客车制动跑偏问题的研究与优化_司宗正.pdf

136 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺汽车行驶稳定性是影响车辆安全性、舒适性的重要指标1。汽车在直线行驶过程中，方向盘在无转角或力矩输入情况下，车辆行进方向产生改变。为保持车辆的直线行驶，驾驶员需对方向盘施加附加力。但当驾驶员的手离开方向盘后，车辆不能自主保持直线行驶状态，反映出汽车的行驶稳定性能力不足。制动方向稳定性是行驶稳定性主要特性之一，若制动时发生跑偏、侧滑或失去转向能力，则汽车将偏离原来的行驶路径2。GB 7258机动车安全运行技术条件规定，机动车在平坦、硬实、干燥和清洁的道路上行驶，不得有方向盘摆振、路感不灵、跑偏或其它异常现象3。跑偏可能导致车辆失控，在紧急制动或高速行驶时尤为危险。因此，深入研究客车制动跑偏的机理、系统性地解决制动跑偏问题，具有重要的意义和价值。1研究背景在某客车新车型的开发验证过程中，出现了直线行驶不稳定和严重的制动跑偏问题现象，且随着车辆制动力的变大，跑偏的趋势会越发明显。具体故障表现为：以 90kM/h为初始速度开展紧急制动，直至车速降到0时，车辆相对于初始位置，横向方向最多可跑偏一个车道。2主要原因分析行驶跑偏是复杂的系统性问题，相关的成因较多。有车辆自身的原因，如轮胎气压、转向回正性能差、重心不居中导致的左右载荷分布不均、四轮定位参数偏差、制动力左右偏差等。也有还有一些外界因素，如路面不平度、侧向风干扰等4。不少故障车辆制动跑偏伴随着有直行跑偏的情况，因此解决车辆的制动跑偏问题前，首先要排除车辆直行跑偏因素的干扰影响。2.1轮胎相关因素气压不一致将使左右车轮滚动半径、滚动阻力不一致，导致跑偏。左右侧轮胎磨损程度的不一致，向滚动半径小的一侧跑偏。当胎面磨损严重时，轮胎的抓地力会下降，制动时胎面好的地面反力较大，向胎面较好的一侧跑偏。不同轮胎的锥度效应力大小有差异，不同锥度轮胎在车辆上的装配方向应有工艺作业要求，否则锥度将影响车辆的直线行驶能力。司宗正赵兴旺周宝高云庆裴冠茹北京亿华通科技股份有限公司北京市100000摘 要：行驶稳定性是影响汽车的安全行驶的重要特性之一，本文针对某客车新车型在开发过程中出现的典型的制动跑偏现象，开展了问题成因的探究及排查分析，并提供了优化方法和技术解决方案，为类似车型的底盘设计开发、制动跑偏问题解决提供了技术参考。关键词：行驶稳定性客车制动跑偏Research and Optimization of Bus Brake DeviationSi Zongzheng，Zhao Xingwang，Zhou Bao，Gao Yunqing，Pei GuanruAbstract：Driving stability is one of the important characteristics that affect the safe driving of vehicle.This article focuses on the typical brake deviation phenomenon that occurred during the development process of a new bus model,explores the causes of the problem,analyzes the problem and provides optimization methods and technical solutions.It provides technical references for the chassis design and development of similar vehicle and the solution of brake deviation problems.Key words：driving stability,bus,brake deviation客车制动跑偏问题的研究与优化AUTO TIME 137 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺 时代汽车2.2转向系统回正能力差具体表现为：方向盘向左打，松手后仍向左跑偏；方向盘向右打，松手后仍向右跑偏。同时方向盘回正差，驾驶员松手后，车辆的残余横摆角速度大。造成该现象的主要因素有：四轮定位参数设计缺陷导致的回正力矩不足、转向机内部传动机构摩擦力矩过大、转向传动轴与内饰件干涉导致的干摩擦、主销内部滚针轴承或止推轴承损坏卡滞、转向直拉杆及转向横拉杆球头销的转动摩擦力矩过大等。2.3四轮定位参数偏差前悬架车轮定位参数，尤其是车轮前束角、主销后倾角、主销内倾角的影响尤为明显。此外，主销内倾角衍生出的轮胎接地点主销偏置距，对制动时的行驶稳定性也有显著的影响，如图 1 所示。如果左右侧的主销偏置距差异过大，制动时作用于左右车轮的转向力矩 M1=F1*a 与 M2=F2*b 无法达到平衡，对制动稳定性产生严重的不利影响，车辆将会向主销偏置距大的一侧跑偏。图1主销偏置与跑偏关系M1M2F1F2ba2.4重心及前后轴不对中车辆各制动力产生的合力与行驶的方向相反，理想情况下，其等效作用点应与车辆的质心位置重合。但在真实的场景中，制动力合力很难与车辆的质心重合。如果整车重心位置与车辆 XZ 平面偏置距大，在车辆的制动过程中，即使左右制动力均衡，制动合力与横向偏置距共同作用而产生导致跑偏的横摆力矩。当此力矩超过车辆极限的稳定能力时，车辆就会产生制动跑偏的现象。此外，前后轴中心平面不重合，也会导致跑偏问题的发生。2.5制动力偏差左右侧制动力偏差大，会导致跑偏。另外，即使技术设计要求完全相同，不同制造批次之间的制动摩擦片及制动盘因为原材料、生产制造公差等一致性的差异，如果混装将会导致车辆不同程度的制动跑偏。左右侧制动间隙不等，也会导致跑偏。未制动时的自由状态下，左右侧摩擦片与制动盘之间的间隙值差异大、制动管路压力不一致将导致建压速度不一致，导致左右车轮不能同步产生相同的制动力。间隙大的一侧制动时反应慢，间隙小的一侧制动时反应快，车辆向制动响应快的一侧跑偏。2.6干涉转向车辆行驶时悬架上下运动，前束由转向杆系和悬架构件的复合牵连运动作用而发生变化，前束的变化在客车行业也称为干涉转向。转向拉杆上的球头销，既固定在悬架的转向节臂上，同时又是转向直拉杆的一部分，如图 2 所示。该球头销随悬架运动做相应位移的同时，转向直拉杆又限制了球头销作相应的移动，致使转向节臂球头相对于主销在车辆的 X 方向做前后移动，继而引起转向轮的转动，轮胎将产生一个侧偏力5，导致车辆产生较明显的跑偏。图2转向及悬架系统转向球头销上推力杆下推力杆在制动工况下，后轴负载向前轴转移且制动力越大轴荷转移越多。前轴轴荷的增量，导致前悬架弹簧压缩量的进一步增加，车轮相对于车身向上跳动。在跳动过程中，车轮运动轨迹受悬架导向杆系和转向系的约束，继而触发干涉转向，使车辆跑偏。悬架导向杆轴向刚度不足或橡胶衬套刚度过小，汽车制动时杆系和衬套发生弹性变形，继而导致悬架导向杆系与转向系发生柔性的运动干涉，导致车轮的偏转，使汽车跑偏。悬架设计时应考虑相应的措施，减少或消除制动及驱动时的悬架变形6。3实车情况排查针对上述导致制动跑偏的主要原因，开展系统性地研究。针对该车型制定跑偏的相关因素，逐一排查并锁定问题的根本原因。3.1轮胎排查对跑偏车辆的车轮情况，进行了全面确认：轮胎与轮辋的配合，符合轮胎供应商的安装标识要求，未发现轮胎内外侧反装的现象。轮胎气压经过实际测量，均在理论设定的公差范围内，未发现超差的情况，且左右侧车轮的静力半径未出现明显异常。基于以上排查结果，可以排除车轮导致的跑偏。3.2转向系异常排查制作辅助工装，测量转向及悬架系统的干摩擦力矩，根据实测结果判断无异常。进一步对转向直拉杆、悬架转向节臂、转向横拉杆等位置的球头，以及主销、转向摇臂等部位的轴承进行检测，启动及旋转摩擦力矩均正常，未发现异常。查验转向传动轴与底盘周边、内饰件等配合部位的间隙情况，未发现有干涉摩擦的情况。通过以上的排查，可排除转向系异常导致的车辆跑偏。3.3四轮定位参数排查车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角有着关键的作用，四轮定位角度的公差范围也很重要7。一般情况下控制在 30范围内，可保证车辆不会出现严重的跑偏现象。将跑偏的故障车辆重新上检测线，做四轮定位参数测量。经复测，前后悬架车轮前束角左右偏差为 5，主销后倾角左右偏差均为 26、主销内倾角左右偏差 20，符合设计的公差要求。但上推力杆与下推力杆的长度差异较大，导致在制动时，车轮向上跳动过程中，主销后倾角有较明显的衰减。3.4重心及前后轴对中性排查经确认图纸，设计方案无问题。对跑偏客车的重心进行了测量，重心在 Y 向的偏差在设计许可的范围内，实车状态符合设计需求，无明显的导致跑偏的风险。3.5制动力偏差排查车辆在测试评价前，已通过了短里程的制动器磨合，可以排查磨合不良导致跑偏的情况。调取车辆过检测线时的制动力实测数据并进行了复测，结论为左右及前后轴制动力偏差值、制动力响应时间均符合设计要求。138 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺此外，对车辆是否存在拖刹的现象也进行了排查，未发现异常。综上，可排除制动器相关因素导致的车辆跑偏。3.6干涉转向排查经设计校核和实车状态确认，实车状态与设计图纸要求一致。基于该车型设计图纸，测量悬架及转向系统硬点，利用 ADAMS 搭建该车型的动力学仿真模型，如图 3 所示。图3底盘仿真模型通过摸底分析发现，转向和悬架系统硬点坐标布置不合理，存在明显的转向干涉情况，且推力杆系的衬套刚度设定不合理，需优化改进。对分析结果开展进一步研究发现，该状态将导致车辆向右跑偏，与故障车辆实际表现一致。4方案制定与问题解决针对已排查出的干涉转向问题，借助仿真手段探索解决方案并验证方案的有效性。进一步结合故障车型实际情况，本着最少改动量的原则，制定可行的技术改进方案。结合仿真分析结果，对上推力杆前衬套硬点、转向节臂球头硬点进行了优化设计，优化前后的硬点坐标对比如表 1 所示。硬点原状态优化后上推力杆前点-650，-600，400-550，-600，400转向节臂球头0，-700，00，-700，50表1优化前后的硬点对比除优化悬架相关的硬点坐标外，在兼顾底盘滤振舒适性，并充分考虑衬套耐久可靠性、橡胶硫化的工艺性等因素的前提下，通过调整橡胶原材料硬度、优化球头内部设计结构，将上下推力杆前后点衬套的径向刚度由 40kN/mm 加大至 90kN/mm。该客车车型为整体式转向系统，左右侧转向节通过横拉杆连接。悬架上下运动时，左右转向前轮朝同向偏转。如果转向干涉量较大将导致跑偏，因此前束变化量越小越好。通过仿真分析可以看出，20000N 紧急制动力作用下，转向轮前束由原状态的 0.95优化至 0.1，改进效果显著，对制动跑偏量的遏制有较大贡献。优化前及优化后前束特性对比，如图 4 所示。图4前束特性对比曲线优化前0.050.0-0.05-0.15-0.25-0.35-0.45-0.550.05000.010000.015000.020000.0Force(newton)-0.65-0.75-0.85-0.95Angle(deg)优化后此外，随着推力杆衬套刚度的提升，在制动力下橡胶衬套弹性变形量显著降低，进而使主销后倾角在紧急制动工况下的衰减量同步得到改善，如图 5 所示，有利于提升制动工况整车保持直行的能力。图5后倾特性对比曲线Angle(deg)优化前优化后0.05000.010000.015000.020000.0Force(newton)2.552.452.352.252.152.051.95按照仿真优化输出的改进技术方案，制作了转向节臂、推力杆总成等改进样件。更换优化部件后，参照 GB 12676汽车制动系统结构、性能和试验方法8，对实车开展对比测试评估改进效果。车辆从 90Km/h 制动到静止状态，跑偏量由原状态的2m减小为0.2m，未偏出所在车道。实车表现与设计优化后的理论研究结果一致，效果显著。5结语本文结合具体的客车车型，以实际开发过程中典型的制动跑偏疑难技术问题为例，系统、深入研究了与客车制动跑偏强相关的主要因素、导致跑偏问题产生的机理、故障排查思路和方法，并提供了具体的解决思路及最终技术方案，为客车底盘设计开发工作、制动跑偏问题的解决，提供了理论依据和技术参考。参考文献：1 姚谢钧，陈德玲，赵军峰.轻型客车跑偏问题的分析与改进 J.客车技术与研究，2016.2.2 余志生.汽车理论 M.5 版.北京：机械工业出版社，2010.5.3 公安部交通管理科学研究所.机动车运行安全技术条件：GB/7258-2012S.北京：中国标准出版社，2012.4 阿达姆措莫托.汽车行驶性能 M.北京：科学普及出版社，1992.5 安部正人.车辆操控动力学 M.北京：机械工业出版社.2012.06.6 刘惟信.汽车设计 M.5 版.北京：清华大学出版社，2001.7.7Jornsen Reimpell.Automotive ChassisM.SAE International.2001.5.8GB 12676-1999，汽车制动系统结构、性能和试验方法 S.北京：中国标准出版社，1999.