投身汽車工業 創新制動研究

吳 彪 李 桐

1886年1月，世界上第一輛汽車誕生，它被稱為“改變世界的機器”。汽車發明以后，人的活動范圍半徑由每天幾公里、十公里，擴展到了幾十公里、上百公里。汽車的發明、生產和應用，使得人類生活有了巨大的改變。歷經時代的變遷，如今，汽車已經是人類日常生活不可或缺的重要組成部分。

1956年，中國第一輛解放牌卡車下線，結束了中國不能自己制造汽車的歷史。60多年來，從自力更生到合資建廠，再到自主研發，如今中國已經成為世界上汽車產銷量最多的國家。但是，市場換不來核心技術，有錢也買不來核心技術，必須自主創新、自立自強，這是中國汽車工業乃至全國各行各業的共識和使命。汽車的安全性核心在于行止有度，無論是加速驅動，還是減速制動，都是汽車的基礎性核心技術，都是我國建設汽車強國的重大技術需求。作為自主開發制動系統的科研工作者，張立軍及其研究團隊就一直前行在中國汽車行業創新開拓的一線。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。2020年，由張立軍作為第一負責人研發的項目“全頻段汽車制動系統動態設計與評價關鍵技術及應用”獲得了上海市科技進步獎一等獎。該項目聚焦“評價診斷難”和“設計控制難”技術要害，獲得發明專利16項、行業標準6項、實用新型68項等成果；近3年實現直接新增產值132.25億元、利潤11.9億元，經濟效益顯著，為祖國汽車工業的發展提供了堅實的技術支撐。

張立軍（左一）指導學生開展研究

科研聚焦汽車摩擦制動

為國而研，為民而創。張立軍團隊的工作一直在圍繞著祖國的重大科研需求展開。特別是在“中國制造2025”的大背景下，汽車行業“強基”產品的設計與研發，也是國家汽車工業發展的重要組成部分。從2003年起，他就和研究團隊針對“全頻段汽車制動系統動態設計與評價關鍵技術及應用”展開了十余年的科研探索。

汽車制動系統是汽車最重要的系統之一，特別是近年來，隨著車輛技術的進步和汽車行駛速度的提高，這種重要性表現得越來越明顯。當前，我國的交通安全形勢不容樂觀，主要問題就包括道路交通事故發生率持續上升。根據相關資料報道，以10萬人作為統計單位，中國作為全球人口最多的發展中國家，交通死亡率為18.8，高于中等收入國家18.5的平均水平，更是高收入國家9.3比例的一倍。車輛的制動系統便是導致交通事故的重要因素之一。

張立軍（左三）被授予“中國汽車工程學會會士”

同時，隨著公路業的迅速發展和車流密度的日益增大，人們對車輛安全性、可靠性的要求越來越高，為保證人身和車輛的安全，必須為汽車配備十分可靠的制動系統。而張立軍團隊所致力的“全頻段汽車制動系統動態設計與評價關鍵技術及應用”項目就是針對汽車的摩擦制動器而展開的。

“事實上，摩擦制動器和汽車發動機的地位是同等的。發動機使汽車的速度、運輸效率不斷提高，而制動器是保障汽車安全的核心器件。”張立軍說。從這一角度而言，摩擦制動器在汽車及其他交通裝備的安全方面，發揮了核心作用。而張立軍及其科研團隊所做的研究工作，就是針對摩擦制動器在整個工作過程中產生的動態現象進行分析，掌握它的規律，提出有效的解決方案，并在行業中進行應用。

在張立軍的介紹下，記者了解到：如果制動系統設計不合理的話，汽車制動器在基于摩擦原理的工作場景之下，就會產生很多附加效應，尤其是在動力學不匹配的情況下，會產生嚴重的振動和噪聲問題。“一方面危害汽車的制動性能，另一方面，它會使汽車駕駛員或乘客產生負面的心理主觀感受，從而影響其駕駛狀態及駕乘舒適性，不僅對汽車行駛的安全性造成影響，同時也會對整個汽車品牌的質量品質以及產品的接受度造成影響。”他說。

特別是近些年來，隨著人們對汽車品質和用戶體驗要求的日益提高，超低頻制動踏板感覺（0-5H z）、低頻制動抖動（0-200Hz）、中頻制動顫振（50-1kHz）與高頻制動尖叫（1k-16kHz）四大疑難問題一直位列汽車用戶質量抱怨前列，是全球全行業前沿技術難題。在這一背景下，張立軍團隊一直在為解決領域內存在的問題而不斷攻關探索。

十余年探索攻關有所成

汽車工業發展的大潮滾滾而來，在張立軍看來，過去的十幾年中，中國的汽車行業已經實現了飛速發展。不同時期、不同階段汽車工業所面對的行業問題也不同，而作為多年來扎根在這一領域的科研人，他和研究團隊理應肩負起使命，面對汽車行業的“硬骨頭”展開全方位探索攻關。

功夫不負有心人。在“全頻段汽車制動系統動態設計與評價關鍵技術及應用”項目的支撐下，張立軍及其科研團隊針對汽車制動系統“評價診斷難”和“設計控制難”技術要害，完全獨立自主攻克了面向對象的全頻段汽車制動系統動態設計與評價關鍵技術，總體技術國際先進，部分國際首創。

制動踏板是汽車駕駛五大操縱件之一，使用頻次非常高。駕駛人掌控水平直接影響著汽車駕駛安全。針對制動踏板感覺的主客觀評價指標間關聯性差、系統結構參數與客觀指標間的關聯性差兩大難題，張立軍團隊自主建立了基于層次分析法的制動踏板感覺靜/動態主客觀指標互聯關系，國際首創氣-液-固多相非線性參數化制動系統踏板感覺與制動感覺預測模型及設計匹配技術，模型預測精度超90%，成功實現了客觀評價試驗對主觀評價試驗的有效替代。

汽車抖動影響著整車駕駛的舒適性，其中制動抖動是各大汽車廠的科研難題。針對制動熱抖動試驗與評價方法缺失、預測模型計算量大及控制不力等難題，他們構建了制動器、底盤角、整車多層次試驗規范和評價方法，自主建立了集成制動器熱機耦合模型與摩擦振動模型的聯合仿真技術，以及系統結構參數匹配和驅動轉矩主動補償的制動抖動控制方法，形成了系統的制動熱抖動試驗規范，模型預測精度達到90%以上，百車故障率大幅降低。

汽車制動器摩擦顫振是一種在極低車速和較低制動壓力下，由制動器摩擦振動激發的非線性噪聲問題。針對制動顫振作用機制不清和控制措施附加質量大的難題，團隊首創了制動顫振臺架和道路試驗規范及非線性非穩態特征提取與評價方法，率先提出制動器小尺度粘滑振動和懸架系統大尺度弓形變形的雙作用顫振耦合機理并建立面向對象的多維多尺度仿真模型，由此在國際上首創微附加質量的被動控制方法和無附加質量的制動/驅動主動控制方法，首次將預測精度提高到90%以上，幾十克級質量控制效果與國外附加13.3kg的控制效果相當。

汽車制動噪聲是在汽車制動這一特定條件下產生的噪聲，大型車輛，尤其是公交客車是這一環境污染的主要來源。針對制動尖叫的時變性和不確定性評價與預測難題，團隊創新提出了高頻摩擦振動條件下的系統動態摩擦系數概念和辨識方法，創新建立了制動尖叫時變性評價指標體系與高效率制動尖叫瞬態仿真模型，以及制動尖叫不確定性評價指標體系、制動尖叫不確定性有限元預測模型和穩健性設計方法，制動尖叫計算效率提高2萬倍以上，尖叫發生率降低超過40.7%。與國內外同類技術相比，總體技術指標達到國際先進水平，部分技術國際首創。

“將科研成果落地生根”一直是張立軍團隊前行的動力與目標。在這一目標的驅使下，他們積極與國內的相關汽車企業合作。項目成果在6家整車企業和9家制動系統/器企業大規模推廣應用，極大地推動了我國汽車行業的制動系統自主核心技術的開發能力和市場競爭力。近3年實現直接新增產值200億元以上，取得了良好的社會與經濟效益。

難忘的科研攻關之路

“走屬于自己團隊獨有的科研之路。”一直以來，張立軍始終認為，科學研究的靈魂在于將科研成果與實際相結合，這樣才是有溫度、有意義的科學研究。

十幾年的科研攻關過程，張立軍及其科研團隊所研發的項目充分體現了學校基礎研究與企業合作的結合，其立足點都是來自行業的前沿問題，以及企業產品開發的需求。“這其中最為難忘的還是我們在這一過程中有一些新的發現或者新的技術突破，并在企業轉化應用中逐漸得到認可。”他說。

在制動踏板感覺的相關研究中，以往的研究者基本上通過道路試驗進行前期探索，而張立軍團隊在進行相關研究時，增加了臺架試驗和系統建模的分析環節，將道路試驗的核心特征和結果在臺架試驗與電腦仿真上進行在線貫通。在這一改進措施的基礎上，他們打破了原來道路試驗憑經驗修改結果的狀態，將其直接與產品的優化開發相結合，直擊問題，并給出了更多的問題解決路線，而企業也可以在這一基礎上，根據他們的資源成本選擇最佳方案，可謂一舉兩得。

除此之外，在汽車制動顫振研究中，原來大多數企業只是在制動器上做文章，比如修改制動器的材料配方、制動器的結構等，但是這一過程花費的時間和經濟成本巨大。針對這一現狀，張立軍團隊通過不斷攻關，提出了對驅動系統中引起速度變化的相關軟件進行調節。“在這其中，我們只需做一個小的代碼修改，成本非常低，而且花費時間很短，就將原來汽車制動器中所存在的問題從源頭上進行了消除。”他說。

教師節團隊合影

除此之外，張立軍團隊還發現了車橋系統的預變性（或弓形效應），即車輛啟動剎車程序后，其前輪和后輪之間的輪距會縮小，產生往前沖的態勢，啟動的時候會通過力的釋放起到瞬間加速的作用。為了避免這一情況，張立軍團隊開始通過調節壓力裝置，使車輛處于松弛狀態，從而避免了車輛弓形附加效應的出現。

然而將創新成果應用到實際的過程中，并不是一帆風順的。因為企業在過往的生產制造過程中，已經形成了自己的一套理論制作方法。而將改進的新方法在展開利用的過程中，很多企業一開始并沒有接受這些建議。在這一現狀下，張立軍團隊也做了大量的論證與說服工作，并最終將這些新方法成功應用其中。“在這一過程中，我印象最深的就是我們團隊在精細化研究理論分析中所體現的實力，最終實現了目標。”張立軍說。能將科研成果，真正造福于企業、進而造福于社會，便是張立軍團隊最為驕傲的事情。

矢志開拓的科研旅程

樹由其果實而得名。“有科學認知、有技術開發、有技術的轉移和應用，科研團隊做的工作也相對比較完整，對于獎項的獲得及業內的認可也是一個水到渠成的過程。”一直以來，對于團隊獲得的成果，張立軍始終抱著一種謙虛的心態。

在張立軍看來，在團隊正確科研方向的前提下，將科學研究面向經濟主戰場以及行業重大產品的需求，從根本上解決科研問題，建立團隊核心競爭力或者學術影響力，這與國家所倡導的自主創新、提高核心競爭力、解決“卡脖子”問題的初衷是一致的，而這也與他多年來的科研積淀息息相關。

回顧自己的科研之路，張立軍與車輛工程專業的結緣還要追溯到20世紀90年代。1996年，他順利從同濟大學機械工程學院汽車工程系畢業，獲得了汽車設計與制造專業學士學位。在此之后，他又在同濟大學機械工程學院汽車工程系、同濟大學汽車學院進行研究生以及博士階段的學習，最終獲得同濟大學車輛工程專業工學博士學位。從本科來到同濟就讀到留校任教，不知不覺三十載光陰匆匆即逝。

多年來，張立軍長期奮戰在汽車系統動力學分析與控制領域的科研和教學第一線。從最初專注于車輛工程領域的研究到結構動力學領域的跨越，21世紀之后，張立軍又參與到新能源汽車動力學版塊研究中，在相關領域積累了豐富的經驗。

近5年來，張立軍主持國家科技部電動汽車試點專項計劃課題、國家自然科學基金面上項目、上海汽車工業發展基金課題、德國舍弗勒汽車集團和上汽大眾汽車有限公司等課題共10項，發表SCI/E I等論文48篇，申請和授權發明專利25項和16項，獲得軟件著作權11件，國內外學術特邀報告3次，在領域內做出了諸多優秀的科研成果，并產生了一定的團隊影響力。

展望未來，張立軍團隊的科研使命仍然艱巨。2020年，國務院辦公廳印發了《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》，要求深入實施發展新能源汽車國家戰略，推動我國新能源汽車產業高質量可持續發展，加快建設汽車強國。在張立軍看來，我國對新能源汽車的重視程度很高。一直發展到現在，我國在新能源汽車版塊中，不管是車型的數量、產銷量還是應用規模以及基礎設計、相關的基礎設施，在全球范圍內都處于前列。對于后續中國新能源汽車的發展重點，張立軍主要將此分為三個版塊：第一是車本身的動力版塊，即所謂的三電（電池、電機、電控）；第二為能源基礎設施端，怎樣從可再生能源中構建一套發電、制氫等為核心載體的儲能體系，對將來電動汽車的大規模商業化應用非常重要；第三，汽車電動化之后，會對整個車的結構帶來根本性的革命。在這一現狀下，車身等都應該進行新結構、新材料的升級換代以及進一步優化。

而在汽車的智能化方面，張立軍認為其也可以與汽車的底盤或動力系統結合起來，因為不管是底盤還是動力系統，都是天然的執行器。而在新能源汽車的相關研究中，張立軍就是從動力系統出發展開研究的。“因為我是做動力學出身的，對汽車本身的結構設計和優化設計與控制相結合等方面也做了大量工作，未來我也希望能將此與汽車的智能化貫通起來，將自己的研究領域進行拓展。”張立軍說。

祖國汽車行業的崛起是一代代科研人共同努力的結果。作為博士生導師，張立軍始終將培養汽車行業的后備青年科研人才作為自己的職責。對于學生的培養，他始終認為：學生擁有對未來的明確目標以及對科學研究的絕對專注度是極為必要的。只有在這樣的研究錘煉下，他們才會在自己的專屬領域中扎穩腳跟，真正做到腳踏實地，進而將科研成果落地，造福社會。

矢志不渝科研路，孜孜不倦筑夢行。轉眼間，張立軍在同濟已經接近30個年頭。一個地方，兩種身份——學生、老師，三件事——學習、工作、生活，和別人自我介紹時，張立軍經常會用這樣的一、二、三來形容自己。如今回首望來，他每一步都走得如此扎實與篤定。

30年來，把像張立軍一樣的科研工作者緊緊聯系在一起的，是創造新中國汽車工業這個樸實而又偉大的理想。這理想深藏于內心，卻又如火一般熾熱純粹。未來，他仍會和團隊成員們一起投身于中國汽車工業發展的大潮中，前行不輟。