浮動式制動卡鉗降低拖滯力矩的有效措施

徐 玲，洪慶良，孫仁杰，沈建軍，李慶中

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

0 引 言

當前新能源汽車市場競爭激烈，但續駛里程焦慮仍是新能源汽車的突出問題，降低能耗是改善問題的主要途徑，其中制動器產生的拖滯力矩是車輛能耗增加的原因之一，有必要對如何降低制動器工作時的拖滯力矩進行研究[1]。研究顯示，假設某新能源汽車的續駛里程約為600 km，充滿電所需電量約為70 kWh，對卡鉗進行優化，使整車拖滯力矩降低約6 Nm，則整車百公里能耗降低約4%[2]。

本文對某新能源車型開發過程中如何降低卡鉗拖滯力矩進行試驗分析，找到有效可行的優化措施。

1 拖滯力矩形成

1.1 制動系統工作原理

車輛制動時，駕駛員踩下制動踏板，通過杠桿作用以及伺服助力機構將踏板力轉化為制動管路壓力傳遞至前、后制動卡鉗。制動卡鉗活塞在制動液壓作用下推動內外摩擦片擠壓制動盤，制動盤連帶車輪在摩擦力矩作用下減速或停止轉動，實現車輛制動，制動卡鉗結構如圖1所示。

圖1 制動卡鉗結構

1.2 拖滯力矩成因

當駕駛員松開制動踏板后，管路制動壓力解除，制動鉗上的密封圈回到原狀態，產生回位力使活塞回位[3]。當活塞回位后，制動鉗上的摩擦片與制動盤并未完全分離，即制動盤和摩擦片之間的間隙(盤片間隙)不完全大于零，車輛在后續行駛中存在殘余制動力矩，形成拖滯力矩，又稱殘余扭矩[4]。據統計，如果一輛車每年行駛1.5 萬km，那么每降低1 Nm 制動拖滯力矩，全年可節省約15 L 燃油，相當于每年減少約35 kg CO2排放，降低制動鉗拖滯力矩對節能減排具有重要意義[4]。

2 降拖措施

從制動卡鉗角度分析，降低拖滯力矩的措施主要分為3類[5]。

1）通過低摩擦技術降低卡鉗滑動摩擦阻力

低摩擦技術的實現途徑主要有兩個：（1）提升機械加工精度，如導向銷桿與銷孔的粗糙度、制動襯片的厚薄差[3]等；（2）應用低摩擦阻力新材料，如高性能潤滑油脂、特氟龍涂層、酚醛樹脂活塞等。

2）通過優化卡鉗設計結構提升卡鉗效率

優化卡鉗結構主要從4個方面實現：（1）優化卡鉗活塞缸回位槽結構參數[6]；（2）優化鉗體與支架剛度；（3）優化鉗體活塞缸重心；（4）優化制動襯片壓縮率[7]。

3）通過導入復位結構提升卡鉗部件回位能力

復位結構主要包括兩個方面：（1）制動襯片主動復位結構，如八字形復位彈簧、復位彈片[8]等；（2）制動襯片的隨動復位結構，如隨活塞移動的背爪結構[9]、膠粘固定隨動結構[10]等。

3 應用實例

3.1 優化卡鉗設計結構

1）增大卡鉗活塞缸矩形密封槽回位倒角

如圖2所示[7]，卡鉗活塞缸矩形密封槽前倒角結構直接決定卡鉗的主要性能：活塞回位量、所需液量和拖滯力矩[7]。矩形密封圈的變形量與矩形密封槽的橫截面積直接相關，增加回位倒角寬度可使矩形密封圈在工作中具有更大的變形空間和變形量，使活塞回位過程中形成更大的回位間隙，達到降低卡鉗拖滯力矩的目的。

圖2 矩形密封槽部位

圖3 為優化前、后卡鉗活塞缸矩形密封槽結構，將回位角寬度由1.05 mm 增大至1.2 mm，回位倒角保持不變仍為37°，測試發現優化后卡鉗回位間隙增大約0.1 mm。

圖3 卡鉗活塞缸矩形密封槽回位角結構優化

2）降低摩擦片壓縮率

圖4為摩擦片壓縮率δ的說明，當摩擦片受到的壓力P為0 MPa 時其高度為h，當P為16 MPa 時其高度為h0，則δ＝h-h0。對δ進行優化，將δ由170 μm 降至140 μm，使摩擦片受到活塞壓力時的變形量更小，以便制動系統建壓和泄壓更快，響應時間更短，并且泄壓后摩擦片的壓縮變形可以迅速恢復，在一定程度上降低拖滯力矩。但降低摩擦片的壓縮率會影響其他制動性能，如可能增加制動噪聲發生率等；因此，合理選擇摩擦片壓縮率應綜合考慮車輛性能及用戶需求。

圖4 摩擦片壓縮率δ

3.2 降低卡鉗摩擦阻力

1）優化導向銷組件結構

如圖5所示，將導向銷長度由h1增加至h2，將減振膠套長度由L1增加至L2，并將導向銷防塵罩由2褶優化為3褶，通過這些措施可提高導向銷組件的有效支撐性和輔助回位能力。

圖5 導向銷組件優化前、后對比

2）提高卡鉗組件精度

將制動盤的端面跳動值由0.05 mm 降低至0.03 mm，將DTV（Disc Thickness Variation，制動盤厚薄差）值由0.008 mm 降低至0.006 mm，并提升主副銷桿和銷孔的尺寸精度和形位精度，這些措施可降低鉗體工作阻力。

3）降低卡鉗組件滑動阻力

通過提高摩擦片支耳光亮度、涂覆支耳彈簧片特氟龍、填充導向銷孔高性能潤滑脂等措施，可降低鉗體和摩擦片滑動阻力。

3.3 增強摩擦片主動回位能力

增加八字形復位彈簧或者增大其彈力以增大摩擦片總成的主動回位能力，是目前降低卡鉗拖滯力矩最常用和最有效的措施之一[5]。

駕駛員釋放制動踏板后，制動管路中壓力釋放、活塞回位，制動摩擦片(內、外片)在八字形復位彈簧彈力以及制動盤旋轉離心回擊力的作用下，克服滑動阻力脫離制動盤，達到降低拖滯力矩的目的。

摩擦片原始設計中無八字形復位彈簧，為降低拖滯力矩，增加線徑Φ為1.8 mm 的八字形復位彈簧，如圖6 所示，初始彈力約為20 N，則摩擦片回位過程中額外受到約20 N 回位推力，使制動盤與摩擦片間產生合理間隙，降低拖滯力矩。

圖6 摩擦片增加八字形復位簧設計

4 優化效果

將前、后制動卡鉗依次通過上述3項措施進行優化，優化前、后各參數對比如下。

4.1 拖滯力矩優化效果

車輛前、后制動卡鉗的優化效果對比見表1。

表1 優化前、后卡鉗的拖滯力矩臺架測試

優化后前卡鉗的拖滯力矩目標值為≤ 1.0 Nm，優化后后卡鉗的拖滯力矩目標值為≤ 0.5 Nm，由表1可知，優化后前、后卡鉗的拖滯力矩均滿足目標要求，與優化前相比，前卡鉗的拖滯力矩平均降低82.86%，后卡鉗平均降低58.18%，并且對優化后的前、后卡鉗分別進行兩次測試，測試結果一致性較好。

4.2 制動內阻力優化效果

整車狀態下，制動卡鉗拖滯力矩優化前、后對整車制動內阻力的影響見表2。

表2 優化前、后整車制動內阻力測試

由表2可知，隨著車速提升整車動態制動內阻力整體呈上升趨勢，經過優化，各車速下整車動態制動內阻力相比優化前明顯降低，從而使整車制動卡鉗的拖滯力矩得到有效降低。

4.3 所需液量優化效果

通常，活塞在密封圈的形變回位力作用下回位，同時內外兩側摩擦片在制動盤的旋轉甩力下與制動盤留有足夠的間隙，以防止拖滯力矩過大，但如果活塞回位過大，則所需液量必然增加[7]，即降低拖滯力矩會增加所需液量。車輛制動卡鉗優化前、后對所需液量的影響見表3。

表3 優化前、后所需液量測試mL

由表3可知，優化后制動卡鉗較優化前在不同壓力下所需液量的差值的均值約為0.3 mL。因電動汽車通常具有踏板感模擬調節功能，所需液量增大0.3 mL對制動踏板感的主觀感受影響不大，但會延長制動響應時間，而ADAS（Advanced Driver Assistance System，先進駕駛輔助系統）的AEB（Autonomous EmergencyBraking，自動緊急制動）功能要求在限定的碰撞時間內制動系統迅速響應到位以避免碰撞，響應時間過長會對ADAS AEB近距離移動目標預警和緊急制動帶來不利影響，可對ADAS AEB進行壓力預填充以縮短制動響應時間，在一定程度上彌補制動所需液量增加帶來的不利影響。在卡鉗實際開發中，應根據整車性能及智能駕駛要求匹配合適的拖滯力矩和所需液量。

5 結束語

通過分析制動卡鉗拖滯力矩產生的原因，找到制動卡鉗的優化措施，并進行實例應用和測試，測試結果表明，通過優化措施可以有效降低制動卡鉗的拖滯力矩和整車制動內阻力，但同時會增加制動卡鉗的所需液量，對ADAS AEB 產生不利影響，卡鉗優化過程需要關注制動響應時間和制動踏板感的變化，找出最優平衡點。

此外，通過增大制動卡鉗鉗體和支架剛性、降低摩擦片厚薄差[3]、增加摩擦片的回位功能等措施也可以實現降低卡鉗拖滯力矩目的，今后會進一步進行分析和測試。