制動卡鉗導向銷斷裂影響因素分析

汪方俊　吳海軍　辛慶鋒　呂波濤　史路浩　胡勇俊

摘 要：制動卡鉗的功能穩定性是整車制動制動性能關鍵指標之一，故在產品開發過程中需進行零件級、系統級以及整車級別的測試驗證，以滿足市場環境中的所有工況下的性能要求。本文以產品驗證初期出現的制動卡鉗導向銷斷裂為例，對引起卡鉗導向銷斷裂的試驗方法、結構強度等因素進行了研究。分析出引起導向銷斷裂的關鍵因素，并通過結構的改進。消除了導向銷的斷裂風險，為后續的開發提供的技術支持。

關鍵詞：卡鉗導向銷 斷裂分析 試驗方法

1 前言

制動卡鉗是車輪制動系統的關鍵部件，卡鉗導向銷的作用是將卡鉗與支架連接，使卡鉗有軸向移動，車輛在制動時，隨著液壓力的作用，卡鉗沿著導向銷移動，夾緊制動盤從而形成制動，同時松開踏板時，又能使卡鉗回位達到解除制動的效果[1]。因車輛在高速制動時，制動盤的轉動慣性會傳遞至卡鉗導向銷，故卡鉗導向銷需要良好的抗剪切能力，同時保證制動時優良的噪音表現，上述的技術能力可以通過測試或者CAE分析測出。

2 卡鉗導向銷斷裂故障說明

試驗車輛在進行24通道試驗時，在進行第467個循環時出現了左前卡鉗導向銷斷裂故障，更換導向銷后再次在第500個循環出現了斷裂故障，根據標準要求，制動系統部件試驗需滿足480循環無異常。前導向銷斷裂循環次數不滿足標準要求。

導向銷斷裂部位為銷軸直徑過渡處，經斷口分析，該斷裂屬于受剪切力作用的疲勞斷裂。

還有種現象就是后卡鉗在經過800個循環試驗結束后導向銷處無異常;

3 導向銷斷裂原因分析

導向銷常規的設計和制造裝配狀態下，所受剪切力比較小，同時導向銷是冷鐓工藝成型，產品自身的抗剪切能力較強。正常狀態不會疲勞斷裂。導向銷出現的異常斷裂故障在實際道路試驗中未有發生，為排查出導向銷異常斷裂的根本原因，本文特從設計、制造和試驗方法等角度進行了研究，制定改善措施，避免市場出現類似問題。

3.1 產品設計因素對導向銷的影響分析

導向銷將卡鉗與鉗體支架連接，制動時卡鉗在油液的推動下向制動盤一側移動，當摩擦片接觸制動盤時，卡鉗以導向銷為軸線移動，在移動過程會受到沿制動盤徑向的剪切力和卡鉗自重帶來的Z向重力，兩個受力的合力在顛簸路會使導向銷受一定沖擊。該沖擊力是否會造成導向銷斷裂，需要理論進行CAE分析。

針對該故障，特對前、后導向銷進行了剛度和強度CAE對比分析：

1）約束條件：夾緊處1-6自由度，見圖1;

2）載荷條件：導向銷頭部徑向加載力5000N;

經分析，前、后導向銷的頭部加載5000N時的變形量分別為0.5mm和0.48mm，剪切應力滿足材料的許用應力。同對標了同類型的導向銷結構，其他車型的導向銷設計與該故障件結構一致。說明導向銷無設計缺陷，不會引起斷裂故障等問題。

3.2 試驗條件對導向銷斷裂的影響分析

車輛24通道試驗臺是道路模擬試驗臺，采用道路模擬試驗方法，能夠在實驗室內復現道路90%的故障。該試驗方法可以快速的試驗出產品結構是否存在設計缺陷。目前也是主流主機廠驗證結構件的主要方式。該試驗方法對制動的試驗條件是：

1）制動油壓設定為20Mpa;

2）試驗循環480，每循環制動次數32次;

3）試驗儲液罐置于卡鉗之下。

緊急制動時，管路油壓一般在8～10MPa，在零部件設計驗證時制動油壓不超過16MPa，道路模擬試驗油壓的設置超出了設計驗證范圍，油壓過大，會使卡鉗、制動盤等的變形超設計預期，導向銷的受力模型發生變化。

蓄液罐設置在卡鉗之下，會導致制動加壓泄壓之后卡鉗活塞的制動液回流，卡鉗活塞無預壓力而回退，再次制動同時伴隨著高頻振動狀態下，卡鉗處于不穩定狀態，容易導致卡鉗導向銷的受力變化，同時在試驗過程中卡鉗處產生金屬敲擊聲，而該敲擊聲是制動后3s產生的。說明制動后油液回流至儲液罐，盤片間隙、活塞與片間隙加大，卡鉗一直在非設計狀態進行工作，導致導向銷的剪切力增大。

3.3 前后卡鉗結構對導向銷斷裂的影響分析

試驗中出現斷裂的導向銷均為前卡鉗，后卡鉗的導向銷結構、尺寸與前卡鉗導向銷相似，但并沒有出現故障。前后卡鉗在重量和結構存在差異，前卡鉗較后卡鉗重2kg，同時后卡鉗集成了駐車機構，軸向間隙緊湊，非制動狀態，前卡鉗活塞與盤的間隙最大4.4mm，但后卡鉗該間隙只有0.55mm。為驗證間隙與重量在該試驗條件下是否會對導向銷產生負作用，本文對不同間隙下的導向銷進行了CAE分析。

1）分析目的：前后制動卡鉗初始位置與卡鉗活塞最大退回量狀態下導向銷受力差異;

2）約束條件：約束卡鉗安裝支架

3）加載載荷：在制動卡鉗重心分別加載30g重量加速度質量。

分析結果顯示前導向銷在上述條件下的應力為184.72MPa和209.932MPa，說明卡鉗活塞退回量的增大會影響導向銷的受力狀態。同時后導向銷在上述條件下的應力分別為107.796MPa和108.960MPa，與前導向銷的差異大，這也驗證了為什么后卡鉗導向銷沒有出現故障的原因。

4 導向銷斷裂風險分析

試驗方法的不合理導致了導向銷異常斷裂，在實際工況下是否會存在？經某OEM統計，車輛98%的制動減速度在0.3g以下，該車型在極端工況下能達到的最大制動強度是1g。要達到20Mpa的壓力，需要用1000N的踏板力，駕駛員是無法踩出。故雖然在模擬臺上出現了導向銷斷裂故障，但是實際不會出現該工況，風險極低。同時車輛已在試驗場進行了為期3個月的結構耐久測試，未出現導向銷異常的報告，說明產品在設計和質量管控上均滿足要求。

5 結論

制動卡鉗為安全部件，產品設計與驗證均非常重要。本文通過斷裂故障的問題排查重新梳理了產品設計，確定了產品設計的可靠性。同時針對試驗方法不合理的部分也進行的改善，如將試驗油壓設定在最大抱死壓力，與實際的最惡劣工況吻合，將儲液罐置于卡鉗之上，將保證了驗證的合理性，使得驗證結果更加合理。

參考文獻：

[1]劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算.北京： 清華大寫出版社，2004.