唐甸鑫

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

微型汽車制動抖動問題探討

唐甸鑫

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

文章通過介紹某微型汽車盤式制動器抖動問題進(jìn)行分析歸納，對制動抖動機(jī)理、影響因素，并探討當(dāng)前研究的重點(diǎn)問題和今后研究的方向，為后續(xù)理論分析研究提供一種解決思路，奠定了基礎(chǔ)。

制動系統(tǒng)；盤式制動器；制動抖動；抖動機(jī)理

CLC NO.: U472.4 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)09-40-04

1、制動系統(tǒng)概述

制動系統(tǒng)強(qiáng)制降低行駛速度其主要作用是使行駛的汽車按照駕駛員的意志進(jìn)行各種操作例如：制動，減速，加速，以及保持汽車上下坡行駛時(shí)速度的平穩(wěn)性。

2、制動引起的噪聲與振動的分類

制動器主要是通過摩擦力實(shí)現(xiàn)車輛的減速以及停車。在制動的過程中，因?yàn)橹苿颖P和摩擦片之間的相互作用，就會有噪聲和振動現(xiàn)象的出現(xiàn)。按照制動過程中的造成以及振動出現(xiàn)的情況，可以劃分為：制動抖動、制動嘯叫以及制動顫振。在振動頻率上，振動顫振要高于制動抖動，而制動嘯叫要比制動顫振的頻率高[1]。

在制動抖動中，可以將車輪的轉(zhuǎn)速頻率相同的振動看成為一階，如果頻率是車輪轉(zhuǎn)速的兩倍，就看成為二階。制動抖動主要包含了1~5階，其振動頻率不會超過100Hz。其中，制動抖動也可以劃分成為冷抖動和熱抖動兩個(gè)部分。

制動顫振的是因?yàn)槟Σ翂K表面和制動盤之間的摩擦引起的。當(dāng)車輛處于低速制動的時(shí)候，摩擦表面就存在粘(著)-滑(動)之間的相互運(yùn)動。當(dāng)處于粘著狀態(tài)的時(shí)候，兩個(gè)表面之間的摩擦力稱之為靜摩擦力，當(dāng)出現(xiàn)相對滑動的時(shí)候，就會存在滑動摩擦力?？紤]到靜摩擦的系數(shù)要比滑動摩擦系數(shù)高，導(dǎo)致摩擦力也在不斷的變化，這樣就會有振動出現(xiàn)。震顫還有可能使因?yàn)殡S著速度的增加，摩擦系數(shù)降低的負(fù)阻尼因素導(dǎo)致的。顫振的頻率處于嘯叫與抖動之間，在100~ 1000Hz之間。制動所引起的顫振一般在10km/h的車速下出現(xiàn)。

制動嘯叫主要是因?yàn)橹苿釉旧沓霈F(xiàn)模態(tài)共振所引起的，嘯叫的頻率與車速之間沒有直接的關(guān)系。嘯叫的頻率都會超過1000Hz，主要是利用空氣來進(jìn)行傳播。對于制動嘯叫，多外研究的較多，其主要是針對不同的模型，從而對產(chǎn)生的機(jī)理以及制動嘯叫如何才能夠消除而建立出來的。

3、盤式制動器制動抖動現(xiàn)象

對于現(xiàn)代轎車，盤式制動器是最常用的制動方式，目前，大部分乘用車都會選擇前盤后鼓或者四輪盤式制動器的方式。制動抖動主要是因?yàn)橹苿恿氐牟▌铀l(fā)的低頻振動，通過車身與底盤零部件，就可以將振動傳遞給駕駛員。制動抖動最為明顯的就是座椅振動，儀表盤和方向盤出現(xiàn)劇烈抖動，甚至還會出現(xiàn)制動踏板脈動的現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)，還會出現(xiàn)整車抖動的現(xiàn)象。其主要標(biāo)新在車輛高速行駛，并且中等強(qiáng)度進(jìn)行制動的時(shí)候，當(dāng)車速降低到某一個(gè)數(shù)值開始出現(xiàn)抖動，進(jìn)而降至某一特征車速抖動幅值達(dá)到最大，直至車速抖動消失留在整個(gè)制動過程中，振動會經(jīng)過小-大-小的幅值變化，屬于共振階段的強(qiáng)迫振動。制動抖動指的是車輛在一定車速的時(shí)候，出現(xiàn)了制動力矩的波動，并且這樣還會導(dǎo)致制動探班、轉(zhuǎn)向盤、座椅等多個(gè)方面的劇烈振動。

4、制動抖動的機(jī)理

針對制動力矩所引發(fā)的制動器抖動，利用輪胎地面的耦合系統(tǒng)就可以將其實(shí)現(xiàn)。當(dāng)制動力矩因?yàn)槟骋魂U述變化而出現(xiàn)一定程度波動的時(shí)候，其制動力矩與地面制動力相對應(yīng)的規(guī)律就會出現(xiàn)波動，通過軸承、車輪等連接件就會傳遞給制動器，進(jìn)而導(dǎo)致制動器產(chǎn)生相同的振動。如果車架所傳遞的振動被放大，就會導(dǎo)致車身的地板和系統(tǒng)轉(zhuǎn)向盤也出現(xiàn)抖動，最終引起制動抖動。

通過具體的分析，制動力矩同壓緊壓力、接觸面積、制動盤使用材料的摩擦系統(tǒng)以及相對應(yīng)的等效作用的半徑之間是成正比的，其公式如下：

其中，T表示的是制動力矩；p表示的是接觸壓力；A表示的是接觸面積；μ表示的是摩擦系數(shù)；r表示的是摩擦力等效作用半徑。

很明顯，無論是pAμr任何一個(gè)出現(xiàn)了變化，那么制動力矩都會出現(xiàn)相對應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致制動力矩波動的出現(xiàn)。在實(shí)際的制動過程中，很難控制這一部分參數(shù)不會出現(xiàn)任何的轉(zhuǎn)變，所以，制動抖動本身也會因?yàn)椴煌潭鹊臓顩r而存在于實(shí)際的車輛行駛環(huán)節(jié)。

5、制動抖動的影響因素

（1）制動盤厚薄差

制動盤厚薄差主要是沿著圓周的方向，其制動盤的厚度也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。其厚薄差會直接出現(xiàn)不均勻的接觸壓力分布，同時(shí)也可能引發(fā)制動力等效半徑的變化。同時(shí)，制動分泵的活塞軸也會因?yàn)橹苿颖P的厚度變化而出現(xiàn)異動，這樣就會引發(fā)制動壓力的波動。通過試驗(yàn)表明，當(dāng)車況一定的時(shí)候，就算是出現(xiàn)了15um的厚薄差，如果駕駛?cè)藛T足夠細(xì)心，也會感覺到制動抖動。

出現(xiàn)制動盤厚薄差的主要原因在于：第一，加工誤差。第二，在非制動狀態(tài)下，非制動狀態(tài)的磨損。因?yàn)楦鱼Q不能夠及時(shí)的回位或者是因?yàn)橹苿颖P本身安裝出現(xiàn)了偏移，這樣就會導(dǎo)致摩擦塊同制動盤局部存在輕微的接觸，可能接觸力不會很大，但是因?yàn)榇嬖陂L時(shí)間的摩擦，就會導(dǎo)致制動盤厚薄差的出現(xiàn)，這樣就會有制動力矩波動的出現(xiàn)。第三，在熱效應(yīng)的制動過程中，會逐漸提升制動盤的溫度，這樣很可能會引起制動盤的翹曲變形的問題，這樣也會讓制動盤的厚薄差進(jìn)一步增大。

就算是不存在制動盤形狀誤差，但是因?yàn)閮?nèi)圈的相對速度要低于外圈相對速度。在持續(xù)的制動過程中，在外圈就會有一個(gè)熱帶的存在。通過大量的實(shí)踐研究表明。一旦速度超出了某一個(gè)臨界速度，那么久會導(dǎo)致熱帶成為熱點(diǎn)，如95km/h。

（2）制動盤端面跳動

制動盤端面的跳動主要是沿著圓周的方向，制動盤的盤面會存在軸向高低的變化，但是不一定就會存在后厚薄差。當(dāng)端面的跳動制動盤出現(xiàn)不懂角度的旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，摩擦塊與摩擦塊之間就會形成微小的距離變化。對于摩擦塊而言，這樣的作用與厚薄差是相同的，但是會面臨摩擦系數(shù)變化、接觸壓力分布不夠均勻以及制動力等效半徑變化的問題，這樣就會引發(fā)制動壓力以及制動力矩波動的問題[2]。

（3）摩擦系數(shù)的變化

隨著相對速度、溫度以及接觸壓力的變化，摩擦系數(shù)也會有所改變。利用臺架的試驗(yàn)我們就可以清楚的了解到，隨著相對速度的降低，摩擦系數(shù)會逐漸增大，但是隨著制動壓力與制動盤溫度的升高，摩擦系數(shù)會逐漸減小。在動態(tài)的制動過程中，這一些因素都會出現(xiàn)相對應(yīng)的變化，因此，摩擦系數(shù)隨著這一些因素的變化也會出現(xiàn)相對應(yīng)的變化。

（4）懸架特性和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響

當(dāng)制動力矩的波動成為了振動源之后，這樣就會導(dǎo)致周圍的環(huán)境被施加激勵(lì)，如果周圍的環(huán)境和激勵(lì)頻率亦或是傳遞途徑之上的某一個(gè)子系統(tǒng)本身的股友頻率接近或者是重合的時(shí)候，因?yàn)槭艿焦舱竦淖饔?，就會進(jìn)一步方法振動的幅值。通過大量的實(shí)踐來看，制動力矩波動主要是因?yàn)橐浑A或者是二階的擾動而引起的，也就是制動盤的厚薄差會出現(xiàn)每一圈1到2次的變化，其產(chǎn)生出的激勵(lì)頻率有可能與車速相同，但是也有可能是車速的兩倍。如果制動抖動從車速在120~ 50km/h之間，那么制動盤一階的激勵(lì)頻率就是18~7.5Hz，其二階的激勵(lì)頻率就是36~15Hz。

（5）表面波紋度

工件表面在進(jìn)行磨削的時(shí)候，就會有一定周期的高低起伏的存在，其主要是存在于宏觀和圍觀之間的形狀誤差。制動盤表面的波紋度對于抖動產(chǎn)生的影響就好比制動盤端面出現(xiàn)了跳動，其波紋度主要是因?yàn)樯拜?、機(jī)床在加工環(huán)節(jié)因?yàn)檎駝铀鸬摹?/p>

（6）熱屈曲

在熱變形的初始階段就會出現(xiàn)熱屈曲，并且還存在蝶形和波浪形等，其形狀階次特征同摩擦帶范圍之內(nèi)的溫度梯度有著直接的關(guān)系。而熱變形的另外的變形形態(tài)就屬于錐形[3]。

（7）阻尼系數(shù)的影響

摩擦材料本身的摩擦特性以及黏彈性就直接決定了阻尼。首先需要考慮材料的氣孔率；其次，基體本身的機(jī)械特性的影響。通過大量的時(shí)間研究表明：對于改善制動抖動而言，制動塊內(nèi)阻尼的增加有著明顯的效果。通過制動塊組成成分的優(yōu)化，就可以將制定力矩波動范圍降低2~3倍。

（8）車輛子系統(tǒng)影響

制動力矩波動屬于振動源，利用轉(zhuǎn)向、懸架以及輪胎等系統(tǒng)，就可以將振動傳遞給駕駛?cè)藛T可以感受到的區(qū)域之中。由于子系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性，因此，就必定會影響到抖動現(xiàn)象。第一，懸架系統(tǒng)。在進(jìn)行NVH設(shè)計(jì)的時(shí)候，汽車需要對來至于輪胎、制動力矩波動、動不平衡以及路面等激振效應(yīng)加以分析。不同的懸架類型，針對激振效應(yīng)的靈敏度也會有所差異，如麥弗遜懸架對于因?yàn)橹苿佣秳宇l率所引發(fā)的靈敏度，就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余幾種形式；雖然懸架的縱向柔度會對聲振粗糙度以及平順性加以改善，但是會讓懸架對于抖動更加的靈敏。第二，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在方向盤對于制動抖動相應(yīng)的時(shí)候，還會受到安裝方式、轉(zhuǎn)向柱質(zhì)量以及方向盤具體組件等多種因素的影響。第三，對于1-1000Hz的頻率范圍，輪胎所帶來的振動影響較大。由于加工問題，在軸向以及側(cè)向上，輪胎的剛度和形狀都不會均勻。所以，當(dāng)輪胎出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，會出現(xiàn)載荷波動，甚至還因?yàn)楹苄〉母蓴_，導(dǎo)致宗巷里、側(cè)向等出現(xiàn)變化，這主要表現(xiàn)在高速行駛的狀態(tài)下。另外，輪胎的類型也會直接的影響制動抖動。在30~60Hz的頻率范圍內(nèi)，子午線輪胎本身所具備的垂直振動傳遞的特性要比斜交胎更好。

（9）路面狀況與駕駛習(xí)慣

如果車輛在較差的路面上行駛，因?yàn)轭嶔み^于強(qiáng)烈，就會導(dǎo)致制動盤端面出現(xiàn)跳動，這樣就會加速抖動的出現(xiàn)。在告訴公路上的車輛，因?yàn)橹苿硬僮鬏^少，所以，會有非制動磨損的出現(xiàn)，這樣就有制動盤厚薄差的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致制動抖動加快的問題出現(xiàn)。在形式過程中，手搭在方向盤之上，加入方向盤同手以及手腕之間存在等效的彈簧，那么駕駛?cè)藛T個(gè)人的實(shí)際操作就會直接決定不同的等效彈簧剛度。所以，對于駕駛員而言，制動抖動出現(xiàn)的影響也會有一定的差異。在低制動壓力之下，細(xì)心的駕駛?cè)藛T會緩慢的施加制動力，機(jī)遇這樣的操作，就不會出現(xiàn)摩擦塊對于制動盤修正的作用，也不會出現(xiàn)抖動的問題[4]。

6、抖動問題的解決思路

（1）從設(shè)計(jì)方面考慮

設(shè)計(jì)方面需要考慮制動系統(tǒng)和整車的設(shè)計(jì)。制動系統(tǒng)形式、材料、元件行傳骨干等都會直接影響制動抖動。并且制動盤的熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱容量、熱膨脹系數(shù)等都會對制動盤熱變形產(chǎn)生影響。如特殊的設(shè)計(jì)，就會確保制動盤本身具備抗翹曲性。采用整體的制動盤，這樣就避免了裝配環(huán)節(jié)的存在，進(jìn)而降低了制動抖動存在的可能性。利用浮動鉗導(dǎo)向銷設(shè)計(jì)的改變，以及制動盤表面特性的改善，也可以將非制動狀態(tài)下的磨損降低。第一，制動盤的抗翹曲性。主要是針對制動盤本身的翹曲的問題，做好材料以及形狀方面針對性的設(shè)計(jì)，這樣就可以確保抗翹曲性不受到任何影響。第二，將非制動狀態(tài)下的磨損進(jìn)一步降低。

（2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

使用6西格瑪?shù)慕言O(shè)計(jì)優(yōu)化方法將結(jié)構(gòu)可靠性、6西格瑪質(zhì)量工程原理以及魯棒質(zhì)量工程等不同概率分析方法中的概念進(jìn)行合理的整合處理，這樣對于設(shè)計(jì)質(zhì)量的評價(jià)就可以從約束滿足概率性能目標(biāo)靈敏度這兩個(gè)同“西格瑪水平”設(shè)計(jì)有著相互關(guān)系的方面來進(jìn)行合理的評價(jià)，這樣也可以確保概率優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠得到全面的實(shí)施。如，當(dāng)存在小汽車抖動問題的時(shí)候，通過2片AT89C52單片機(jī)構(gòu)成主從式的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用，就可以將控制的可靠性提高，同時(shí)，再配合上語音識別系統(tǒng)，就可以將語音操作的功能完成，再配合上軟件來對校車的行駛加以控制，這樣就能夠滿足穩(wěn)定性的需求。

將裝配精度和加工精度提高，這樣就可以適當(dāng)?shù)慕档投嗣娴奶鴦樱瑫r(shí)也可以減少制動盤的厚薄差，進(jìn)而延遲制動出現(xiàn)抖動需要的時(shí)間，同時(shí)也可以減慢制動盤的磨損時(shí)間。但是需要在這一個(gè)過程中注意到裝配誤差方面的控制，確保在進(jìn)行裝配之后，其端面的跳動能夠滿足實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)需求。在加工過程中進(jìn)行時(shí)效處理的時(shí)候，當(dāng)進(jìn)行時(shí)效處理之前的固溶處理的時(shí)候，還需要嚴(yán)格的控制加熱的溫度，這樣才能確保溶質(zhì)原子最大限度的融入固溶體之中，再配合上分段的時(shí)效，這樣就可以確保取得最佳的效果。

（3）從維護(hù)方面考慮

由于不當(dāng)?shù)木S護(hù)可能會對制動器的使用壽命以及制動性能產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)還會造成車輛制動抖動的問題。如，異物直接覆蓋了制動襯塊的排屑槽，當(dāng)進(jìn)行制動的時(shí)候，就會失去刮水分以及排除塵土的作用，進(jìn)一步降低制動力；出現(xiàn)了制動襯塊正常磨損；鉗體同制動襯塊之間存在較大的間隙；因?yàn)檩喐變?nèi)活塞密封圈本身的彈力不足，這樣就會導(dǎo)致摩擦塊和制動盤之間出現(xiàn)拖磨的問題。對于上述的幾個(gè)方面都需要做好定期的檢查與維護(hù)，同時(shí)還可以按照實(shí)際的要求做好相對應(yīng)的調(diào)整與清潔，當(dāng)然，還需要做好零件的更換以及焊錫、涂鍍等相對應(yīng)的處理[5]。

（4）從使用方面考慮

引擎腳主要是在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候負(fù)責(zé)對引擎細(xì)微的抖動進(jìn)行吸收。如果避震系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，那么這一部分振動就會傳遞到車內(nèi)以及方向盤上，進(jìn)而導(dǎo)致怠速抖動的問題發(fā)生。針對這一問題，需要更換部件才可以解決。對于發(fā)動機(jī)存在嚴(yán)重積碳的問題，需要進(jìn)行油路的清洗，同時(shí)杜宇怠速馬達(dá)本身是否存在積碳的現(xiàn)象進(jìn)行檢查，并且做好相對應(yīng)的處理即可。

（5）試驗(yàn)研究方面考慮

基于制動抖動發(fā)生的廣泛性和普遍性，再加上制動抖動本身存在的不確定性與復(fù)雜性。結(jié)合動力學(xué)、熱學(xué)、摩擦學(xué)一級運(yùn)動學(xué)相關(guān)方面的知識，就可以針對制動的過程來建立熱-機(jī)耦合模型，同時(shí)還需要建立出制動盤端面跳動和厚度不均引起制動力矩波動的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，然后將試?yàn)的結(jié)果同仿真的結(jié)果進(jìn)項(xiàng)相互之間的比較，這樣就可以對模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證；另外，按照仿真模型，通過有限元模型的建立，也可以針對不同制動系統(tǒng)以及不同摩擦材料之間的抖動情況進(jìn)行全面細(xì)致的分析。

現(xiàn)在制動盤的材料有很多種，最受歡迎的應(yīng)該是HT250，現(xiàn)在其他材料的：例如陶瓷、碳纖、鋁基復(fù)合材料等等。處于成本考慮，鋁合金的最經(jīng)濟(jì)的選擇。通宇摩擦集團(tuán)的制動盤，煙臺三星制動有限公司的三星5158588型號、222號都是國際市場的選擇。按制動要求選擇最佳“制動盤”，制動盤可以設(shè)計(jì)成帶散熱筋的，旋轉(zhuǎn)時(shí)使其具有半強(qiáng)迫通風(fēng)的作用，以改善散熱性能，適用于高速、重載列車[6]。

7、結(jié)語

總之，制動系統(tǒng)是汽車的多個(gè)系統(tǒng)中非常重要的一部分，目前制動抖動問題在試驗(yàn)研究、理論分析方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是理論模型的簡化因素過多，未能系統(tǒng)定量地進(jìn)行仿真分析。因此今后的研究應(yīng)借鑒聲學(xué)低頻噪聲領(lǐng)域研究方法、成果，進(jìn)一步研究揭示制動抖動的發(fā)生機(jī)理，同時(shí)運(yùn)用基于6西格瑪?shù)慕言O(shè)計(jì)方法解決大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中盤式制動器抖動問題，從而有效提升汽車的制動性能，進(jìn)而推動我國汽車行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

[1] 鮑健.汽車故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技資訊.2012, (05):110-111.

[2] 劉志軍,王曉霞.汽車故障診斷技術(shù)初探[J].科技傳播.2011. (03):181+176.

[3] 蔣鳴雷.汽車故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品.2010. (09):102.

[4] 王秉仁,姜小麗,張雷.基于模糊邏輯推理的汽車故障診斷的研究[J].機(jī)電工程,2005,(10):58-60.

[5] 黃俍.汽車盤式制動器制動抖動分析及改進(jìn)[D].清華大學(xué),2012.

[6] 楊翠麗.汽車制動方向盤抖動分析與對策研究[D].華南理工大學(xué), 2012.

Mini car brake jitter problem discussed in this paper

Tang Dianxin
（Saic gm wuling automobile co., LTD., Guangxi Liuzhou 545007）

This paper introduces a mini disc brake jitter problem is analyzed, the mechanism of brake wobble, influence factors, and discusses the current research of the key problems and future research direction, provides a solution for subsequent theoretical analysis research, laid a foundation.

the braking system; Disc brake; Brake wobble; Dithering mechanism

U472.4

B

1671-7988 (2017)09-40-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.09.015

唐甸鑫，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司。