崔祥波;游廷海;张德志
【摘 要】为探索汽车驻车制动拉索的布置和设计要点,对拉索各零件的受力情况及其之间的关系进行研究,基于力学分析结论,结合多年的实际研发经验,给出拉索的布置设计、结构设计和周边件设计的关键点.
【期刊名称】《汽车零部件》
【年(卷),期】2017(000)012
【总页数】5页(P9-13)
【关键词】驻车制动拉索;布置;设计要点
【作 者】崔祥波;游廷海;张德志
【作者单位】奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究院,安徽芜湖241006;奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究院,安徽芜湖241006;奇瑞汽车股份有限公司汽车工程研究院,安徽芜湖241006
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.5
汽车驻车制动系统分为机械式和电子式两种，驻车制动拉索(后面简称拉索)是机械式驻车制动系统的重要组成件。文中建立一个拉索的力学模型，分析拉索各子零件的受力情况及它们之间的关系。基于此，对拉索的结构设计、布置设计、周边件设计要点进行了研究。汽车中还有很多和驻车制动拉索相似的零件，比如换挡操控拉索、车门操控拉索等，其设计研究均可参考此文。
拉索的作用有两个：(1)传递手刹操纵机构(后面简称手刹)输入的操纵力。拉索的力传递效率越高，它传递给制动器的力就越大，制动效果就越好，这个过程很明显，不再赘述。(2)传递手刹输入的操纵行程。制动器内部的驻车拉臂要有足够的行程才能使制动蹄产生足够大的变形量，进而产生需要的驻车力。驻车制动系统各零件和固定拉索的车身都不是绝对刚体，有弹性，会消耗一些行程。在手刹输出行程一定的情况下，如果拉索消耗行程比较大，则制动蹄变形量不足，传递的力无法形成有效支撑，也就无法传递力。行程传递是力传递的基础，所以，拉索的行程传递效率越高越好。 图1是一种典型的驻车拉索结构图，拉索主要由钢丝绳、钢丝绳前球销、钢丝绳后球销、护管、护管前接头、护管后接头、回位弹簧、支架等组成。 护管是拉索的核心子零件，有必要先对其内部结构作详细分析。图2是护管内部结构剖视图，护管由外层PVC、钢丝卷簧管、内衬管三部分硫化卷制在一起而成，是一个复合结构件。外层PVC起密封和保护作用，和钢丝卷簧管硫化在一起。钢丝卷簧管是用钢丝绕制而成的细长管，起导向支撑作用。卷簧各圈之间有间隙Δs(为突出显示，Δs画得比较大，实际很小，接近于0)，力和行程的传递要先消除这个间隙，所以卷簧的致密度直接影响拉索的行程效率。为提高拉索的行程效率，也有公司要求，拉索总成制作前要对护管进行一次大压力的纵向压缩，以提高其致密度。卷簧各圈无法光滑连接，所以其内壁无法做得很光滑，如果钢丝绳直接装入卷簧管中，使用时很快会被磨破，所以在卷簧管内需要加一个内衬管，钢丝绳最终是穿入内衬管中。驻车时，钢丝绳和内衬管摩擦，显然，内衬管的主要作用是减小摩擦力。内衬管常用材料为PE，也有公司使用有自润滑性能的聚四氟乙烯做内衬管，进一步减小摩擦力。护管之所以做成这种复合结构而不是直接使用无缝钢管，原因有两个：(1)拉索走向往往需要很多折弯，用钢管制作，制造和装配都会非常困难；(2)拉索有一段需要跟着后悬架一起跳动，要求拉索有一定柔性以适应这种跳动带来的长度变化和
力冲击，钢管不满足要求。
实车拉索往往不可能完全直线布置，如图3所示，假设右侧那个空间被零件P占用了，则拉索要避让，拉索就必然需要折弯。经理论分析和试验验证，受力分析结论如下：
(1)钢丝绳只受到3个力F1、F4、f1，其关系为F1=F4+f1。
(2)护管只受到3个力F2、F3、f2，其关系为F2=F3+f2。
(3)F1=F2，力大小相等，方向相反。
(4)F3=F4，力大小相等，方向相反。
(5)f1=f2，力大小相等，方向相反。
(6)f1、f2随输入力F1的增加而增加，综合摩擦因数平均值为0.136，设计时按此计算。
(7)护管前接头和护管后接头都只受压力(F2、F3)，不受拉力。
(8)静态段支架不管支架是否铆接在护管上，支架均不参与钢丝绳和护管各力之间的平衡，
支架受力接近于0。支架的作用仅仅是定位护管的走向，受到的力等于因固定走向而带来的护管弹力，这个力很小，一般不超过150 N。
(9)动态段支架和静态段支架一样，不参与钢丝绳和护管各力之间的平衡。但动态段支架的作用，除了定位护管的走向，还要承受动态段拉索长短变化带来的冲击力和拖拽力，所以支架和护管的铆接力要足够大，最少200 N以上，否则拉索冲击力可能破坏铆接状态，铆接状态被破坏后护管很快就会被磨破。
(10)不同工况下拉索各部位受力最大值分析。以乘用车为例，根据法规要求、行业内实际情况、特殊工况下手刹的最大受力，结合(1)—(7)的结论，可计算得到不同工况下拉索各部位最大受力值，见表1，这就是拉索和周边件刚度及强度校核的输入力。
尽可能对称布置，以使左右拉索的长度相等且对称弯曲，其好处是左右拉索的力效率和行程效率相等，拉索输入给左右驻车制动器的力和行程相等。
goagent ios与水平面夹角不宜超过30°，否则与之配合的手刹的设计会比较困难。与车身纵向中心线的夹角不宜超过10°，否则手刹的纵向力被分解掉的力太大，并且手刹平衡架容易被拉裂。
主要是注意拉索和排气管的距离。各工况温度场环境中，拉索表面温度不得超过120 ℃，理想状态是控制在100 ℃以内，以防止PVC老化及润滑脂干枯。
不随着后悬架跳动而跳动的一段称为静态段。设计目标是：(1)不和周边件干涉。(2)曲率半径不小于100 mm。静态段进行静态校核即可，设计简单，确定好支架的位置就能达到以上要求。
随着后悬架跳动而跳动的一段称为动态段。设计目标是：(1)跳动空间范围内不得和周边件干涉。应做出悬架上下跳动极限范围内的拉索运动包络，尤其要注意和轮胎的距离。(2)曲率半径不小于100 mm。(3)合理的长度。如图4所示，拉索AZ段随后悬架跳动而跳动，AZ段即为跳动段。布置拉索时，拉索旋转中心A和后悬架旋转中心B往往无法重合，跳动时拉索“理论中心曲线长度”AZ会有变化，而后悬架长度BZ固定不变(后悬架是刚体件)。拉索“实际长度”小于“理论中心曲线长度”，则无伸缩富余量，在图中车轮上极限位置会被拉断；拉索实际长度比理论中心曲线长度大太多，则伸缩富余量大，在图中车轮下极限位置曲率半径小，拱紧力大，容易损坏支架。动态段实际长度一般应比理论中心曲线长度的最大值大0～10 mm，且动态段长度应不小于450 mm(在不与周边件干涉的前提下，越长越好)，长度越短柔性越差就越容易扭伤。动态段需要进行动态校核，设计复杂。
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聚乙烯如图5所示，静态段和动态段通过支架分割为界限明显的两段，分割方案有4种，目标都是尽可能使拉索旋转中心和后悬架旋转中心重合，减小拉索在跳动时的长度变化。各方案具体描述见表2。方案一和方案二最理想，如果受周边件限制无法达成，则选用方案三和方案四。
驻车制动器有3种结构型式：带驻车功能的综合鼓式制动器、盘中鼓式制动器、带驻车功能的综合卡钳制动器。前两种制动器的驻车拉臂回位弹簧的力无法设计得太大，驻车拉臂回位弹簧不能兼做拉索回位弹簧，所以驻车拉索需要自带回位弹簧。综合卡钳的驻车拉臂回位弹簧可以设计得足够大，该回位弹簧可以兼做拉索回位弹簧，所以和综合卡钳配合的拉索可以不带回位弹簧。
拉索回位弹簧的总体设计原则是：(1)初始力足够大。这样才能保证钢丝绳回位，松开手刹时，钢丝绳摩擦力阻力一般要求小于10 N，所以回位弹簧初始压力应大于10 N。(2)刚度小。拉动手刹，回位弹簧被进一步压缩，弹簧刚度小，其弹力才不会明显增加，不会过多消耗手刹操纵力。刚度一般不大于2 N/mm。(3)在“拉索工作行程”范围内操纵拉索，弹簧不得出现“并圈”现象。如果弹簧并圈，拉索力将全部消耗在拉索内部，无法传递给制动器。
七台河市高级中学拉索工作行程可以用手刹的满行程来定义，设计合理并且调整得当的驻车系统，在手刹操纵满行程的2/3以内即可使整车在20%的坡道上驻车，这种坡道已经非常陡峭，在日常生活中很少遇到。所以，手刹不会拉动到满行程，以手刹的满行程作为拉索的工作行程足够。手刹满行程一般不大于21 mm。
拉索总成的密封结构非常重要，其作用有3个：第一个作用是防进水结冰。如果拉索在使用过程中进水，气温0 ℃以下这些水会结冰，钢丝绳和护管被冻在一起，导致拉索无法拉动，完全失去功能。在寒带地区的一些驾驶员，到了冬天很少使用手刹驻车，其目的也是防止拉索进水结冰。设计良好的拉索，密封性良好，不必有此担心。第二个作用是防止润滑脂挥发。显然，润滑脂在裸露的环境中很容易挥发，拉索的密封性越好润滑脂的使用寿命周期越长。润滑脂挥发，拉索内部润滑不足，内部摩擦力将急剧上升，不但驻车费力，还会导致钢丝绳和内衬管磨损。第三个作用是保护润滑脂的品质。密封不良，会进水或粉尘，破坏润滑脂的润滑能力，造成钢丝绳和内衬管的早期磨损。密封结构设计主要集中在接头和钢丝绳配合处。
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