摘要：汽車制動卡鉗常規(guī)的制動力計算采用滑動摩擦力公式進(jìn)行計算，并且平均分配給內(nèi)外制動塊，再以此制動力作為支架零部件設(shè)計分析的輸入力，常規(guī)計算沒有考慮卡鉗和軸銷部分對制動力的分流；文中通過在制動塊徑向和切向受力位置粘貼應(yīng)變片進(jìn)行實(shí)測的方式，精確檢測內(nèi)外制動塊的徑向和切向的制動力,為支架部件的精準(zhǔn)設(shè)計提供輸入力參考。

引言

在汽車零部件行業(yè)競爭日趨激烈的情況下，輕量化精準(zhǔn)設(shè)計降低成本顯得尤為重要，輕量化設(shè)計的重要技術(shù)手段就是不斷地優(yōu)化理論模型，精確掌握各部件受力情況，再結(jié)合CAE等分析手段從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計的目的。汽車制動鉗常規(guī)制動力計算采用滑動摩擦力計算公式，將制動液壓、缸徑、摩擦因數(shù)計算產(chǎn)生的摩擦力平均分配到內(nèi)外制動塊上，并傳遞到支架作為支架設(shè)計的依據(jù)。但這樣的計算沒有考慮卡鉗軸銷分擔(dān)的制動力，由于軸銷、支架、制動塊間均采用間隙配合，理論分析很難建立準(zhǔn)確的模型來計算卡鉗軸銷分擔(dān)的制動力。本文通過在制動塊兩端布置應(yīng)變片的方式精確測試制動塊的切向力和徑向力，為支架設(shè)計提供輸入力參考。

1 卡鉗常規(guī)制動力計算方法

圖1所示為制動器結(jié)構(gòu)及受力分析，制動卡鉗接入制動管路中，由制動總泵提供制動液壓力驅(qū)動活塞移動，通過卡鉗浮動夾緊兩側(cè)的制動塊再夾緊制動盤，利用支架擋住制動塊的移動從而實(shí)現(xiàn)制動。常規(guī)制動力計算如下：

式中：Finner為內(nèi)塊周向制動力；Fouter為外塊周向制動力；μ為制動塊摩擦因數(shù)；Fir(or)為內(nèi)(外)側(cè)徑向力；N為制動卡鉗的活塞施加到制動塊上的正壓力；R為卡鉗輪缸半徑；P為管路壓力；a為卡鉗缸孔中心到切向制動力著力點(diǎn)的位置；L為支架兩端切向制動力著力點(diǎn)的距離。

圖1 制動器結(jié)構(gòu)及受力分析

2 應(yīng)變實(shí)測內(nèi)外制動塊制動力

總體測試流程如圖2所示。

圖2 應(yīng)變測試流程

2.1 對制動塊各著力部位進(jìn)行前處理

前處理主要包含3個步驟：1）為保證測量的準(zhǔn)確性，必須保證制動力按照單一路徑進(jìn)行傳遞，所以對制動塊按圖3所示方式進(jìn)行切割；2）為提高應(yīng)變信號的信噪比，需要對各安裝部位進(jìn)行適當(dāng)減薄處理；3）用320#的砂紙打磨貼片表面，以增加應(yīng)變片的粘貼強(qiáng)度，如圖3所示。

2.2 應(yīng)變片的粘貼

圖3 制動塊處理及應(yīng)變片粘貼為提高測量的準(zhǔn)確性，不宜采用1/4橋方式；必須在受力部位兩側(cè)都要貼片，并且在制動塊對稱的另一邊非受力位置貼片組成全橋，這樣可同時消除彎曲效應(yīng)和溫度影響，應(yīng)變片選用350 Ω的電阻應(yīng)變片，要具有一定的耐溫性能，表面采用防護(hù)膠進(jìn)行保護(hù)。

2.3 連線組成應(yīng)變橋

如圖3所示，A組應(yīng)變片組橋測試徑向制動力Fir和For，B組應(yīng)變片組橋測試切向制動力Finner和Fouter。按圖4所示方式連線組成應(yīng)變橋，Rg1、Rg3對應(yīng)A、B組的1、3號應(yīng)變片，Rg2、Rg4對應(yīng)A、B組的2、4號應(yīng)變片。

圖4 應(yīng)變橋連接應(yīng)變量和輸出電壓的關(guān)系如下：

式中：Ks為應(yīng)變片的應(yīng)變率；ε0為應(yīng)變量；E為電橋電壓；e0為輸出電壓。由于采用Rg1和Rg3兩個工作應(yīng)變片測試同一位置，所以輸出為2倍關(guān)系；但是本測試采取標(biāo)定方式讀取具體的力值，而非計算方式，所以不用特別關(guān)注應(yīng)變值的具體大小。

2.4 應(yīng)變片的標(biāo)定

如圖5所示，固定制動塊，然后在制動塊各應(yīng)變片粘貼位置施加推力，同時記錄應(yīng)變值，獲取標(biāo)定曲線。圖6、圖7所示為某車型制動塊切向和徑向標(biāo)定曲線，切向標(biāo)定曲線的加載和卸載曲線幾乎重合，并且線性度很好。由于零件結(jié)構(gòu)和加載方向的原因，徑向標(biāo)定曲線的加載和卸載曲線出現(xiàn)一定差異，后續(xù)數(shù)據(jù)處理采用加載曲線處理數(shù)據(jù)，符合制動卡鉗的實(shí)際工作情況。

2.5 安裝和測試

圖5 標(biāo)定示意圖將標(biāo)定完成的制動塊安裝到臺架上，連接測試設(shè)備。本測試用臺架型號是link3900，應(yīng)變測試設(shè)備為LMS的多通道數(shù)據(jù)采集，采集軟件為Test.Xpress 10。由于國內(nèi)超 過300 ℃的高溫應(yīng)變測試技術(shù)掌握非常 有限，并且各類粘接劑在高溫下存在粘貼力下降的問題，所以制動測試時的溫度必須嚴(yán)格控制，建議不超過150 ℃，否則嚴(yán)重影響測試的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 臺架測數(shù)據(jù)

臺架測數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 切向力標(biāo)定曲線

圖7 徑向力標(biāo)定曲線表1 臺架測試數(shù)據(jù):摩擦因數(shù)、制動力矩、管路壓力

說明：卡鉗啟動壓力按0.05 MPa執(zhí)行。

3.2 應(yīng)變及制動力對應(yīng)數(shù)據(jù)

應(yīng)變及制動力對應(yīng)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3 數(shù)據(jù)處理和分析

提取制動壓力和接觸力關(guān)系曲線如圖8所示。由于卡鉗的初始間隙和啟動液壓等關(guān)系，導(dǎo)致關(guān)系曲線的初始段非線性，超過1 MPa之后進(jìn)入近似線性關(guān)系段；用Minitab軟件對線性段進(jìn)行回歸分析，得出的擬合直線方程如表3所示。表2 應(yīng)變及接觸力對應(yīng)數(shù)據(jù)

圖8 制動壓力和接觸力關(guān)系曲線表3 擬合直線方程

從R-Sq和R-Sq(調(diào)整)兩項指標(biāo)看，擬合方程的準(zhǔn)確度較好；通過擬合方程計算10 MPa情況下的接觸力與常規(guī)方法計算的接觸力對比如表4所示。表4 接觸力對比 N

注：①支架部件設(shè)計以制動壓力為10 MPa的情況下作為輸入評價參考。②計算參數(shù)。摩擦因數(shù)按本測試的臺架摩擦因數(shù)0.311執(zhí)行，卡鉗活塞的啟動液壓壓力為0.05 MPa，a值為14.35 mm，L值為124.8 mm。將應(yīng)變法實(shí)測接觸力與常規(guī)計算力比值作為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計的修正參考，調(diào)整支架部件設(shè)計的輸入力，從而實(shí)現(xiàn)支架部件的精確化輕量化設(shè)計。

4 應(yīng)用

以某車型制動器支架部件的設(shè)計為例，制動器基本參數(shù)：缸徑為φ60 mm，AK名義摩擦因數(shù)為0.38，制動有效半徑為125 mm，a值為5.2 mm，L值為130.8 mm。具體計算如表5所示。常規(guī)方法計算總的制動力矩為2686.1 N·m，修正后的Fouter和Finner產(chǎn)生的制動力矩為2126 N·m，兩者的差值560.1 N·m加載到支架銷孔部位，銷孔到制動器中心的距離149 mm，計算出加載力為3759 N。按常規(guī)方法計算的力值（表5中第2列數(shù)據(jù)）加載進(jìn)行CAE分析的結(jié)果如圖9所示。分析結(jié)果：最大應(yīng)力為419.5 MPa，最大變形為0.979 mm。表5 常規(guī)計算的力值的修正

圖9 常規(guī)方法計算力值加載及計算結(jié)果按修正優(yōu)化后的方法計算的力值（表5中第4列數(shù)據(jù)）加載進(jìn)行CAE分析，如圖10所示。分析結(jié)果為：最大應(yīng)力為394.4 MPa，最大變形為0.668 mm，如果將變形保持0.979 mm作為優(yōu)化目標(biāo)，按新的方法可使零件減重至少15%以上，限于篇幅原因不再詳述。

圖10 優(yōu)化方法計算力值加載及計算結(jié)果

5 結(jié)語

在被測結(jié)構(gòu)空間受限無法安裝力感器進(jìn)行測試的情況下，本文展示一種通過應(yīng)變片測試、標(biāo)定、讀取力值的方法。具體應(yīng)用到汽車制動卡鉗的制動力測試和分析中，通過該方法測試了某車型制動鉗總成中制動塊對支架部件的切向和徑向?qū)嶋H力值，并同現(xiàn)行常規(guī)計算方法計算出的力進(jìn)行對比，得出修正比值。運(yùn)用該修正比值調(diào)整支架部件的輸入力值，優(yōu)化了支架部件的結(jié)構(gòu)從而減輕部件質(zhì)量。優(yōu)化后的部件通過了臺架強(qiáng)度和耐久驗證符合要求，體現(xiàn)了該方法的價值。

作者：楊正偉 南方天合底盤系統(tǒng)有限公司