制動(dòng)器優(yōu)化對(duì)降低油耗的影響分析

關(guān)鍵詞：制動(dòng)器;油耗;輪轂軸承;密封結(jié)構(gòu);優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

環(huán)境保護(hù)不容忽視，因此國(guó)家政策和法規(guī)對(duì)油耗的要求不斷提高。目前國(guó)六A排放標(biāo)準(zhǔn)已于2020年7月1日全面實(shí)施，更嚴(yán)格的國(guó)六B標(biāo)準(zhǔn)也將于2023年實(shí)施。國(guó)家新推出的節(jié)能汽車推廣補(bǔ)貼政策，相比之前，對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，良好的燃油經(jīng)濟(jì)性是重要籌碼。A0級(jí)、A級(jí)乘用車是競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的細(xì)分型市場(chǎng)，為獲得更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，突顯“低成本、高價(jià)值”的優(yōu)勢(shì)，需要通過對(duì)前置前驅(qū)車型的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，來提升燃油經(jīng)濟(jì)性。

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

1制動(dòng)器分解及優(yōu)化對(duì)象分析

1.1制動(dòng)器優(yōu)化對(duì)象

車輛行進(jìn)過程中，制動(dòng)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(shí)現(xiàn)降低油耗的目的，就需要降低制動(dòng)器工作時(shí)的拖滯力矩。制動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要由制動(dòng)鉗、制動(dòng)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(dòng)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(dòng)體克服內(nèi)部油脂及密封結(jié)構(gòu)所需要的力矩。而制動(dòng)鉗拖滯力矩則是在取消制動(dòng)后，摩擦片與制動(dòng)盤仍存在一定局部接觸，繼續(xù)對(duì)汽車起制動(dòng)作用的力矩。

1.2制動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)施流程

根據(jù)制動(dòng)器產(chǎn)生拖滯力矩的原因，對(duì)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)施流程如下。

（1）對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行總成分解，分析各部件性能，明確優(yōu)化對(duì)象。

（2）對(duì)輪轂軸承、制動(dòng)鉗等零部件進(jìn)行阻力對(duì)標(biāo)試驗(yàn)，得到制動(dòng)器各部件阻力分布現(xiàn)狀，探究其優(yōu)化空間。

（3）針對(duì)影響零部件的因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究各因素分別對(duì)輪轂軸承的摩擦力矩值、以及制動(dòng)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(duì)樣件進(jìn)行檢測(cè)與驗(yàn)證。

（5）樣件裝車后，進(jìn)行整車綜合油耗測(cè)試、滑行阻力與滑行距離測(cè)試。

（6）根據(jù)樣件試驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果，得到實(shí)際可行的傳動(dòng)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(duì)比分析

輪轂軸承作為制動(dòng)器拖滯力矩重要影響因素，對(duì)整車制動(dòng)系統(tǒng)提升燃油經(jīng)濟(jì)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(rùn)滑脂和游隙。其中，密封圈貢獻(xiàn)了其摩擦力矩的50%以上，潤(rùn)滑脂約20%，輪轂軸承工作游隙次之。

本文根據(jù)標(biāo)桿件對(duì)比測(cè)試，同時(shí)測(cè)量該MPV、對(duì)標(biāo)車A與對(duì)標(biāo)車B的輪轂軸承摩擦力矩，并進(jìn)行比較（圖2）。通過比較發(fā)現(xiàn)，圖1制動(dòng)器組成圖該MPV的輪轂軸承摩擦力矩平均大于對(duì)標(biāo)車A約9%，大于對(duì)標(biāo)車B約24%。同時(shí)經(jīng)過仔細(xì)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(rùn)滑脂及負(fù)游隙。

2.1.1密封圈對(duì)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(duì)摩擦力矩的影響約為下密封的2倍。同時(shí)，將某MPV和對(duì)標(biāo)車的輪轂軸承密封圈進(jìn)行對(duì)比研究，具體結(jié)構(gòu)如下。

該MPV的上密封型式為四唇，下密封型式為三唇;對(duì)標(biāo)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(dāng)?shù)恼{(diào)整。具體更改結(jié)果如圖4所示。

對(duì)改進(jìn)后的密封圈進(jìn)行輪轂軸承的摩擦力矩測(cè)試，測(cè)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(jìn)后輪轂軸承的摩擦力矩較優(yōu)化前的力矩降低10.4%，約0.135N·m。

2.1.2油脂對(duì)輪轂軸承摩擦力矩的影響

將該MPV輪轂軸承使用的潤(rùn)滑油脂和另外3種不同黏度的油脂進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果顯示，采用黏度較低的3號(hào)潤(rùn)滑脂能降低摩擦力矩約40%。3號(hào)潤(rùn)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(fù)游隙對(duì)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(dòng)體與滾道之間的接觸間隙，形成負(fù)游隙。不同負(fù)游隙的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同負(fù)游隙下軸承的摩擦力矩相差高達(dá)11%。合理設(shè)計(jì)負(fù)游隙公差，選用絕對(duì)值小的負(fù)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(rùn)滑脂優(yōu)化，注入3號(hào)潤(rùn)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(shí)更改裝配過盈量。

（3）負(fù)游隙優(yōu)化，選用絕對(duì)值小的負(fù)游隙。

優(yōu)化輪轂軸承匹配整車后，進(jìn)行油耗測(cè)試。未優(yōu)化輪轂軸承之前，該車型的平均油耗為7.347L/100km，優(yōu)化輪轂軸承后平均油耗為7.267L/100km，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0.080L/100km，節(jié)油率達(dá)到了1.1%;熱態(tài)滑行距離增加37.7m;熱態(tài)滑行阻力降低了約10N，達(dá)6%。輪轂軸承的密封圈優(yōu)化不增加成本，成本取決于潤(rùn)滑脂，推薦實(shí)施優(yōu)化。

通過大量的對(duì)比分析和數(shù)據(jù)測(cè)試，表明通過對(duì)輪轂軸承的密封圈、潤(rùn)滑脂和負(fù)游隙進(jìn)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(jìn)后的輪轂軸承在耐久性能、密封性能上也做了對(duì)應(yīng)驗(yàn)證，不比改進(jìn)前差，改進(jìn)措施可實(shí)施。

3制動(dòng)鉗研究及優(yōu)化

3.1制動(dòng)鉗拖滯力矩現(xiàn)狀及對(duì)比分析

制動(dòng)鉗作為制動(dòng)器拖滯力矩重要影響因素，對(duì)整車制動(dòng)的燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。在之前的著作中[7-8]，通過對(duì)制動(dòng)過程中的摩擦片進(jìn)行受力分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析出制動(dòng)盤厚薄差對(duì)制動(dòng)拖滯的影響。此外，制動(dòng)卡鉗制動(dòng)間隙、鉗體剛度、密封圈、密封槽以及摩擦塊卡簧等因素，也會(huì)對(duì)制動(dòng)拖滯力矩產(chǎn)生各種影響。

本文同時(shí)測(cè)量該MPV、對(duì)標(biāo)車C和對(duì)標(biāo)車D的制動(dòng)鉗拖滯力矩，并進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

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

3.1.1制動(dòng)盤端面跳動(dòng)對(duì)拖滯力矩的影響

端面跳動(dòng)與拖滯力矩呈正相關(guān)。端面跳動(dòng)越小，拖滯力矩越小。當(dāng)制動(dòng)盤的安裝跳動(dòng)從0.050mm降到0.038mm，拖滯力矩最大值降低0.160N·m，平均值降低0.280N·m。但是考慮到降低端面跳動(dòng)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(shí)施。

3.1.2消音片對(duì)拖滯力矩的影響

消音片拆卸后，該MPV較對(duì)標(biāo)車C的拖滯力矩多降低0.620N·m，降幅達(dá)32.9%，消音片對(duì)該MPV制動(dòng)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(duì)標(biāo)車D的制動(dòng)鉗拖滯力矩平均比該MPV低1.370N·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(dòng)過程中消音片變形量大;而對(duì)標(biāo)車D使用的消音片為金屬和橡膠的混合結(jié)構(gòu)，制動(dòng)過程中消音片變形量更小，對(duì)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(duì)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(dòng)過程中消音片變形減小。解除制動(dòng)后，消音片恢復(fù)變形對(duì)工作間隙影響變小。設(shè)計(jì)上，可通過增加活塞蓋來實(shí)現(xiàn)增大活塞與消音片接觸面積（圖9）[2]。

增大活塞與消音片接觸面積（增大3倍）后，探究其對(duì)拖滯力矩影響，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。測(cè)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0.300N·m，且活塞蓋不影響正常制動(dòng)，推薦實(shí)施。

3.2制動(dòng)器優(yōu)化方案

制動(dòng)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(dòng)器匹配整車后，進(jìn)行油耗測(cè)試。未優(yōu)化制動(dòng)器前該MPV的平均油耗為7.180L/100km，優(yōu)化后的平均油耗為7.010L/100km，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(dòng)器后的油耗降低了0.170L/100km，節(jié)油率達(dá)到了2.3%;以50km/h的速度熱態(tài)滑行距離增加26.0m，高速下滑行阻力降低了約10N，達(dá)6.0%。

通過大量的對(duì)比分析和數(shù)據(jù)測(cè)試，表明通過對(duì)制動(dòng)器消音片的材料和接觸面積進(jìn)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(jìn)后的制動(dòng)鉗在耐久性能、耗液量和噪聲匹配上也做了對(duì)應(yīng)驗(yàn)證，不比改進(jìn)前差，改進(jìn)措施可實(shí)施。

4結(jié)束語

汽車節(jié)能是一項(xiàng)長(zhǎng)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(dòng)器的優(yōu)化只是眾多方法之一。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)際油價(jià)的大幅上漲，導(dǎo)致中國(guó)的油價(jià)也跟著水漲船高，油料支出的成本占家庭支出和企業(yè)運(yùn)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(yùn)營(yíng)成本，減少環(huán)境污染，提高經(jīng)濟(jì)效益。

作者簡(jiǎn)介：

李?yuàn)究?，工程師，研究方向?yàn)榈妆P開發(fā)。

尹青春，本科，工程師，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)。

汪愛軍，本科，工程師，研究方向?yàn)榈妆P開發(fā)。

李雪娟，本科，工程師，研究方向?yàn)榈妆P開發(fā)。