制動引起方向盤抖動的分析

謝桃新

福特汽車工程研究(南京)有限公司，江蘇南京 211100

0 引言

車輛制動引起方向盤的抖動，會直接降低客戶對車輛駕駛的體驗感，甚至會影響到客戶對整車制動性能的信心度。當車輛出現制動時方向盤抖動，需要尋求一套系統的流程，找到問題的根源，及時提升相關零件的參數設計及加強相關零件的參數過程控制，從而滿足客戶的體驗感。

1 制動抖動的機制

一般情況下，制動抖動可分為冷態抖動和熱態抖動。冷態抖動是由制動盤表面不平所導致的，進行制 動摩擦片接觸制動盤表面時，若制動盤不平整，摩擦片會被凸出的制動盤面往回推或者被凹進去的制動盤面進一步前推。如圖1所示，摩擦片的不穩定移動引起制動抖動，隨著制動初速度的提升，其制動抖動會隨之明顯。熱態抖動是指制動盤溫度達到300 ℃以上，制動盤表面容易形成熱硬點，這些熱硬點的硬度高，從而使整個制動盤的表面硬度不均形成制動抖動[1]，如圖2所示。

圖1 冷態抖動

圖2 熱態抖動原理

對于制動引起的方向盤抖動，都是由前軸的制動所引起的，無論是冷態制動抖動還是熱態制動抖動，制動抖動均作為一個激勵源，其傳遞路徑[2]為:制動盤→卡鉗→轉向節→轉向拉桿球頭→轉向管柱→方向盤，最終導致方向盤的抖動。

2 某方向盤抖動車輛的分析

2.1 故障描述

經售后反饋，某車輛在新車狀態時狀況良好，在客戶行駛4 000 km左右，初速度在80 km/h以上時，制動強度由大變小的過程中，方向盤產生明顯的切向抖動。經現場確認，制動引起的方向盤抖動是在常溫的工況下產生的，而不是在制動盤產生高溫的工況下產生的。顯而易見，此車輛的制動抖動屬于冷態抖動。

2.2 冷態制動抖動魚骨圖

對于冷態制動抖動，其主要是由制動盤的DTV增長過大所導致的[3]。而對于制動盤的DTV增長的影響因素主要有幾個方面：制動拖滯力、制動盤自身的設計特性、與制動盤相接觸的周邊零件的LRO和環境影響因素。制動盤DTV增長魚骨圖如圖3所示。

圖3 制動盤DTV增長魚骨圖

2.3 故障車分析

基于該車的故障表現為制動時方向盤抖動，重點測量輪邊系統。在轉向節處和方向盤處分別布置3個方向的加速度傳感器[4]，整車進行制動，監測轉向節和方向盤兩處的振動，如圖4所示，發現前轉向節處X方向與方向盤處Y方向均出現了相同頻率的二階振動。由此得出方向盤抖動是由前制動系統引起。

圖4 轉向節與方向盤的頻譜圖

首先，測量整車狀態下前軸左右制動盤的LRO和DTV,將車輛舉升，車輪處于懸空狀態，在制動盤的制動面內外側都安裝上位移傳感器，用Link的設備驅動輪子進行旋轉，記錄制動盤旋轉一圈的LRO和DTV數據值。整車狀態下，左制動盤和右制動盤的LRO值和DTV值見表1。

表1 左制動盤和右制動盤的LRO值和DTV值 單位:μm

由表1可知，左右制動盤的LRO值與DTV值都遠遠超過了參考值，直接導致了制動抖動，從而引起方向盤的抖動。同時觀察所測制動盤的LRO曲線，如圖5所示，呈現明顯的正弦周期曲線,即相隔180°的兩個點分別為最高點和最低點，可以看出制動盤安裝狀態與旋轉軸是有一定角度的傾斜。

圖5 制動盤LRO曲線

制動盤傾斜安裝的原因需要根據輪端裝配關系(圖6)來分析，制動盤盤帽的內側與輪轂軸承外端面相接觸，盤帽的外側與輪輞的內側相接觸，整個連接通過5個輪子螺母相固定。因此，整車裝配的LRO與5個輪子螺母擰緊力矩，輪轂軸承的外緣的端面跳動，輪子與制動盤相接觸的內側的平面度息息相關。

復測該故障車5個輪子螺母的殘余力矩，其值均在(200±20)Nm的公差范圍內,且5個螺母的殘余力力矩值較均勻，差值在20 Nm以內，因此可以排除輪子的螺母擰緊力矩不均導致的LRO增加。擰下5個輪子螺母，卸下輪子，此時制動盤處于浮動狀態，無法測量制動盤的LRO與DTV,只能直接拆下制動盤，測量輪轂軸承與制動盤接觸表面的端面跳動，左、右測量值分別為15 μm和13.5 μm，根據輪轂的半徑與制動盤的半徑比例(172/65=2.65),換算到制動盤的LRO值分別為39.75 μm和35.78 μm，遠遠低于制動盤在整車上所測量的LRO值138.8 μm和112.5 μm,現在唯一需要驗證的就是輪子與制動盤的貼合面的平面度。安裝一個全新的合格的制動盤(制動盤本身的LRO<25 μm)，用統一的200 Nm的擰緊力矩將原有的輪子安裝上，測量此時的制動盤的LRO，其值仍然大于100 μm，存在制動抖動的風險。隨之更換全新的平面度檢測合格(平面度小于0.025 mm) 的輪子，此時制動盤的LRO也隨之變為40 μm。

檢測前制動卡鉗盤和制動片的間隙，將該套制動卡鉗、制動摩擦片和制動盤安裝到試驗臺架上，檢測卡鉗在0.4 MPa壓力下的回位值，即制動盤的盤片間隙。基于該卡鉗是固定卡鉗，有4個活塞，制動卡鉗的回位值見表2，由表可知其回位值均比較小，尤其是外側活塞的回位值均小于0.1 mm,如此小的回位值狀態下，當制動盤裝配后的LRO值略微過大，在車輛正常行駛狀態下，制動盤將直接與摩擦片接觸，形成拖滯，從而在車輛行駛一段里程后，LRO值會轉變成制動盤的DTV值，導致DTV的增加，最終引起整個制動抖動。

表2 制動卡鉗的回位值 單位:mm

基于故障車的制動卡鉗回位值，對比該卡鉗開發過程中的產品和設計驗證(DV&PV)件的回位測量值，可以發現故障件無論是卡鉗的內側活塞還是外側活塞回位值，均低于DV&PV件的回位測量值，內側活塞DV&PV件回位最小值與故障卡鉗的最大值相差0.021 5 mm,外側活塞DV&PV件回位最小值與故障卡鉗的最大值相差0.015 mm，同時可以看出制動卡鉗內側的回位值總體大于外側的回位值，如圖7和圖8所示。

圖7 制動卡鉗內側的回位值

圖8 制動卡鉗外側的回位值

根據故障車制動抖動的分析結果可知，此制動抖動是因為制動卡鉗的回位值小，即制動盤片間隙過小，當輪輞壓緊制動盤面不平整時，裝配后制動盤LRO超差，直接與摩擦片拖磨，累積一定里程后，制動盤的DTV增加，從而引起制動抖動。故障車的制動盤DTV的增長值，可以對比制動盤出廠時的DTV具體見表3。綜上，制動卡鉗的盤片間隙小及輪輞壓緊制動盤面不平整為制動抖動的根本原因。

表3 故障車左右制動盤的DTV 單位:mm

2.4 制動抖動的優化方案

針對輪輞壓緊制動盤面的平面度進行100%檢測，控制其PPK值大于1.33，確保裝車的合格率。

提升制動卡鉗的回位值，可以通過優化制動卡鉗活塞缸體內回位密封圈安裝面的角度和寬度尺寸，來增加回位密封圈的力值。

對于本故障車，更換了合格的輪輞總成和制動卡鉗回位值較大的值。更換后的制動卡鉗回位值見表4。由表可知，制動引起方向盤抖動的現象消失，又經過4 000 km的行駛驗證，此故障也沒有復現，該方案得到了驗證。

表4 更換后的制動卡鉗回位值 單位:mm

3 結論

(1)制動引起方向盤的抖動可以通過在轉向節和方向盤上布置加速度傳感器，監測兩處傳感器的振動頻率和振動加速度是否一致。若一致可以判斷方向盤的抖動是由制動引起的。

(2)通過監測整車狀態下，制動盤的LRO值和DTV值，若LRO>50 μm,DTV>9 μm,則可以判斷該抖動與制動盤摩擦面不平整所導致。同時監測制動盤的LRO曲線，若該曲線呈正弦周期曲線且最高點與最低點相差180°，則可以判斷制動盤與輪轂軸承的安裝角度是傾斜的。

(3)通過分析輪端裝配關系，可以得出制動盤傾斜安裝與軸承外端面LRO、輪子壓緊制動盤的接觸面平面度及輪子的擰緊螺栓力矩相關，逐一排查。最后集中在輪子壓緊制動盤的接觸面平面度上。

(4)進一步地分析導致整車對裝配后制動盤的LRO值如何敏感的原因，發現制動卡鉗的盤片間隙過小，其值明顯低于DV階段與PV階段的測量值。

(5)通過控制輪輞壓緊制動盤的平面度及制動卡鉗的盤片間隙，并通過整車驗證，制動引起的方向盤抖動現象消失。