在試驗(yàn)前對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行高低溫循環(huán)預(yù)處理（單個(gè)溫度循環(huán)預(yù)處理?xiàng)l件如表1 所示，共進(jìn)行10 個(gè)循環(huán)），為消除溫度預(yù)處理工況下轉(zhuǎn)向節(jié)與模擬工裝連接配合因素的誤差，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)向節(jié)與模擬工裝按照實(shí)車裝配關(guān)系與力矩要求裝配好后一同放入環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行溫度預(yù)處理試驗(yàn)。

圖2 線性作動(dòng)器設(shè)備圖

圖3 極端制動(dòng)工況下卡鉗螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)臺(tái)架

表1 單個(gè)溫度循環(huán)預(yù)處理?xiàng)l件

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了確保超聲波測(cè)距儀測(cè)量制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性，需要在螺栓裝配前對(duì)螺栓端面進(jìn)行精加工，本次測(cè)試采用在制動(dòng)卡鉗螺栓端面中心加工1 個(gè)圓形凹槽，確保和超聲波測(cè)距儀探頭直徑匹配，凹槽表面的粗糙度Ra≤3.2。

在正式試驗(yàn)測(cè)試開始之前，為了摸索螺栓擰緊力矩與螺栓長(zhǎng)度的關(guān)聯(lián)特性，以及在正式試驗(yàn)階段性載荷循環(huán)完成后粗略估算扭矩殘余值，同時(shí)也為了給試驗(yàn)過(guò)程中獲取的扭矩及螺栓長(zhǎng)度數(shù)據(jù)分析提供一些數(shù)據(jù)支撐，因此在正式測(cè)試試驗(yàn)之前增加了一組扭矩與螺栓長(zhǎng)度標(biāo)定的測(cè)試。

為了保證扭矩與螺栓長(zhǎng)度數(shù)值和正式試驗(yàn)時(shí)獲得的扭矩與螺栓長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的相關(guān)性保持一致，扭矩與螺栓長(zhǎng)度數(shù)值標(biāo)定前的螺栓準(zhǔn)備過(guò)程和和溫度預(yù)處理試驗(yàn)過(guò)程與正式試驗(yàn)階段時(shí)的要求相同，即在試驗(yàn)前，制動(dòng)卡鉗螺栓端面中心加工1 個(gè)圓形凹槽，且加工尺寸及精度與正式試驗(yàn)相同。

在裝配制動(dòng)卡鉗的過(guò)程中，利用超聲波測(cè)距儀和力矩扳手，以擰緊力矩20 N·m 作為一個(gè)測(cè)試增量階梯，共采集8 個(gè)扭矩工況下的制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。為了避免測(cè)試數(shù)據(jù)的單調(diào)性，采用新的轉(zhuǎn)向節(jié)和螺栓試樣共進(jìn)行了3 組螺栓擰緊力矩與螺栓長(zhǎng)度數(shù)據(jù)標(biāo)定的測(cè)試，由于本文篇幅限制，僅列舉3 組測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算后的均值數(shù)據(jù)，其標(biāo)定結(jié)果均值數(shù)據(jù)如表2 所示，螺栓長(zhǎng)度及擰緊力矩曲線如圖4 所示。

表2 制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度和擰緊力矩標(biāo)定值

圖4 制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度和擰緊力矩曲線圖

由表2 制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度和擰緊力矩標(biāo)定值并結(jié)合圖4 制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度和擰緊力矩曲線圖分析可得出利用超聲波測(cè)距儀測(cè)得的制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度數(shù)值和對(duì)其擰緊的力矩值呈很強(qiáng)的相關(guān)性，在0～120 N·m 的區(qū)間內(nèi)螺栓長(zhǎng)度和力矩具備線性關(guān)系，超過(guò)120 N·m 以后，初步判斷螺紋連接區(qū)域可能出現(xiàn)了輕微的塑性變形，此時(shí)螺紋連接已經(jīng)達(dá)到了比較理想牢靠的連接狀態(tài)。

正式試驗(yàn)時(shí)液壓伺服線性作動(dòng)器和制動(dòng)鉗加壓裝置兩系統(tǒng)同步性匹配的調(diào)試，線性作動(dòng)器與制動(dòng)卡鉗加壓裝置同時(shí)啟動(dòng)，保證直線作動(dòng)器輸入的制動(dòng)載荷和卡鉗內(nèi)的制動(dòng)壓力起始時(shí)刻一致，同時(shí)還要控制施加載荷或制動(dòng)壓力的爬升速率，使制動(dòng)壓力先于線性作動(dòng)器達(dá)到最大峰值，將達(dá)到最大峰值時(shí)用的時(shí)間差控制在0.1 s 內(nèi)（更精確模擬緊急制動(dòng)工況下制動(dòng)卡鉗與輪胎在制動(dòng)過(guò)程中的工作受力狀態(tài)）。從而消除了臺(tái)架系統(tǒng)制動(dòng)壓力晚于作動(dòng)器載荷到達(dá)峰值引起制動(dòng)力不足，摩擦襯片與制動(dòng)盤之間產(chǎn)生輕微滑移的風(fēng)險(xiǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在第1 輪試驗(yàn)中，對(duì)卡鉗螺栓施加100 N·m+50°預(yù)緊力，如圖5 所示（從圖中可判斷制動(dòng)卡鉗上螺栓在110 N·m 左右、下螺栓在125 N·m 左右時(shí)產(chǎn)生輕微塑性變形），整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)300 個(gè)循環(huán)（100 個(gè)正常載荷循環(huán)組，100 個(gè)115%超載循環(huán)和100 個(gè)130%超載循環(huán)）的載荷沖擊，線性作動(dòng)器的位移變量如圖6 所示，外置傳感器加載點(diǎn)的位移變量圖如圖7 所示，通過(guò)分析2 圖，線性作動(dòng)器位移變化量和加載點(diǎn)處的變化量并沒(méi)有隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，線性作動(dòng)器施加載荷準(zhǔn)確性較高，每組循環(huán)復(fù)現(xiàn)度高，測(cè)試條件輸入準(zhǔn)確，曲線也未出現(xiàn)漂移，試驗(yàn)臺(tái)架的整體剛性結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，目測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架夾具與轉(zhuǎn)向節(jié)連接部位的接觸也未發(fā)生滑動(dòng)，螺栓標(biāo)記清晰未有松動(dòng)跡象，并初步判斷螺紋連接緊固可靠。在試驗(yàn)過(guò)程中使用超聲波測(cè)距儀對(duì)制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值如表3所示，從表中可以看出隨著制動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加，螺栓長(zhǎng)度并未發(fā)生明顯增大，其長(zhǎng)度變化量較小未超出其預(yù)緊時(shí)長(zhǎng)度變化量的30%，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程螺栓長(zhǎng)度處于一個(gè)穩(wěn)定微小的區(qū)域內(nèi)波動(dòng)，初步判斷螺栓力矩衰減值未超過(guò)其預(yù)緊力的30%。同時(shí)將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的所有螺栓扭矩進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果發(fā)現(xiàn)緊急制動(dòng)試驗(yàn)后制動(dòng)卡鉗螺栓組及其他連接螺栓組的力矩值皆滿足所設(shè)計(jì)預(yù)緊值70%以上的要求。

圖5 卡鉗螺栓施加100 Nm+50°預(yù)緊力曲線圖

圖6 線性作動(dòng)器的位移變化曲線圖

圖7 外置傳感器加載點(diǎn)的位移變化曲線圖

在第2 輪試驗(yàn)中，對(duì)卡鉗螺栓施加98.5 N·m 預(yù)緊力，如圖8 所示（從圖中可判斷制動(dòng)卡鉗上螺栓和下螺栓在擰緊過(guò)程中并未產(chǎn)生塑性變形），整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過(guò)300 個(gè)循環(huán)組（100 個(gè)正常載荷循環(huán)組，100 個(gè)115%超載循環(huán)和100 個(gè)130%超載循環(huán)）的載荷沖擊，在試驗(yàn)過(guò)程中同樣使用超聲波測(cè)距儀對(duì)制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值如表3 所示，同樣可以從表中看出隨著制動(dòng)循環(huán)次數(shù)的增加，螺栓長(zhǎng)度在一定的區(qū)域內(nèi)存在微增趨勢(shì)，但其長(zhǎng)度變化量較小并未超出其預(yù)緊時(shí)長(zhǎng)度變化量的30%，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程螺栓長(zhǎng)度變化還處于一個(gè)穩(wěn)定微小的區(qū)域，初步判斷螺栓力矩衰減值未超過(guò)其預(yù)緊力的30%。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)所有螺栓的力矩值經(jīng)過(guò)復(fù)核，制動(dòng)卡鉗螺栓組與其他連接螺栓組的力矩值也同樣滿足所設(shè)計(jì)預(yù)緊值70%以上的要求。

表3 制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度測(cè)量值mm

圖8 卡鉗螺栓施加98.5 Nm 預(yù)緊力曲線圖

圖9 和圖10 為2 輪試驗(yàn)制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度變化曲線圖，通過(guò)2 輪試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，第1 輪試驗(yàn)中，卡鉗螺栓施加100 N·m+50°預(yù)緊力，在經(jīng)過(guò)300 個(gè)循環(huán)載荷沖擊過(guò)程中，制動(dòng)卡鉗的螺栓長(zhǎng)度變化量要比第2 輪試驗(yàn)卡鉗螺栓施加98.5 N·m 時(shí)螺栓的長(zhǎng)度變化量要小，第2 輪試驗(yàn)（卡鉗螺栓施加98.5 N·m 預(yù)緊力）相比第1 輪試驗(yàn)（卡鉗螺栓施加100 N·m+50°預(yù)緊力）隨加載循環(huán)次數(shù)的增加制動(dòng)卡鉗的螺栓長(zhǎng)度出現(xiàn)微增的趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束后，復(fù)核制動(dòng)卡鉗螺栓剩余力矩值結(jié)果也同樣表明第1 輪螺栓力矩衰減值比第2輪螺栓力矩值小，試驗(yàn)前后螺栓長(zhǎng)度變化量與螺栓力矩值變化量的關(guān)聯(lián)度較高。

圖9 第1 輪（100 Nm+50°）制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度變化曲線圖

圖10 第2 輪（98.5 Nm）制動(dòng)卡鉗螺栓長(zhǎng)度變化曲線圖

4 結(jié)論

1）通過(guò)2 輪試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，制動(dòng)卡鉗螺栓裝車最大扭矩100 N·m+50°和裝車最小扭矩98.5 N·m 均能滿足極端制動(dòng)工況下卡鉗螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠性的要求。

2）制動(dòng)卡鉗螺栓使用扭矩轉(zhuǎn)角法（100 N·m+50°）擰緊螺栓時(shí)有效預(yù)緊力更大，在緊急制動(dòng)工況下，螺栓連接結(jié)構(gòu)失效的可能性更小。

3）基于緊急制動(dòng)情況下制動(dòng)系統(tǒng)螺栓連接結(jié)構(gòu)可靠性試驗(yàn)方法有效，超聲波測(cè)距技術(shù)可推廣應(yīng)用于易失效螺紋連接結(jié)構(gòu)可靠性的檢測(cè)。