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）

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行分析歸納，對制動抖動機理、影響因素，并探討當前研究的重點問題和今后研究的方向，為后續理論分析研究提供一種解決思路，奠定了基礎。

制動系統；盤式制動器；制動抖動；抖動機理

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

1、制動系統概述

制動系統強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速度的平穩性。

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現車輛的減速以及停車。在制動的過程中，因為制動盤和摩擦片之間的相互作用，就會有噪聲和振動現象的出現。按照制動過程中的造成以及振動出現的情況，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，可以將車輪的轉速頻率相同的振動看成為一階，如果頻率是車輪轉速的兩倍，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部分。

制動顫振的是因為摩擦塊表面和制動盤之間的摩擦引起的。當車輛處于低速制動的時候，摩擦表面就存在粘(著)-滑(動)之間的相互運動。當處于粘著狀態的時候，兩個表面之間的摩擦力稱之為靜摩擦力，當出現相對滑動的時候，就會存在滑動摩擦力。考慮到靜摩擦的系數要比滑動摩擦系數高，導致摩擦力也在不斷的變化，這樣就會有振動出現。震顫還有可能使因為隨著速度的增加，摩擦系數降低的負阻尼因素導致的。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。

制動嘯叫主要是因為制動元件本身出現模態共振所引起的，嘯叫的頻率與車速之間沒有直接的關系。嘯叫的頻率都會超過1000Hz，主要是利用空氣來進行傳播。對于制動嘯叫，多外研究的較多，其主要是針對不同的模型，從而對產生的機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象

對于現代轎車，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。制動抖動主要是因為制動力矩的波動所引發的低頻振動，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劇烈抖動，甚至還會出現制動踏板脈動的現象。嚴重時，還會出現整車抖動的現象。其主要標新在車輛高速行駛，并且中等強度進行制動的時候，當車速降低到某一個數值開始出現抖動，進而降至某一特征車速抖動幅值達到最大，直至車速抖動消失留在整個制動過程中，振動會經過小-大-小的幅值變化，屬于共振階段的強迫振動。制動抖動指的是車輛在一定車速的時候，出現了制動力矩的波動，并且這樣還會導致制動探班、轉向盤、座椅等多個方面的劇烈振動。

4、制動抖動的機理

針對制動力矩所引發的制動器抖動，利用輪胎地面的耦合系統就可以將其實現。當制動力矩因為某一闡述變化而出現一定程度波動的時候，其制動力矩與地面制動力相對應的規律就會出現波動，通過軸承、車輪等連接件就會傳遞給制動器，進而導致制動器產生相同的振動。如果車架所傳遞的振動被放大，就會導致車身的地板和系統轉向盤也出現抖動，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以及相對應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；r表示的是摩擦力等效作用半徑。

很明顯，無論是pAμr任何一個出現了變化，那么制動力矩都會出現相對應的變化，從而導致制動力矩波動的出現。在實際的制動過程中，很難控制這一部分參數不會出現任何的轉變，所以，制動抖動本身也會因為不同程度的狀況而存在于實際的車輛行駛環節。

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相應的變化。其厚薄差會直接出現不均勻的接觸壓力分布，同時也可能引發制動力等效半徑的變化。同時，制動分泵的活塞軸也會因為制動盤的厚度變化而出現異動，這樣就會引發制動壓力的波動。通過試驗表明，當車況一定的時候，就算是出現了15um的厚薄差，如果駕駛人員足夠細心，也會感覺到制動抖動。

出現制動盤厚薄差的主要原因在于：第一，加工誤差。第二，在非制動狀態下，非制動狀態的磨損。因為浮動鉗不能夠及時的回位或者是因為制動盤本身安裝出現了偏移，這樣就會導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，但是因為存在長時間的摩擦，就會導致制動盤厚薄差的出現，這樣就會有制動力矩波動的出現。第三，在熱效應的制動過程中，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一步增大。

就算是不存在制動盤形狀誤差，但是因為內圈的相對速度要低于外圈相對速度。在持續的制動過程中，在外圈就會有一個熱帶的存在。通過大量的實踐研究表明。一旦速度超出了某一個臨界速度，那么久會導致熱帶成為熱點，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。當端面的跳動制動盤出現不懂角度的旋轉的時候，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，這樣就會引發制動壓力以及制動力矩波動的問題[2]。

（3）摩擦系數的變化

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

（4）懸架特性和轉向系統的影響

當制動力矩的波動成為了振動源之后，這樣就會導致周圍的環境被施加激勵，如果周圍的環境和激勵頻率亦或是傳遞途徑之上的某一個子系統本身的股友頻率接近或者是重合的時候，因為受到共振的作用，就會進一步方法振動的幅值。通過大量的實踐來看，制動力矩波動主要是因為一階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每一圈1到2次的變化，其產生出的激勵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頻率就是18~7.5Hz，其二階的激勵頻率就是36~15Hz。

（5）表面波紋度

工件表面在進行磨削的時候，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生的影響就好比制動盤端面出現了跳動，其波紋度主要是因為砂輪、機床在加工環節因為振動所引起的。

（6）熱屈曲

在熱變形的初始階段就會出現熱屈曲，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的溫度梯度有著直接的關系。而熱變形的另外的變形形態就屬于錐形[3]。

（7）阻尼系數的影響

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，基體本身的機械特性的影響。通過大量的時間研究表明：對于改善制動抖動而言，制動塊內阻尼的增加有著明顯的效果。通過制動塊組成成分的優化，就可以將制定力矩波動范圍降低2~3倍。

（8）車輛子系統影響

制動力矩波動屬于振動源，利用轉向、懸架以及輪胎等系統，就可以將振動傳遞給駕駛人員可以感受到的區域之中。由于子系統本身的結構特性，因此，就必定會影響到抖動現象。第一，懸架系統。在進行NVH設計的時候，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加以分析。不同的懸架類型，針對激振效應的靈敏度也會有所差異，如麥弗遜懸架對于因為制動抖動頻率所引發的靈敏度，就要遠遠高于其余幾種形式；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，轉向系統。在方向盤對于制動抖動相應的時候，還會受到安裝方式、轉向柱質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，在軸向以及側向上，輪胎的剛度和形狀都不會均勻。所以，當輪胎出現旋轉的時候，會出現載荷波動，甚至還因為很小的干擾，導致宗巷里、側向等出現變化，這主要表現在高速行駛的狀態下。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，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）路面狀況與駕駛習慣

如果車輛在較差的路面上行駛，因為顛簸過于強烈，就會導致制動盤端面出現跳動，這樣就會加速抖動的出現。在告訴公路上的車輛，因為制動操作較少，所以，會有非制動磨損的出現，這樣就有制動盤厚薄差的出現，進而導致制動抖動加快的問題出現。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，那么駕駛人員個人的實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，制動抖動出現的影響也會有一定的差異。在低制動壓力之下，細心的駕駛人員會緩慢的施加制動力，機遇這樣的操作，就不會出現摩擦塊對于制動盤修正的作用，也不會出現抖動的問題[4]。

6、抖動問題的解決思路

（1）從設計方面考慮

設計方面需要考慮制動系統和整車的設計。制動系統形式、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系數、熱容量、熱膨脹系數等都會對制動盤熱變形產生影響。如特殊的設計，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節的存在，進而降低了制動抖動存在的可能性。利用浮動鉗導向銷設計的改變，以及制動盤表面特性的改善，也可以將非制動狀態下的磨損降低。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計，這樣就可以確保抗翹曲性不受到任何影響。第二，將非制動狀態下的磨損進一步降低。

（2）創新設計方法

使用6西格瑪的健壯設計優化方法將結構可靠性、6西格瑪質量工程原理以及魯棒質量工程等不同概率分析方法中的概念進行合理的整合處理，這樣對于設計質量的評價就可以從約束滿足概率性能目標靈敏度這兩個同“西格瑪水平”設計有著相互關系的方面來進行合理的評價，這樣也可以確保概率優化設計能夠得到全面的實施。如，當存在小汽車抖動問題的時候，通過2片AT89C52單片機構成主從式的控制系統設計的使用，就可以將控制的可靠性提高，同時，再配合上語音識別系統，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，這樣就能夠滿足穩定性的需求。

將裝配精度和加工精度提高，這樣就可以適當的降低端面的跳動，同時也可以減少制動盤的厚薄差，進而延遲制動出現抖動需要的時間，同時也可以減慢制動盤的磨損時間。但是需要在這一個過程中注意到裝配誤差方面的控制，確保在進行裝配之后，其端面的跳動能夠滿足實際的標準需求。在加工過程中進行時效處理的時候，當進行時效處理之前的固溶處理的時候，還需要嚴格的控制加熱的溫度，這樣才能確保溶質原子最大限度的融入固溶體之中，再配合上分段的時效，這樣就可以確保取得最佳的效果。

（3）從維護方面考慮

由于不當的維護可能會對制動器的使用壽命以及制動性能產生直接的影響，同時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，當進行制動的時候，就會失去刮水分以及排除塵土的作用，進一步降低制動力；出現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；因為輪缸內活塞密封圈本身的彈力不足，這樣就會導致摩擦塊和制動盤之間出現拖磨的問題。對于上述的幾個方面都需要做好定期的檢查與維護，同時還可以按照實際的要求做好相對應的調整與清潔，當然，還需要做好零件的更換以及焊錫、涂鍍等相對應的處理[5]。

（4）從使用方面考慮

引擎腳主要是在運轉的時候負責對引擎細微的抖動進行吸收。如果避震系統出現了問題，那么這一部分振動就會傳遞到車內以及方向盤上，進而導致怠速抖動的問題發生。針對這一問題，需要更換部件才可以解決。對于發動機存在嚴重積碳的問題，需要進行油路的清洗，同時杜宇怠速馬達本身是否存在積碳的現象進行檢查，并且做好相對應的處理即可。

（5）試驗研究方面考慮

基于制動抖動發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雜性。結合動力學、熱學、摩擦學一級運動學相關方面的知識，就可以針對制動的過程來建立熱-機耦合模型，同時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模型，然后將試驗的結果同仿真的結果進項相互之間的比較，這樣就可以對模型的正確性進行驗證；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以及不同摩擦材料之間的抖動情況進行全面細致的分析。

現在制動盤的材料有很多種，最受歡迎的應該是HT250，現在其他材料的：例如陶瓷、碳纖、鋁基復合材料等等。處于成本考慮，鋁合金的最經濟的選擇。通宇摩擦集團的制動盤，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”，制動盤可以設計成帶散熱筋的，旋轉時使其具有半強迫通風的作用，以改善散熱性能，適用于高速、重載列車[6]。

7、結語

總之，制動系統是汽車的多個系統中非常重要的一部分，目前制動抖動問題在試驗研究、理論分析方面已經取得了一定的成果，但是理論模型的簡化因素過多，未能系統定量地進行仿真分析。因此今后的研究應借鑒聲學低頻噪聲領域研究方法、成果，進一步研究揭示制動抖動的發生機理，同時運用基于6西格瑪的健壯設計方法解決大規模工業生產中盤式制動器抖動問題，從而有效提升汽車的制動性能，進而推動我國汽車行業的健康、穩定發展。

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

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

[3] 蔣鳴雷.汽車故障診斷技術發展趨勢[J].中國新技術新產品.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[D].清華大學,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, 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。