制動卡鉗螺紋連接結構可靠性測試方法研究

龐方超 楊清淞 寧世儒 李旭偉

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司底盤試驗研究部）

制動系統是影響車輛行駛安全的因素之一[1]。車輛緊急制動可靠性是車輛開發及驗證過程中不可回避的重要問題之一[2-3]。其中制動卡鉗在緊急制動工況下會受到較大的沖擊振動荷載，螺栓連接處又因存在預緊軸力散差大，螺栓強度利用率低等缺點，難以滿足此連接點高可靠性要求[4-5]，因此汽車制動卡鉗與轉向節連接點的可靠性驗證至關重要[6]。文獻[7-11]研究發現橫向載荷更容易導致螺紋連接結構發生松動。文獻[12]在對應變修正的基礎上建立了超聲波波速隨試樣應力變化的關系模型。文獻[13]利用空間傳感技術，配合超聲波技術可以測定螺栓空間內的壓力。本文利用超聲波測距技術測試車輛極端制動工況下卡鉗螺紋連接結構可靠性，檢驗車輛制動系統的使用可靠性。

1 試驗方案

根據車輛緊急制動工況下對螺紋連接可靠性的要求，在受到100 次循環的常規制動力（向前1.3 g 加速度，向后1.0 g 加速度），需保證原始螺栓的預緊力衰減不超過30%。此外為測試極限制動力以及考慮到實際工況下制動力的變化，因此在常規制動力基礎上增大10%和20%，設立階梯式循環加載力，施加制動力載荷如圖1 藍色線條所示。

圖1 制動壓力和制動力曲線圖

試驗過程中分別在第30 次、50 次及100 次循環結束后用超聲測距儀測量制動卡鉗螺栓的長度，判斷螺栓長度變化量是否超過預緊時螺栓長度變化量的30%，如超過，則可初步懷疑螺栓預緊力衰減值超過30%，然后再利用力矩扳手對螺栓力矩值進行復核。

本次試驗采用線性作動缸來模擬制動子部件系統向前向后的制動力，線性作動器設備如圖2 所示。設計固定工裝模擬轉向節在實車上的安裝狀態以及輪胎工裝，軸承螺栓力矩、銷釘力矩、制動油管力矩、輪轂螺絲、轉向節連接處螺栓力矩值皆與實車裝配時預緊力矩相一致。之后將線性作動器沿整車車坐標系X 方向與模擬輪胎工裝在輪胎接地點處柔性連接，釋放多余的自由度使施力方向時刻與輪胎半徑保持垂直，保證線性作動器輸入的制動力載荷與車輪在緊急制動時輪胎受到來自于地面的反作用力保持一致且具有良好的穩定性，并在施力點處外接高精度的位移傳感器，采集施力點處整體臺架的變形量，精確監控加載曲線是否發生漂移，從而輔助判斷臺架的整體剛性是否發生變化，測試是否存在異常。然后再結合液壓線性作動器采集到的力和位移信號曲線進行比對分析，并觀察力值和位移信號在時間周期循環內其零位和幅值變化范圍是否發生漂移，用于進一步論證試驗臺架是否存在異常狀況，從而保證臺架測試進行的準確性和有效性。制動鉗加壓裝置主要用于對制動卡鉗精確輸入穩定的制動壓力（如圖1 藍色線條所示），并輸出制動壓力曲線，整體臺架如圖3 所示。為精準模擬實車狀態，并充分驗證本試驗方法的有效性及普適性，制動卡鉗螺栓力矩值分別采用裝車最大扭矩100 N·m+50°（扭矩轉角法）和裝車最小扭矩98.5 N·m，其他條件不變的情況下進行2 輪測試。為了排除溫度對于制動子部件系統的影響，在試驗前對于轉向節進行高低溫循環預處理（單個溫度循環預處理條件如表1 所示，共進行10 個循環），為消除溫度預處理工況下轉向節與模擬工裝連接配合因素的誤差，本試驗設計將轉向節與模擬工裝按照實車裝配關系與力矩要求裝配好后一同放入環境箱內進行溫度預處理試驗。

圖2 線性作動器設備圖

圖3 極端制動工況下卡鉗螺紋連接結構可靠性試驗臺架

表1 單個溫度循環預處理條件

2 試驗準備

為了確保超聲波測距儀測量制動卡鉗螺栓長度的準確性，需要在螺栓裝配前對螺栓端面進行精加工，本次測試采用在制動卡鉗螺栓端面中心加工1 個圓形凹槽，確保和超聲波測距儀探頭直徑匹配，凹槽表面的粗糙度Ra≤3.2。

在正式試驗測試開始之前，為了摸索螺栓擰緊力矩與螺栓長度的關聯特性，以及在正式試驗階段性載荷循環完成后粗略估算扭矩殘余值，同時也為了給試驗過程中獲取的扭矩及螺栓長度數據分析提供一些數據支撐，因此在正式測試試驗之前增加了一組扭矩與螺栓長度標定的測試。

為了保證扭矩與螺栓長度數值和正式試驗時獲得的扭矩與螺栓長度數據的相關性保持一致，扭矩與螺栓長度數值標定前的螺栓準備過程和和溫度預處理試驗過程與正式試驗階段時的要求相同，即在試驗前，制動卡鉗螺栓端面中心加工1 個圓形凹槽，且加工尺寸及精度與正式試驗相同。

在裝配制動卡鉗的過程中，利用超聲波測距儀和力矩扳手，以擰緊力矩20 N·m 作為一個測試增量階梯，共采集8 個扭矩工況下的制動卡鉗螺栓長度數據。為了避免測試數據的單調性，采用新的轉向節和螺栓試樣共進行了3 組螺栓擰緊力矩與螺栓長度數據標定的測試，由于本文篇幅限制，僅列舉3 組測試數據計算后的均值數據，其標定結果均值數據如表2 所示，螺栓長度及擰緊力矩曲線如圖4 所示。

表2 制動卡鉗螺栓長度和擰緊力矩標定值

圖4 制動卡鉗螺栓長度和擰緊力矩曲線圖

由表2 制動卡鉗螺栓長度和擰緊力矩標定值并結合圖4 制動卡鉗螺栓長度和擰緊力矩曲線圖分析可得出利用超聲波測距儀測得的制動卡鉗螺栓長度數值和對其擰緊的力矩值呈很強的相關性，在0～120 N·m 的區間內螺栓長度和力矩具備線性關系，超過120 N·m 以后，初步判斷螺紋連接區域可能出現了輕微的塑性變形，此時螺紋連接已經達到了比較理想牢靠的連接狀態。

正式試驗時液壓伺服線性作動器和制動鉗加壓裝置兩系統同步性匹配的調試，線性作動器與制動卡鉗加壓裝置同時啟動，保證直線作動器輸入的制動載荷和卡鉗內的制動壓力起始時刻一致，同時還要控制施加載荷或制動壓力的爬升速率，使制動壓力先于線性作動器達到最大峰值，將達到最大峰值時用的時間差控制在0.1 s 內（更精確模擬緊急制動工況下制動卡鉗與輪胎在制動過程中的工作受力狀態）。從而消除了臺架系統制動壓力晚于作動器載荷到達峰值引起制動力不足，摩擦襯片與制動盤之間產生輕微滑移的風險。

3 試驗結果

在第1 輪試驗中，對卡鉗螺栓施加100 N·m+50°預緊力，如圖5 所示（從圖中可判斷制動卡鉗上螺栓在110 N·m 左右、下螺栓在125 N·m 左右時產生輕微塑性變形），整個測試系統經過300 個循環（100 個正常載荷循環組，100 個115%超載循環和100 個130%超載循環）的載荷沖擊，線性作動器的位移變量如圖6 所示，外置傳感器加載點的位移變量圖如圖7 所示，通過分析2 圖，線性作動器位移變化量和加載點處的變化量并沒有隨著循環次數的增加而增大，線性作動器施加載荷準確性較高，每組循環復現度高，測試條件輸入準確，曲線也未出現漂移，試驗臺架的整體剛性結構未發生明顯變化，目測試驗臺架夾具與轉向節連接部位的接觸也未發生滑動，螺栓標記清晰未有松動跡象，并初步判斷螺紋連接緊固可靠。在試驗過程中使用超聲波測距儀對制動卡鉗螺栓長度進行測量，測量值如表3所示，從表中可以看出隨著制動循環次數的增加，螺栓長度并未發生明顯增大，其長度變化量較小未超出其預緊時長度變化量的30%，整個試驗過程螺栓長度處于一個穩定微小的區域內波動，初步判斷螺栓力矩衰減值未超過其預緊力的30%。同時將整個測試系統內的所有螺栓扭矩進行復核，結果發現緊急制動試驗后制動卡鉗螺栓組及其他連接螺栓組的力矩值皆滿足所設計預緊值70%以上的要求。

圖5 卡鉗螺栓施加100 Nm+50°預緊力曲線圖

圖6 線性作動器的位移變化曲線圖

圖7 外置傳感器加載點的位移變化曲線圖

在第2 輪試驗中，對卡鉗螺栓施加98.5 N·m 預緊力，如圖8 所示（從圖中可判斷制動卡鉗上螺栓和下螺栓在擰緊過程中并未產生塑性變形），整個測試系統經過300 個循環組（100 個正常載荷循環組，100 個115%超載循環和100 個130%超載循環）的載荷沖擊，在試驗過程中同樣使用超聲波測距儀對制動卡鉗螺栓長度進行測量，測量值如表3 所示，同樣可以從表中看出隨著制動循環次數的增加，螺栓長度在一定的區域內存在微增趨勢，但其長度變化量較小并未超出其預緊時長度變化量的30%，整個試驗過程螺栓長度變化還處于一個穩定微小的區域，初步判斷螺栓力矩衰減值未超過其預緊力的30%。整個測試系統所有螺栓的力矩值經過復核，制動卡鉗螺栓組與其他連接螺栓組的力矩值也同樣滿足所設計預緊值70%以上的要求。

表3 制動卡鉗螺栓長度測量值mm

圖8 卡鉗螺栓施加98.5 Nm 預緊力曲線圖

圖9 和圖10 為2 輪試驗制動卡鉗螺栓長度變化曲線圖，通過2 輪試驗結果數據的比對分析，第1 輪試驗中，卡鉗螺栓施加100 N·m+50°預緊力，在經過300 個循環載荷沖擊過程中，制動卡鉗的螺栓長度變化量要比第2 輪試驗卡鉗螺栓施加98.5 N·m 時螺栓的長度變化量要小，第2 輪試驗（卡鉗螺栓施加98.5 N·m 預緊力）相比第1 輪試驗（卡鉗螺栓施加100 N·m+50°預緊力）隨加載循環次數的增加制動卡鉗的螺栓長度出現微增的趨勢。試驗結束后，復核制動卡鉗螺栓剩余力矩值結果也同樣表明第1 輪螺栓力矩衰減值比第2輪螺栓力矩值小，試驗前后螺栓長度變化量與螺栓力矩值變化量的關聯度較高。

圖9 第1 輪（100 Nm+50°）制動卡鉗螺栓長度變化曲線圖

圖10 第2 輪（98.5 Nm）制動卡鉗螺栓長度變化曲線圖

4 結論

1）通過2 輪試驗結果數據的分析，制動卡鉗螺栓裝車最大扭矩100 N·m+50°和裝車最小扭矩98.5 N·m 均能滿足極端制動工況下卡鉗螺紋連接結構可靠性的要求。

2）制動卡鉗螺栓使用扭矩轉角法（100 N·m+50°）擰緊螺栓時有效預緊力更大，在緊急制動工況下，螺栓連接結構失效的可能性更小。

3）基于緊急制動情況下制動系統螺栓連接結構可靠性試驗方法有效，超聲波測距技術可推廣應用于易失效螺紋連接結構可靠性的檢測。