洪慶良，王慶輝，夏基燕

（1.北京汽車(chē)研究總院有限公司，北京 101300；2.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技股份有限公司，北京 100015）

為順應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰”、“碳中和”中長(zhǎng)期落地實(shí)施規(guī)劃及國(guó)家五階段燃油汽車(chē)油耗限值、新能源汽車(chē)補(bǔ)貼退坡等節(jié)能政策要求日趨嚴(yán)格，如何通過(guò)對(duì)新技術(shù)、新工藝、新材料的研究來(lái)達(dá)到降低整車(chē)能耗的目的，日益成為各大研究機(jī)構(gòu)及汽車(chē)廠商的研究課題。

汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性主要受汽車(chē)行駛阻力與發(fā)動(dòng)機(jī)有效油耗率的影響。其中，制動(dòng)卡鉗拖滯力矩作為汽車(chē)行駛阻力之一，對(duì)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性影響較大。研究表明，乘用車(chē)整車(chē)行駛阻力每降低12 N，油耗可降低約0.1 L/100 km。

行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 592—2013中規(guī)范了對(duì)卡鉗拖滯力矩的性能指標(biāo)要求：卡鉗拖滯力矩性能需滿(mǎn)足“按第10圈卡鉗拖滯力矩最大控制值”不大于3.5 Nm。根據(jù)近年來(lái)對(duì)低拖滯制動(dòng)卡鉗的研究，單個(gè)卡鉗拖滯力矩平均可控制在（2.0～2.5）Nm之間，由此帶來(lái)的整車(chē)油耗正貢獻(xiàn)約為（0.21～0.27）L /100km。按照民用乘用汽車(chē)單車(chē)年平均行駛里程（2×10）km計(jì)算，折合可降低碳排放量約為108.19 kg；據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按截至2020年底全國(guó)民用汽車(chē)保有量超過(guò)2.8億輛計(jì)算，折合全年可降低碳排放量約（3×10）t。由此可見(jiàn)，研究如何降低卡鉗拖滯力矩，對(duì)于汽車(chē)技術(shù)節(jié)能減排、綠色發(fā)展具有重要意義。

1 低拖滯力矩制動(dòng)卡鉗技術(shù)方案概述

近年來(lái)，隨著汽車(chē)零部件企業(yè)新技術(shù)、新工藝、新材料研究的不斷深入，降低制動(dòng)卡鉗拖滯力矩的途徑也較為多樣，常見(jiàn)技術(shù)方案包括三大類(lèi)：

一是通過(guò)低摩擦技術(shù)降低卡鉗機(jī)構(gòu)的摩擦阻力，途徑包括：（1）通過(guò)機(jī)械加工精度（如導(dǎo)向銷(xiāo)桿與銷(xiāo)孔的粗糙度、制動(dòng)襯片的厚薄差等）的提升來(lái)降低卡鉗移動(dòng)部件的滑動(dòng)阻力；（2）通過(guò)低摩阻新材料（如高性能潤(rùn)滑油脂、特氟龍涂層、酚醛樹(shù)脂活塞等）的應(yīng)用來(lái)降低卡鉗移動(dòng)部件的滑動(dòng)阻力。

二是通過(guò)卡鉗結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)提升卡鉗效率，途徑包括：（1）卡鉗活塞缸回位槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）鉗體與支架剛度的最優(yōu)化設(shè)計(jì)；（3）鉗體活塞缸重心的最優(yōu)化設(shè)計(jì)；（4）制動(dòng)襯片壓縮率的最優(yōu)化控制。

三是通過(guò)導(dǎo)入復(fù)位結(jié)構(gòu)提升卡鉗部件的回位能力，途徑包括：（1）制動(dòng)襯片主動(dòng)復(fù)位結(jié)構(gòu)（如八字形復(fù)位彈簧、復(fù)位彈片等）；（2）制動(dòng)襯片的隨動(dòng)復(fù)位結(jié)構(gòu)（如隨活塞移動(dòng)的背爪結(jié)構(gòu)、膠粘固定隨動(dòng)結(jié)構(gòu)等）。

其中，制動(dòng)襯片八字形復(fù)位簧主動(dòng)回位結(jié)構(gòu)，如圖1所示，是目前降低卡鉗拖滯力矩最常用的措施之一，其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、主動(dòng)回位效果明顯、性?xún)r(jià)比高。其降低制動(dòng)卡鉗拖滯力矩的原理為：在解除制動(dòng)壓力后，卡鉗活塞在矩形密封圈的回位作用下實(shí)現(xiàn)回退，兩八字形復(fù)位彈簧的卡腳插在內(nèi)外側(cè)制動(dòng)襯片背板的孔內(nèi)，在彈簧推力作用下推動(dòng)兩制動(dòng)襯片外移脫開(kāi)制動(dòng)盤(pán)，使制動(dòng)襯片與制動(dòng)盤(pán)間產(chǎn)生間隙，達(dá)到減小制動(dòng)卡鉗拖滯力矩、降低能耗的目的。

圖1 八字形復(fù)位簧卡鉗結(jié)構(gòu)圖

2 八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)低拖滯力矩卡鉗關(guān)鍵控制要素分析

八字形復(fù)位簧主動(dòng)回位結(jié)構(gòu)增大了制動(dòng)襯片回位后與制動(dòng)盤(pán)之間的間隙，與此同時(shí)，也導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)卡鉗需液量的增大，進(jìn)而引發(fā)了制動(dòng)踏板初始行程的增加、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的增加，從而對(duì)制動(dòng)安全性和制動(dòng)踏板感產(chǎn)生不好的影響。

為此需要對(duì)八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，并合理分解與制定零部件的性能指標(biāo)，以此兼顧與平衡制動(dòng)系統(tǒng)各項(xiàng)性能要求，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、舒適性與安全性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。以下結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)案例，對(duì)某產(chǎn)品在八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)措施實(shí)施前后的降拖滯效果及關(guān)鍵控制要素進(jìn)行具體分析。

圖2 制動(dòng)卡鉗拖滯力矩臺(tái)架測(cè)試裝置圖

為研究有/無(wú)八字形簧對(duì)制動(dòng)卡鉗性能的影響，并考慮制動(dòng)片的磨損情況在其中的影響，根據(jù)QC/T 592—2013中的拖滯力矩測(cè)試方法，如圖2所示，對(duì)3組制動(dòng)卡鉗和制動(dòng)襯片進(jìn)行拖滯力矩測(cè)試。

2.1 制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)襯片組合的拖滯力矩測(cè)試及分析

依據(jù)QC/T 592—2013進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得第10圈卡鉗拖滯力矩，結(jié)果如表1—表3所示。

表1 同編號(hào)制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)襯片組合時(shí)拖滯力矩測(cè)試結(jié)果

表2 同一制動(dòng)卡鉗與不同制動(dòng)襯片組合時(shí) 拖滯力矩測(cè)試結(jié)果1

測(cè)試結(jié)果表明（1）任一樣本的制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)襯片組合，帶八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)比不帶八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)的卡鉗拖滯力矩小；（2）隨著制動(dòng)襯片的磨損，帶八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)的卡鉗拖滯力矩呈下降趨勢(shì)、不帶八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)的卡鉗拖滯力矩呈增大趨勢(shì)。

表3 同一制動(dòng)襯片與不同制動(dòng)卡鉗組合時(shí) 拖滯力矩測(cè)試結(jié)果2

2.2 制動(dòng)卡鉗與制動(dòng)襯片組合的卡鉗需液量測(cè)試及分析

經(jīng)對(duì)樣件測(cè)試，不同壓強(qiáng)狀態(tài)下卡鉗需液量測(cè)試結(jié)果如表4所示。根據(jù)制動(dòng)踏板感控制需要，要求在10 MPa試驗(yàn)壓強(qiáng)下卡鉗需液量不應(yīng)大于2.5 mL。

表4 制動(dòng)卡鉗需液量測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在10 MPa試驗(yàn)壓強(qiáng)下，卡鉗需液量均滿(mǎn)足不大于2.5 mL的要求；在不同壓強(qiáng)下，帶八字形復(fù)位簧相對(duì)不帶八字形復(fù)位簧需液量的變化差值在0.002 mL～0.280 mL之間。根據(jù)制動(dòng)主缸缸徑和制動(dòng)踏板杠桿比計(jì)算，在10 MPa壓強(qiáng)下反映在制動(dòng)踏板踏點(diǎn)處的位移變化量最大為5.78 mm，對(duì)制動(dòng)踏板感主觀感覺(jué)影響微小。

2.3 八字形復(fù)位簧彈力測(cè)試及分析

根據(jù)胡克定律（Hooke's law），在彈性限度范圍內(nèi)，彈簧彈力大小與彈簧的伸長(zhǎng)（或壓縮）的長(zhǎng)度成正比，即

式中，為彈簧彈力，N；為彈簧剛度，N/mm；為彈簧自由長(zhǎng)度，mm；L為彈簧伸長(zhǎng)（壓縮）后長(zhǎng)度，mm。

對(duì)制動(dòng)襯片在全新?tīng)顟B(tài)和全磨損狀態(tài)時(shí)八字形簧的回位力進(jìn)行檢測(cè)，分析其在初始及極限狀態(tài)下，在推動(dòng)制動(dòng)襯片移動(dòng)時(shí)是否會(huì)導(dǎo)致卡鉗體或卡鉗活塞的回縮，從而影響制動(dòng)踏板感。如圖3所示，八字形簧自由狀態(tài)開(kāi)口長(zhǎng)度為，初始工作狀態(tài)長(zhǎng)度為，隨著制動(dòng)片的磨損，八字形簧開(kāi)口長(zhǎng)度從逐漸被壓縮到制動(dòng)片全磨損工作狀態(tài)長(zhǎng)度L，公式（1）中的L從變化到L的過(guò)程中八字形簧彈力呈增大趨勢(shì)，作用在兩制動(dòng)襯片上的推力隨之增大，被壓縮到L狀態(tài)時(shí)八字形簧彈力達(dá)到最大。

圖3 八字形復(fù)位簧工作狀態(tài)示意圖

在制動(dòng)襯片全新及全磨損狀態(tài)下，測(cè)試制動(dòng)盤(pán)的旋入端（1#簧）與旋出端（2#簧）兩八字形簧彈力，結(jié)果如表5所示。

表5 八字形復(fù)位簧彈力測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，制動(dòng)襯片從全新?tīng)顟B(tài)到全磨損狀態(tài)，八字形復(fù)位簧剛度穩(wěn)定（0.26～0.28），彈力在8.625 N～17.255 N之間變化，其與制動(dòng)鉗體的滑動(dòng)阻力（要求值小于98 N）和活塞滑動(dòng)阻力（要求值150 N～600 N）相比較小，不會(huì)對(duì)其正常移動(dòng)產(chǎn)生影響，只會(huì)推動(dòng)制動(dòng)襯片（滑動(dòng)阻力值要求小于8 N）移動(dòng)以消除卡鉗活塞回縮產(chǎn)生的間隙，從而在制動(dòng)襯片與制動(dòng)盤(pán)之間產(chǎn)生間 隙，達(dá)到降低卡鉗拖滯力矩的目的，結(jié)合2.2卡鉗需液量的測(cè)試結(jié)果均不會(huì)對(duì)制動(dòng)踏板感產(chǎn)生影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采用八字形復(fù)位簧的制動(dòng)卡鉗的拖滯力矩、需液量測(cè)試，以及八字形復(fù)位簧的回復(fù)力測(cè)試和分析，研究結(jié)果表明：

（1）采用八字形復(fù)位簧可以有效降低制動(dòng)卡鉗拖滯力矩，且隨著制動(dòng)襯片的磨損，拖滯力矩的降低效果依舊有效。

（2）八字形復(fù)位簧的彈力大小與卡鉗拖滯力矩、需液量、踏板感密切關(guān)聯(lián)，在低拖滯卡鉗方案選擇與開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行相應(yīng)校核和測(cè)試分析。

（3）在八字形簧結(jié)構(gòu)尺寸、簧徑確定的情況下，彈簧剛度是彈簧力大小的決定因素。為了有效控制復(fù)位彈簧的性能，使其能有效產(chǎn)生所需的回復(fù)力并降低對(duì)制動(dòng)卡鉗需液量的影響，需要對(duì)彈簧剛度作為關(guān)鍵要素進(jìn)行有效的控制。

試驗(yàn)測(cè)試論證了該八字形復(fù)位簧結(jié)構(gòu)低拖滯卡鉗在工程開(kāi)發(fā)中的實(shí)施可行性，為低拖滯卡鉗的工程開(kāi)發(fā)提供了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證思路，具有較好的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)指導(dǎo)意義。