摘要：基于集成機械式駐車功能卡鉗原理，對滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗（IPB）的液壓制動過程進行了描述，建立了簡化的數(shù)學(xué)模型，分析了滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗對制動系統(tǒng)的影響。

關(guān)鍵詞：滑動螺旋副;制動力分配;駐車卡鉗;同步附著系數(shù)

中圖分類號：U463.5" " " 收稿日期：2025-03-10" " " DOI：1019999/jcnki1004-0226202504027

Research on the Influence of Sliding Screw Pair Transmission Parking Caliper Structure on Braking System

Li Yundong

Bethel Automotive Safety Systems Co.，Ltd.，Wuhu 241009，China

Abstract：Based on the understanding of the principle of the parking function caliper in integrated machinery， the hydraulic brake active process of the sliding screw pair transmission type parking caliper （IPB-integrated parking brake caliper） was described， a simplified mathematical model was established， and the influence of the sliding screw pair transmission type parking caliper on the braking system was analyzed.

Key words：Sliding screw pair;Braking force distribution;Parking caliper;Synchronizing adhesion coefficient

1 符號說明

為方便描述滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗液壓駐車制動卡鉗動作過程，對相關(guān)的變量及符號進行說明：F_o為活塞端輸出的力，N；F_pistons為活塞滑動阻力；P_pistons為克服活塞滑動阻力所需的液壓；F_caliper為鉗體滑動阻力；P_calipers為克服鉗體滑動阻力所需的液壓；F_inpads為內(nèi)制動塊滑動阻力；P_inpads為克服內(nèi)制動塊滑動阻力所需的液壓；F_outpads為外制動塊滑動阻力；P_outpads為克服外制動塊滑動阻力所需的液壓;P_s為高壓保護功能啟動液壓，MPa;P_n為內(nèi)制動塊與制動盤剛好接觸時的液壓，MPa;F_s為高壓保護彈簧的初始裝配預(yù)緊力，N;K_s為高壓保護彈簧的彈性模量，N/mm;A_c為活塞最大截面積（缸徑38 mm），mm²;A_n為活塞前端與螺桿配合孔的截面面積（孔直徑10 mm），mm²;P為鉗體腔內(nèi)實時液壓，MPa。

2 駐車卡鉗液壓制動過程及建模

如圖1所示，駐車卡鉗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包含滑動螺旋副（駐車制動螺桿、駐車制動螺套）、活塞、駐車制動扭桿、駐車制動拉臂、高壓保護彈簧等。下面結(jié)合圖1對液壓制動時卡鉗內(nèi)部機構(gòu)的動作過程進行描述。

在內(nèi)外制動塊與制動盤間隙正常、螺桿自調(diào)功能沒有啟動的情況下，液壓制動時的滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗的運動過程如下：

a.由于存在活塞滑動阻力，活塞沒有移動，活塞與內(nèi)制動塊之間沒有接觸，此時Plt;P_pistons，活塞端輸出力Fo=0。

b.活塞與內(nèi)制動塊貼合，但由于內(nèi)制動塊滑動阻力的存在，使得在一定的液壓范圍之內(nèi)，活塞無法繼續(xù)移動，此時P_pistonslt;Plt;P_pistons+P_inpads，活塞端輸出力F_o=（P-Ppistons）A_c。

c.活塞推動內(nèi)制動塊滑動，內(nèi)制動塊向制動盤內(nèi)工作面方向移動，但制動塊與制動盤尚未接觸，此時P_pistons+P_inpadslt;P，活塞端輸出力為F_o=（P-P_pistons-P_inpads）A_c。

d.內(nèi)制動塊與制動盤接觸，但由于鉗體滑動阻力的存在，鉗體沒滑動，此時Plt;P_pistons+P_calipers，活塞端輸出力為Fo=PA_c。

e.管路液壓持續(xù)增加，鉗體產(chǎn)生浮動，但鉗體勾爪尚未與外側(cè)制動塊貼合，此時P_pistons+P_caliperslt;P，活塞端輸出力F_o=（P-P_pistons-P_calipers）A_c。

f.鉗體勾爪與外側(cè)制動塊貼合，但由于外側(cè)制動塊的滑動阻力，使得鉗體未能繼續(xù)滑動（此時滑動螺旋副的高壓保護工作面尚未接觸），此時Plt;P_pistons+P_calipers+P_outpads，活塞端輸出力F_o=PA_c。

g.鉗體帶動外制動塊一起滑動，但外制動塊尚未與制動盤接觸，此時P_pistons+P_calipers+P_outpadslt;P，活塞端輸出力F_o=（P-P_pistons-P_calipers-P_outpads）Ac。

h.外制動塊與制動盤剛好接觸，（設(shè)此時螺桿螺套的高壓保護工作面亦剛好接觸），此時P=P_n，活塞端輸出力F_o=PnA_c。

i.液壓持續(xù)增加，但尚未達到高壓保護點，此時作用在螺桿上的液壓力通過螺套全部傳遞給高壓保護彈簧，但由于未達到高壓保護點，彈簧沒有被壓縮，此時P_nlt;P_n+ΔP=Plt;P_s，活塞端輸出力F_o=P_nA_c+ΔP（A_c-A_n）=PA_c-ΔPA_n。

j.液壓達到高壓保護點，此時液壓作用在螺桿上的力全部傳遞到高壓保護彈簧上，此時P=P_s，活塞端輸出力F_o=P_sA_c-（P_s-P_n）A_n。

k.當(dāng)液壓持續(xù)增高，大于液壓保護點時，作用在螺桿上的液壓力只有部分轉(zhuǎn)化到高壓保護彈簧上，此時Pgt;P_s，活塞端輸出力F_o=P×A_c-F_s-ΔδK_s，這里，Δδ為在液壓作用下系統(tǒng)的變形（如制動塊的壓縮，鉗體的變形等），mm；ΔδKs為高壓保護彈簧在液壓的作用下軸向移動Δδ時所儲蓄的力，N。

3 駐車卡鉗液壓制動過程模型簡化

上述過程的劃分步驟為在液壓的作用下制動鉗實際的動作分解過程，其中步驟a～h為基礎(chǔ)卡鉗和滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗所共有的特性，步驟i～k為滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗所特有的特性［1］。

為了方便分析數(shù)學(xué)模型，對上述的動作過程進行合并簡化：

a.將步驟a～h合并，此時將a～h項概括描述為：螺桿螺套的自調(diào)螺旋面之間尚未建立起作用力與反作用力，即作用在螺桿上的液壓力沒有傳遞給螺套，此時活塞端的輸出力與鉗體內(nèi)液壓的關(guān)系為F_o=PA_c。

簡化思路：內(nèi)制動塊的滑動阻力及外制動塊的滑動阻力較小，以38 mm后卡鉗為例，假設(shè)拖滯力矩≤5 N·m，以摩擦因數(shù)0.38、有效制動半徑125 mm來計算，制動盤與制動塊之間的正壓力（單側(cè)）≤53 N，換算成液壓，則液壓≤0.047 MPa。浮動式鉗體在浮動的過程中阻力較大的為活塞滑阻和鉗體滑阻，設(shè)計上要求活塞滑阻范圍為150～600 N，鉗體滑動阻力≤150 N，本次數(shù)學(xué)模型中取活塞滑動阻力為300 N，鉗體滑動阻力為70 N，內(nèi)制動塊與制動盤貼合時的液壓為0.33 MPa。

b.將步驟i～j合并，概括描述為：螺桿和螺套的自調(diào)螺旋面接觸，但鉗體內(nèi)的液壓不大于高壓保護點，此時作用在螺桿上的液壓力通過螺套全部傳遞給高壓保護彈簧，此時活塞端的輸出力與鉗體內(nèi)液壓的關(guān)系為F_o=PA_c-ΔPA_n。

c.將步驟k描述為：鉗體內(nèi)的液壓≥高壓保護點液壓，作用在螺桿上的液壓力部分傳遞給高壓保護彈簧，部分通過錐面?zhèn)鬟f給活塞，此時的活塞端輸出力與鉗體內(nèi)液壓的關(guān)系為[Fo=PAc-Fs-ΔδKs]，由于正常情況下高壓保護功能啟動時，高壓保護彈簧壓縮的量有限lt;1 mm（外制動塊的壓縮量+內(nèi)制動塊的壓縮量+鉗體變形），故將模型中的[ΔδKs]項忽略處理。

以某車型參數(shù)為例，采用的參數(shù)如表1所示。

4 駐車卡鉗對制動力分配的影響

根據(jù)上面的數(shù)學(xué)模型，進行了編程計算，計算結(jié)果如圖2、圖3所示。

具有固定比值的前后卡鉗制動力分配的同步附著系數(shù)解析計算公式：

φ0=Lβ?b/h_g" （1）

式中，φ₀為同步輻照系數(shù)；L為軸距；β為制動力分配比;b為質(zhì)心距后軸距離；h_g為質(zhì)心高度。

利用式（1）算得空載和滿載情況下，具有固定比值的前后卡鉗（圖2、圖3中為DIH）制動力分配的空載和滿載工況下同步附著系數(shù)分別為0.524 6和0.876 2，利用程序計算出來的結(jié)果分別是0.524 9和0.876 5，可見編程計算的結(jié)果（計算方法）具有可靠性。利用該計算方法，求解得到的集成駐車卡鉗配置在空載和滿載情況下的同步附著系數(shù)分別為0.562 85和0.894 17，相對盤帶鼓配置的情況，空載和滿載的同步附著系數(shù)分別上升了0.038 25和0.017 67。

為什么IPB會對同步附著系數(shù)有影響，下面結(jié)合圖4的局部放大視圖和上文的數(shù)學(xué)模型進行解釋。

如圖4所示，滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗配置的制動系統(tǒng)對制動力分配曲線的影響（不考慮比例閥、限壓閥等其他因素的影響）可以分為3個階段。

第一階段：滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗配置分配曲線與盤帶鼓配置分配曲線重合。該階段，駐車卡鉗的制動螺桿上承受的液壓力全部轉(zhuǎn)化為活塞的輸出力。

第二階段：滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗配置分配曲線與盤帶鼓配置分配曲線出現(xiàn)了明顯的分歧，駐車卡鉗配置分配曲線在盤帶鼓配置分配曲線的下方。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因在于，此階段，作用在駐車制動螺桿上的液壓力完全傳遞給了壓縮彈簧，導(dǎo)致了該階段活塞的有效截面積發(fā)生了變化（活塞的有效面積=Ac-An），進而引起了前后制動力比值即曲線斜率的變化，使得該階段IPB的分配曲線斜率小于DIH的分配曲線斜率。

第三階段：滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗配置分配曲線與盤帶鼓配置分配曲線相互平行，即它們之間的差值為定值。這里忽略由于制動塊壓縮變形、鉗體剛性變形而引起的活塞輸出力的變化，當(dāng)[ΔδKs]的值較大時必須考慮制動塊的壓縮變形和鉗體的剛性變形引起的活塞輸出力的變化。該階段作用在螺桿上的液壓力部分轉(zhuǎn)換為壓縮彈簧的壓縮力，部分轉(zhuǎn)化為活塞端的輸出力。

從上面的分析可以看出，滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗對同步附著系數(shù)影響的趨勢是增大同步附著系數(shù)。

5 駐車卡鉗中影響制動力分配的主要因素

螺桿式駐車卡鉗中影響制動力分配的主要因素有以下兩點：

a.活塞前端密封槽的大小An。

An越大，對IPB第二階段曲線的斜率的影響就越大，從而引起IPB與DIH制動力分配曲線的差別越大。

b.高壓保護彈簧初始裝配預(yù)緊力Fs。

Fs越大，其對IPB第二階段曲線的橫坐標(biāo)行程的影響就越大，從而引起IPB和DIH制動力分配曲線與理想制動力分配曲線的交點的差別越大。

6 駐車卡鉗對附著系數(shù)利用率的影響

圖5、圖6分別為IPB對空載、滿載情況下利用附著系數(shù)的影響圖?？梢钥闯?，IPB卡鉗相對于DIH卡鉗來說，提高了前輪的利用附著系數(shù)，降低了后輪的利用附著系數(shù)，類似于IPB配置的制動力分配曲線特點，IPB配置的前后輪利用附著系數(shù)曲線亦可以分為三個階段，具體的情況不再贅述。

7 駐車卡鉗對制動效率的影響

圖7、圖8分別為IPB對空載、滿載情況下制動效率的影響圖?？梢钥闯?，相對DIH配置的整車來說，IPB配置的整車提升了后輪的制動效率，降低了前輪的制動效率［2］。

本文依據(jù)滑動螺旋副傳動機構(gòu)的駐車卡鉗結(jié)構(gòu)原理進行了液壓過程的數(shù)學(xué)建模，對駐車卡鉗對制動力分配以及制動效率、同步附著系數(shù)進行了分析，滑動螺旋副傳動式駐車卡鉗會對整車的制動產(chǎn)生一些影響，根據(jù)上文的計算，得到如下的結(jié)論：

a.IPB卡鉗對整車的制動力分配有影響，主要體現(xiàn)在同步附著系數(shù)上，IPB卡鉗可以提高空載和滿載工況下的同步附著系數(shù)。

b.IPB卡鉗提高了前輪的附著系數(shù)利用率，降低了后輪的輻照系數(shù)利用率。

c.IPB卡鉗提升了后輪的制動效率，降低了前輪的制動效率。

本文的研究結(jié)論為后續(xù)整車的制動系統(tǒng)設(shè)計提供了參考，不同結(jié)構(gòu)的卡鉗對系統(tǒng)有不同的影響，對此要在系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮。

參考文獻：

[1]李運動，張軍，袁永彬，等一種應(yīng)用于機動車制動系統(tǒng)的制動卡鉗[P]中國，實用新型專利，CN 201020260170.0.2010年7月12日

[2]劉惟信汽車設(shè)計[M]北京：清華大學(xué)出版社，2001.

作者簡介：

李運動，男，1981年生，工程師，研究方向為汽車制動系統(tǒng)零部件。