制動時方向盤抖動問題的研究

齊瑞環，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，汽車業也是我國經濟發展的支柱產業。汽車被廣泛應用的同時，汽車行業也面臨了更多的問題和挑戰，車輛高速抖動是當前汽車開發過程中常見的問題。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，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、徑向尺寸小等優點。

本文研究的車型采用盤式制動盤，在其開發階段、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，車身出現抖動現象，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 抖動產生原因分析

據研究表明[1]制動抖動是由制動引發的一種強迫振動，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律波動，制動力引起前懸架前后振動，帶動轉向器振動，通過橫拉桿、轉向管柱傳遞至方向盤從而產生抖動。當力矩波動頻率與懸架系統和轉向系統固有頻率重合時，會使振幅放大，頻率相差加大時，振動會被吸收或衰減。

根據車輛動力學計算模型，車輛制動時產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為制動器產生的制動力，N；

r為有效制動半徑，mm；

μ為摩擦因數；

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→轉向橫拉桿→轉向盤，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 故障現狀調查

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 制動盤安裝過程調查

經調查，制動盤安裝工位是多車型共線生產，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測量結果見表1，測試結果符合正態分布，均值為22.8 μm，滿足目標要求。制動盤端面跳動數據分布直方圖如圖1所示。依據動盤SRO數據及擬合參數，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測量結果 單位:μm

圖1 制動盤端面跳動數據分布直方圖

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，結果見表2，制動盤厚度差數據分布直方圖如圖2所示。結果顯示，數據分布為偏向型，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果 單位:mm

圖2 制動盤厚度差數據分布直方圖

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，并裝車驗證30臺份，經動態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。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，測量結果見表3。由表的測量數據可以看到，平均硬度僅為217HB，低于標準要求。對測量數據分布狀態做進一步分析，并繪制數據分布直方圖，如圖3所示。數據分布為偏向型，與目標值有偏移。

表3 制動盤硬度(HB)測量結果

圖3 制動盤硬度(HB)數據分布直方圖

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，經動態交檢多次制動檢驗后，未出現制動時方向盤抖動車輛。

短期驗證結果表現良好，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試驗驗證后未出現易感知的制動時方向盤抖動問題。

4 結束語

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