制动卡钳导向销断裂影响因素分析

汪方俊　吴海军　辛庆锋　吕波涛　史路浩　胡勇俊

摘 要：制动卡钳的功能稳定性是整车制动制动性能关键指标之一，故在产品开发过程中需进行零件级、系统级以及整车级别的测试验证，以满足市场环境中的所有工况下的性能要求。本文以产品验证初期出现的制动卡钳导向销断裂为例，对引起卡钳导向销断裂的试验方法、结构强度等因素进行了研究。分析出引起导向销断裂的关键因素，并通过结构的改进。消除了导向销的断裂风险，为后续的开发提供的技术支持。

关键词：卡钳导向销 断裂分析 试验方法

1 前言

制动卡钳是车轮制动系统的关键部件，卡钳导向销的作用是将卡钳与支架连接，使卡钳有轴向移动，车辆在制动时，随着液压力的作用，卡钳沿着导向销移动，夹紧制动盘从而形成制动，同时松开踏板时，又能使卡钳回位达到解除制动的效果[1]。因车辆在高速制动时，制动盘的转动惯性会传递至卡钳导向销，故卡钳导向销需要良好的抗剪切能力，同时保证制动时优良的噪音表现，上述的技术能力可以通过测试或者CAE分析测出。

2 卡钳导向销断裂故障说明

试验车辆在进行24通道试验时，在进行第467个循环时出现了左前卡钳导向销断裂故障，更换导向销后再次在第500个循环出现了断裂故障，根据标准要求，制动系统部件试验需满足480循环无异常。前导向销断裂循环次数不满足标准要求。

导向销断裂部位为销轴直径过渡处，经断口分析，该断裂属于受剪切力作用的疲劳断裂。

还有种现象就是后卡钳在经过800个循环试验结束后导向销处无异常;

3 导向销断裂原因分析

导向销常规的设计和制造装配状态下，所受剪切力比较小，同时导向销是冷镦工艺成型，产品自身的抗剪切能力较强。正常状态不会疲劳断裂。导向销出现的异常断裂故障在实际道路试验中未有发生，为排查出导向销异常断裂的根本原因，本文特从设计、制造和试验方法等角度进行了研究，制定改善措施，避免市场出现类似问题。

3.1 产品设计因素对导向销的影响分析

导向销将卡钳与钳体支架连接，制动时卡钳在油液的推动下向制动盘一侧移动，当摩擦片接触制动盘时，卡钳以导向销为轴线移动，在移动过程会受到沿制动盘径向的剪切力和卡钳自重带来的Z向重力，两个受力的合力在颠簸路会使导向销受一定冲击。该冲击力是否会造成导向销断裂，需要理论进行CAE分析。

针对该故障，特对前、后导向销进行了刚度和强度CAE对比分析：

1）约束条件：夹紧处1-6自由度，见图1;

2）载荷条件：导向销头部径向加载力5000N;

经分析，前、后导向销的头部加载5000N时的变形量分别为0.5mm和0.48mm，剪切应力满足材料的许用应力。同对标了同类型的导向销结构，其他车型的导向销设计与该故障件结构一致。说明导向销无设计缺陷，不会引起断裂故障等问题。

3.2 试验条件对导向销断裂的影响分析

车辆24通道试验台是道路模拟试验台，采用道路模拟试验方法，能够在实验室内复现道路90%的故障。该试验方法可以快速的试验出产品结构是否存在设计缺陷。目前也是主流主机厂验证结构件的主要方式。该试验方法对制动的试验条件是：

1）制动油压设定为20Mpa;

2）试验循环480，每循环制动次数32次;

3）试验储液罐置于卡钳之下。

紧急制动时，管路油压一般在8～10MPa，在零部件设计验证时制动油压不超过16MPa，道路模拟试验油压的设置超出了设计验证范围，油压过大，会使卡钳、制动盘等的变形超设计预期，导向销的受力模型发生变化。

蓄液罐设置在卡钳之下，会导致制动加压泄压之后卡钳活塞的制动液回流，卡钳活塞无预压力而回退，再次制动同时伴随着高频振动状态下，卡钳处于不稳定状态，容易导致卡钳导向销的受力变化，同时在试验过程中卡钳处产生金属敲击声，而该敲击声是制动后3s产生的。说明制动后油液回流至储液罐，盘片间隙、活塞与片间隙加大，卡钳一直在非设计状态进行工作，导致导向销的剪切力增大。

3.3 前后卡钳结构对导向销断裂的影响分析

试验中出现断裂的导向销均为前卡钳，后卡钳的导向销结构、尺寸与前卡钳导向销相似，但并没有出现故障。前后卡钳在重量和结构存在差异，前卡钳较后卡钳重2kg，同时后卡钳集成了驻车机构，轴向间隙紧凑，非制动状态，前卡钳活塞与盘的间隙最大4.4mm，但后卡钳该间隙只有0.55mm。为验证间隙与重量在该试验条件下是否会对导向销产生负作用，本文对不同间隙下的导向销进行了CAE分析。

1）分析目的：前后制动卡钳初始位置与卡钳活塞最大退回量状态下导向销受力差异;

2）约束条件：约束卡钳安装支架

3）加載载荷：在制动卡钳重心分别加载30g重量加速度质量。

分析结果显示前导向销在上述条件下的应力为184.72MPa和209.932MPa，说明卡钳活塞退回量的增大会影响导向销的受力状态。同时后导向销在上述条件下的应力分别为107.796MPa和108.960MPa，与前导向销的差异大，这也验证了为什么后卡钳导向销没有出现故障的原因。

4 导向销断裂风险分析

试验方法的不合理导致了导向销异常断裂，在实际工况下是否会存在？经某OEM统计，车辆98%的制动减速度在0.3g以下，该车型在极端工况下能达到的最大制动强度是1g。要达到20Mpa的压力，需要用1000N的踏板力，驾驶员是无法踩出。故虽然在模拟台上出现了导向销断裂故障，但是实际不会出现该工况，风险极低。同时车辆已在试验场进行了为期3个月的结构耐久测试，未出现导向销异常的报告，说明产品在设计和质量管控上均满足要求。

5 结论

制动卡钳为安全部件，产品设计与验证均非常重要。本文通过断裂故障的问题排查重新梳理了产品设计，确定了产品设计的可靠性。同时针对试验方法不合理的部分也进行的改善，如将试验油压设定在最大抱死压力，与实际的最恶劣工况吻合，将储液罐置于卡钳之上，将保证了验证的合理性，使得验证结果更加合理。

参考文献：

[1]刘惟信.汽车制动系的结构分析与设计计算.北京： 清华大写出版社，2004.