機械球盤式集成式制動鉗總成駐車效率的分析及改善措施

文|黃巨成 李虎本 奇瑞商用車（安徽）有限公司

一、前言

21世紀之初，汽車工業進入飛速發展期。中國汽車行業在激烈的市場競爭環境中，較高的性能要求和較低的成本控制成為行業共同期望，并帶給零部件供應商更大的生存壓力。

目前國內制動器供應商的機械式駐車效率普遍不高，在保證一定駐車力的前提下難以保證較小的拉線力或行程。在這種駐車效率較低的情況下更容易出現駐車能力不足或者達到一定駐車力時需要更大拉線力或行程的情況。因此提升機械集成式制動鉗的駐車效率成為汽車制動器供應商急需解決的問題之一。

二、機械集成式制動鉗的工作原理

1、IPB的定義

IPB是集成式駐車制動器（Integrated Parking Brake）的簡稱，是將駐車制動裝置和卡鉗結合為一體的集成式卡鉗。按結構形式可分為凸輪軸式 (Camshaft and Rod brake Caliper，簡稱CAR)和球盤式（Ball in Ramp Brake Caliper，簡稱BIR）。按其工作形式可分為機械式（Integrated Mech anical Parking Brake Caliper,簡稱MPB）和電子式（Electr omechanical Parking Brake Caliper,簡稱EPB）。

2、球盤集成式制動鉗的工作原理

球盤集成式制動鉗的結構因制動器供應商不同而有一定差異，但基本原理相同。某種球盤式制動鉗總成的組成如圖1所示。

駐車機構的工作原理：當轉動擺臂時，自調軸在自調座上旋轉，并由于帶有角度的滾道，便朝制動盤方向作軸向移動。螺套在此推動并傳遞至螺桿，螺桿推動活塞，活塞推動內摩擦塊，內側制動塊壓在制動盤上，產生的反作用力便通過固定在鉗體上的自調座傳遞至鉗體。鉗體的運動拉外摩擦塊對著制動盤運動，制動盤兩側產生相同的制動力。釋放手制動時，制動塊與制動盤的正常間隙是由螺桿螺套間隙和活塞密封圈的設計變形量來控制的原理如圖2所示。

圖2 駐車機構的工作原理

三、機械集成式制動鉗駐車效率損失原因

1、反作用力

駐車力是由擺臂轉動后帶動一系列零件運動最終轉化為活塞的平移形成了推力，零件運動轉化示意圖，如圖3所示。在駐車過程中輸出力受到的反作用力分為兩種：一種是為保證活塞回位、自調機構自調、保證零部件某些功能而必不可少的力，如拉簧（扭簧）力和自調彈簧力等；另一種為零部件運動過程中所損耗的力，主要為摩擦力，如圖4所示。

圖3 零件運動轉化示意圖

圖4 運動過程中所損耗的力

2、零件變形

駐車力的傳導、輸出所涉及的零件均為鋼材料，具有較好的剛性。但仍不可避免的會有剛性變形。變形量的大小直接影響駐車的效率特別是行程的大小。通過分析和實驗，如擺臂和拉線座，在1200N的拉力下，變形量甚至可超過1mm，如圖5所示；螺桿螺套等件在10kN的載荷下也會產生近0.5mm的變形，如圖6所示。

圖5 擺臂、拉線座變形

圖6 螺桿、螺套變形

3、力的分解

輸入力通過擺臂的轉動、自調軸轉動、鋼球滾動和自調軸平移等過程轉化為活塞的推出力，此過程中球道的作用尤為關鍵。

從圖7中可以看出，球道具有一定角度。球道推力F的作用效果被分為兩個分力。第一個力為對螺套的推力（F1=Fcosθ）；第二個力為對鋼球的回推力（F2=Fsinθ），這個力減小了擺臂的輸入力的效果，從而也減小了對螺套的推出力。

圖7 力的分解

四、駐車效率的改善措施、建議

1、提高裝配后活塞與自調軸同軸度

裝配后活塞與自調軸同軸度不良，則會導致零部件卡滯，減小了力的作用效果。要保證裝配后的同軸度，首先需保證各零件的相關形位公差、各球道的角度偏差和深度尺寸等。為了保證裝配出的成品件同軸度，需在生產線上對同軸度進行100%檢測，對于同軸度超差的不良品堅決隔離，以保證產品質量。同時，在裝配生產線上需采用能保證同軸度的工裝、設備進行裝配，或采用特殊技術在裝配過程中矯正零件裝配時的同軸度。

2、提高零件的剛性

零件剛性過差，在受力時產生變形，此時力的作用損失，或零件因尺寸變化而無法保證較理想的輸出力，如擺臂、拉線座的變形控制，在條件允許下，變形量應控制在0.5mm以下。可以通過采用較厚的板材、設計結構優化（折彎處增加凸筋及焊接加強板等）、選用剛性更強的材料等方法改善變形量。

如自調軸、自調座的球道尺寸和順滑度直接影響輸入力與輸出力的杠桿比。要保證在載荷作用下變形盡量小，除了選用合適的材料外，球道表面的硬度也需重點保證。可通過滲碳等熱處理來提升硬度并保證滲碳深度。

3、合理減小扭簧/拉簧反作用力

集成式制動鉗集合了行車制動及駐車制動功能，若駐車后活塞無法回位，則制動鉗與制動盤會一直拖磨，產生較大拖滯。因此需要扭簧將轉臂帶回（球道、螺套回位）以保證活塞有足夠的間隙完成回位，此過程即為駐車間隙自調。因此扭簧的作用是必不可少的，扭簧的反作用力也無法消除。

扭簧的反作用力大小對于輸出力的影響非常大。如某產品理論杠桿比為10，即當擺臂處輸入力為600N時，活塞的推出力為6000N；此時扭簧的反作用力若增加10N，則擺臂實際輸入力為590N（減小10N），活塞的推出力為5900N（減小100N）。但如果扭簧的力過小則制動鉗無法完成駐車間隙自調，也是不可取的。因此扭簧力大小的設計，必須在保證間隙自調的基礎上進行設定。

4、球道尺寸控制

自調軸、自調座各有三個球道，主要影響尺寸為球道角度、偏距及各球道的偏差。球道角度影響了力跟行程的變化：角度過大，力的輸出偏小；角度過小，球道升程不足，容易不駐車。偏距為球道底部圓角與角度球道的偏移距離：偏距過大則初始力的上升過慢，造成輸出力偏小；偏距過小則前一小部分球道作用不理想，僅用于螺桿螺套間隙消除，沒有力的輸出。球道尺寸的偏差影響自調機構運作時的同軸度，因此對于自調軸、自調座的三個球道的偏差需制定一定的要求。如三個球道的角度偏差不大于5%；要保證較小的偏差，對于冷墩模具的尺寸、工藝則需更嚴格的控制來確保。

5、螺桿、螺套的軸向間隙設定

螺桿螺套的嚙合設計是存在軸向間隙的，主要用于自調機構的自調。螺桿螺套的間隙過小，則活塞回位量不足，會造成拖滯過大；間隙過大；則角度球道需要一部分行程用于消除間隙，角度球道的作用被削弱。

因此，螺桿螺套的軸向間隙設計應與上節中的球道偏距設計相配合。在滿足自調機構自調間隙的前提下，如何使在盡量小的輸入力下，鋼球爬上角度球道的同時，螺桿螺套間隙消除，以達到球道對力反饋的最佳效果，是設計、驗證中的重點研究方向。

五、結論

汽車的駐車制動器是保證斜路面上保持汽車長期靜置的裝備，因此必須安全可靠。機械集成式制動鉗總成已被廣泛應用于各乘用車廠商，因此駐車效率的優劣也很大程度上決定了對供應商的選擇。本文鑒于以上出發點對影響駐車效能的因素做了分析闡述，并提出了現實可行的改善建議，為讀者了解機械集成式制動鉗的駐車效能損失因素、改善駐車效率的研究提供了參考。