制動器優(yōu)化對降低油耗的影響分析

李姮、尹青春、汪愛軍、李雪娟

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

環(huán)境保護不容忽視，因此國家政策和法規(guī)對油耗的要求不斷提高。目前國六A排放標準已于2020年7月1日全面實施，更嚴格的國六B標準也將于2023年實施。國家新推出的節(jié)能汽車推廣補貼政策，相比之前，對車輛的節(jié)能、環(huán)保程度要求也越來越高。如今乘用車市場競爭激烈，良好的燃油經(jīng)濟性是重要籌碼。A0級、A級乘用車是競爭日益激烈的細分型市場，為獲得更大的市場競爭力，突顯“低成本、高價值”的優(yōu)勢，需要通過對前置前驅(qū)車型的傳動系統(tǒng)進一步優(yōu)化，來提升燃油經(jīng)濟性。

本文以某MPV車型為基礎(chǔ)，通過對車輛的制動器結(jié)構(gòu)進行研究，分析其與油耗之間的關(guān)系。同時，通過對制動器相關(guān)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，降低制動系統(tǒng)阻力，提升傳動效率，以達到整車油耗降低1%～2%的目標。

1 制動器分解及優(yōu)化對象分析

1.1 制動器優(yōu)化對象

車輛行進過程中，制動器產(chǎn)生的拖滯力矩是造成油耗增加的主要原因，因此要實現(xiàn)降低油耗的目的，就需要降低制動器工作時的拖滯力矩。制動器結(jié)構(gòu)主要由制動鉗、制動盤、輪轂軸承、轉(zhuǎn)向節(jié)和防塵板5大部分組成（圖1），根據(jù)其工作原理，拖滯力矩主要由輪轂軸承和制動鉗產(chǎn)生，其他均為結(jié)構(gòu)連接件。輪轂軸承拖滯力矩是指滾動體克服內(nèi)部油脂及密封結(jié)構(gòu)所需要的力矩。而制動鉗拖滯力矩則是在取消制動后，摩擦片與制動盤仍存在一定局部接觸，繼續(xù)對汽車起制動作用的力矩。

圖1 制動器組成圖

1.2 制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化實施流程

根據(jù)制動器產(chǎn)生拖滯力矩的原因，對制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化實施流程如下。

（1）對制動器進行總成分解，分析各部件性能，明確優(yōu)化對象。

（2）對輪轂軸承、制動鉗等零部件進行阻力對標試驗,得到制動器各部件阻力分布現(xiàn)狀，探究其優(yōu)化空間。

（3）針對影響零部件的因素設(shè)計試驗，研究各因素分別對輪轂軸承的摩擦力矩值、以及制動鉗的拖滯力矩值的影響。

（4）提出優(yōu)化措施，制定優(yōu)化方案，試制樣件，并對樣件進行檢測與驗證。

（5）樣件裝車后，進行整車綜合油耗測試、滑行阻力與滑行距離測試。

（6）根據(jù)樣件試驗結(jié)果以及實車驗證結(jié)果，得到實際可行的傳動系優(yōu)化措施。

2 輪轂軸承研究及優(yōu)化

2.1 輪轂軸承摩擦力矩現(xiàn)狀及對比分析

輪轂軸承作為制動器拖滯力矩重要影響因素，對整車制動系統(tǒng)提升燃油經(jīng)濟性具有重要作用。研究表明，輪轂軸承拖滯力矩影響因素前三位分別為：密封圈、潤滑脂和游隙。其中，密封圈貢獻了其摩擦力矩的50%以上，潤滑脂約20%，輪轂軸承工作游隙次之。

本文根據(jù)標桿件對比測試，同時測量該MPV、對標車A與對標車B的輪轂軸承摩擦力矩，并進行比較（圖2）。通過比較發(fā)現(xiàn)，該MPV的輪轂軸承摩擦力矩平均大于對標車A約9%，大于對標車B約24%。同時經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn)，引起該MPV輪轂軸承摩擦力矩較后兩者偏高的主要因素包括密封圈型式、潤滑脂及負游隙。

圖2 輪轂軸承摩擦力矩對比圖

2.1.1 密封圈對輪轂軸承摩擦力矩的影響

密封結(jié)構(gòu)與摩擦力矩之間的關(guān)系如圖3所示。密封圈越少，摩擦力矩越低，且上密封圈對摩擦力矩的影響約為下密封的2倍。同時，將某MPV和對標車的輪轂軸承密封圈進行對比研究，具體結(jié)構(gòu)如下。

圖3 密封結(jié)構(gòu)對摩擦力矩的影響對比圖

該MPV的上密封型式為四唇，下密封型式為三唇；對標車上、下密封型式均為三唇。在不影響密封性能的前提下，將上密封由四唇結(jié)構(gòu)改為三唇結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的裝配過盈量做適當?shù)恼{(diào)整。具體更改結(jié)果如圖4所示。

圖4 密封圈結(jié)構(gòu)更改圖

對改進后的密封圈進行輪轂軸承的摩擦力矩測試，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，在保證密封性能的前提下，優(yōu)化改進后輪轂軸承的摩擦力矩較優(yōu)化前的力矩降低10.4%，約0.135 N·m。

圖5 密封圈優(yōu)化后的摩擦力矩對比圖

2.1.2 油脂對輪轂軸承摩擦力矩的影響

將該MPV輪轂軸承使用的潤滑油脂和另外3種不同黏度的油脂進行對比研究，對比試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 各油脂對摩擦力矩的影響對比圖

結(jié)果顯示，采用黏度較低的3號潤滑脂能降低摩擦力矩約40%。3號潤滑脂能夠大幅度降低輪轂軸承的摩擦力矩，推薦使用。

2.1.3 負游隙對輪轂軸承摩擦力矩的影響

在三代輪轂軸承裝配過程中，采用預(yù)緊的方式消除滾動體與滾道之間的接觸間隙，形成負游隙。不同負游隙的對比試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同游隙對摩擦力矩的影響對比圖

試驗結(jié)果表明，不同負游隙下軸承的摩擦力矩相差高達11%。合理設(shè)計負游隙公差，選用絕對值小的負游隙，可以顯著減小摩擦力矩。

2.2 輪轂軸承優(yōu)化方案

輪轂軸承總體優(yōu)化方案如下。

（1）潤滑脂優(yōu)化，注入3號潤滑脂。

（2）密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化，上密封四唇密封結(jié)構(gòu)改為三唇密封，同時更改裝配過盈量。

（3）負游隙優(yōu)化，選用絕對值小的負游隙。

優(yōu)化輪轂軸承匹配整車后，進行油耗測試。未優(yōu)化輪轂軸承之前，該車型的平均油耗為7.347 L/100 km，優(yōu)化輪轂軸承后平均油耗為7.267 L/100 km，滑行距離和滑行阻力也都有明顯改善。具體表現(xiàn)為，匹配優(yōu)化后的輪轂軸承整車油耗降低了0.080 L/100 km，節(jié)油率達到了1.1%；熱態(tài)滑行距離增加37.7 m；熱態(tài)滑行阻力降低了約10 N，達6%。輪轂軸承的密封圈優(yōu)化不增加成本，成本取決于潤滑脂，推薦實施優(yōu)化。

通過大量的對比分析和數(shù)據(jù)測試，表明通過對輪轂軸承的密封圈、潤滑脂和負游隙進行優(yōu)化后，可以有效降低整車油耗并保證輪轂軸承基本性能。改進后的輪轂軸承在耐久性能、密封性能上也做了對應(yīng)驗證，不比改進前差，改進措施可實施。

3 制動鉗研究及優(yōu)化

3.1 制動鉗拖滯力矩現(xiàn)狀及對比分析

制動鉗作為制動器拖滯力矩重要影響因素，對整車制動的燃油經(jīng)濟性具有重要作用。在之前的著作中，通過對制動過程中的摩擦片進行受力分析，結(jié)合實驗分析出制動盤厚薄差對制動拖滯的影響。此外，制動卡鉗制動間隙、鉗體剛度、密封圈、密封槽以及摩擦塊卡簧等因素，也會對制動拖滯力矩產(chǎn)生各種影響。

本文同時測量該MPV、對標車C和對標車D的制動鉗拖滯力矩，并進行比較，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 制動器拖滯力矩對比圖

通過比較發(fā)現(xiàn)，某MPV制動器拖滯力矩比對標車C高0.300 N·m，比對標車D高2.100 N·m。該MPV制動器拖滯力矩與對標車D相比，存在較大的優(yōu)化空間。同時經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn)，引起該MPV制動器拖滯力矩較另外2款對標車型偏高的主要因素包括制動盤端面跳動、消音片材料及活塞與消音片接觸面積。

3.1.1制動盤端面跳動對拖滯力矩的影響

端面跳動與拖滯力矩呈正相關(guān)。端面跳動越小，拖滯力矩越小。當制動盤的安裝跳動從0.050 mm降到0.038 mm，拖滯力矩最大值降低0.160 N·m，平均值降低0.280 N·m。 但是考慮到降低端面跳動需要的技術(shù)較高，成本增加較多，而相應(yīng)的拖滯力矩值降低幅度不明顯，不建議實施。

3.1.2 消音片對拖滯力矩的影響

消音片拆卸后，該MPV較對標車C的拖滯力矩多降低0.620 N·m，降幅達32.9%，消音片對該MPV制動鉗拖滯的影響更大。因此可以考慮從消音片方面來降低拖滯力矩。

對標車D的制動鉗拖滯力矩平均比該MPV低1.370 N·m（約50%）。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，該MPV使用的消音片為全金屬結(jié)構(gòu)，制動過程中消音片變形量大；而對標車D使用的消音片為金屬和橡膠的混合結(jié)構(gòu)，制動過程中消音片變形量更小，對減少拖滯力矩作用更明顯。所以可以考慮從消音片選材方面來降低拖滯力矩。

3.1.3 活塞與消音片接觸面積對拖滯力矩的影響

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，增大活塞與消音片接觸面積，也可以使制動過程中消音片變形減小。解除制動后，消音片恢復(fù)變形對工作間隙影響變小。設(shè)計上，可通過增加活塞蓋來實現(xiàn)增大活塞與消音片接觸面積（圖9）。

圖9 增大活塞與消音片接觸面積

增大活塞與消音片接觸面積（增大3倍）后，探究其對拖滯力矩影響，測試結(jié)果如圖10所示。測試結(jié)果表明，增大活塞與消音片接觸面積3倍后，拖滯力矩平均降低0.300 N·m,且活塞蓋不影響正常制動，推薦實施。

圖10 增大活塞面積對拖滯力矩影響對比圖

3.2 制動器優(yōu)化方案

制動器總體優(yōu)化方案如下。

（1）消音片選用金屬和橡膠的混合結(jié)構(gòu)。

（2）通過增加活塞蓋，增大活塞與消音片接觸面積。

優(yōu)化制動器匹配整車后，進行油耗測試。未優(yōu)化制動器前該MPV的平均油耗為7.180 L/100 km，優(yōu)化后的平均油耗為7.010 L/100 km，滑行距離和滑行阻力也都有明顯改善。具體表現(xiàn)為，匹配優(yōu)化制動器后的油耗降低了0.170 L/100 km，節(jié)油率達到了2.3%；以50 km/h的速度熱態(tài)滑行距離增加26.0 m，高速下滑行阻力降低了約10 N，達6.0%。

通過大量的對比分析和數(shù)據(jù)測試，表明通過對制動器消音片的材料和接觸面積進行優(yōu)化后，在增加少量成本的基礎(chǔ)上，可以有效降低整車油耗。改進后的制動鉗在耐久性能、耗液量和噪聲匹配上也做了對應(yīng)驗證，不比改進前差，改進措施可實施。

4 結(jié)束語

汽車節(jié)能是一項長期而艱巨的工作，而影響汽車油耗的因素也是復(fù)雜多變的，制動器的優(yōu)化只是眾多方法之一。隨著中國經(jīng)濟的大力發(fā)展，越來越多的企業(yè)和家庭擁有汽車。而隨著國際油價的大幅上漲，導(dǎo)致中國的油價也跟著水漲船高，油料支出的成本占家庭支出和企業(yè)運行成本的比重也越來越大。因此降低汽車油耗本身就意味著降低運營成本，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟效益。