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(dāng)前人類社會(huì)生活中不可缺少的交通和運(yùn)輸工具，汽車業(yè)也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，汽車行業(yè)也面臨了更多的問題和挑戰(zhàn)，車輛高速抖動(dòng)是當(dāng)前汽車開發(fā)過程中常見的問題。制動(dòng)抖動(dòng)不僅影響駕駛舒適性，同時(shí)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(dāng)前常用的制動(dòng)系統(tǒng)分為盤式制動(dòng)和鼓式制動(dòng)，盤式制動(dòng)是各大主機(jī)廠廣泛采用的制動(dòng)系統(tǒng)，主要因?yàn)楸P式制動(dòng)盤能在頻繁制動(dòng)時(shí)保持良好的制動(dòng)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(diǎn)。

本文研究的車型采用盤式制動(dòng)盤，在其開發(fā)階段、整車路試驗(yàn)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(shí)，輕踩制動(dòng)減速，車身出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，方向盤抖動(dòng)尤其明顯。當(dāng)車速降至50 km/h以下時(shí)，抖動(dòng)消失。

1 抖動(dòng)產(chǎn)生原因分析

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

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

根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩計(jì)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(dòng)力矩，Nm；

Ff為制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力，N；

r為有效制動(dòng)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(dòng)鉗活塞面積，mm2；

c為制動(dòng)鉗總作用面積，c=2A，對(duì)于特定的制動(dòng)器為定值。

對(duì)公式(1)微分得出制動(dòng)力矩波動(dòng)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(dòng)半徑、管路壓力、摩擦因數(shù)的任一波動(dòng)均會(huì)引起制動(dòng)力矩的波動(dòng)。在這3個(gè)影響因素中，影響最大的是管路壓力的波動(dòng)，相關(guān)研究表明，管路壓力波動(dòng)的主要因素是制動(dòng)盤厚度差(disc thickness variation,DTV)[3-4]和端面跳動(dòng)(side face run-out,SRO)[5]。

按照制動(dòng)抖動(dòng)表現(xiàn)劃分，制動(dòng)抖動(dòng)可分為冷抖動(dòng)、熱(高速)抖動(dòng)和抖動(dòng)噪聲。冷抖動(dòng)是由于制動(dòng)盤因加工、安裝磨損、腐蝕等原因造成了制動(dòng)盤幾何面不規(guī)則，從而影響制動(dòng)壓力及制動(dòng)力矩波動(dòng)，引起制動(dòng)抖動(dòng)，冷抖動(dòng)的車速范圍為45～160 km/h[6]。熱抖動(dòng)是制動(dòng)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(dòng)壓力及制動(dòng)力矩波動(dòng)引起，一般發(fā)生在高速行駛160 km/h以上[7]。

2 抖動(dòng)傳遞路徑

早在2006年高曉杰等[8]對(duì)制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)的傳遞路徑進(jìn)行過相關(guān)研究，研究表明振動(dòng)信號(hào)傳遞的途徑為制動(dòng)器→懸架→轉(zhuǎn)向橫拉桿→轉(zhuǎn)向盤，相關(guān)的道路試驗(yàn)也驗(yàn)證過此傳遞路徑[9]。

3 問題解決方案

基于以上制動(dòng)時(shí)抖動(dòng)機(jī)制的研究與抖動(dòng)傳遞路徑的確定，本文所研究的制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)問題明顯屬于制動(dòng)冷抖動(dòng)現(xiàn)象，與制動(dòng)盤加工的幾何面形狀或安裝過程有關(guān)，制動(dòng)盤厚度差、端面跳動(dòng)、制動(dòng)盤硬度是引起制動(dòng)抖動(dòng)的根本原因，以下將運(yùn)用問題管理8D分析法對(duì)此3個(gè)方面進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 故障現(xiàn)狀調(diào)查

試制交檢確認(rèn)：整車抖動(dòng)的問題達(dá)到33%，其中制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)占總問題的90%，意味著制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)故障率約為30%。

3.2 制動(dòng)盤安裝過程調(diào)查

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

3.3 制動(dòng)盤端面跳動(dòng)分析

對(duì)故障車制動(dòng)盤SRO進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)目標(biāo)要求制動(dòng)盤端面跳動(dòng)最大值小于25 μm，檢測(cè)位置為制動(dòng)盤外徑10 mm處。

制動(dòng)盤上下制動(dòng)面SRO測(cè)量結(jié)果見表1，測(cè)試結(jié)果符合正態(tài)分布，均值為22.8 μm，滿足目標(biāo)要求。制動(dòng)盤端面跳動(dòng)數(shù)據(jù)分布直方圖如圖1所示。依據(jù)動(dòng)盤SRO數(shù)據(jù)及擬合參數(shù)，可以判定制動(dòng)盤端面跳動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求，不是影響抖動(dòng)的根本原因。

表1 制動(dòng)盤上下制動(dòng)面SRO測(cè)量結(jié)果 單位:μm

圖1 制動(dòng)盤端面跳動(dòng)數(shù)據(jù)分布直方圖

3.4 制動(dòng)盤厚度差分析

DTV設(shè)計(jì)目標(biāo)：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(cè)量制動(dòng)盤厚度差，結(jié)果見表2，制動(dòng)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(biāo)值0.050 mm，樣件加工精度不足。

表2 制動(dòng)盤厚度差測(cè)量結(jié)果 單位:mm

圖2 制動(dòng)盤厚度差數(shù)據(jù)分布直方圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DTV為本車型抖動(dòng)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(yàn)證30臺(tái)份，經(jīng)動(dòng)態(tài)交檢多次制動(dòng)檢驗(yàn)后，制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)車輛為4臺(tái)，故障率由30%降低至13%，證實(shí)DTV是影響方向盤抖動(dòng)的重要因素。

3.5 制動(dòng)盤硬度分析

鑒于在多次制動(dòng)后，方向盤抖動(dòng)的故障率仍有13%，對(duì)主機(jī)廠而言，仍是無法接受的狀態(tài)?？紤]到制動(dòng)盤硬度低也會(huì)在多次制動(dòng)后導(dǎo)致DTV變大，需對(duì)樣件的制動(dòng)盤硬度進(jìn)行檢測(cè)。

制動(dòng)盤硬度設(shè)計(jì)目標(biāo)為布氏硬度220～230HB，利用硬度計(jì)對(duì)樣件的硬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表3。由表的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看到，平均硬度僅為217HB，低于標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分布狀態(tài)做進(jìn)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(biāo)值有偏移。

表3 制動(dòng)盤硬度(HB)測(cè)量結(jié)果

圖3 制動(dòng)盤硬度(HB)數(shù)據(jù)分布直方圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證硬度對(duì)本車型抖動(dòng)影響的大小，需要提升制動(dòng)盤硬度，使其滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的硬度(225±5)HB，同步保持DTV小于50 μm，并對(duì)驗(yàn)證DTV的30臺(tái)車輛進(jìn)行返工，經(jīng)動(dòng)態(tài)交檢多次制動(dòng)檢驗(yàn)后，未出現(xiàn)制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)車輛。

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

4 結(jié)束語

本文針對(duì)方向盤抖動(dòng)問題進(jìn)行了研究改進(jìn)，將研究結(jié)果運(yùn)用在公司車輛出現(xiàn)的實(shí)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(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證了前人研究的制動(dòng)時(shí)方向盤抖動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制及傳遞路徑，為同行業(yè)規(guī)避抖動(dòng)問題提出建設(shè)性參考方案。