制動時方向盤抖動問題的研究

齊瑞環(huán)，方春苗，宋志林，謝奎

奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241006

0 引言

汽車已成為當前人類社會生活中不可缺少的交通和運輸工具，汽車業(yè)也是我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車被廣泛應用的同時，汽車行業(yè)也面臨了更多的問題和挑戰(zhàn)，車輛高速抖動是當前汽車開發(fā)過程中常見的問題。制動抖動不僅影響駕駛舒適性，同時也加速了其他部件的老化，從而減少汽車壽命，影響行車安全。

當前常用的制動系統(tǒng)分為盤式制動和鼓式制動，盤式制動是各大主機廠廣泛采用的制動系統(tǒng)，主要因為盤式制動盤能在頻繁制動時保持良好的制動效果，且其具有散熱冷卻快、安全、維修方便、徑向尺寸小等優(yōu)點。

本文研究的車型采用盤式制動盤，在其開發(fā)階段、整車路試驗證過程中，車輛行駛1×104km之后，其中一輛車在車速80 km/h以上，另一輛車在車速50 km/h以上時，輕踩制動減速，車身出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，方向盤抖動尤其明顯。當車速降至50 km/h以下時，抖動消失。

1 抖動產(chǎn)生原因分析

據(jù)研究表明[1]制動抖動是由制動引發(fā)的一種強迫振動，其根源在于制動力矩波動(brake torque variation，BTV)和制動壓力波動(brake pressure variation，BPV)[2]。

制動力矩產(chǎn)生于制動器，當制動力矩波動時，地面制動力隨制動力矩同規(guī)律波動，制動力引起前懸架前后振動，帶動轉(zhuǎn)向器振動，通過橫拉桿、轉(zhuǎn)向管柱傳遞至方向盤從而產(chǎn)生抖動。當力矩波動頻率與懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率重合時，會使振幅放大，頻率相差加大時，振動會被吸收或衰減。

根據(jù)車輛動力學計算模型，車輛制動時產(chǎn)生的制動力矩計算公式為：

T=Ff·r=2μ·FN·r=2μ·p·A·r=c·μ·p·r

(1)

式中：T為制動力矩，Nm；

Ff為制動器產(chǎn)生的制動力，N；

r為有效制動半徑，mm；

μ為摩擦因數(shù)；

FN為摩擦片所受正壓力，N；

p為管路壓力，MPa；

A為制動鉗活塞面積，mm2；

c為制動鉗總作用面積，c=2A，對于特定的制動器為定值。

對公式(1)微分得出制動力矩波動公式為：

dT=c·μ·p·dr+c·μ·r·dp+c·r·p·dμ

(2)

由公式(2)可以看出，有效制動半徑、管路壓力、摩擦因數(shù)的任一波動均會引起制動力矩的波動。在這3個影響因素中，影響最大的是管路壓力的波動，相關研究表明，管路壓力波動的主要因素是制動盤厚度差(disc thickness variation,DTV)[3-4]和端面跳動(side face run-out,SRO)[5]。

按照制動抖動表現(xiàn)劃分，制動抖動可分為冷抖動、熱(高速)抖動和抖動噪聲。冷抖動是由于制動盤因加工、安裝磨損、腐蝕等原因造成了制動盤幾何面不規(guī)則，從而影響制動壓力及制動力矩波動，引起制動抖動，冷抖動的車速范圍為45～160 km/h[6]。熱抖動是制動盤局部熱彈性不穩(wěn)定性，形成局部熱變形、膨脹以及金屬材料相變，從而影響制動壓力及制動力矩波動引起，一般發(fā)生在高速行駛160 km/h以上[7]。

2 抖動傳遞路徑

早在2006年高曉杰等[8]對制動時方向盤抖動的傳遞路徑進行過相關研究，研究表明振動信號傳遞的途徑為制動器→懸架→轉(zhuǎn)向橫拉桿→轉(zhuǎn)向盤，相關的道路試驗也驗證過此傳遞路徑[9]。

3 問題解決方案

基于以上制動時抖動機制的研究與抖動傳遞路徑的確定，本文所研究的制動時方向盤抖動問題明顯屬于制動冷抖動現(xiàn)象，與制動盤加工的幾何面形狀或安裝過程有關，制動盤厚度差、端面跳動、制動盤硬度是引起制動抖動的根本原因，以下將運用問題管理8D分析法對此3個方面進行分析驗證。

3.1 故障現(xiàn)狀調(diào)查

試制交檢確認：整車抖動的問題達到33%，其中制動時方向盤抖動占總問題的90%，意味著制動時方向盤抖動故障率約為30%。

3.2 制動盤安裝過程調(diào)查

經(jīng)調(diào)查，制動盤安裝工位是多車型共線生產(chǎn)，員工技能嫻熟，重點崗位員工無變動，員工技能鑒定滿足崗位要求，安裝因素影響的端面跳動量和安裝磨損被排除。

3.3 制動盤端面跳動分析

對故障車制動盤SRO進行測量，設計目標要求制動盤端面跳動最大值小于25 μm，檢測位置為制動盤外徑10 mm處。

制動盤上下制動面SRO測量結(jié)果見表1，測試結(jié)果符合正態(tài)分布，均值為22.8 μm，滿足目標要求。制動盤端面跳動數(shù)據(jù)分布直方圖如圖1所示。依據(jù)動盤SRO數(shù)據(jù)及擬合參數(shù)，可以判定制動盤端面跳動滿足設計要求，不是影響抖動的根本原因。

表1 制動盤上下制動面SRO測量結(jié)果 單位:μm

圖1 制動盤端面跳動數(shù)據(jù)分布直方圖

3.4 制動盤厚度差分析

DTV設計目標：周向厚度差不超過0.007 mm，徑向厚度差不超過0.05 mm。

利用千分表測量制動盤厚度差，結(jié)果見表2，制動盤厚度差數(shù)據(jù)分布直方圖如圖2所示。結(jié)果顯示，數(shù)據(jù)分布為偏向型，DTV均值為0.091 mm，大于目標值0.050 mm，樣件加工精度不足。

表2 制動盤厚度差測量結(jié)果 單位:mm

圖2 制動盤厚度差數(shù)據(jù)分布直方圖

為了進一步驗證DTV為本車型抖動的主要原因，通知廠家提升加工精度，將DTV控制在50 μm以內(nèi)，并裝車驗證30臺份，經(jīng)動態(tài)交檢多次制動檢驗后，制動時方向盤抖動車輛為4臺，故障率由30%降低至13%，證實DTV是影響方向盤抖動的重要因素。

3.5 制動盤硬度分析

鑒于在多次制動后，方向盤抖動的故障率仍有13%，對主機廠而言，仍是無法接受的狀態(tài)。考慮到制動盤硬度低也會在多次制動后導致DTV變大，需對樣件的制動盤硬度進行檢測。

制動盤硬度設計目標為布氏硬度220～230HB，利用硬度計對樣件的硬度進行測量，測量結(jié)果見表3。由表的測量數(shù)據(jù)可以看到，平均硬度僅為217HB，低于標準要求。對測量數(shù)據(jù)分布狀態(tài)做進一步分析，并繪制數(shù)據(jù)分布直方圖，如圖3所示。數(shù)據(jù)分布為偏向型，與目標值有偏移。

表3 制動盤硬度(HB)測量結(jié)果

圖3 制動盤硬度(HB)數(shù)據(jù)分布直方圖

為了進一步驗證硬度對本車型抖動影響的大小，需要提升制動盤硬度，使其滿足設計目標要求的硬度(225±5)HB，同步保持DTV小于50 μm，并對驗證DTV的30臺車輛進行返工，經(jīng)動態(tài)交檢多次制動檢驗后，未出現(xiàn)制動時方向盤抖動車輛。

短期驗證結(jié)果表現(xiàn)良好，為進一步驗證更改后制動盤的耐久可靠性，將原樣件路試車輛的制動盤更換新樣件，并搭載最后1×104km的試驗驗證，同時抽取新狀態(tài)制動盤搭載第二輪的可靠性耐久試驗，在車輛完成1×105km試驗驗證后未出現(xiàn)易感知的制動時方向盤抖動問題。

4 結(jié)束語

本文針對方向盤抖動問題進行了研究改進，將研究結(jié)果運用在公司車輛出現(xiàn)的實際問題中，使得公司質(zhì)量問題得到有效解決，從而提升了產(chǎn)品競爭力，同時進一步驗證了前人研究的制動時方向盤抖動的產(chǎn)生機制及傳遞路徑，為同行業(yè)規(guī)避抖動問題提出建設性參考方案。