張璐 王燦

摘要：卡鉗密封槽是制動(dòng)卡鉗總成的關(guān)鍵部分，密封槽的設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)活塞受力及需液量計(jì)算模型對(duì)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(guò)臺(tái)架試驗(yàn)程序?qū)Σ煌姆桨高M(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)卡鉗開(kāi)發(fā)過(guò)程中密封槽的設(shè)計(jì)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(dòng)卡鉗;密封槽;需液量;拖滯;臺(tái)架試驗(yàn)

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

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

0? 引言

隨著客戶對(duì)整車制動(dòng)踏板感要求逐漸提升及對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越嚴(yán)格的要求，對(duì)卡鉗總成性能開(kāi)發(fā)及設(shè)計(jì)帶來(lái)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(lái)驅(qū)動(dòng)活塞回位，而密封槽的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)對(duì)卡鉗密封槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)特性與密封機(jī)理分析，通過(guò)卡鉗活塞受力分析及需液量計(jì)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(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)其活塞回位性能與拖滯力矩進(jìn)行驗(yàn)證，為制動(dòng)卡鉗總成設(shè)計(jì)與性能平衡提供參考依據(jù)。

1? 工作機(jī)理

1.1 液壓制動(dòng)特性

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

當(dāng)駕駛員釋放制動(dòng)時(shí)，卡鉗活塞通過(guò)卡鉗密封圈的回拉彈力進(jìn)行回位，此時(shí)活塞的位移稱為活塞回位量，若活塞回位量越大，則制動(dòng)盤(pán)與摩擦片更易提早分離，此時(shí)制動(dòng)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(duì)于活塞回彈力來(lái)說(shuō)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(gè)主要部件，如圖2所示為密封圈總成，x方向?yàn)榛钊麖较蚍较?，y方向表示活塞中心軸向方向。當(dāng)卡鉗總成建壓時(shí)，液壓推動(dòng)活塞朝制動(dòng)盤(pán)向運(yùn)動(dòng)，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(dòng)釋放過(guò)程中，活塞受到兩方面的作用力使其往回運(yùn)動(dòng)，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(dòng)活塞回位，另一方面旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤(pán)推動(dòng)摩擦片往回運(yùn)動(dòng)，活塞與摩擦片的回位直接決定著制動(dòng)盤(pán)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(dòng)，但若底部角度過(guò)大，由于活塞往回的阻力越大，卡鉗總成的拖滯力矩也相對(duì)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(guò)小，密封槽極限變形量越小，極限情況下制動(dòng)盤(pán)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(guò)大，輪缸建壓時(shí)密封圈填充前倒角，泄壓后活塞回位量也會(huì)更大，極限情況下會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)空行程長(zhǎng)。

2? 卡鉗需液量分析

2.1 活塞受力模型

在卡鉗建壓過(guò)程中密封圈的變形可分為兩個(gè)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(dòng)，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(dòng)盤(pán)相接觸之前，即在活塞的空行程位移階段，活塞的動(dòng)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(dòng)摩擦力，Cea為活塞運(yùn)動(dòng)阻尼。

當(dāng)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)接觸后，活塞的動(dòng)力學(xué)模型為[6]：

（2）

式中，Kp為摩擦片與制動(dòng)盤(pán)接觸的等效剛度，G為制動(dòng)盤(pán)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(dòng)、管路變形、制動(dòng)液形變的制動(dòng)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(dòng)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(dòng)液本身的體積變化量。

而活塞移動(dòng)所產(chǎn)生的液量可以通過(guò)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(dòng)盤(pán)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(dòng)所產(chǎn)生的液量表示為：

（5）

制動(dòng)軟管所產(chǎn)生的液量變化可以表示為：

（6）

式中，Vi為制動(dòng)軟管內(nèi)的初始體積，EH為制動(dòng)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(tái)架試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架

通過(guò)卡鉗總成需液量與拖滯力矩試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)不同設(shè)計(jì)規(guī)格的卡鉗密封槽進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示定慣量卡鉗需液量試驗(yàn)臺(tái)，卡鉗總成經(jīng)過(guò)一輪磨合及由初速度為100km/h的制動(dòng)工況后，分別測(cè)量輪缸壓力在500kPa，5000kPa以及12000kPa時(shí)候的卡鉗輪缸制動(dòng)液變化量，用來(lái)評(píng)估該卡鉗總成的需液量。

經(jīng)過(guò)完整的卡鉗需液量試驗(yàn)后，將制動(dòng)角總成換裝到拖滯試驗(yàn)臺(tái)上，圖4所示卡鉗拖滯試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)為定轉(zhuǎn)速測(cè)量制動(dòng)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(dòng)壓力分別為500kPa，2500kPa，5000kPa及120000kPa，釋放制動(dòng)壓力后測(cè)量卡鉗總成的拖滯力矩，作為評(píng)價(jià)卡鉗總成拖滯。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以下三種典型的密封槽結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)對(duì)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(duì)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(yàn)。

如圖6所示為卡鉗需液量試驗(yàn)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(duì)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(shí)，從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)處于高壓階段時(shí)（12000kPa），三種不同的卡鉗密封槽所對(duì)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(yàn)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(shì)，從不同密封槽的表現(xiàn)來(lái)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(wú)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(yǔ)

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(duì)卡鉗需液量及拖滯性能的影響，通過(guò)分析活塞受力模型建立卡鉗需液量計(jì)算模型并提出密封槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向，通過(guò)卡鉗總成需液量臺(tái)架及拖滯性能臺(tái)架對(duì)不同的密封槽特征結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證;試驗(yàn)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(duì)較低;在卡鉗工程開(kāi)發(fā)過(guò)程中可通對(duì)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。

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作者簡(jiǎn)介：張璐（1983-），男，上海人，中級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榈妆P(pán)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、汽車動(dòng)力學(xué)。