線控底盤對(duì)緊固系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)

石小崗 周 飛 葉 又

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201201)

0 引言

隨著汽車智能化發(fā)展的大趨勢(shì),自動(dòng)化駕駛層級(jí)不斷提升,未來汽車在計(jì)算力方面也將進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段,而這些指令也將通過底盤系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化意圖,因此底盤線控技術(shù)發(fā)展成為必不可少的一環(huán)。線控底盤會(huì)對(duì)緊固連接的載荷大小,工作方式等發(fā)生變化,為保證緊固連接可靠,應(yīng)同步研究線控底盤對(duì)緊固連接的影響,并做好積極應(yīng)對(duì),助力汽車智能化的發(fā)展。

自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn),首先依賴感知傳感器對(duì)道路周邊環(huán)境信息進(jìn)行采集,包括攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和超聲波等,采集的數(shù)據(jù)傳輸出到中央計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算,用來識(shí)別車輛周邊障礙物和可行駛區(qū)域,進(jìn)行路線規(guī)劃和控制,最后制定方向盤轉(zhuǎn)角和速度等信息,傳輸?shù)降妆P和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),按照指令進(jìn)行精確執(zhí)行。線控技術(shù)(X-By-Wire)是指將操縱命令轉(zhuǎn)化成電信號(hào)通過控制器直接控制的技術(shù),所以線控底盤其實(shí)就是利用傳感器感知駕駛?cè)说鸟{駛意圖,并將其通過導(dǎo)線輸送給控制器,控制器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作,實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)等功能,從而取代傳統(tǒng)汽車靠機(jī)械或液壓來傳遞操縱信號(hào)的控制方式。

控制方式的轉(zhuǎn)變,必然會(huì)引起底盤零件工作載荷和工作方式的變化,同樣對(duì)底盤零件的連接產(chǎn)生影響,同時(shí),疊加智能車電動(dòng)化行駛里程的提升,整車重量大幅增加,使得以往穩(wěn)健的連接點(diǎn)可能存在挑戰(zhàn),需要同步做好連接設(shè)計(jì)的影響研究,這樣確保在線控底盤實(shí)施的過程中能夠順利實(shí)施,減少驗(yàn)證中出現(xiàn)的松動(dòng)等失效問題,提高智能化時(shí)代汽車研發(fā)的速度。

1 識(shí)別線控底盤對(duì)緊固連接的影響

線控底盤主要有五大系統(tǒng),分別為線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)、線控?fù)Q擋、線控油門、線控懸掛。從執(zhí)行端來看,線控油門、線控?fù)Q擋、線控懸掛技術(shù)都很成熟了,但最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)目前還沒有一套可以適用于L4駕駛的穩(wěn)定的量產(chǎn)產(chǎn)品,因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行的復(fù)雜性和安全性也最高,但隨著技術(shù)的不斷成熟和設(shè)計(jì)的優(yōu)化,必將在不久的將來會(huì)得到普遍的應(yīng)用,以提高車輛的智能化和自動(dòng)化程度。

因此研究線控底盤對(duì)緊固連接的影響也刻不容緩,需盡早對(duì)其進(jìn)行研究和分析,研究其對(duì)載荷的變化,對(duì)連接可靠性的影響,從而提供相對(duì)應(yīng)的緊固件策略,確保在新的底盤系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)候,實(shí)現(xiàn)可靠連接,保證新產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度和設(shè)計(jì)質(zhì)量。針對(duì)線控底盤主要的五大系統(tǒng),對(duì)其連接點(diǎn)承受的工作載荷進(jìn)行分析,線控油門、線控?fù)Q擋、線控懸掛的外載荷相對(duì)于傳統(tǒng)車型,并沒有明顯變化,而線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),復(fù)雜的主要是控制轉(zhuǎn)向的精度,路感的反饋以及安全性的冗余設(shè)計(jì),在緊固連接上所受的外載荷與傳統(tǒng)的差異并不大,頂多在電機(jī)的布置點(diǎn)附加再增加一個(gè)緊固點(diǎn),以提升NVH的性能,所以這四個(gè)系統(tǒng)在緊固連接上并不會(huì)遇到太大的挑戰(zhàn),而線控制動(dòng),則可能會(huì)對(duì)制動(dòng)連接帶來較大的影響。

制動(dòng)之所以在車輛的智能化和自動(dòng)化行駛中占據(jù)重要的一席,不僅僅是要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義的制動(dòng)功能以降低車速及遇到意外緊急情況需要使車輛停止。包括車輛的ESC(電子穩(wěn)定控制),ESP(車身穩(wěn)定控制)等主動(dòng)安全及舒適性系統(tǒng)的應(yīng)用,都離不開不斷的制動(dòng)實(shí)現(xiàn)車身姿態(tài)的穩(wěn)定,所以,線控底盤根據(jù)采集到的環(huán)境信號(hào)及駕駛員的駕駛意圖,通過ECU(控制單元)計(jì)算出來的電子信號(hào),其制動(dòng)頻次相對(duì)于傳統(tǒng)底盤制動(dòng)系統(tǒng)要高。而且,相對(duì)于傳統(tǒng)的燃油車,電動(dòng)車為了提高續(xù)航里程,所搭載的電池模塊的重量也不斷加大,整車的重量也會(huì)有較大的增加。如表1所示,就中大型SUV而言,電動(dòng)車相對(duì)于燃油車平均會(huì)有大約700 kg的重量增加, 會(huì)達(dá)到2 600 kg這個(gè)水平,個(gè)別車型會(huì)上探到約3 000 kg,整車重量的提升,輪胎尺寸的增大等,提高了制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩,疊加線控底盤制動(dòng)頻次的增加,這些都是對(duì)制動(dòng)卡鉗連接不利的因素,如果應(yīng)對(duì)不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致連接失效的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 電動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車的重量對(duì)比

汽車制動(dòng)時(shí)候,卡鉗連接的載荷因?yàn)橹苿?dòng)導(dǎo)致的軸荷轉(zhuǎn)移,前制動(dòng)的時(shí)候,車輛會(huì)伴隨著前傾,前輪往往承受約70%的制動(dòng)力矩。根據(jù)汽車?yán)碚摿W(xué),其參數(shù)如圖1所示,當(dāng)汽車滿載制動(dòng)時(shí)各軸的最大負(fù)荷按下式計(jì)算

圖1 汽車參數(shù)示意圖

FZ1=G(b+z×hg)/LFZ2=G(a-z×hg)/L

式中,FZ1—制動(dòng)時(shí)的前軸負(fù)荷;FZ2—制動(dòng)時(shí)的后軸負(fù)荷;G—整車重量;L—汽車軸距;a—汽車質(zhì)心距前軸距離;b—汽車質(zhì)心距后軸距離;hg—汽車質(zhì)心到地面高度;z—制動(dòng)強(qiáng)度。

根據(jù)前軸負(fù)荷,并如圖2輪胎卡鉗的連接關(guān)系可以計(jì)算出每個(gè)前輪制動(dòng)卡鉗所需要的制動(dòng)力矩為

圖2 輪胎卡鉗連接關(guān)系示意圖

從而可以計(jì)算出卡鉗連接螺栓所需要的夾緊力,因前輪載荷更苛刻,所以此處僅拿前制動(dòng)卡鉗拿來進(jìn)行分析。

式中,T—制動(dòng)力矩;R1—輪胎半徑;R2—卡鉗連接點(diǎn)到輪心的半徑;μ—卡鉗支架與轉(zhuǎn)向之間的摩擦系數(shù);Fb—卡鉗螺栓所需提供的夾緊力;μt—輪胎與路面之間的最大摩擦系數(shù)。

為了使卡鉗連接螺栓不滑移,實(shí)際緊固的螺栓,配合精確的扭矩控制,應(yīng)確保提供的夾緊力,大于計(jì)算的卡鉗螺栓所需提供的夾緊力。所以確定卡鉗螺栓所需的最小夾緊力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,卡鉗螺栓在前進(jìn)方向的制動(dòng)和后退方向的制動(dòng),因?yàn)檩S荷轉(zhuǎn)移的特點(diǎn),順時(shí)針和逆時(shí)針方向的制動(dòng)力矩會(huì)有較大差異,為了連接穩(wěn)健,本文以載荷的正負(fù)方向都不發(fā)生為目標(biāo)。

通過對(duì)所需夾緊力公式的分析,G、L、a、b、hg、R1、μt這些整車的參數(shù),是前期架構(gòu)設(shè)計(jì)就定好的參數(shù),R2在實(shí)際設(shè)計(jì)中,受布置的影響,往往也很難有大的提升,并且這些參數(shù)比較具體化,也不會(huì)有較大幅度的變化,但對(duì)于卡鉗支架與轉(zhuǎn)向之間的摩擦系數(shù)μ,一直缺少詳實(shí)的數(shù)據(jù),即使查找相關(guān)的設(shè)計(jì)資料,給出的摩擦系數(shù)范圍也是一個(gè)很大的范圍,并且有些摩擦系數(shù),是在試驗(yàn)室下測(cè)量的,試驗(yàn)的正壓力也比較小,和緊固件連接的夾緊力不是一個(gè)水平的,所以其值的可參考性比較低,另外,從公式看,卡鉗連接所需的夾緊力是線性的,如果摩擦系數(shù)增加一倍,則所需的夾緊可以小一半,如果實(shí)際螺栓還是維持原來的實(shí)際夾緊力,則連接的安全系數(shù)提高了一倍。所以對(duì)卡鉗支架與轉(zhuǎn)向節(jié)配合面的摩擦系數(shù)這一關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證顯得很有必要。

2 識(shí)別影響卡鉗和轉(zhuǎn)向節(jié)連接配合面摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因子

通過對(duì)卡鉗連接的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析,卡鉗支架均為球墨鑄鐵,機(jī)加工后表面處理也均采用電鍍鋅鎳,而轉(zhuǎn)向節(jié)為鋁合金,機(jī)加工。并且卡鉗連接的緊固也比較趨同,螺栓穿過鋁合金后擰入卡鉗支架的內(nèi)螺紋,并采用扭矩+角度的扭矩規(guī)范進(jìn)行緊固,能得到比較高且離散性的夾緊力水平。這些分析可以大大減少試驗(yàn)所考慮的因子數(shù)量,因?yàn)槁菟ǖ妮S力,轉(zhuǎn)向節(jié)的材質(zhì)和尺寸,卡鉗支架的材質(zhì),尺寸和表面處理一致,僅需考慮零件的粗糙度對(duì)摩擦系數(shù)的影響,對(duì)此連接是怎樣的,通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。通過研究分析,將零件的粗糙度定義Ra1.0和Ra4.2兩個(gè)水平,如表2所示,進(jìn)行全組合測(cè)試。

表2 摩擦系數(shù)測(cè)試粗糙度組合

并設(shè)計(jì)出雙面滑移的試驗(yàn)方案如圖3所示,采用鋁鋼鋁的配對(duì)形式,采用螺栓施加正壓力Fx,其可以通過超聲波的方式進(jìn)行測(cè)試,并施加到接近實(shí)際連接狀態(tài)的夾緊力水平,以便真實(shí)地反映實(shí)際連接的摩擦系數(shù)狀態(tài)。鋼塊和鋁塊制作盡量模擬等同實(shí)際零件,鋼塊同量產(chǎn)件一同進(jìn)行表面處理,代表實(shí)際零件的表面處理狀態(tài)。螺栓和試塊之間的孔設(shè)計(jì)出合適的間隙,并通過合理的裝配方式,保持相互間的關(guān)系,以便在后續(xù)的滑移測(cè)試時(shí),能從力和位移的曲線上明顯識(shí)別出滑移的點(diǎn)。測(cè)試滑移力在拉伸機(jī)上進(jìn)行,通過設(shè)計(jì)夾具,在下面支持左右兩邊的鋁塊,然后從上往下對(duì)鋼試塊施加滑移力,并記錄力與位移的曲線,從曲線上識(shí)別滑移的點(diǎn),讀取滑移力Fy,然后根據(jù)如下公式可以計(jì)算出摩擦系數(shù)。

圖3 摩擦系數(shù)測(cè)試示意圖

式中,Fy—試塊的滑移力;Fx—試塊的正壓力;n—摩擦的面數(shù),因設(shè)計(jì)成雙面摩擦,此處為2。

通過對(duì)不同組合進(jìn)行了測(cè)試,得出的結(jié)果如下表3和圖4所示,如果鋼支架和鋁合金的粗糙度都控制在Ra4.2的水平,摩擦系數(shù)較高,約0.3的水平,如果摩擦系數(shù)做得很小,則摩擦系數(shù)不到0.15,小的甚至只有0.10,這樣實(shí)際連接抗滑移能力就很弱,容易在外載荷下產(chǎn)生滑移,最終導(dǎo)致連接失效。

圖4 摩擦系數(shù)不同粗糙度組合

表3 摩擦系數(shù)不同粗糙度組合測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),卡鉗支架的鋼制支架的粗糙度起的作用更大,這是因?yàn)榍蚰T鐵的卡鉗支架,粗糙表面的微觀狀態(tài)的尖峰可以嵌入更加軟的鋁材質(zhì)的卡鉗支架,從而增加抗滑移力。而鋁合金的材質(zhì)比較軟,僅提高鋁合金的粗糙度,則取不到類似的效果?？傊?同時(shí)提高卡鉗支架和鋁合金配合面的粗糙度,只要達(dá)到Ra4.2的水平,就可以得到比較理想的摩擦系數(shù),對(duì)連接的抗滑移能力能夠成倍地增加,所以為了保證較高的摩擦系數(shù)水平,零件圖紙應(yīng)對(duì)粗糙度提出控制要求,如果僅是一個(gè)最大值,比如Ra6.3是不夠的,而應(yīng)是一個(gè)范圍。

粗糙度的影響因素,與很多因素相關(guān),包括切削的進(jìn)刀量,切削的速度,刀具刀口的形狀,材質(zhì),被加工零件和刀具的剛度等等,所以控制粗糙度在一個(gè)具體的范圍,意味著需要增加檢測(cè)頻次,而且,在批量生產(chǎn)中,刀具的刀口發(fā)生磨損,相當(dāng)于刀口的形狀得到改變,也傾向于得到越來越低的粗糙度,所以不控制在一個(gè)范圍內(nèi),供應(yīng)商更愿意得到更小的粗糙度水平,因?yàn)楦菀讓?shí)現(xiàn)。這樣的情況會(huì)導(dǎo)致零件批量性的低摩擦系數(shù),而通過前面的驗(yàn)證,在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)得到差異很大的摩擦系數(shù),意味著粗糙度會(huì)導(dǎo)致低摩擦的連接點(diǎn)抗滑移能力降低一半以上,使得螺栓在工作的過程中,連接副會(huì)發(fā)生滑動(dòng)而產(chǎn)生松動(dòng)。

3 其他影響因素

線控底盤伴隨著電動(dòng)車的應(yīng)用,雖然因續(xù)航里程的提升而不斷增加電池包重量,導(dǎo)致制動(dòng)的載荷增加,但同時(shí)電動(dòng)車為了提高續(xù)航里程,也都具備制動(dòng)能量回收功能,制動(dòng)能量回收是現(xiàn)代電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力車重要技術(shù)之一,也是它們的重要特點(diǎn)。在一般內(nèi)燃機(jī)汽車上,當(dāng)車輛減速、制動(dòng)時(shí),車輛的運(yùn)動(dòng)能量通過制動(dòng)系統(tǒng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?并向大氣中釋放。而在電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力車上,這種被浪費(fèi)掉的運(yùn)動(dòng)能量已可通過制動(dòng)能量回收技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿?chǔ)存于蓄電池中,并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)能量。當(dāng)駕駛員踩制動(dòng)踏板,則按照制動(dòng)踏板力大小,通過行程模擬器(Stroke Simulator)等將信號(hào)傳遞給電控單元(ECU),電控單元經(jīng)過分析判斷給出指令,液壓制動(dòng)器(液壓伺服制動(dòng)系統(tǒng))實(shí)時(shí)進(jìn)入相應(yīng)工作,緊接著制動(dòng)能量回收系統(tǒng)也將進(jìn)入工作狀態(tài)。所以如果動(dòng)力蓄電池的電控單元判斷動(dòng)力蓄電池有相應(yīng)的荷電量(SOC)回收能力,制動(dòng)能量回收制動(dòng)力會(huì)占整個(gè)制動(dòng)力的相應(yīng)部分,所以需要通過制動(dòng)卡鉗實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)會(huì)降低很大一部分載荷,這是對(duì)連接有利的部分。

4 結(jié)束語

針對(duì)汽車智能化發(fā)展方向,線控底盤的應(yīng)用趨勢(shì),提前研究線控底盤對(duì)緊固連接的影響:

(1)識(shí)別出線控底盤對(duì)緊固連接存在較大挑戰(zhàn)的是卡鉗連接;

(2)通過卡鉗連接的載荷分析,識(shí)別出可以提升的是卡鉗支架與轉(zhuǎn)向節(jié)之間的摩擦系數(shù);

(3)通過分析識(shí)別出卡鉗支架與轉(zhuǎn)向節(jié)表面的粗糙度是影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因子,并且鋼的卡鉗支架占主導(dǎo)作用,通過零件粗糙度的控制,摩擦系數(shù)可達(dá)約0.3的水平;

(4)制動(dòng)能量回收是對(duì)卡鉗連接減少載荷有利的因素。通過這些研究,對(duì)其中影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因子進(jìn)行控制,保證線控底盤系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)施時(shí),能夠穩(wěn)健可靠,為汽車智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。