張　鑫，李　鵬，秦　宬，郭建發(fā)，周　銳（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 汽車工程研究院客車開(kāi)發(fā)中心，廣東 深圳　518118）

某電動(dòng)中型客車制動(dòng)抖動(dòng)原因分析

張?chǎng)危铢i，秦宬，郭建發(fā)，周銳
（比亞迪汽車工業(yè)有限公司 汽車工程研究院客車開(kāi)發(fā)中心，廣東 深圳518118）

為解決某電動(dòng)中型客車中高速制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題，分析可能造成制動(dòng)抖動(dòng)的制動(dòng)系統(tǒng)原因和懸架系統(tǒng)原因。通過(guò)分析試驗(yàn)后得出；懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧剛度過(guò)大和減振器布置設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)的主要原因。

制動(dòng)抖動(dòng)；鋼板彈簧；CAE分析；減振器

1　制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象描述

制動(dòng)抖動(dòng)是指當(dāng)車輛在一定車速實(shí)施制動(dòng)時(shí)發(fā)生的制動(dòng)力矩波動(dòng)，并由此引起的轉(zhuǎn)向盤(pán)、制動(dòng)踏板、車身內(nèi)飾、地板、座椅，甚至后橋等的劇烈振動(dòng)現(xiàn)象。制動(dòng)抖動(dòng)是制動(dòng)系統(tǒng)常見(jiàn)故障之一，嚴(yán)重影響車輛的安全性和舒適性。制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象由于其影響因素多、機(jī)理復(fù)雜、牽涉范圍廣和干擾因素交織，至今業(yè)內(nèi)仍然沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生原因形成統(tǒng)一解釋［1］。本文通過(guò)介紹某電動(dòng)中型客車在中高速行駛中采取緊急制動(dòng)，輪胎、后橋及車身劇烈抖動(dòng)問(wèn)題得以查明的案例，為今后類似的故障模式分析提供一種解決思路。

某電動(dòng)中型客車在60 km/h車速下緊急制動(dòng)時(shí)，輪胎和后橋劇烈抖動(dòng)，從而引起整車劇烈搖晃。空載工況比滿載工況抖動(dòng)程度更為劇烈，車速在30 km/h緊急制動(dòng)時(shí)，抖動(dòng)情況有所改善，呈偶發(fā)趨勢(shì)。因此，該車型在空載60 km/h及以上車速的緊急制動(dòng)抖動(dòng)是亟待解決的問(wèn)題。在車外觀察抖動(dòng)時(shí)，后輪出現(xiàn)間歇抱死、不規(guī)則上下跳動(dòng)且輪胎離地的現(xiàn)象。制動(dòng)抖動(dòng)時(shí)后輪胎痕如圖1所示。

圖1　制動(dòng)抖動(dòng)時(shí)后輪胎痕

2　制動(dòng)系統(tǒng)原因分析及驗(yàn)證

首先從制動(dòng)系統(tǒng)自身內(nèi)部逐一排查原因，繪制魚(yú)骨圖如圖2所示。

圖2　制動(dòng)系統(tǒng)原因分析魚(yú)骨圖

2.1制動(dòng)器故障

制動(dòng)器常見(jiàn)的故障模式是制動(dòng)卡鉗導(dǎo)向銷回位卡滯，導(dǎo)向銷回位不良會(huì)引起拖剎。在高速時(shí)采取緊急制動(dòng)，制動(dòng)盤(pán)和摩擦片磨屑所組成的摩擦膜不斷轉(zhuǎn)移，受各種因素影響造成轉(zhuǎn)移膜在圓周上分布不均，從而產(chǎn)生厚度差別，引起車輛抖動(dòng)現(xiàn)象。

為此，徹底檢查四輪摩擦片與制動(dòng)盤(pán)磨損情況，均未發(fā)現(xiàn)燒蝕及異常磨損，前后四輪摩擦片磨損量基本一致。為徹底排除制動(dòng)器因素，更換全新前、后制動(dòng)器后，制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象依然存在，說(shuō)明并非是制動(dòng)器故障導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)。

2.2制動(dòng)盤(pán)故障

制動(dòng)力矩波動(dòng)通過(guò)不同的傳遞路徑引發(fā)不同的振動(dòng)表象。依據(jù)公式T=Ff×rr，忽略滾動(dòng)半徑rr的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)制動(dòng)器力矩T波動(dòng)時(shí)，地面制動(dòng)力Ff隨之以同樣的規(guī)律波動(dòng)。波動(dòng)的地面制動(dòng)力通過(guò)輪輞、轉(zhuǎn)向節(jié)和輪轂軸承等零件傳遞到輪胎、后橋、車架，甚至車身［2］，制動(dòng)力矩波動(dòng)的傳遞機(jī)理如圖3所示。除制動(dòng)器自身故障因素之外，引起制動(dòng)器力矩波動(dòng)的最主要因素是制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)。檢查該車前后四個(gè)制動(dòng)盤(pán)的端面跳動(dòng)情況，測(cè)量結(jié)果并未超差，說(shuō)明并非是制動(dòng)盤(pán)跳動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)。

圖3　制動(dòng)力矩波動(dòng)傳遞機(jī)理

2.3ABS故障

緊急制動(dòng)過(guò)程中，ABS防抱死系統(tǒng)是通過(guò)輪速傳感器監(jiān)測(cè)滑移率，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，防止車輪完全抱死，提高車輛在制動(dòng)過(guò)程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱性，并縮短制動(dòng)距離的一種安全裝置。ABS未正常開(kāi)啟，輪胎極易發(fā)生抱死，伴有輪胎與地面拖滑甚至后輪甩尾現(xiàn)象，此時(shí)車輛也會(huì)發(fā)生一定程度的抖動(dòng)。但輪胎抱死時(shí)的胎痕與圖1并不相符，考慮到制動(dòng)抖動(dòng)原因可能并不單一，慎重起見(jiàn)，還需通過(guò)ABS功能檢查來(lái)逐一判定ABS是否是抖動(dòng)原因之一，ABS功能檢查見(jiàn)表1。

表1　ABS功能檢查情況

經(jīng)排查，ABS電磁閥及輪速傳感器整套系統(tǒng)工作正常，通過(guò)診斷儀讀取ABS在緊急制動(dòng)過(guò)程中正常介入工作，并未存在故障現(xiàn)象。且將ABS功能徹底失效后再做緊急制動(dòng)，車輪出現(xiàn)抱死，且后橋抖動(dòng)現(xiàn)象更為劇烈，說(shuō)明并非是ABS故障導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)。

2.4響應(yīng)時(shí)間問(wèn)題

在駕駛員觸發(fā)制動(dòng)踏板開(kāi)始，若前后軸制動(dòng)執(zhí)行的響應(yīng)時(shí)間不同步、或者前后軸輪胎達(dá)到抱死瞬間的時(shí)間差異過(guò)大，尤其當(dāng)后軸優(yōu)先于前軸制動(dòng)或抱死時(shí)，后軸會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。但通過(guò)Vbox和數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測(cè)前后軸制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，測(cè)試數(shù)據(jù)均符合要求。因此，并非是響應(yīng)時(shí)間差異導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)［3］。

2.5制動(dòng)匹配問(wèn)題

在制動(dòng)過(guò)程中，前后輪同時(shí)抱死時(shí)，整車的制動(dòng)減速度最大。由于許多因素影響，如前后軸載荷的變化、路面狀況的變化等因素影響，整車制動(dòng)不可能達(dá)到理想狀態(tài)。該車在空載狀態(tài)下緊急制動(dòng)時(shí)，后輪有連續(xù)跳動(dòng)現(xiàn)象。

在空載狀態(tài)下，整車的同步附著系數(shù)太小幾乎接近于0，前輪抱死的滯后時(shí)間較長(zhǎng)。滿載狀態(tài)整車的同步附著系數(shù)增加，前輪制動(dòng)的滯后時(shí)間縮短，現(xiàn)象有可能會(huì)解除或減弱［4-5］。

為此，通過(guò)更換后橋制動(dòng)卡鉗規(guī)格來(lái)改變同步附著系數(shù)，從而對(duì)比驗(yàn)證抖動(dòng)是否有所改善。圖4為該車型原始同步附著系數(shù)曲線，同步附著系數(shù)空載為0.43，滿載為0.64；圖5為更換小規(guī)格后橋卡鉗后的同步附著系數(shù)曲線，同步附著系數(shù)空載為0.66，滿載為0.87。

圖4　同步附著系數(shù)-原始方案

圖5　同步附著系數(shù)-試驗(yàn)方案

驗(yàn)證結(jié)果顯示，即使通過(guò)調(diào)整同步附著系數(shù)更改制動(dòng)匹配效果，后橋抖動(dòng)依然存在，并未有消除趨勢(shì)，說(shuō)明并非是制動(dòng)匹配不合理導(dǎo)致制動(dòng)抖動(dòng)。

3　懸架系統(tǒng)原因分析及驗(yàn)證

排除制動(dòng)系統(tǒng)因素后，重點(diǎn)鎖定目標(biāo)是懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧和減振器。

3.1鋼板彈簧分析驗(yàn)證

在緊急制動(dòng)時(shí)，前后輪均出現(xiàn)抱死，并且也都受到來(lái)自地面的制動(dòng)力。同時(shí)，車輛產(chǎn)生較大的慣性力，在慣性力矩、制動(dòng)力矩的綜合作用下，后輪抬起，達(dá)到最高狀態(tài)時(shí)，在重力的作用下車輛后端及后橋又重新回落到地面。在沖擊地面時(shí)，板簧受到壓縮，不斷儲(chǔ)藏能量，當(dāng)板簧吸收車輛下落后的能量達(dá)到最大時(shí)，板簧變形量最大。之后板簧開(kāi)始釋放能量，推動(dòng)車輛后端上抬，導(dǎo)致輪胎離開(kāi)地面。如此反復(fù)，地面不斷吸收車輛的能量，后輪抬起的高度不斷縮小，最后輪胎無(wú)法離開(kāi)地面而使車輛逐漸制動(dòng)［6］。

制動(dòng)過(guò)程中，車輛在垂直方向的位移呈正弦函數(shù)波動(dòng)，其振動(dòng)頻率與車輛總質(zhì)量及前后懸架的剛度有關(guān)。緊急制動(dòng)時(shí)，車輛縱向擺動(dòng)的頻率與車輛懸架系統(tǒng)的固有頻率相同或接近時(shí)，車輛將發(fā)生共振，而使抖動(dòng)現(xiàn)象加?。?-8］。因此，可以通過(guò)調(diào)整懸架偏頻或制動(dòng)振動(dòng)偏頻來(lái)改進(jìn)。

因?yàn)槎秳?dòng)出現(xiàn)在后橋，所以主要從后橋板簧進(jìn)行分析。采用ADMASCar仿真分析軟件，對(duì)后橋板簧偏頻進(jìn)行多種方案組合模擬［9］，振動(dòng)曲線如圖6所示，曲線說(shuō)明見(jiàn)表2。

圖6　CAE模擬不同后橋板簧方案組合振動(dòng)曲線

表2　不同后鋼板彈簧方案曲線說(shuō)明

通過(guò)CAE模擬可知，方案5最大程度減弱了車輛在10 Hz左右（圖6框選區(qū)域）的振幅。對(duì)車輛后板簧剛度從289 N/mm降低到223 N/mm，并分別下降后板簧前后安裝點(diǎn)100 mm和60 mm后進(jìn)行緊急制動(dòng)實(shí)車試驗(yàn)，制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象有輕微改善，但并未徹底消除。

3.2減振器分析驗(yàn)證

從總布置角度對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行系統(tǒng)性原因分析，發(fā)現(xiàn)該款電動(dòng)客車首次采用集成驅(qū)動(dòng)后橋，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器均集成布置于后橋，后橋結(jié)構(gòu)與以往車型差異較大。集成后橋質(zhì)心在x方向與后橋軸心偏距向后約140 mm，常規(guī)的減振器布置形式（后橋左右制動(dòng)器附近各一個(gè)減振器連接后橋和車身）已經(jīng)無(wú)法滿足這種特殊結(jié)構(gòu)。緊急制動(dòng)時(shí)后橋扭轉(zhuǎn)慣性力矩非常大，板簧和減振器不能及時(shí)有效平衡后橋扭轉(zhuǎn)慣性力矩，致使振動(dòng)加劇引起后橋跳動(dòng)［10］。

通過(guò)以下方面對(duì)減振器進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證：

1）重新匹配減振器阻尼力。供應(yīng)商SACHS制作阻尼力加大的樣件調(diào)試驗(yàn)證。緊急制動(dòng)時(shí)，后橋依然抖動(dòng)。改進(jìn)前減振器最大阻尼力為3 210 N，改進(jìn)后阻尼力增加到最大10 000 N，實(shí)車驗(yàn)證后橋振動(dòng)幅度減小，但舒適性非常差。因此不能通過(guò)犧牲舒適性而解決抖動(dòng)問(wèn)題［11］。

2）集成驅(qū)動(dòng)后橋增加輔助減振器，如圖7所示。增加輔助減振器后，空載狀態(tài)車速在60 km/h時(shí)緊急制動(dòng)，后橋未感覺(jué)有跳動(dòng)，70 km/h緊急制動(dòng)時(shí)，后橋感覺(jué)有輕微跳動(dòng)，但車外觀察不明顯。在ABS失效工況下做60 km/h緊急制動(dòng)，后橋依然有明顯跳動(dòng)。在此基礎(chǔ)上加大輔助減振器阻尼力，車速在70 km/h時(shí)緊急制動(dòng)，后橋跳動(dòng)不明顯。在ABS失效工況下做60 km/h緊急制動(dòng)，后橋跳動(dòng)相比前者改善明顯，且舒適性未察覺(jué)有顯著差異。

圖7　增加輔助減振器的集成驅(qū)動(dòng)后橋結(jié)構(gòu)

4　結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題原因復(fù)雜多樣，本文通過(guò)理論分析并結(jié)合ADMAS Car仿真分析，得出后橋劇烈抖動(dòng)的原因是板簧剛度過(guò)大和減振器布置的設(shè)計(jì)不合理。經(jīng)過(guò)多組對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)增加后橋輔助減振器，可有效解決該款客車緊急制動(dòng)抖動(dòng)問(wèn)題。

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修改稿日期：2016-05-20

Analysis on Brake Judder Problem About an Electric Middle Bus

ZhangXin，Li Peng，Qin Cheng，GuoJianfa，Zhou Rui
（Bus Development Center ofAutomotive EngineeringResearch Institute，BYDAutomotive IndustryCo.，Ltd，Shenzhen 518118，China）

In order to solve the brake judder problem about a electric middle bus，the authors analyze the reasons which may cause the brake judder，including brake system reason and suspension system reason.After experiment and analysis，theyindicate that the excessive stiffness ofleafspring，and the unreasonable arrangement and design of shock absorber for the suspension systemare the main reasons ofcausingthe middle bus brake judder.

brake judder；leafspring；CAE analysis；shock absorber

U461.3；U463.33+5.1

A

1006-3331（2016）04-0013-03

張?chǎng)危?987-），男，底盤(pán)工程師；主要從事客車、轎車制動(dòng)系統(tǒng)的研究工作。