制动器优化对降低油耗的影响分析

包厚显　姜彬彬

关键词：制动器;油耗;轮毂轴承;密封结构;优化

中图分类号：U463.5 文献标识码：A

0引言

环境保护不容忽视，因此国家政策和法规对油耗的要求不断提高。目前国六A排放标准已于2020年7月1日全面实施，更严格的国六B标准也将于2023年实施。国家新推出的节能汽车推广补贴政策，相比之前，对车辆的节能、环保程度要求也越来越高。如今乘用车市场竞争激烈，良好的燃油经济性是重要筹码。A0级、A级乘用车是竞争日益激烈的细分型市场，为获得更大的市场竞争力，突显“低成本、高价值”的优势，需要通过对前置前驱车型的传动系统进一步优化，来提升燃油经济性。

本文以某MPV车型为基础，通过对车辆的制动器结构进行研究，分析其与油耗之间的关系。同时，通过对制动器相关结构进行优化，降低制动系统阻力，提升传动效率，以达到整车油耗降低1%～2%的目标。

1制动器分解及优化对象分析

1.1制动器优化对象

车辆行进过程中，制动器产生的拖滞力矩是造成油耗增加的主要原因，因此要实现降低油耗的目的，就需要降低制动器工作时的拖滞力矩。制动器结构主要由制动钳、制动盘、轮毂轴承、转向节和防尘板5大部分组成（图1），根据其工作原理，拖滞力矩主要由轮毂轴承和制动钳产生，其他均为结构连接件。轮毂轴承拖滞力矩是指滚动体克服内部油脂及密封结构所需要的力矩。而制动钳拖滞力矩则是在取消制动后，摩擦片与制动盘仍存在一定局部接触，继续对汽车起制动作用的力矩。

1.2制动器结构优化实施流程

根据制动器产生拖滞力矩的原因，对制动器结构优化实施流程如下。

（1）对制动器进行总成分解，分析各部件性能，明确优化对象。

（2）对轮毂轴承、制动钳等零部件进行阻力对标试验，得到制动器各部件阻力分布现状，探究其优化空间。

（3）针对影响零部件的因素设计试验，研究各因素分别对轮毂轴承的摩擦力矩值、以及制动钳的拖滞力矩值的影响。

（4）提出优化措施，制定优化方案，试制样件，并对样件进行检测与验证。

（5）样件装车后，进行整车综合油耗测试、滑行阻力与滑行距离测试。

（6）根据样件试验结果以及实车验证结果，得到实际可行的传动系优化措施。

2轮毂轴承研究及优化

2.1轮毂轴承摩擦力矩现状及对比分析

轮毂轴承作为制动器拖滞力矩重要影响因素，对整车制动系统提升燃油经济性具有重要作用。研究表明，轮毂轴承拖滞力矩影响因素前三位分别为：密封圈、润滑脂和游隙。其中，密封圈贡献了其摩擦力矩的50%以上，润滑脂约20%，轮毂轴承工作游隙次之。

本文根据标杆件对比测试，同时测量该MPV、对标车A与对标车B的轮毂轴承摩擦力矩，并进行比较（图2）。通过比较发现，图1制动器组成图该MPV的轮毂轴承摩擦力矩平均大于对标车A约9%，大于对标车B约24%。同时经过仔细研究发现，引起该MPV轮毂轴承摩擦力矩较后两者偏高的主要因素包括密封圈型式、润滑脂及负游隙。

2.1.1密封圈对轮毂轴承摩擦力矩的影响

密封结构与摩擦力矩之间的关系如图3所示。密封圈越少，摩擦力矩越低，且上密封圈对摩擦力矩的影响约为下密封的2倍。同时，将某MPV和对标车的轮毂轴承密封圈进行对比研究，具体结构如下。

该MPV的上密封型式为四唇，下密封型式为三唇;对标车上、下密封型式均为三唇。在不影响密封性能的前提下，将上密封由四唇结构改为三唇结构，相应的装配过盈量做适当的调整。具体更改结果如图4所示。

对改进后的密封圈进行轮毂轴承的摩擦力矩测试，测试结果如图5所示。结果显示，在保证密封性能的前提下，优化改进后轮毂轴承的摩擦力矩较优化前的力矩降低10.4%，约0.135N·m。

2.1.2油脂对轮毂轴承摩擦力矩的影响

将该MPV轮毂轴承使用的润滑油脂和另外3种不同黏度的油脂进行对比研究，对比试验结果如图6所示。

结果显示，采用黏度较低的3号润滑脂能降低摩擦力矩约40%。3号润滑脂能够大幅度降低轮毂轴承的摩擦力矩，推荐使用。

2.1.3负游隙对轮毂轴承摩擦力矩的影响

在三代轮毂轴承装配过程中，采用预紧的方式消除滚动体与滚道之间的接触间隙，形成负游隙。不同负游隙的对比试验结果如图7所示。

试验结果表明，不同负游隙下轴承的摩擦力矩相差高达11%。合理设计负游隙公差，选用绝对值小的负游隙，可以显著减小摩擦力矩。

2.2轮毂轴承优化方案

轮毂轴承总体优化方案如下。

（1）润滑脂优化，注入3号润滑脂。

（2）密封圈结构优化，上密封四唇密封结构改为三唇密封，同时更改装配过盈量。

（3）负游隙优化，选用绝对值小的负游隙。

优化轮毂轴承匹配整车后，进行油耗测试。未优化轮毂轴承之前，该车型的平均油耗为7.347L/100km，优化轮毂轴承后平均油耗为7.267L/100km，滑行距离和滑行阻力也都有明显改善。具体表现为，匹配优化后的轮毂轴承整车油耗降低了0.080L/100km，节油率达到了1.1%;热态滑行距离增加37.7m;热态滑行阻力降低了约10N，达6%。轮毂轴承的密封圈优化不增加成本，成本取决于润滑脂，推荐实施优化。

通过大量的对比分析和數据测试，表明通过对轮毂轴承的密封圈、润滑脂和负游隙进行优化后，可以有效降低整车油耗并保证轮毂轴承基本性能。改进后的轮毂轴承在耐久性能、密封性能上也做了对应验证，不比改进前差，改进措施可实施。

3制动钳研究及优化

3.1制动钳拖滞力矩现状及对比分析

制动钳作为制动器拖滞力矩重要影响因素，对整车制动的燃油经济性具有重要作用。在之前的著作中[7-8]，通过对制动过程中的摩擦片进行受力分析，结合实验分析出制动盘厚薄差对制动拖滞的影响。此外，制动卡钳制动间隙、钳体刚度、密封圈、密封槽以及摩擦块卡簧等因素，也会对制动拖滞力矩产生各种影响。

本文同时测量该MPV、对标车C和对标车D的制动钳拖滞力矩，并进行比较，测试结果如图8所示。

通过比较发现，某MPV制动器拖滞力矩比对标车C高0.300N·m，比对标车D高2.100N·m。该MPV制动器拖滞力矩与对标车D相比，存在较大的优化空间。同时经过仔细研究发现，引起该MPV制动器拖滞力矩较另外2款对标车型偏高的主要因素包括制动盘端面跳动、消音片材料及活塞与消音片接触面积。

3.1.1制动盘端面跳动对拖滞力矩的影响

端面跳动与拖滞力矩呈正相关。端面跳动越小，拖滞力矩越小。当制动盘的安装跳动从0.050mm降到0.038mm，拖滞力矩最大值降低0.160N·m，平均值降低0.280N·m。但是考虑到降低端面跳动需要的技术较高，成本增加较多，而相应的拖滞力矩值降低幅度不明显，不建议实施。

3.1.2消音片对拖滞力矩的影响

消音片拆卸后，该MPV较对标车C的拖滞力矩多降低0.620N·m，降幅达32.9%，消音片对该MPV制动钳拖滞的影响更大。因此可以考虑从消音片方面来降低拖滞力矩。

对标车D的制动钳拖滞力矩平均比该MPV低1.370N·m（约50%）。经过研究发现，该MPV使用的消音片为全金属结构，制动过程中消音片变形量大;而对标车D使用的消音片为金属和橡胶的混合结构，制动过程中消音片变形量更小，对减少拖滞力矩作用更明显。所以可以考虑从消音片选材方面来降低拖滞力矩。

3.1.3活塞与消音片接触面积对拖滞力矩的影响

经过研究发现，增大活塞与消音片接触面积，也可以使制动过程中消音片变形减小。解除制动后，消音片恢复变形对工作间隙影响变小。设计上，可通过增加活塞盖来实现增大活塞与消音片接触面积（图9）[2]。

增大活塞与消音片接触面积（增大3倍）后，探究其对拖滞力矩影响，测试结果如图10所示。测试结果表明，增大活塞与消音片接触面积3倍后，拖滞力矩平均降低0.300N·m，且活塞盖不影响正常制动，推荐实施。

3.2制动器优化方案

制动器总体优化方案如下。

（1）消音片选用金属和橡胶的混合结构。

（2）通过增加活塞盖，增大活塞与消音片接触面积。

优化制动器匹配整车后，进行油耗测试。未优化制动器前该MPV的平均油耗为7.180L/100km，优化后的平均油耗为7.010L/100km，滑行距离和滑行阻力也都有明显改善。具体表现为，匹配优化制动器后的油耗降低了0.170L/100km，节油率达到了2.3%;以50km/h的速度热态滑行距离增加26.0m，高速下滑行阻力降低了约10N，达6.0%。

通过大量的对比分析和数据测试，表明通过对制动器消音片的材料和接触面积进行优化后，在增加少量成本的基础上，可以有效降低整车油耗。改进后的制动钳在耐久性能、耗液量和噪声匹配上也做了对应验证，不比改进前差，改进措施可实施。

4结束语

汽车节能是一项长期而艰巨的工作，而影响汽车油耗的因素也是复杂多变的，制动器的优化只是众多方法之一。随着中国经济的大力发展，越来越多的企业和家庭拥有汽车。而随着国际油价的大幅上涨，导致中国的油价也跟着水涨船高，油料支出的成本占家庭支出和企业运行成本的比重也越来越大。因此降低汽车油耗本身就意味着降低运营成本，减少环境污染，提高经济效益。

作者简介：

李姮，本科，工程师，研究方向為底盘开发。

尹青春，本科，工程师，研究方向为汽车试验。

汪爱军，本科，工程师，研究方向为底盘开发。

李雪娟，本科，工程师，研究方向为底盘开发。

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