應(yīng)卓凡

（江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

因盤式制動(dòng)器相對(duì)于鼓式制動(dòng)器有眾多優(yōu)點(diǎn)，目前乘用車后輪制動(dòng)器廣泛采用盤式制動(dòng)器[1]。但由于駐車功能的需要，須加裝駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要有盤中鼓和綜合駐車式卡鉗（Integral Parking Brake，簡稱IPB 卡鉗）2 種方案，前者原理與鼓式制動(dòng)器相同，后者通過集成在制動(dòng)鉗內(nèi)的特殊駐車機(jī)構(gòu)，將輸入軸駐車驅(qū)動(dòng)桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊闹本€運(yùn)動(dòng)，從而夾緊制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)駐車。IPB 卡鉗不需要獨(dú)立的駐車制動(dòng)器，因此更為緊湊和經(jīng)濟(jì)[2-3]。文章針對(duì)IPB 卡鉗的特點(diǎn)，在整車開發(fā)前期計(jì)算校核汽車駐車制動(dòng)性能，并進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證。

1 法規(guī)要求

制動(dòng)性能是汽車的重要使用性能之一，包括行車制動(dòng)性能和駐車制動(dòng)性能。汽車駐車制動(dòng)系統(tǒng)可使已停駛的汽車長時(shí)間可靠地停駐在原地或一定坡道上，并具備幫助汽車在坡路上起步和必要時(shí)輔助制動(dòng)的功能[4]。GB 7258—2012，GB 21670—2008，GB 12676—1999 等標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)車輛駐坡度和駐車手柄操縱力提出明確要求[5-7]，如表 1所示。

表1 乘用車駐車性能的國標(biāo)要求

2 駐車原理

2.1 IPB卡鉗駐車工作原理

IPB 卡鉗兼具行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)雙重功能，前者通過液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，而后者則采用機(jī)械杠桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。其缸體中包括活塞總成和駐車驅(qū)動(dòng)裝置，IPB 卡鉗結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。駐車驅(qū)動(dòng)桿端部的鋼球盤對(duì)面有固定的鋼球座，兩者的相對(duì)面上分別均布3 個(gè)沿圓周方向的球用滾道，滾道中間深邊緣淺，內(nèi)嵌金屬球。

駐車功能主要通過駐車驅(qū)動(dòng)裝置中球盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)桿上鋼球盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)鋼球在球道中沿斜坡滾動(dòng)，因球道邊緣深度淺且鋼球座固定不動(dòng)，故會(huì)產(chǎn)生軸向短距位移，推動(dòng)鋼球盤向內(nèi)移動(dòng)。鋼球盤內(nèi)移將克服彈簧壓力，依次帶動(dòng)輸出桿、活塞及摩擦片向內(nèi)移動(dòng)，與制動(dòng)盤接觸，實(shí)現(xiàn)駐車制動(dòng)，該機(jī)構(gòu)具有較高的力傳遞效率。釋放駐車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿與鋼球回到原位，軸向推力解除，輸出桿和活塞分別在回復(fù)彈簧和矩形密封圈的作用下回位。

2.2 整車駐車工作原理

整車駐車系統(tǒng)包括駐車操縱手柄、駐車?yán)z和駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)。駐車制動(dòng)時(shí)，駕駛員拉起駐車操縱手柄，通過連接在手柄平衡板上的駐車?yán)z，將操縱行程和力傳遞到IPB 卡鉗的拉臂，帶動(dòng)拉臂旋轉(zhuǎn)。制動(dòng)鉗上拉臂的旋轉(zhuǎn)將促動(dòng)駐車驅(qū)動(dòng)桿及其端部鋼球盤一同旋轉(zhuǎn)，通過球盤機(jī)構(gòu)產(chǎn)生軸向位移和推力，從而實(shí)現(xiàn)駐車功能。

汽車在特定坡道上實(shí)現(xiàn)可靠的駐車，駐車執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的后輪駐車制動(dòng)力必須能克服整車下滑力。

3 汽車駐車制動(dòng)系統(tǒng)校核計(jì)算

以某車型為例，針對(duì)IPB 卡鉗，校核計(jì)算駐車制動(dòng)性能。

3.1 極限駐車坡度計(jì)算

計(jì)算汽車極限駐車坡度，考察由整車質(zhì)量分布和路面附著系數(shù)決定的最大停駐坡度。整車主要參數(shù)，如表2所示。

表2 整車主要參數(shù)

汽車在上坡道停駐時(shí)的后軸附著力（Fφ/N）為：

式中：Fz，——上下坡道路面對(duì)后軸的法向反力，N；

φ——附著系數(shù)；

α——坡道傾角，（°）。

汽車可能停駐的極限上下坡傾角可根據(jù)后軸附著力與整車下滑力（Ft/N）相等求得，F(xiàn)t的計(jì)算公式為：

由式（1）～式（3）可以推導(dǎo)出：

上坡極限駐車坡度（α1/（°））為：

下坡極限駐車坡度（α1′/（°））為：

經(jīng)計(jì)算得出極限駐車坡度，如表3所示，可滿足法規(guī)要求（駐坡度≥20%）。

表3 極限駐車坡度計(jì)算結(jié)果

3.2 駐車所需制動(dòng)力計(jì)算

后盤式IPB 卡鉗參數(shù)為：制動(dòng)有效半徑r=102.5 mm；卡鉗活塞直徑d=34 mm；摩擦因數(shù)μ=0.38；制動(dòng)盤與摩擦塊間隙ΔS=0.25 mm。

單側(cè)車輪所需駐車制動(dòng)力矩（Mt/（N·m））為：

所需單側(cè)卡鉗夾緊力（Fc/N）為：

汽車滿載狀態(tài)停駐在20%坡道上，由式（3）得：Ft=2 479.3 N，根據(jù)式（6）和式（7）計(jì)算出 Mt=323.6 N·m，F(xiàn)c=4 153.4 N。為考慮連續(xù)制動(dòng)發(fā)生熱衰退時(shí)立即停駐的工況，特計(jì)算μ 衰退至0.28 時(shí)所需Fc=5 636.8 N。

3.3 駐車手柄提供行程計(jì)算

駐車手柄參數(shù)為：駐車手柄杠桿比i0=6.5；手柄初始位置至第1 個(gè)齒的角度=7.75°；每齒對(duì)應(yīng)的手柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度=2.75°；駐車手柄總齒數(shù)=15；駐車?yán)z作用點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心距離a=31.4 mm。

駐車手柄操縱行程（轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)）與IPB 卡鉗端駐車?yán)z位移（拉臂行程）之間的關(guān)系為：

式中：δ——IPB 卡鉗駐車機(jī)構(gòu)的拉臂行程，mm；

n——駐車手柄轉(zhuǎn)動(dòng)齒數(shù)；

ηδ——駐車?yán)z行程效率。

駐車?yán)z在實(shí)際工況下會(huì)拉伸變形，不能完全傳遞手柄的行程?？紤]ηδ為50%和60%2 種情況，計(jì)算n與δ 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如表4所示。

表4 駐車制動(dòng)力和手柄操縱力計(jì)算結(jié)果

3.4 駐車制動(dòng)力計(jì)算

駐車手柄拉起時(shí)傳遞至卡鉗端的拉絲行程（即δ），與 Fc及拉臂作用力（T/N）呈近似線性關(guān)系[8]，δ 與 Fc的線性關(guān)系可用于校核手柄轉(zhuǎn)動(dòng)每齒所能提供的駐車制動(dòng)力，δ 與T 的線性關(guān)系則可用于反推轉(zhuǎn)動(dòng)每齒的手柄操縱力。

該車型IPB 卡鉗駐車機(jī)構(gòu)的δ，T，F(xiàn)c之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。因存在駐車機(jī)構(gòu)空行程及制動(dòng)摩擦副間隙，δ 的前段不產(chǎn)生Fc。而T 起始值不為0，是因受回位彈簧回復(fù)力影響。

T 與δ 的關(guān)系符合特性方程：

Fc與δ 的關(guān)系符合特性方程：

通過式（10）可計(jì)算得出Fc，結(jié)果如表4所示。結(jié)合文章3.2 節(jié)即可得出：在20%坡道上，當(dāng)汽車常態(tài)下（μ 取0.38），ηδ取 50%時(shí)，9 齒可實(shí)現(xiàn)駐車；ηδ取 60%時(shí)，7 齒可實(shí)現(xiàn)駐車。當(dāng)發(fā)生制動(dòng)熱衰退（μ 取 0.28），ηδ取 50%時(shí)，10 齒可實(shí)現(xiàn)駐車；ηδ取 60%時(shí)，8 齒可實(shí)現(xiàn)駐車。滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 駐車手柄操縱力計(jì)算

由T 推算駐車手柄操縱力（Fh/N）：

式中：ηf——駐車?yán)z負(fù)載效率。

當(dāng)ηf為60%時(shí)，駐車手柄轉(zhuǎn)動(dòng)每齒的操縱力大小，如表4所示。

從表4 可看出，即便存在熱衰退，手柄操縱力也不超過206.8 N，滿足法規(guī)和操作輕便性的要求。

4 實(shí)車驗(yàn)證與結(jié)果分析

在汽車試驗(yàn)場標(biāo)準(zhǔn)的20%駐車測試坡道上，針對(duì)該款車型的試驗(yàn)車進(jìn)行駐車性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為滿載上坡及下坡方位停車，手柄拉起9 齒均可實(shí)現(xiàn)可靠駐車，與校核計(jì)算結(jié)果基本一致。

綜上，駐車?yán)z的行程效率和負(fù)載效率對(duì)駐車制動(dòng)力和手柄操縱力影響較大，如能提高將顯著改善汽車駐車性能。IPB 卡鉗的駐車制動(dòng)力是通過球盤機(jī)構(gòu)產(chǎn)生軸向位移，從而推動(dòng)活塞夾緊制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)的，其關(guān)鍵是提供足夠的行程。駐車手柄的結(jié)構(gòu)參數(shù)，尤其是連接拉絲的力臂長度（駐車?yán)z作用點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離），決定了駐車手柄所能提供的行程，對(duì)駐車性能影響較大。

5 結(jié)論

汽車駐車制動(dòng)性能是與安全相關(guān)的重要性能，在產(chǎn)品開發(fā)前期，依據(jù)整車參數(shù)以及駐車手柄、拉絲和后IPB 卡鉗參數(shù)，預(yù)測駐車手柄操縱行程、操縱力與可駐坡度的關(guān)系，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理項(xiàng)，可以確保后期實(shí)車在法規(guī)規(guī)定的行程和力的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠駐車。