四軸商用車制動跑偏性能影響研究

摘 要：制動跑偏是商用車的常見問題之一，其與車輛的懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎、制動系統(tǒng)、車架及裝載等關(guān)系密切。文章搭建了四軸商用車動力學(xué)模型，并以質(zhì)量屬性、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、輪胎及制動系統(tǒng)建模參數(shù)為影響因子，制動工況質(zhì)心側(cè)向偏移量為目標(biāo)因子，分別建立各系統(tǒng)靈敏度分析模型。通過對各系統(tǒng)的靈敏度分析，提取制動跑偏敏感因子，為車輛制動跑偏設(shè)計校核，質(zhì)量把控提供參考。

關(guān)鍵詞：制動跑偏 影響因子 目標(biāo)因子 靈敏度分析 敏感因子

制動跑偏問題是商用車的常見問題之一，其與商用車的懸架系統(tǒng)、輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、車架及裝載等關(guān)系密切；與車輛的設(shè)計及駕駛員的駕駛習(xí)慣息息相關(guān)。制動跑偏的特征包括車輛設(shè)計出廠有規(guī)律的統(tǒng)一向左或向右跑偏；同一臺車，滿載跑偏較空載跑偏嚴(yán)重；車輛使用一段時間后向左或向右跑偏等。綜合來看，制動跑偏產(chǎn)生的常見原因包括車輪定位參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，轉(zhuǎn)向與懸架系統(tǒng)干涉量過大，轉(zhuǎn)向連桿球銷磨損松動，車輛超載引起車架變形過大，各軸車橋平行度，輪胎胎壓差異、磨損差異、殘留動不平衡、錐度效應(yīng)，車輛左右載荷分布不均，左右制動力差異等。

商用車主機(jī)廠在車輛設(shè)計開發(fā)階段將對車輛四輪定位參數(shù)，懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉量等通過設(shè)計計算或軟件仿真等方式進(jìn)行校核。文章將采用搭建四軸商用車動力學(xué)模型、靈敏度分析等方式對四軸商用車制動跑偏影響因素進(jìn)行分析，研究商用車質(zhì)量屬性，懸架系統(tǒng)，輪胎，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動系統(tǒng)中對制動跑偏影響敏感的因素，用以指導(dǎo)制動跑偏設(shè)計，在車輛開發(fā)階段控制制動跑偏量。

1 制動跑偏分析流程

文章制動跑偏分析內(nèi)容主要包括車輛模型搭建，制動工況定義，靈敏度分析及敏感因子提取。將從車輛質(zhì)量，轉(zhuǎn)向，懸架，輪胎，制動5個系統(tǒng)進(jìn)行整車-系統(tǒng)級靈敏度分析，提取各系統(tǒng)制動跑偏敏感因子，在設(shè)計階段把控制動跑偏問題。

1.1 車輛模型及制動工況搭建

文章在某軟件中搭建了四軸商用車整車模型。車輛質(zhì)量部分，根據(jù)車輛載荷分布、質(zhì)心高度、轉(zhuǎn)動慣量等搭建；輪胎部分采用基于測試的pac輪胎模型；懸架與轉(zhuǎn)向部分根據(jù)車輛四輪定位參數(shù)、簧下質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)向及懸架的Kamp;C特性參數(shù)等搭建；制動系統(tǒng)部分采用主缸壓力控制方式搭建；驅(qū)動系統(tǒng)部分搭建8×4中后橋驅(qū)動模型。

根據(jù)實(shí)車制動跑偏問題及測試數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用80km/h車速下0.7g制動減速度工況，評估車輛制動后質(zhì)心側(cè)向跑偏量。

1.2 靈敏度分析模型搭建

文章以四軸商用車動力學(xué)模型各子系統(tǒng)建模參數(shù)為影響因子，以制動工況質(zhì)心側(cè)向偏移量為目標(biāo)因子搭建靈敏度分析模型。影響因子的指標(biāo)邊界基于基準(zhǔn)值在－5%～5%范圍內(nèi)變化；靈敏度分析采用拉丁方試驗(yàn)設(shè)計方法，在n個因子定義的n維空間內(nèi)優(yōu)化組合獲得分布點(diǎn)，以捕捉到更高階的效果。

2 制動跑偏敏感點(diǎn)

大部分主機(jī)廠對車輛按系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，因此針對影響制動跑偏的車輛質(zhì)量屬性、轉(zhuǎn)向、懸架、輪胎、制動5個主要系統(tǒng)，以各系統(tǒng)建模參數(shù)為影響因子，按系統(tǒng)分別搭建靈敏度分析模型，提取從整車到系統(tǒng)級的各系統(tǒng)敏感因子，以便在設(shè)計中對各部件進(jìn)行重點(diǎn)把控。

2.1 車輛質(zhì)量屬性

質(zhì)量部分主要關(guān)注質(zhì)量屬性及質(zhì)量分布對制動跑偏的影響，影響因子主要包括質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心高、質(zhì)心縱向位置、質(zhì)心側(cè)向位置、軸距、輪距等。對質(zhì)量部分進(jìn)行制動跑偏靈敏度分析，提取敏感因子如圖1所示。

從質(zhì)量部分靈敏度分析結(jié)果中提取對制動質(zhì)心側(cè)向跑偏量影響占比5%以上的因子，包括質(zhì)量，一二橋軸距，三四橋軸距，質(zhì)心縱向位置，質(zhì)心側(cè)向位置。分析結(jié)果與實(shí)際工程中滿載與空載，左右質(zhì)量分布不均等問題相對應(yīng)。結(jié)合制動跑偏靈敏度分析，車輛整車布置上，應(yīng)盡量保證車輛左右質(zhì)量相同，質(zhì)心向后布置等。

從軸距角度出發(fā)，四軸商用車各車橋平行度也將影響到制動跑偏。三四橋采用縱推桿結(jié)構(gòu)形式時，若車輛使用過程中發(fā)生松動或縱推桿變形，造成平行度偏差，可通過在縱推桿處增加墊片臨時解決制動跑偏問題，如圖2所示。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分主要關(guān)注轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何、柔性特性及轉(zhuǎn)向與懸架系統(tǒng)的共同影響，影響因子主要包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比、系統(tǒng)柔度、主銷定位參數(shù)、制動工況下車橋的扭轉(zhuǎn)、平跳轉(zhuǎn)向特性等。對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分進(jìn)行制動跑偏靈敏度分析，提取敏感因子如圖3所示。

從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分靈敏度分析結(jié)果中提取對制動質(zhì)心側(cè)向跑偏量影響占比5%以上的因子，包括一橋主銷后傾角，一橋主銷內(nèi)傾角，一橋制動工況下車輪轉(zhuǎn)角與車橋縱扭角比值，一橋車橋柔度，一橋平跳轉(zhuǎn)向，一橋轉(zhuǎn)向拉桿柔度，二橋主銷后傾角，二橋輪心偏置距等。

車輛制動時將產(chǎn)生制動力，制動力與主銷偏置距作用形成車輪回轉(zhuǎn)力矩[1]，如圖4所示。如左右車輪主銷定位及偏置距存在差異，制動過程中左右車輪產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩差異，造成車輛制動跑偏。從敏感因子排序來看，對于雙前橋轉(zhuǎn)向四軸商用車，一橋主銷定位對車輛制動跑偏影響大于二橋主銷定位。

敏感因子中，另外一個對制動跑偏影響重要的特性是制動工況下由懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共同決定的幾何特性，其包括制動工況下車輪轉(zhuǎn)角與車橋縱扭角比值，車橋柔度及平跳轉(zhuǎn)向，重點(diǎn)在于車橋縱扭角與前束。從制動過程可知，四軸商用車一二橋在受到制動力作用的同時，還受中后橋載荷向前轉(zhuǎn)移帶來的壓縮作用，在懸架Kamp;C分析中可加載縱向力及輪跳工況的復(fù)合工況來模擬。車橋縱扭角受縱向力作用引起的板簧縱扭角、后傾變化、車橋柔性變形等因素共同影響。

文章對四軸商用車制動工況進(jìn)行整車仿真，提取一橋車輪制動力及輪跳量，在某軟件中搭建的一橋懸架及轉(zhuǎn)向模型中進(jìn)行制動力和輪跳復(fù)合工況、制動力工況、輪跳工況加載。工況加載中將采用車橋柔性化處理及剛性處理進(jìn)行車橋縱扭角及板簧縱扭角對比。仿真結(jié)果如表1所示。

陳耀明先生曾提出在最強(qiáng)制動時，單獨(dú)對板簧進(jìn)行校核，鋼板彈簧縱扭角最好不大于6°，若達(dá)到10°～12°時，就很難控制制動跑偏[2]。將板簧搭載在懸架中后，板簧通過U型螺栓固定于車橋，板簧也將受懸架結(jié)構(gòu)影響發(fā)生相應(yīng)變形。從表1仿真結(jié)果可知，板簧縱扭角與車橋縱扭角差異很小，可等同設(shè)計；且就某車型的制動復(fù)合工況分析，車橋縱扭主要受制動力影響，平跳工況對車橋縱扭角影響相對較小。

制動過程中，前束角的變化受懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動干涉等因素影響。

綜合評估制動工況，設(shè)計階段應(yīng)重點(diǎn)把控車橋縱扭角與前束變化，可通過優(yōu)化板簧長度，板簧厚度，板簧寬度，懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干涉量[3]等方式控制制動跑偏量。

2.3 懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)部分主要關(guān)注懸架系統(tǒng)幾何設(shè)計及Kamp;C特性影響，影響因子主要包括懸架簧下質(zhì)量及質(zhì)心位置，平跳后傾，平跳縱向位移，側(cè)傾轉(zhuǎn)向，懸架剛度，橫向穩(wěn)定桿剛度，縱向力、側(cè)向力及回正力矩工況下的C特性等。對懸架系統(tǒng)部分進(jìn)行制動跑偏靈敏度分析，提取敏感因子如圖7所示。

從懸架系統(tǒng)靈敏度分析結(jié)果中提取對制動質(zhì)心側(cè)向跑偏量影響占比5%以上的因子，包括一橋、二橋板簧杠桿比，三橋前束，一橋、二橋板簧剛度等。懸架板簧剛度及板簧杠桿比為主要影響因素，實(shí)車上應(yīng)盡量減小左右板簧剛度差異，加強(qiáng)對板簧安裝位置把控，以減小制動跑偏。

2.4 輪胎

輪胎部分采用pac輪胎模型，用魔術(shù)公式表征輪胎特性，影響因子主要包括縱向和側(cè)向方向輪胎特性曲線的形狀系數(shù)、水平偏移系數(shù)、垂向偏移系數(shù)、曲率系數(shù)、峰值摩擦系數(shù)、剛度系數(shù)、外傾系數(shù)，輪胎半徑，徑向剛度等。對輪胎部分進(jìn)行制動跑偏靈敏度分析，提取敏感因子如圖8所示。

從輪胎靈敏度分析結(jié)果中提取對制動質(zhì)心側(cè)向跑偏量影響占比5%以上的因子，包括一橋、二橋、四橋輪胎半徑；相對靠前的影響因子還有三橋輪胎半徑，一二橋輪胎縱向摩擦系數(shù)，一橋輪胎徑向剛度等。綜合來看，應(yīng)盡量減少實(shí)車各軸輪胎半徑差異，可從輪胎胎壓，輪胎徑向剛度，輪荷等方面進(jìn)行控制。

2.5 制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)部分主要關(guān)注管路壓力控制方式參數(shù)，影響因子主要包括制動管路延遲時間、ABS開啟時滑移率、ABS關(guān)閉時滑移率、制動力矩與制動壓力比值、制動壓力分配、制動執(zhí)行時間等。以制動系統(tǒng)參數(shù)為影響因子進(jìn)行制動跑偏靈敏度分析，提取敏感因子如圖9所示。

從制動系統(tǒng)靈敏度分析結(jié)果中提取對制動質(zhì)心側(cè)向跑偏量影響占比5%以上的因子，包括一橋、二橋、三橋、四橋制動延遲時間，一橋、二橋ABS關(guān)閉時滑移率，相對靠前的影響因子還有制動壓力分配，制動力矩與制動壓力比值等。綜合分析，一二橋制動系統(tǒng)特性相對于三四橋?qū)χ苿优芷绊懜蟆?/p>

3 結(jié)論

文章以四軸商用車動力學(xué)模型中的質(zhì)量屬性、轉(zhuǎn)向、懸架、輪胎、制動5個部分的建模參數(shù)為影響因子，搭建各系統(tǒng)靈敏度分析模型，并提取各系統(tǒng)中影響制動跑偏的敏感因子。文中還對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要影響因子進(jìn)行展開分析，將整車-系統(tǒng)級影響下沉到零部件級，有利于設(shè)計階段對車輛轉(zhuǎn)向及懸架的設(shè)計控制。

通過文章的研究內(nèi)容，可在車輛設(shè)計階段及實(shí)車使用階段，對制動跑偏問題進(jìn)行設(shè)計管控及應(yīng)用規(guī)避。

參考文獻(xiàn)：

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[3]郭孔輝.汽車操縱動力學(xué)原理[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2011.