汽車駐車制動拉索的力學模型與受力分析

崔祥波，張德志，李彬

(奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院，安徽蕪湖 241006)

汽車駐車制動拉索的力學模型與受力分析

崔祥波，張德志，李彬

(奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院，安徽蕪湖 241006)

為探索駐車制動拉索各零件的受力情況及其之間的關系，建立拉索的力學模型。模型中考慮了輸入力、輸出力、摩擦力及其生成過程。基于此模型，設計一組試驗進行驗證并得出結論。基于結論，結合法規要求及汽車行業實際情況，得出拉索各零件最大受力值，為拉索的結構設計、布置設計及周邊件設計提供依據。

駐車制動拉索；力學模型；受力分析

0 引言

汽車駐車制動系統分為機械式和電子式兩種，駐車制動拉索(后面簡稱拉索)是機械式駐車制動系統的重要組成件。為探索拉索各零件的受力情況及其之間的關系，作者建立一個拉索的力學模型。模型中考慮了輸入力、輸出力、摩擦力及其生成過程。基于此模型，設計一組試驗進行驗證，得出結論。基于結論，結合法規要求及汽車行業實際情況，得出拉索各零件最大受力值，為拉索的結構設計、布置設計及周邊件設計提供依據。汽車中還有很多和駐車制動拉索相似的零件，比如換擋操控拉索、車門操控拉索等，其力學分析均可參考本文。

1 駐車制動拉索結構

圖1是一種典型的駐車拉索結構圖，拉索主要由鋼絲繩、鋼絲繩前球銷、鋼絲繩后球銷、護管、護管前接頭、護管后接頭、回位彈簧、支架組成。這些零件就是文中力學分析的對象。

圖1 一種典型的駐車拉索結構圖

護管是拉索的核心子零件，有必要對其內部結構進行詳細分析。圖2是護管內部結構剖視圖，護管由外層PVC、鋼絲卷簧管、內襯管三部分硫化卷制在一起而成，是一個復合結構件。外層PVC起密封和保護作用，和鋼絲卷簧管硫化在一起。鋼絲卷簧管是用鋼絲繞制而成的細長管，起導向支撐作用，卷簧各圈之間有間隙Δs(為突出顯示，Δs畫的比較大，實際很小，接近于0)，力的傳遞要先消除這個間隙，所以卷簧的致密度直接影響拉索的行程效率。卷簧各圈無法光滑連接，所以其內壁無法做得很光滑，如果鋼絲繩直接裝入卷簧管中，使用時很快會被磨破，所以在卷簧管內需要加一個內襯管，鋼絲繩最終是穿入內襯管中。駐車時，鋼絲繩和內襯管摩擦，顯然，內襯管的主要作用是減小摩擦力。

圖2 護管內部結構剖視圖

2 駐車制動拉索受力分析

如果拉索的布置如圖3一樣，完全是直線布置，沒有任何折彎，則駐車制動時，鋼絲繩和內襯管之間的摩擦力很小，可以認為f1=f2=0，輸入力F1沒有任何損失地經鋼絲繩傳遞到鋼絲繩后球銷，進而傳遞給駐車制動器，F1=F4。護管受力為0，壓縮變形量也為0，拉索總成的力和行程傳遞效率均為100%(力傳遞效率η=(F4÷F1)×100%，行程傳遞效率亦然)。支架一、支架二、支架三的受力均為0，并且拉索直線走向由護管前接頭和護管后接頭即可實現完全約束，不需要支架來定位約束，支架可以取消。

圖3 拉索直線布置情況下的力學模型

但實車拉索往往不可能完全直線布置，如圖4所示，假設右側那個空間被零件P占用了，則拉索要避讓，拉索就必然需要折彎。折彎引出幾個問題：(1)折彎后鋼絲繩必然會受摩擦力，F1≠F4，兩者之間的關系是什么？(2)此時護管受力F2、F3是多大，它們之間的關系是什么？(3)護管是軟的，受力后的變形趨勢是拉直，而實車布置需要護管保持設計的走向(才能不和周邊件干涉)，是什么力量讓護管能保持走向？(4)要保持拉索的折彎走向，是否需要支架？支架受力多大？

圖4 拉索有折彎布置情況下的力學模型

2.1 鋼絲繩受力分析

鋼絲繩受力后有拉直趨勢，因為護管不是直線布置，鋼絲繩會受到內襯管的摩擦力。以鋼絲繩為受力研究對象，它只受到3個力F1、F4、f1，其關系為F1=F4+f1。

2.2 護管受力分析

鋼絲繩有拉直趨勢，進而帶動護管有伸直趨勢。護管受鋼絲繩擠壓，最初的擠壓點在圖4所示的X、Y兩個折彎點，折彎點繃緊后，護管里面的卷簧管逐步并圈繃緊，并向兩端傳遞擠壓力和繃直趨勢，最終擠壓力通過圖2中的A面傳遞給前、后接頭，受車身中通道和制動器支架限制，前、后接頭無法運動，繃直趨勢停止，產生壓力F2和F3。以護管為受力研究對象，它只受到3個力F2、F3、f2，其關系為F2=F3+f2。

2.3 鋼絲繩和護管所受各種力之間的關系總結

為驗證上述結論是否正確，并進一步探索各力之間的關系，作者進行了一組試驗，將鋼絲繩前球銷、鋼絲繩后球銷、護管前接頭、護管后接頭位置全部裝上拉壓力傳感器，對鋼絲繩前球銷依次輸入100、200、……、1 400 N的力，測出這些零件受到的力。測試現場見圖5，測試結果見表1。

鋼絲繩前球銷力(輸入力)/N 護管前接頭力 護管后接頭力 鋼絲繩后球銷力 力/N比例(力/輸入力)/%力/N比例(力/輸入力)/%力/N比例(力/輸入力)/%10098.198.0682.782.6982.582.50200197.098.50166.283.10165.582.76300296.298.72259.186.36258.886.26400394.198.53348.887.19348.287.04500497.199.42439.187.81439.087.79600591.198.52529.588.25528.588.09700692.198.87619.988.55619.188.44800792.199.01689.486.18689.386.16900891.199.01784.187.13783.887.091000980.498.04865.486.54863.686.3611001081.798.33946.886.08946.186.0112001188.199.011041.286.771040.786.7213001280.398.491137.387.481136.887.4414001388.099.141222.787.331222.087.29

從圖6可以初步得出如下結論：(1)不同輸入力值時，F1≈F2，力大小相當。(2)不同輸入力值時，F3≈F4，力大小相當。(3)F1>F4。(4)F2>F3。

圖6 駐車拉索受力試驗結果圖(一)

為進一步觀察各力間的關系，將各“差值”進行圖解分析，如圖7所示。

結合上述受力分析，從圖6和圖7可以得出如下結論：

(1)不管輸入力是多大，F1=F2，力大小相等，方向相反。

(2)不管輸入力是多大，F3=F4，力大小相等，方向相反。

(3)不管輸入力是多大，f1=f2，力大小相等，方向相反。

(4)不管輸入力是多大，F1=F4+f1。

(5)不管輸入力是多大，F2=F3+f2。

(6)f1、f2隨輸入力F1的增加而增加，但并非嚴格的線性增加。綜合摩擦因數平均值為0.136，最大值為0.175，最小值為0.116。綜合摩擦因數最大值出現在輸入力最小時，隨著輸入力的增加，摩擦因數有減小趨勢。但整體來說，摩擦因數變化幅度很小，可以認為是恒定值0.136。

(7)護管前接頭和護管后接頭，都只受壓力(F2、F3)，不受拉力。備注：實車中，因為拉索不是直線布置，駐車時接頭會受到壓力偏轉而生成很小的扭轉力矩，不駐車時，接頭會受到護管繃緊力而生成的接近于0的拉力，設計計算時都可以忽略。

圖7 駐車拉索受力試驗結果圖(二)

2.4 各支架受力分析

從第2.3節的結論可知，鋼絲繩和護管各力之間已經實現平衡，不需要外力來平衡。

2.4.1 靜態段支架受力分析

(1)支架沒有鉚接在護管上的情況分析。此時，支架在護管上可以自由滑動，支架不參與鋼絲繩和護管各力之間的平衡，支架受力接近于0。支架的作用僅僅是定位護管的走向，受到的力等于因固定走向而帶來的護管彈力，這個力很小，一般不超過150 N。

(2)支架鉚接在護管上的情況分析。此時，支架不能在護管上自由滑動，支架是否參與鋼絲繩和護管各力之間的平衡？假如只有一個支架鉚接在護管上，則這個支架將護管分為兩段，兩段護管的受力分析模型及結果均同第2.2節中的，所以兩段護管在鉚接支架位置橋接后，力量仍然是由護管內的卷簧管傳遞，支架并不參與力的傳遞，不參與護管各力之間的平衡。依次類推，有兩個及以上支架鉚接在護管上，情況也一樣，支架均不參與鋼絲繩和護管各力之間的平衡。支架的作用僅僅是定位護管的走向，受到的力等于因固定走向而帶來的護管彈力，這個力很小，一般不超過150 N。

2.4.2 動態段支架的受力分析

動態段支架和靜態段支架一樣，不參與鋼絲繩和護管各力之間的平衡。但動態段支架的作用，除了定位護管的走向，還要承受動態段拉索長短變化帶來的沖擊力和拖拽力，所以支架和護管的鉚接力要足夠大，最少200 N以上，否則拉索沖擊力可能破壞鉚接狀態，鉚接狀態被破壞后護管很快就會被磨破。

2.5 不同工況下拉索各部位受力最大值分析

2.5.1 靜態駐車時

以乘用車為例。(1)法規要求分析。國標GB7258-2012《機動車運行安全技術條件》和國標GB21670-2008《乘用車制動系統技術要求及試驗方法》均要求：手操縱力不大于400 N，腳操縱力不大于500 N時，車輛應能在20%的坡道上駐坡。以手為操縱力來源的駐車制動系統，手制動操縱機構的杠桿比一般不大于7，手制動操縱機構輸入給鋼絲繩前球銷的力最大為400×7/2=1 400 N(除以2是因為拉索分左右兩根，兩者受力相等)。以腳為操縱力來源的駐車制動系統，分析結果和以手為操縱力來源的機構相當，不再贅述。所以，按法規要求計算的鋼絲繩前球銷最大輸入力為1 400 N。(2)行業實際情況分析。實際開發乘用車時，一般要求手操縱力小于等于250 N時應能在20%的坡道上駐坡，此時，手制動操縱機構輸入給鋼絲繩前球銷的力最大為250×7/2=875 N，20%的坡道除了非常陡峭的山路，日常很難遇到，所以，實際日常使用中，鋼絲繩前球銷最大輸入力為875 N。(3)特殊工況分析。對于新手、手力比較大或者習慣于大力拉駐車手柄的駕駛員，可能會出現少數幾次超過法規規定的400 N的情況。經實際操作驗證，在駕駛員位置，即便是兩只手，對手制動操縱機構輸入的操縱力最大不超過600 N。所以，特殊情況下，手制動操縱機構輸入給鋼絲繩前球銷的力最大為600×7/2=2 100 N。

2.5.2 動態駐車時

動態駐車發生的工況常見于應急制動和行車時的誤操作，以乘用車為例。(1)法規要求分析。國標GB21670-2008《乘用車制動系統技術要求及試驗方法》要求：駐車制動系統應確保在車輛行駛時也能進行駐車制動，手操縱力不大于400 N，腳操縱力不大于500 N時，應能使制動初速度為30 km/h的車產生1.5 m/s2以上的減速度。鋼絲繩前球銷最大輸入力的計算過程及結果同第2.5.1節。(2)行業實際情況分析。實際開發乘用車時，手操縱力達到250 N時，即可產生1.5 m/s2以上的減速度，輸入力達到400 N時，可產生3.0 m/s2以上的減速度，達到了應急制動的減速度要求。鋼絲繩前球銷最大輸入力的計算過程及結果同第2.5.1節。(3)特殊工況分析。鋼絲繩前球銷最大輸入力計算過程及結果同第2.5.1節。

2.5.3 拉索各部位受力最大值總結

通過以上分析，靜態駐車和動態駐車時的鋼絲繩前球銷最大輸入力一致。結合第2.3節的結論，將各種工況下拉索各位置的最大受力列于表2。鋼絲繩摩擦力按摩擦因數為0.136計算。日常使用工況的最大受力值可用于駐車制動系統及周邊件的剛度校核，在這個力的作用下，不得有超過設計值的彈性變形，以提高駐車系統的行程效率，比如：護管前后接頭、鋼絲繩前后接頭、手制動操縱機構、制動器支架、制動器拉臂、車身中通道。特殊工況的最大受力值，可用于駐車制動系統及周邊件的強度校核，在這個力的作用下，不得有超過設計值的塑性變形或斷裂。

表2 不同工況下拉索各部位最大受力值

3 結論

(1)對拉索的護管前接頭、護管后接頭、鋼絲繩前球銷、鋼絲繩后球銷、鋼絲繩、支架的受力情況、力學關系及力的生成過程進行了研究和試驗驗證。

(2)對不同工況下拉索各部位的最大受力值進行了研究和試驗驗證。

(3)文中的力學分析模型和結論適用于汽車中的其他類似零件，比如換擋操控拉索、車門操控拉索等。

[1]公安部道路交通管理標準化技術委員會.機動車運行安全技術條件:GB 7258-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2]全國汽車標準化技術委員會.乘用車制動系統技術要求及試驗方法:GB21670-2008[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3]劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

MechanicalModelandForceAnalysisofAutomobileParkingBrakeCable

CUI Xiangbo, ZHANG Dezhi， LI Bin

(Automotive Engineering and Technology Research Institute,Chery Automobile Co., Ltd.,Wuhu Anhui 241006,China)

In order to explore the force condition of various parts of parking brake cable and the relationship between them,a mechanical model of cable was established.In the model,input force, output force, friction force and their generation processes were considered.Based on this model,a set of test was designed to validate and a conclusion was drawn.Based on this conclusion,combining with the regulatory requirements and practical situation of automobile industry,the maximum force value of each part of the cable was gotten.It provides basis for cable structure design, layout design and surrounding parts design.

Parking brake cable;Mechanical model; Force analysis

2017-07-18

崔祥波(1977—)，男，碩士研究生，工程師，從事汽車制動系統的產品設計工作。E-mail：mubiao1977@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.008

U463.52

B

1674-1986(2017)10-033-04