胡磊，董良

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某車型駐車制動(dòng)器駐車原理研究

胡磊，董良

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

盤式制動(dòng)器以其制動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種汽車上，文章對(duì)滾珠斜坡（BIR）制動(dòng)器的駐車原理進(jìn)行了分析，介紹了盤式制動(dòng)器駐車力矩的計(jì)算方法，并通過(guò)某車型進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，其結(jié)果是駐車制動(dòng)力的總和大于該車在測(cè)試狀態(tài)下整車滿載質(zhì)量的20%，滿足法規(guī)要求，表明了算法的有效性。

滾珠斜坡制動(dòng)器；盤式制動(dòng)器；駐車力矩；駐車制動(dòng)力

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-25-04

引言

駐車制動(dòng)系統(tǒng)的功能是使汽車在平路或坡道停駐時(shí)保持靜止不動(dòng)。其實(shí)現(xiàn)機(jī)理是由控制裝置將操縱力放大之后傳遞到駐車制動(dòng)器上。駐車制動(dòng)系統(tǒng)必須保證其控制裝置能夠保持任意鎖止，同時(shí)能自由釋放控制力[1]。傳統(tǒng)的駐車制動(dòng)系統(tǒng)布置如下：

圖1 傳統(tǒng)駐車制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)系圖

駐車制動(dòng)系統(tǒng)包含駐車手柄、駐車?yán)z、駐車制動(dòng)器等部件，各部件功能如下：

駐車手柄功能：a.提供人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)駐車操縱、保持與釋放 b.放大手柄操縱力并傳遞給駐車?yán)z。

駐車?yán)z：按設(shè)計(jì)方向提供駐車操縱力的有效傳遞

駐車制動(dòng)器：通過(guò)摩擦片與制動(dòng)盤或鼓之間的靜摩擦將拉絲操縱力轉(zhuǎn)換為駐車制動(dòng)力

汽車駐車制動(dòng)器分為：鼓式、盤式、盤中鼓式、電子駐車式，其中盤式制動(dòng)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、制動(dòng)性能好(在同樣小的制動(dòng)力矩下，其結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量都比鼓式制動(dòng)器小)及熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和各種汽車上。

文章主要介紹滾珠斜坡(BIR)制動(dòng)卡鉗駐車原理，并在理解原理的基礎(chǔ)上探討駐車力矩的計(jì)算方法。與集成在制動(dòng)盤上的鼓式駐車制動(dòng)器相比，BIR不需要獨(dú)立的駐車制動(dòng)器，因此更為緊湊和經(jīng)濟(jì)。

1、駐車制動(dòng)系統(tǒng)理論計(jì)算

駐車制動(dòng)系統(tǒng)匹配首先必須要滿足相關(guān)法規(guī)要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能提升。

法規(guī)要求識(shí)別：

GB 7258-2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》[2]：在空載狀態(tài)下，駐車制動(dòng)裝置應(yīng)能保證車輛在坡度為20%、輪胎與路面間的附著系數(shù)大于等于0.7的坡道上正、反兩個(gè)方向保持駐車。達(dá)到規(guī)定駐車效能時(shí)的手柄操縱力≤400N。操縱裝置在三分之二全行程內(nèi)必須達(dá)到規(guī)定制動(dòng)效能，駐車制動(dòng)機(jī)構(gòu)裝有自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置時(shí)允許在全行程的四分之三行程時(shí)達(dá)到規(guī)定制動(dòng)效能。

GB 21670-2008《乘用車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》[3]：駐車制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能使?jié)M載車輛在坡度為20%的上、下坡道上保持靜止；達(dá)到規(guī)定駐車效能時(shí)控制力≤400N；動(dòng)態(tài)駐車時(shí)充分發(fā)出的平均減速度和停車前的瞬時(shí)減速度≥1.5m/s2。

1.1 制動(dòng)系統(tǒng)理論駐車坡度計(jì)算

汽車上坡時(shí)整車受力如下：

圖2 整車上坡受力圖

Z2為地面對(duì)后軸的法向反作用力，單位N

L為整車軸距，單位mm

G為整車重量，單位N

L1為整車質(zhì)心距前軸距離，單位mm

hg為整車質(zhì)心高度，單位mm

?為地面附著系數(shù)，取0.7

由（2-1）、（2-2）可知，汽車所能停駐的理論極限道路傾角為：

汽車上坡可停駐的理論制動(dòng)力矩為：

汽車下坡時(shí)整車受力如下：

圖3 整車下坡受力圖

同理可得，

汽車下坡可停駐的理論極限道路傾角為：

汽車下坡可停駐的理論制動(dòng)力矩為：

故只需計(jì)算上坡駐車力矩即可滿足下坡駐車要求[5]。

1.2 滾珠斜坡式制動(dòng)器

經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為物質(zhì)文明的一種象征和人類生活中不可或缺的一部分，自上個(gè)世紀(jì)中后期以來(lái)，面對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境破壞等一系列問(wèn)題的挑戰(zhàn)，為了適應(yīng)越來(lái)越快的社會(huì)節(jié)奏和滿足駕駛者對(duì)安全、舒適、方便等性能越來(lái)越高的要求，盤式制動(dòng)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、制動(dòng)性能好及熱穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)受到越來(lái)越多的消費(fèi)者贊同和認(rèn)可，也被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械和各種汽車上。其中滾珠斜坡(BIR)機(jī)械式CHR型[6]駐車制動(dòng),一直受業(yè)內(nèi)人士的好評(píng)，并已經(jīng)出現(xiàn)大面積應(yīng)用的熱潮。

1.2.1 滾珠斜坡制動(dòng)器的駐車原理

駐車制動(dòng)：支桿在手剎拉力F2的作用下，帶動(dòng)傳動(dòng)軸繞中心軸旋轉(zhuǎn)，由于傳動(dòng)盤固定于缸體上不動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)鋼珠從球窩底部沿斜線軌跡上升，鋼珠推動(dòng)傳動(dòng)軸向右沿中線軸方向移動(dòng)，傳動(dòng)軸推動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)（調(diào)整螺栓、調(diào)整螺母、活塞）產(chǎn)生活塞輸出的壓制力F3，活塞推動(dòng)內(nèi)摩擦片向右移動(dòng)夾緊制動(dòng)盤產(chǎn)生F3內(nèi)摩擦片；在反作用力的影響下，缸體向左移動(dòng)，帶動(dòng)外摩擦片夾緊制動(dòng)盤，產(chǎn)生F3外摩擦片，最終夾緊并抱死制動(dòng)盤，達(dá)到駐車的目的（F3=F3外摩擦片=F3內(nèi)摩擦片）。

圖4 滾珠斜坡制動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

駐車釋放：摩擦片與制動(dòng)盤的間隙是由調(diào)整螺母、和活塞密封圈的設(shè)計(jì)變形量來(lái)控制的，當(dāng)釋放手剎時(shí)，壓縮彈簧恢復(fù)變形將通過(guò)壓環(huán)推動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓回位，進(jìn)而活塞密封圈的變形恢復(fù)帶動(dòng)回活塞回位。為使行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)互不影響，調(diào)整螺母采用的是鋸齒型螺紋，具有升角大、防自鎖及單向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)[8]，如圖5所示：

圖5 調(diào)整螺母鋸齒型螺紋

1.2.2 滾珠斜坡制動(dòng)器駐車力矩計(jì)算

駐車機(jī)構(gòu)用于使車輛無(wú)時(shí)間限制的停駐在一定位置甚至斜坡上，它也有助于車輛在坡道上起步。駐車機(jī)構(gòu)應(yīng)采用機(jī)械式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而不用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)以避免產(chǎn)生故障。駐車制動(dòng) 桿輸入力矩后，作用到活塞的推力計(jì)算方法如下：

將滾道簡(jiǎn)化為平面 ，以旋轉(zhuǎn)盤為受力分析對(duì)象，它受到3個(gè)鋼球的正壓力N1(N1為每個(gè)鋼球產(chǎn)生的壓力)以及減摩墊片的摩擦力矩T2，設(shè)駐車制動(dòng)桿輸入力矩為T0，旋轉(zhuǎn)盤受力簡(jiǎn)圖，如圖6所示：

圖6 旋轉(zhuǎn)盤受力簡(jiǎn)圖

由于減摩墊片對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的摩擦力矩和鋼球壓力產(chǎn)生的摩擦力矩與T0平衡 ，即 ：

式中：T2—減摩墊片對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的摩擦力矩，N·m；

N1—每個(gè)鋼球?qū)πD(zhuǎn)盤的壓力，N；

u1—旋轉(zhuǎn)盤與鋼球接觸處的摩擦系數(shù)；

L1—鋼球中心到旋轉(zhuǎn)盤軸線的距離，m；

T0—駐車制動(dòng)桿輸入力矩，N·m。

設(shè)減摩墊片對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的作用力為F，那么當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤平衡時(shí)，有：

為了求減摩墊片對(duì)旋轉(zhuǎn)盤的摩擦力矩，設(shè)減摩墊片的均布?jí)毫镻，減摩墊片半徑為R，那么有：

式中：u2— 減摩墊片表面的摩擦系數(shù) 。

因?yàn)闇p摩墊片產(chǎn)生的力又可寫(xiě)為：

將式（2）和（3）代入式（1）得：

將式（4）代入式（5）得：

由于u2很小，所以分母第1項(xiàng)可以忽略不計(jì)，則式（7）可以簡(jiǎn)為：

根據(jù)牛頓第三定律可知，旋轉(zhuǎn)盤對(duì)減摩墊片的推力也為F，由于整個(gè)機(jī)構(gòu)（調(diào)整螺栓、調(diào)整螺母、活塞）為剛性連接，得活塞上推力也為F。

2、計(jì)算示例

本文選取某小型城市SUV車型作為示例，其制動(dòng)系統(tǒng)為常見(jiàn)的前盤后盤式設(shè)計(jì)，后面為BIR式制動(dòng)器，具有駐車功能，進(jìn)行駐車制動(dòng)計(jì)算驗(yàn)證。

2.1 理論駐車坡度計(jì)算

所需各參數(shù)如下表：

表1 整車參數(shù)

最大駐車坡度：

最小駐車坡度：

計(jì)算結(jié)果顯示汽車滿載時(shí)最小駐車坡度為16.1°，大于11.3°（換算坡度為20%），符合法規(guī)及駐車制動(dòng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 駐車手柄操縱力計(jì)算

汽車滿載條件下，20%坡道駐車時(shí)最小手柄操縱力為：

駐車所需手柄操縱力小于400N法規(guī)要求，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3 后駐車制動(dòng)器駐車力計(jì)算

2.3.1 單個(gè)車輪產(chǎn)生的最大制動(dòng)力矩

當(dāng)車輛在最大坡上駐車時(shí)（20%滿載上坡），后輪最大制動(dòng)力為：

單個(gè)車輪所需的制動(dòng)力矩：

2.3.2 操縱手剎后駐車制動(dòng)桿輸入力矩：

F手最大時(shí)（即F手=400N），計(jì)算駐車制動(dòng)桿輸入力矩

表2 駐車系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

此時(shí)駐車制動(dòng)桿輸入力矩：

2.3.3 后駐車制動(dòng)器制動(dòng)力矩：

摩擦片與制動(dòng)盤摩擦因數(shù)u=0.32，單側(cè)摩擦片對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力F0= F活塞，有效制動(dòng)半徑Re = l l 8m m，那么有制動(dòng)器制動(dòng)力矩：T制動(dòng)器=2uF活塞Re=511.1N?m＞467.9N?m

綜上，在滿足滿載20%坡度駐車條件時(shí)，因?yàn)楹笾苿?dòng)器活塞產(chǎn)生制動(dòng)力大于車輪所需制動(dòng)力，且后制動(dòng)器所能產(chǎn)生的制動(dòng)力矩大于車輪所需產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，因此該系統(tǒng)滿足駐車制動(dòng)要求。

3、結(jié)束語(yǔ)

駐車制動(dòng)器是保障車輛安全的重要部件之一，其設(shè)計(jì)合理與否和技術(shù)狀態(tài)的好壞不僅直接影響停車安全，也影響行車安全，因?yàn)樵谛熊嚲o急制動(dòng)失靈的情況下，駐車制動(dòng)器將成為車輛制動(dòng)的最后一道關(guān)卡。隨著轎車逐步走入家庭，人們對(duì)車輛安全性的重視程度不斷加深以及盤式制動(dòng)器應(yīng)用的日益廣泛，駐車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越完善。

文章對(duì)滾珠斜坡（BIR）制動(dòng)器的駐車原理進(jìn)行了簡(jiǎn)述，介紹了盤式制動(dòng)器駐車力矩的理論計(jì)算方法，并通過(guò)某車型實(shí)際驗(yàn)證了算法的有效性。

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Study on parking principle of a certain type of Disc brake

Hu Lei, Dong Liang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Disc brake with good braking performance is applied in all kinds of vehicles. In this paper, the principle of Integral parking brake is analyzed. This article introduces the method of calculating parking torque of disc brake.And it is verified in practice by a vehicle.The result showed that the sum of parking brake force bigger than 20% of the curb mass in the tested state can meet the requirements of the regulations and prove the validity of the algorithm.

BIR; Disc brake; Parking torque; Parking brake force

U463.5

A

1671-7988 (2017)10-25-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.010

胡磊，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。