张璐 王灿

摘要：卡钳密封槽是制动卡钳总成的关键部分，密封槽的设计对卡钳需液量及拖滞力矩等卡钳性能直接相关;本文从卡钳密封槽总成结构、密封机理进行介绍，通过活塞受力及需液量计算模型对关键性能的影响因素进行分析，并提出相应的密封槽结构优化方向，最后通过台架试验程序对不同的方案进行了试验验证，对卡钳开发过程中密封槽的设计选型具有一定的工程指导意义。

Abstract： The seal groove is the key part of the brake caliper assembly. The design of the seal groove has a great influence on the basic performance of the caliper， such as the liquid demand and drag moment. This paper introduces the structure and sealing mechanism of the seal groove assembly of the caliper， and the key performance is calculated by the calculation model of piston force and liquid demand At last， through the bench test program， different schemes are tested and verified. In the process of calipers development， the design and selection of seal groove has a certain engineering guiding significance.

关键词：制动卡钳;密封槽;需液量;拖滞;台架试验

Key words： brake caliper;seal groove;brake liquid volume;drag torque;bench test

中图分类号：U463.1                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）09-0171-03

0  引言

随着客户对整车制动踏板感要求逐渐提升及对整车燃油经济性越来越严格的要求，对卡钳总成性能开发及设计带来了挑战。卡钳密封槽与密封圈是卡钳总成中的关键部件，除了提供卡钳轮缸密封作用外，主要作用是提供足够的回弹力来驱动活塞回位，而密封槽的结构与参数设计对密封槽能够提供的回弹力起到决定性的作用[1]，因此可通过对卡钳密封槽的结构优化设计实现卡钳总成活塞回位量、需液量及拖滞力矩以满足工程要求。

本研究基于液压制动特性与密封机理分析，通过卡钳活塞受力分析及需液量计算建立卡钳需液量分析模型提出密封槽优化与性能平衡的方向，并通过台架试验对其活塞回位性能与拖滞力矩进行验证，为制动卡钳总成设计与性能平衡提供参考依据。

1  工作机理

1.1 液压制动特性

汽车在制动过程中，驾驶员与车辆形成一个闭环反馈系统[2]，驾驶员通过制动踏板将踏板力和踏板位移传递给制动系统，制动减速度反馈给驾驶员，当踏板位移与踏板力通过真空助力器及管路传递到卡钳时，卡钳活塞受液压作用力进行移动并与制动盘相接触产生减速度，此时卡钳轮缸内所需的制动液容量称为需液量，若需液量越大，则所需产生特定制动减速度的踏板行程则形成越长。

当驾驶员释放制动时，卡钳活塞通过卡钳密封圈的回拉弹力进行回位，此时活塞的位移称为活塞回位量，若活塞回位量越大，则制动盘与摩擦片更易提早分离，此时制动拖滞力矩更小。因此活塞的需液量与回位量受卡钳密封圈性能的直接影响，对于活塞回弹力来说两者又存在相互矛盾的关系。

1.2 密封槽总成

密封槽总成包含卡钳密封槽、密封圈及活塞三个主要部件，如图2所示为密封圈总成，x方向为活塞径向方向，y方向表示活塞中心轴向方向。当卡钳总成建压时，液压推动活塞朝制动盘向运动，由于密封槽与活塞直接的直接接触又存在摩擦力，密封圈被挤压逐步发生变形并填充到密封槽前倒角内[3]。在制动释放过程中，活塞受到两方面的作用力使其往回运动，一方面是被挤压的密封圈恢复需恢复原状的弹力推动活塞回位，另一方面旋转的制动盘推动摩擦片往回运动，活塞与摩擦片的回位直接决定着制动盘与摩擦片的间隙。

1.3 密封槽结构参数分析

如图2所示为密封槽结构特征，具体包括密封槽内、外径、高度，密封槽前倒角和后倒角以及密封槽底部角度。密封槽內径由活塞尺寸选型决定，外径和槽高度则由活塞直径和矩形密封圈尺寸决定。

①底部角度是为了保证卡钳总成的敲击性能（Knockback），阻止密封圈及活塞往后部回弹与移动，但若底部角度过大，由于活塞往回的阻力越大，卡钳总成的拖滞力矩也相对较大。

②密封槽后倒角也与敲击性能相关，若后倒角角度过小，密封槽极限变形量越小，极限情况下制动盘与摩擦片间隙也不能有效消除。

③密封槽前倒角影响卡钳需液量与拖滞力矩，若前倒角度过大，轮缸建压时密封圈填充前倒角，泄压后活塞回位量也会更大，极限情况下会导致制动空行程长。

2  卡钳需液量分析

2.1 活塞受力模型

在卡钳建压过程中密封圈的变形可分为两个阶段。建压初始阶段，密封圈与密封槽前倒角处未接触，密封圈与活塞之间的摩擦片阻碍活塞向前运动，两者之间的相互作用使得密封圈发生弹性变形;第二阶段为当密封圈与密封槽前倒角处相接触，逐步进行挤压从而填充密封槽前倒角，由于挤压所填充到密封槽内的密封圈能够提供更大的正压力，起到更好的密封作用，但其局部变形不利于提供灵敏的活塞的回位。

在摩擦片与制动盘相接触之前，即在活塞的空行程位移阶段，活塞的动力学模型为：

（1）

式中，m为活塞质量，Ki为矩形密封圈的等效刚度，Ff所受到的动摩擦力，Cea为活塞运动阻尼。

当摩擦片与制动盘接触后，活塞的动力学模型为[6]：

（2）

式中，Kp为摩擦片与制动盘接触的等效刚度，G为制动盘与摩擦片之间的间隙。

2.2 卡钳需液量模型

卡钳需液量为涉及到活塞移动、管路变形、制动液形变的制动液体积变化，因此需液量可以表示为[7]：

（3）

式中，？驻Vp为活塞移动所产生的液量;？驻Vh为软管变形所产生的液量;？驻Vl为制动液本身的体积变化量。

而活塞移动所产生的液量可以通过活塞位移s表示为：

（4）

式中，d为活塞外径。在活塞顶住摩擦片接触制动盘后，假设此后的活塞位移为0，则由（1）～（4）式可以将活塞移动所产生的液量表示为：

（5）

制动软管所产生的液量变化可以表示为：

（6）

式中，Vi为制动软管内的初始体积，EH为制动软管的等效弹性模量。由式（1）到式（6）可得卡钳的需液量p～V关系如下：

（7）

式中，？姿1与？姿2为补偿系数。

3  台架试验分析

3.1 试验台架

通过卡钳总成需液量与拖滞力矩试验台架对不同设计规格的卡钳密封槽进行验证，如图4所示定惯量卡钳需液量试验台，卡钳总成经过一轮磨合及由初速度为100km/h的制动工况后，分别测量轮缸压力在500kPa，5000kPa以及12000kPa时候的卡钳轮缸制动液变化量，用来评估该卡钳总成的需液量。

经过完整的卡钳需液量试验后，将制动角总成换装到拖滞试验台上，图4所示卡钳拖滞试验台，该试验台为定转速测量制动力矩，分别设置转速为400rpm及800rpm，在不同的转速工况下，初始制动压力分别为500kPa，2500kPa，5000kPa及120000kPa，释放制动压力后测量卡钳总成的拖滞力矩，作为评价卡钳总成拖滞。

3.2 试验结果分析

以下三种典型的密封槽结构作为试验对象，图5所示为不同特征结构，如表1所示，不同的倒角角度与宽度导致三者密封槽倒角面积分别为0.28，0.46与0.79mm^2，由上述论述结论，密封槽a的活塞回位量预期表现最优，但其卡钳拖滞力矩表现相对较差，反之，密封槽c的活塞回位表现较差，但其拖滞力矩较小。将以上三种规格的密封槽进行样件制作，分别进行卡钳需液量及活塞回位量、拖滞力矩试验。

如图6所示为卡钳需液量试验结果，其中在低压阶段（500kPa），c型密封槽活塞回位量最小，表现最佳;a型密封槽对应的活塞回位量最大，这与本研究上文分析结果一致;同时，从试验结果可以得出，当处于高压阶段时（12000kPa），三种不同的卡钳密封槽所对应的活塞回位量差异较小，当轮缸压力越大，由密封槽角度差异导致的活塞回位性能差异越小。

图7所示为卡钳总成拖滞力矩试验结果，分别为在400rpm及800rpm工况下，三种不同卡钳密封槽的拖滞性能表现。压力越高拖滞力矩有增大的趋势，从不同密封槽的表现来看，a型密封圈的卡钳拖滞力矩最大，c型密封圈的卡钳拖滞力矩最小，无论在400rpm及800rpm均表现出此特征，密封槽角度越大，即密封槽倒角面积越大，拖滞力矩越小，也可以得出b型密封槽在卡钳需液量与拖滞性能方面能够取得一定的平衡，这也与活塞回位性能相矛盾。

4  结语

本文基于卡钳密封槽总成结构及密封机理探究了密封槽关键结构特征对卡钳需液量及拖滞性能的影响，通过分析活塞受力模型建立卡钳需液量计算模型并提出密封槽结构优化方向，通过卡钳总成需液量台架及拖滞性能台架对不同的密封槽特征结构进行验证;试验表面密封槽前倒角角度，即倒角截面积越大，卡钳所需液量就越大，但拖滞力矩现对较低;在卡钳工程开发过程中可通对密封槽特征结构的调整，以平衡卡钳需液量与拖滞性能以满足需求。

参考文献：

[1]巫绍宁，高勇，莫易敏，等.活塞密封皮碗性能对制动拖滞影响分析与仿真.机械研究与应用，2016（3）：140-143.

[2]陆洪明，李小华.基于车辆液压制动卡钳需液量的研究和应用，2015中国汽车工程学会年会论文集.

[3]陈家瑞.汽车构造[M].人民交通出版社，2006：305-307.

[4]Okon D. Anwana， Hao Cai.Analysis of Brake Caliper Seal-Groove Design[C].SAE Technical Paper，2002-01-0927.

[5]Junghan Kim， Namyeul Ryu， Youngtaek Kim. Optimized Caliper Design for Low Drag Using DFSS Method[J]. SAE Int. J.Passeng. Cars - Mech. Syst. 5（4）：2012.

[6]許世堂，易刚，姚佳.密封槽结构对卡钳活塞回位量、所需液量和拖滞力矩影响因素的研究[J].研究与开发.

[7]叶杨烽.汽车制动钳拖滞力矩检测系统设计及研究[D].中国计量大学，2018.

作者简介：张璐（1983-），男，上海人，中级工程师，硕士，主要研究方向为底盘制动系统设计与开发、汽车动力学。