李姮、尹青春、汪愛軍、李雪娟
(上汽通用五菱汽車股份有限公司,柳州 545007)
環(huán)境保護不容忽視,因此國家政策和法規(guī)對油耗的要求不斷提高。目前國六A排放標準已于2020年7月1日全面實施,更嚴格的國六B標準也將于2023年實施。國家新推出的節(jié)能汽車推廣補貼政策,相比之前,對車輛的節(jié)能、環(huán)保程度要求也越來越高。如今乘用車市場競爭激烈,良好的燃油經(jīng)濟性是重要籌碼。A0級、A級乘用車是競爭日益激烈的細分型市場,為獲得更大的市場競爭力,突顯“低成本、高價值”的優(yōu)勢,需要通過對前置前驅(qū)車型的傳動系統(tǒng)進一步優(yōu)化,來提升燃油經(jīng)濟性。
本文以某MPV車型為基礎(chǔ),通過對車輛的制動器結(jié)構(gòu)進行研究,分析其與油耗之間的關(guān)系。同時,通過對制動器相關(guān)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,降低制動系統(tǒng)阻力,提升傳動效率,以達到整車油耗降低1%~2%的目標。
車輛行進過程中,制動器產(chǎn)生的拖滯力矩是造成油耗增加的主要原因,因此要實現(xiàn)降低油耗的目的,就需要降低制動器工作時的拖滯力矩。制動器結(jié)構(gòu)主要由制動鉗、制動盤、輪轂軸承、轉(zhuǎn)向節(jié)和防塵板5大部分組成(圖1),根據(jù)其工作原理,拖滯力矩主要由輪轂軸承和制動鉗產(chǎn)生,其他均為結(jié)構(gòu)連接件。輪轂軸承拖滯力矩是指滾動體克服內(nèi)部油脂及密封結(jié)構(gòu)所需要的力矩。而制動鉗拖滯力矩則是在取消制動后,摩擦片與制動盤仍存在一定局部接觸,繼續(xù)對汽車起制動作用的力矩。
圖1 制動器組成圖
根據(jù)制動器產(chǎn)生拖滯力矩的原因,對制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化實施流程如下。
(1)對制動器進行總成分解,分析各部件性能,明確優(yōu)化對象。
(2)對輪轂軸承、制動鉗等零部件進行阻力對標試驗,得到制動器各部件阻力分布現(xiàn)狀,探究其優(yōu)化空間。
(3)針對影響零部件的因素設(shè)計試驗,研究各因素分別對輪轂軸承的摩擦力矩值、以及制動鉗的拖滯力矩值的影響。
(4)提出優(yōu)化措施,制定優(yōu)化方案,試制樣件,并對樣件進行檢測與驗證。
(5)樣件裝車后,進行整車綜合油耗測試、滑行阻力與滑行距離測試。
(6)根據(jù)樣件試驗結(jié)果以及實車驗證結(jié)果,得到實際可行的傳動系優(yōu)化措施。
輪轂軸承作為制動器拖滯力矩重要影響因素,對整車制動系統(tǒng)提升燃油經(jīng)濟性具有重要作用。研究表明,輪轂軸承拖滯力矩影響因素前三位分別為:密封圈、潤滑脂和游隙。其中,密封圈貢獻了其摩擦力矩的50%以上,潤滑脂約20%,輪轂軸承工作游隙次之。
本文根據(jù)標桿件對比測試,同時測量該MPV、對標車A與對標車B的輪轂軸承摩擦力矩,并進行比較(圖2)。通過比較發(fā)現(xiàn),該MPV的輪轂軸承摩擦力矩平均大于對標車A約9%,大于對標車B約24%。同時經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn),引起該MPV輪轂軸承摩擦力矩較后兩者偏高的主要因素包括密封圈型式、潤滑脂及負游隙。
圖2 輪轂軸承摩擦力矩對比圖
2.1.1 密封圈對輪轂軸承摩擦力矩的影響
密封結(jié)構(gòu)與摩擦力矩之間的關(guān)系如圖3所示。密封圈越少,摩擦力矩越低,且上密封圈對摩擦力矩的影響約為下密封的2倍。同時,將某MPV和對標車的輪轂軸承密封圈進行對比研究,具體結(jié)構(gòu)如下。
圖3 密封結(jié)構(gòu)對摩擦力矩的影響對比圖
該MPV的上密封型式為四唇,下密封型式為三唇;對標車上、下密封型式均為三唇。在不影響密封性能的前提下,將上密封由四唇結(jié)構(gòu)改為三唇結(jié)構(gòu),相應(yīng)的裝配過盈量做適當?shù)恼{(diào)整。具體更改結(jié)果如圖4所示。
圖4 密封圈結(jié)構(gòu)更改圖
對改進后的密封圈進行輪轂軸承的摩擦力矩測試,測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示,在保證密封性能的前提下,優(yōu)化改進后輪轂軸承的摩擦力矩較優(yōu)化前的力矩降低10.4%,約0.135 N·m。
圖5 密封圈優(yōu)化后的摩擦力矩對比圖
2.1.2 油脂對輪轂軸承摩擦力矩的影響
將該MPV輪轂軸承使用的潤滑油脂和另外3種不同黏度的油脂進行對比研究,對比試驗結(jié)果如圖6所示。
圖6 各油脂對摩擦力矩的影響對比圖
結(jié)果顯示,采用黏度較低的3號潤滑脂能降低摩擦力矩約40%。3號潤滑脂能夠大幅度降低輪轂軸承的摩擦力矩,推薦使用。
2.1.3 負游隙對輪轂軸承摩擦力矩的影響
在三代輪轂軸承裝配過程中,采用預(yù)緊的方式消除滾動體與滾道之間的接觸間隙,形成負游隙。不同負游隙的對比試驗結(jié)果如圖7所示。
圖7 不同游隙對摩擦力矩的影響對比圖
試驗結(jié)果表明,不同負游隙下軸承的摩擦力矩相差高達11%。合理設(shè)計負游隙公差,選用絕對值小的負游隙,可以顯著減小摩擦力矩。
輪轂軸承總體優(yōu)化方案如下。
(1)潤滑脂優(yōu)化,注入3號潤滑脂。
(2)密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化,上密封四唇密封結(jié)構(gòu)改為三唇密封,同時更改裝配過盈量。
(3)負游隙優(yōu)化,選用絕對值小的負游隙。
優(yōu)化輪轂軸承匹配整車后,進行油耗測試。未優(yōu)化輪轂軸承之前,該車型的平均油耗為7.347 L/100 km,優(yōu)化輪轂軸承后平均油耗為7.267 L/100 km,滑行距離和滑行阻力也都有明顯改善。具體表現(xiàn)為,匹配優(yōu)化后的輪轂軸承整車油耗降低了0.080 L/100 km,節(jié)油率達到了1.1%;熱態(tài)滑行距離增加37.7 m;熱態(tài)滑行阻力降低了約10 N,達6%。輪轂軸承的密封圈優(yōu)化不增加成本,成本取決于潤滑脂,推薦實施優(yōu)化。
通過大量的對比分析和數(shù)據(jù)測試,表明通過對輪轂軸承的密封圈、潤滑脂和負游隙進行優(yōu)化后,可以有效降低整車油耗并保證輪轂軸承基本性能。改進后的輪轂軸承在耐久性能、密封性能上也做了對應(yīng)驗證,不比改進前差,改進措施可實施。
制動鉗作為制動器拖滯力矩重要影響因素,對整車制動的燃油經(jīng)濟性具有重要作用。在之前的著作中,通過對制動過程中的摩擦片進行受力分析,結(jié)合實驗分析出制動盤厚薄差對制動拖滯的影響。此外,制動卡鉗制動間隙、鉗體剛度、密封圈、密封槽以及摩擦塊卡簧等因素,也會對制動拖滯力矩產(chǎn)生各種影響。
本文同時測量該MPV、對標車C和對標車D的制動鉗拖滯力矩,并進行比較,測試結(jié)果如圖8所示。
圖8 制動器拖滯力矩對比圖
通過比較發(fā)現(xiàn),某MPV制動器拖滯力矩比對標車C高0.300 N·m,比對標車D高2.100 N·m。該MPV制動器拖滯力矩與對標車D相比,存在較大的優(yōu)化空間。同時經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn),引起該MPV制動器拖滯力矩較另外2款對標車型偏高的主要因素包括制動盤端面跳動、消音片材料及活塞與消音片接觸面積。
3.1.1制動盤端面跳動對拖滯力矩的影響
端面跳動與拖滯力矩呈正相關(guān)。端面跳動越小,拖滯力矩越小。當制動盤的安裝跳動從0.050 mm降到0.038 mm,拖滯力矩最大值降低0.160 N·m,平均值降低0.280 N·m。 但是考慮到降低端面跳動需要的技術(shù)較高,成本增加較多,而相應(yīng)的拖滯力矩值降低幅度不明顯,不建議實施。
3.1.2 消音片對拖滯力矩的影響
消音片拆卸后,該MPV較對標車C的拖滯力矩多降低0.620 N·m,降幅達32.9%,消音片對該MPV制動鉗拖滯的影響更大。因此可以考慮從消音片方面來降低拖滯力矩。
對標車D的制動鉗拖滯力矩平均比該MPV低1.370 N·m(約50%)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),該MPV使用的消音片為全金屬結(jié)構(gòu),制動過程中消音片變形量大;而對標車D使用的消音片為金屬和橡膠的混合結(jié)構(gòu),制動過程中消音片變形量更小,對減少拖滯力矩作用更明顯。所以可以考慮從消音片選材方面來降低拖滯力矩。
3.1.3 活塞與消音片接觸面積對拖滯力矩的影響
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),增大活塞與消音片接觸面積,也可以使制動過程中消音片變形減小。解除制動后,消音片恢復(fù)變形對工作間隙影響變小。設(shè)計上,可通過增加活塞蓋來實現(xiàn)增大活塞與消音片接觸面積(圖9)。
圖9 增大活塞與消音片接觸面積
增大活塞與消音片接觸面積(增大3倍)后,探究其對拖滯力矩影響,測試結(jié)果如圖10所示。測試結(jié)果表明,增大活塞與消音片接觸面積3倍后,拖滯力矩平均降低0.300 N·m,且活塞蓋不影響正常制動,推薦實施。
圖10 增大活塞面積對拖滯力矩影響對比圖
制動器總體優(yōu)化方案如下。
(1)消音片選用金屬和橡膠的混合結(jié)構(gòu)。
(2)通過增加活塞蓋,增大活塞與消音片接觸面積。
優(yōu)化制動器匹配整車后,進行油耗測試。未優(yōu)化制動器前該MPV的平均油耗為7.180 L/100 km,優(yōu)化后的平均油耗為7.010 L/100 km,滑行距離和滑行阻力也都有明顯改善。具體表現(xiàn)為,匹配優(yōu)化制動器后的油耗降低了0.170 L/100 km,節(jié)油率達到了2.3%;以50 km/h的速度熱態(tài)滑行距離增加26.0 m,高速下滑行阻力降低了約10 N,達6.0%。
通過大量的對比分析和數(shù)據(jù)測試,表明通過對制動器消音片的材料和接觸面積進行優(yōu)化后,在增加少量成本的基礎(chǔ)上,可以有效降低整車油耗。改進后的制動鉗在耐久性能、耗液量和噪聲匹配上也做了對應(yīng)驗證,不比改進前差,改進措施可實施。
汽車節(jié)能是一項長期而艱巨的工作,而影響汽車油耗的因素也是復(fù)雜多變的,制動器的優(yōu)化只是眾多方法之一。隨著中國經(jīng)濟的大力發(fā)展,越來越多的企業(yè)和家庭擁有汽車。而隨著國際油價的大幅上漲,導致中國的油價也跟著水漲船高,油料支出的成本占家庭支出和企業(yè)運行成本的比重也越來越大。因此降低汽車油耗本身就意味著降低運營成本,減少環(huán)境污染,提高經(jīng)濟效益。