制動(dòng)引起方向盤抖動(dòng)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(dòng)引起方向盤的抖動(dòng)，會(huì)直接降低客戶對(duì)車輛駕駛的體驗(yàn)感，甚至?xí)绊懙娇蛻魧?duì)整車制動(dòng)性能的信心度。當(dāng)車輛出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)，需要尋求一套系統(tǒng)的流程，找到問(wèn)題的根源，及時(shí)提升相關(guān)零件的參數(shù)設(shè)計(jì)及加強(qiáng)相關(guān)零件的參數(shù)過(guò)程控制，從而滿足客戶的體驗(yàn)感。

1 制動(dòng)抖動(dòng)的機(jī)制

一般情況下，制動(dòng)抖動(dòng)可分為冷態(tài)抖動(dòng)和熱態(tài)抖動(dòng)。冷態(tài)抖動(dòng)是由制動(dòng)盤表面不平所導(dǎo)致的，進(jìn)行制 動(dòng)摩擦片接觸制動(dòng)盤表面時(shí)，若制動(dòng)盤不平整，摩擦片會(huì)被凸出的制動(dòng)盤面往回推或者被凹進(jìn)去的制動(dòng)盤面進(jìn)一步前推。如圖1所示，摩擦片的不穩(wěn)定移動(dòng)引起制動(dòng)抖動(dòng)，隨著制動(dòng)初速度的提升，其制動(dòng)抖動(dòng)會(huì)隨之明顯。熱態(tài)抖動(dòng)是指制動(dòng)盤溫度達(dá)到300 ℃以上，制動(dòng)盤表面容易形成熱硬點(diǎn)，這些熱硬點(diǎn)的硬度高，從而使整個(gè)制動(dòng)盤的表面硬度不均形成制動(dòng)抖動(dòng)[1]，如圖2所示。

圖1 冷態(tài)抖動(dòng)

圖2 熱態(tài)抖動(dòng)原理

對(duì)于制動(dòng)引起的方向盤抖動(dòng)，都是由前軸的制動(dòng)所引起的，無(wú)論是冷態(tài)制動(dòng)抖動(dòng)還是熱態(tài)制動(dòng)抖動(dòng)，制動(dòng)抖動(dòng)均作為一個(gè)激勵(lì)源，其傳遞路徑[2]為:制動(dòng)盤→卡鉗→轉(zhuǎn)向節(jié)→轉(zhuǎn)向拉桿球頭→轉(zhuǎn)向管柱→方向盤，最終導(dǎo)致方向盤的抖動(dòng)。

2 某方向盤抖動(dòng)車輛的分析

2.1 故障描述

經(jīng)售后反饋，某車輛在新車狀態(tài)時(shí)狀況良好，在客戶行駛4 000 km左右，初速度在80 km/h以上時(shí)，制動(dòng)強(qiáng)度由大變小的過(guò)程中，方向盤產(chǎn)生明顯的切向抖動(dòng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，制動(dòng)引起的方向盤抖動(dòng)是在常溫的工況下產(chǎn)生的，而不是在制動(dòng)盤產(chǎn)生高溫的工況下產(chǎn)生的。顯而易見(jiàn)，此車輛的制動(dòng)抖動(dòng)屬于冷態(tài)抖動(dòng)。

2.2 冷態(tài)制動(dòng)抖動(dòng)魚(yú)骨圖

對(duì)于冷態(tài)制動(dòng)抖動(dòng)，其主要是由制動(dòng)盤的DTV增長(zhǎng)過(guò)大所導(dǎo)致的[3]。而對(duì)于制動(dòng)盤的DTV增長(zhǎng)的影響因素主要有幾個(gè)方面：制動(dòng)拖滯力、制動(dòng)盤自身的設(shè)計(jì)特性、與制動(dòng)盤相接觸的周邊零件的LRO和環(huán)境影響因素。制動(dòng)盤DTV增長(zhǎng)魚(yú)骨圖如圖3所示。

圖3 制動(dòng)盤DTV增長(zhǎng)魚(yú)骨圖

2.3 故障車分析

基于該車的故障表現(xiàn)為制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)，重點(diǎn)測(cè)量輪邊系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)向節(jié)處和方向盤處分別布置3個(gè)方向的加速度傳感器[4]，整車進(jìn)行制動(dòng)，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)和方向盤兩處的振動(dòng)，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)前轉(zhuǎn)向節(jié)處X方向與方向盤處Y方向均出現(xiàn)了相同頻率的二階振動(dòng)。由此得出方向盤抖動(dòng)是由前制動(dòng)系統(tǒng)引起。

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)與方向盤的頻譜圖

首先，測(cè)量整車狀態(tài)下前軸左右制動(dòng)盤的LRO和DTV,將車輛舉升，車輪處于懸空狀態(tài)，在制動(dòng)盤的制動(dòng)面內(nèi)外側(cè)都安裝上位移傳感器，用Link的設(shè)備驅(qū)動(dòng)輪子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，記錄制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)一圈的LRO和DTV數(shù)據(jù)值。整車狀態(tài)下，左制動(dòng)盤和右制動(dòng)盤的LRO值和DTV值見(jiàn)表1。

表1 左制動(dòng)盤和右制動(dòng)盤的LRO值和DTV值 單位:μm

由表1可知，左右制動(dòng)盤的LRO值與DTV值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了參考值，直接導(dǎo)致了制動(dòng)抖動(dòng)，從而引起方向盤的抖動(dòng)。同時(shí)觀察所測(cè)制動(dòng)盤的LRO曲線，如圖5所示，呈現(xiàn)明顯的正弦周期曲線,即相隔180°的兩個(gè)點(diǎn)分別為最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，可以看出制動(dòng)盤安裝狀態(tài)與旋轉(zhuǎn)軸是有一定角度的傾斜。

圖5 制動(dòng)盤LRO曲線

制動(dòng)盤傾斜安裝的原因需要根據(jù)輪端裝配關(guān)系(圖6)來(lái)分析，制動(dòng)盤盤帽的內(nèi)側(cè)與輪轂軸承外端面相接觸，盤帽的外側(cè)與輪輞的內(nèi)側(cè)相接觸，整個(gè)連接通過(guò)5個(gè)輪子螺母相固定。因此，整車裝配的LRO與5個(gè)輪子螺母擰緊力矩，輪轂軸承的外緣的端面跳動(dòng)，輪子與制動(dòng)盤相接觸的內(nèi)側(cè)的平面度息息相關(guān)。

復(fù)測(cè)該故障車5個(gè)輪子螺母的殘余力矩，其值均在(200±20)Nm的公差范圍內(nèi),且5個(gè)螺母的殘余力力矩值較均勻，差值在20 Nm以內(nèi)，因此可以排除輪子的螺母擰緊力矩不均導(dǎo)致的LRO增加。擰下5個(gè)輪子螺母，卸下輪子，此時(shí)制動(dòng)盤處于浮動(dòng)狀態(tài)，無(wú)法測(cè)量制動(dòng)盤的LRO與DTV,只能直接拆下制動(dòng)盤，測(cè)量輪轂軸承與制動(dòng)盤接觸表面的端面跳動(dòng)，左、右測(cè)量值分別為15 μm和13.5 μm，根據(jù)輪轂的半徑與制動(dòng)盤的半徑比例(172/65=2.65),換算到制動(dòng)盤的LRO值分別為39.75 μm和35.78 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于制動(dòng)盤在整車上所測(cè)量的LRO值138.8 μm和112.5 μm,現(xiàn)在唯一需要驗(yàn)證的就是輪子與制動(dòng)盤的貼合面的平面度。安裝一個(gè)全新的合格的制動(dòng)盤(制動(dòng)盤本身的LRO<25 μm)，用統(tǒng)一的200 Nm的擰緊力矩將原有的輪子安裝上，測(cè)量此時(shí)的制動(dòng)盤的LRO，其值仍然大于100 μm，存在制動(dòng)抖動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。隨之更換全新的平面度檢測(cè)合格(平面度小于0.025 mm) 的輪子，此時(shí)制動(dòng)盤的LRO也隨之變?yōu)?0 μm。

檢測(cè)前制動(dòng)卡鉗盤和制動(dòng)片的間隙，將該套制動(dòng)卡鉗、制動(dòng)摩擦片和制動(dòng)盤安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上，檢測(cè)卡鉗在0.4 MPa壓力下的回位值，即制動(dòng)盤的盤片間隙。基于該卡鉗是固定卡鉗，有4個(gè)活塞，制動(dòng)卡鉗的回位值見(jiàn)表2，由表可知其回位值均比較小，尤其是外側(cè)活塞的回位值均小于0.1 mm,如此小的回位值狀態(tài)下，當(dāng)制動(dòng)盤裝配后的LRO值略微過(guò)大，在車輛正常行駛狀態(tài)下，制動(dòng)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(huì)轉(zhuǎn)變成制動(dòng)盤的DTV值，導(dǎo)致DTV的增加，最終引起整個(gè)制動(dòng)抖動(dòng)。

表2 制動(dòng)卡鉗的回位值 單位:mm

基于故障車的制動(dòng)卡鉗回位值，對(duì)比該卡鉗開(kāi)發(fā)過(guò)程中的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)驗(yàn)證(DV&PV)件的回位測(cè)量值，可以發(fā)現(xiàn)故障件無(wú)論是卡鉗的內(nèi)側(cè)活塞還是外側(cè)活塞回位值，均低于DV&PV件的回位測(cè)量值，內(nèi)側(cè)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(cè)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(shí)可以看出制動(dòng)卡鉗內(nèi)側(cè)的回位值總體大于外側(cè)的回位值，如圖7和圖8所示。

圖7 制動(dòng)卡鉗內(nèi)側(cè)的回位值

圖8 制動(dòng)卡鉗外側(cè)的回位值

根據(jù)故障車制動(dòng)抖動(dòng)的分析結(jié)果可知，此制動(dòng)抖動(dòng)是因?yàn)橹苿?dòng)卡鉗的回位值小，即制動(dòng)盤片間隙過(guò)小，當(dāng)輪輞壓緊制動(dòng)盤面不平整時(shí)，裝配后制動(dòng)盤LRO超差，直接與摩擦片拖磨，累積一定里程后，制動(dòng)盤的DTV增加，從而引起制動(dòng)抖動(dòng)。故障車的制動(dòng)盤DTV的增長(zhǎng)值，可以對(duì)比制動(dòng)盤出廠時(shí)的DTV具體見(jiàn)表3。綜上，制動(dòng)卡鉗的盤片間隙小及輪輞壓緊制動(dòng)盤面不平整為制動(dòng)抖動(dòng)的根本原因。

表3 故障車左右制動(dòng)盤的DTV 單位:mm

2.4 制動(dòng)抖動(dòng)的優(yōu)化方案

針對(duì)輪輞壓緊制動(dòng)盤面的平面度進(jìn)行100%檢測(cè)，控制其PPK值大于1.33，確保裝車的合格率。

提升制動(dòng)卡鉗的回位值，可以通過(guò)優(yōu)化制動(dòng)卡鉗活塞缸體內(nèi)回位密封圈安裝面的角度和寬度尺寸，來(lái)增加回位密封圈的力值。

對(duì)于本故障車，更換了合格的輪輞總成和制動(dòng)卡鉗回位值較大的值。更換后的制動(dòng)卡鉗回位值見(jiàn)表4。由表可知，制動(dòng)引起方向盤抖動(dòng)的現(xiàn)象消失，又經(jīng)過(guò)4 000 km的行駛驗(yàn)證，此故障也沒(méi)有復(fù)現(xiàn)，該方案得到了驗(yàn)證。

表4 更換后的制動(dòng)卡鉗回位值 單位:mm

3 結(jié)論

(1)制動(dòng)引起方向盤的抖動(dòng)可以通過(guò)在轉(zhuǎn)向節(jié)和方向盤上布置加速度傳感器，監(jiān)測(cè)兩處傳感器的振動(dòng)頻率和振動(dòng)加速度是否一致。若一致可以判斷方向盤的抖動(dòng)是由制動(dòng)引起的。

(2)通過(guò)監(jiān)測(cè)整車狀態(tài)下，制動(dòng)盤的LRO值和DTV值，若LRO>50 μm,DTV>9 μm,則可以判斷該抖動(dòng)與制動(dòng)盤摩擦面不平整所導(dǎo)致。同時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤的LRO曲線，若該曲線呈正弦周期曲線且最高點(diǎn)與最低點(diǎn)相差180°，則可以判斷制動(dòng)盤與輪轂軸承的安裝角度是傾斜的。

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

(4)進(jìn)一步地分析導(dǎo)致整車對(duì)裝配后制動(dòng)盤的LRO值如何敏感的原因，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)卡鉗的盤片間隙過(guò)小，其值明顯低于DV階段與PV階段的測(cè)量值。

(5)通過(guò)控制輪輞壓緊制動(dòng)盤的平面度及制動(dòng)卡鉗的盤片間隙，并通過(guò)整車驗(yàn)證，制動(dòng)引起的方向盤抖動(dòng)現(xiàn)象消失。