EPB 卡鉗拖滯力矩的 測(cè)試方法和解決方案

文|奇瑞商用車（安徽）有限公司 黃巨成 李虎本 朱亞偉

一、前言

隨著現(xiàn)代汽車電子產(chǎn)品的普及，一種取代傳統(tǒng)機(jī)械駐車的電子駐車系統(tǒng)越來越普及。EPB（Electrical Park Brake）駐車系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的機(jī)械手剎更安全，不會(huì)因駕駛者的力度而改變制動(dòng)效果。隨著全世界節(jié)能環(huán)保要求越來越高，各行各業(yè)都追求更少的燃料獲得更高的做功要求越來越高。針對(duì)汽車制動(dòng)卡鉗技術(shù)，降低卡鉗拖滯力矩是永恒的追求的技術(shù)難點(diǎn)。制動(dòng)卡鉗的拖滯力很大一方面是由于摩擦片和制動(dòng)盤的分離不徹底（摩擦片沒有回位）。但是由于EPB 卡鉗駐車時(shí)卡鉗夾緊力更大，系統(tǒng)變形更大，故在駐車釋放后卡鉗的拖滯力矩相比傳統(tǒng)的卡鉗更惡劣。

拖滯力就是一種殘余應(yīng)力，一般出現(xiàn)在液壓盤式制動(dòng)器，由于制動(dòng)活塞在工作缸內(nèi)由液壓油推動(dòng)工作，達(dá)到制動(dòng)的目的。制動(dòng)活塞回位不完全時(shí)，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，也就是拖滯力。如果拖滯力大于標(biāo)準(zhǔn)的話，即使松開了剎車踏板，摩擦片始終和制動(dòng)盤有殘余的摩擦力。過大的拖滯力的存在，導(dǎo)致車輛燃油經(jīng)濟(jì)性降低，油耗將增大。

二、問題現(xiàn)象

此款車型后輪裝配集成式EPB（Electrical Park Brake）卡鉗的盤式制動(dòng)器，主要技術(shù)參數(shù)為：卡鉗缸徑為φ38mm，制動(dòng)盤厚度為12mm，制動(dòng)有效半徑為125mm，如圖1 所示。

圖1 集成EPB 卡鉗的后浮動(dòng)卡鉗盤式制動(dòng)器

該車型正常行駛（非剎車過程）的過程中，后輪制動(dòng)盤溫度急劇上升。進(jìn)一步測(cè)試后輪拖滯力矩，左/右后輪輪邊拖滯力矩達(dá)到8N·m 以上。確定制動(dòng)盤溫度上升的原因?yàn)楹驟PB 卡鉗拖滯力矩過大，摩擦片和制動(dòng)盤持續(xù)接觸摩擦，導(dǎo)致溫度上升。

三、問題機(jī)理及措施實(shí)現(xiàn)

1、EPB 卡鉗的工作原理

EPB 卡鉗的主要組成部分如圖2 所示，相對(duì)于傳動(dòng)的卡鉗EPB 卡鉗主要增加了電機(jī)齒輪單元、調(diào)整螺母、調(diào)整螺桿、滾針軸承、C 型扣環(huán)、O 型環(huán)、銅套、O 環(huán)和墊圈等。

EPB 卡鉗的電機(jī)齒輪單元如圖3 所示，其主要組成單元為電機(jī)、皮帶及齒輪箱。EPB 卡鉗的駐車原理為：當(dāng)駕駛員有駐車需求的時(shí)，會(huì)促動(dòng)拉起EPB駐車開關(guān)。由于開關(guān)的促動(dòng)，ECU 內(nèi)部繼電器會(huì)控制EPB 卡鉗電機(jī)齒輪單元通電，電機(jī)齒輪單元中電機(jī)會(huì)在電流作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)通過皮帶傳遞給齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱的降速增扭后，帶動(dòng)調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)（螺桿是固定在卡鉗體上）進(jìn)而推動(dòng)調(diào)整螺母直線向活塞運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)最終推動(dòng)摩擦片夾緊制動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)駐車。釋放過程是相反的，當(dāng)駕駛員有解除駐車需求的時(shí)，會(huì)促動(dòng)按下EPB 駐車開關(guān)。由于開關(guān)的促動(dòng)，ECU內(nèi)部繼電器會(huì)控制EPB 卡鉗電機(jī)齒輪單元反向通電，電機(jī)齒輪單元中電機(jī)會(huì)在反向電流作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)通過皮帶傳遞給齒輪箱，帶動(dòng)調(diào)整螺桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)調(diào)整螺母直線反向向活塞運(yùn)動(dòng)。此時(shí)活塞不受調(diào)整螺母的壓力作用，活塞在矩形密封圈的作用下主動(dòng)回位，活塞回位后摩擦片不再受活塞的壓力作用，摩擦片在制動(dòng)盤的端面跳動(dòng)過程中回位，進(jìn)而駐車制動(dòng)解除，工作原理如圖4 所示。

圖2 EPB 卡鉗組成

圖3 電機(jī)齒輪單元

圖4 EPB 卡鉗的駐車和釋放過程

2、卡鉗活塞的回位原理

制動(dòng)卡鉗在液壓作用下，活塞與制動(dòng)鉗體沿相反的方向運(yùn)動(dòng)，分別推、拉內(nèi)外側(cè)摩擦塊貼近制動(dòng)盤，卡鉗體只承受軸向力，切向力由支架來承受。制動(dòng)結(jié)束活塞密封圈彈性變形復(fù)位，帶動(dòng)活塞回到原位，同樣卡鉗也回到原位。隨著壓力的撤離，制動(dòng)摩擦力也減小為零。制動(dòng)盤的再次轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)塊逐漸脫開制動(dòng)盤。

如圖5 所示，駕駛員踩制動(dòng)踏板實(shí)施制動(dòng)時(shí)，在液壓力F1的作用下，活塞推動(dòng)制動(dòng)片1 向右運(yùn)動(dòng)使其壓住制動(dòng)盤，當(dāng)制動(dòng)片1 與制動(dòng)盤接觸時(shí)，制動(dòng)片1 不再移動(dòng)，而反作用力F2則推動(dòng)制動(dòng)鉗連同制動(dòng)片2 向左運(yùn)動(dòng)，使其壓靠制動(dòng)盤。制動(dòng)盤與制動(dòng)片之間產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而對(duì)行駛的車輛進(jìn)行減速或停車。當(dāng)制動(dòng)結(jié)束后輪缸在密封圈的回位作用原理下回位，摩擦片在制動(dòng)盤敲打下回位。

圖 5 浮動(dòng)卡鉗的工作原理

詳細(xì)的制動(dòng)過程如圖6 所示。

圖 6 浮動(dòng)卡鉗的制動(dòng)過程

從以上制動(dòng)過程中可以得出，制動(dòng)過程中主要是依靠力和反作用力來推動(dòng)摩擦片夾緊制動(dòng)盤。但是制動(dòng)壓力釋放后，系統(tǒng)不受外力作用，活塞和摩擦片回位主要是靠矩形密封圈。制動(dòng)結(jié)束以后的活塞的回位原理如圖7 所示。

圖 7 浮動(dòng)卡鉗活塞的回位原理

從浮動(dòng)卡鉗活塞的回位過程可以得知，卡鉗活塞回位過程主要是矩形密封圈的變形后的恢復(fù)過程。矩形密封圈變形后恢復(fù)拖拽活塞回位，進(jìn)而給摩擦片和制動(dòng)盤釋放出間隙。矩形密封圈有最大的變形量δ，如圖8 所示。當(dāng)活塞向外移動(dòng)的距離大于δ 時(shí)，矩形密封圈能提供的最大回位能力仍然是δ。

圖 8 矩形密封圈的最大回位能力

以上分析得知，活塞最大的回位能力δ 是假設(shè)系統(tǒng)各組成部件完全是剛體的情況下。實(shí)際上由于制動(dòng)卡鉗體在加壓的時(shí)候有軸向變形，摩擦片在受壓的時(shí)候存在壓縮變形、制動(dòng)盤受壓也會(huì)存在變形等，最終卡鉗活塞能獲得的回位量小于矩形密封圈能提供的最大變形回位量δ。

圖9 卡鉗系統(tǒng)主要變形量Δ

如圖9 所示假設(shè)系統(tǒng)壓力P為零時(shí)，摩擦片和制動(dòng)盤的單邊間隙Δ1為0.2mm，則雙邊間隙為0.4mm。假設(shè)當(dāng)系統(tǒng)壓力P=16MPa 時(shí)，制動(dòng)時(shí)摩擦片和制動(dòng)盤接觸后會(huì)存在壓縮變形Δ3=0.02 5mm，卡鉗體軸向變形量Δ2=0.3mm。矩形密封圈最大回位變形能力Δ=0.6mm。當(dāng)系統(tǒng)在P=16MPa壓力或者等同的駐車推力作用下，系統(tǒng)總的變形量為Δ1×2+Δ2+Δ3=0.4+0.02 5+0.3mm=0.702 5mm。從假設(shè)可知，系統(tǒng)最大變形量0.7025mm，大于矩形密封圈的最大變形量0.6mm。活塞向前移動(dòng)的距離大于矩形密封圈的最大回位量，這將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)外力P撤離后，系統(tǒng)仍然有0.102 5mm 的變形量無法消除，最終導(dǎo)致摩擦片和制動(dòng)盤無法正常分離，時(shí)時(shí)存在摩擦，導(dǎo)致系統(tǒng)拖滯力增大。

3、措施實(shí)現(xiàn)

從以上問題機(jī)理分析可知，拖滯力的主要決定因素是活塞在制動(dòng)（駐車制動(dòng)/行程制動(dòng)）后，能否順利的回位以給摩擦片和制動(dòng)盤最大的間隙，減小摩擦。實(shí)際上EPB 卡鉗在駐車時(shí)，由于電機(jī)推動(dòng)調(diào)整螺母壓活塞的力能達(dá)到1.5kN，甚至更大，則系統(tǒng)變形量會(huì)更大。從機(jī)理上看，傳統(tǒng)的卡鉗拖滯測(cè)試方法已經(jīng)不適用于EPB 卡鉗。傳統(tǒng)的卡鉗拖滯測(cè)試方法和步驟如下：

（1）擦凈制動(dòng)盤工作表面，在距制動(dòng)盤外緣10mm 處的工作面所測(cè)得端面跳動(dòng)量應(yīng)符合制要求。

（2）制動(dòng)鉗總成固定在臺(tái)架上（如圖10 所示），排空氣。

（3）將制動(dòng)鉗總成活塞退回，使每個(gè)摩擦塊與制動(dòng)盤間隙≥0.5mm。（4）制動(dòng)盤空轉(zhuǎn)，調(diào)整拖滯力矩指示針，使其回零。（5） 將制動(dòng)鉗總成加壓7MPa，持續(xù)5s 后完全泄壓，反復(fù)10 次。

（6）放置2 分鐘后，使制動(dòng)盤以50r/min 的速度旋轉(zhuǎn)，測(cè)定拖滯力矩。

故障EPB 卡鉗按照以上試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1 所列。

表1 拖滯力矩（未執(zhí)行EPB 夾緊）N·m

將以上卡鉗裝車驗(yàn)證，在未執(zhí)行坡道駐車時(shí)，制動(dòng)盤溫度正常。多次大坡度執(zhí)行EPB 駐車后，車輛正常行駛（非剎車過程）時(shí)制動(dòng)盤溫度急劇上升。進(jìn)一步測(cè)試后輪拖滯力矩，左/右后輪輪邊拖滯力矩達(dá)到8N·m 以上。

鑒于以上現(xiàn)象，調(diào)整臺(tái)架測(cè)試方法如下：

（1）擦凈制動(dòng)盤工作表面，在距制動(dòng)盤外緣10mm 處的工作面所測(cè)得端面跳動(dòng)量應(yīng)符合制要求。

（2）制動(dòng)鉗總成固定在臺(tái)架上，如圖10 所示，排空氣。

（3）將制動(dòng)鉗總成活塞退回，使每個(gè)摩擦塊與制動(dòng)盤間隙≥0.5mm。

（4）制動(dòng)盤空轉(zhuǎn)，調(diào)整拖滯力矩指示針，使其回零。

（5）將EPB 卡鉗通電，執(zhí)行最大夾緊力駐車，然后釋放，如此反復(fù)5 次。

（6）將制動(dòng)鉗總成加壓7MPa，持續(xù)5s 后完全泄壓，反復(fù)10 次。

（7）放置2 分鐘后，使制動(dòng)盤以50r/min 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，測(cè)定拖滯力矩。

故障EPB 卡鉗按照以上試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2 所列。

表2 拖滯力矩（執(zhí)行EPB 夾緊）N·m

執(zhí)行EPB 夾緊后的卡鉗拖滯力矩，測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重超過設(shè)計(jì)要求值3.5N·m。拖滯力過大，最終導(dǎo)致制動(dòng)盤溫度異常上升。

針對(duì)故障和問題，對(duì)故障卡鉗進(jìn)行如下調(diào)整：將卡鉗體剛度由0.3mm 調(diào)整為0.15mm，活塞回位量由0.3mm 調(diào)整為0.6mm。重新測(cè)試卡鉗拖滯力矩如表3 所列。

表3 拖滯力矩（整改樣件執(zhí)行EPB 夾緊）N·m

將改進(jìn)后卡鉗裝車驗(yàn)證，多次大坡度執(zhí)行EPB 駐車后，車輛正常行駛（非剎車過程）時(shí)制動(dòng)盤溫正常，改進(jìn)措施有效果。

圖 10 拖滯力矩試驗(yàn)裝置示意圖

四、結(jié)論

本文通過對(duì)問題原理循序漸進(jìn)地剖析，獲得了卡鉗拖滯力矩的產(chǎn)生原因以及卡鉗活塞的回位原理，明確了EPB駐車卡鉗的特殊性質(zhì)，其拖滯力矩的測(cè)試方法相對(duì)于傳統(tǒng)卡鉗有較大的區(qū)別。進(jìn)一步對(duì)故障件進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了改進(jìn)效果。

通過此過程總結(jié)，針對(duì)特殊問題的解決思路為：首先從基本原理方面著手分析解決方案，制定解決措施和方案；再進(jìn)一步驗(yàn)證和借助檢測(cè)工具尋找根本原因，最后針對(duì)根本原因制定措施。希望通過本文的改進(jìn)思路給從業(yè)者一定的指導(dǎo)作用。