制動系統各零部件共振分析研究

何俊藝

摘要：無論是國產汽車或者是國外汽車品牌，在生產設計過程中都會面臨同樣一個問題的困擾，汽車在一定速度行駛下進行緊急制動時，那么制動系統的各個零部件也會隨之引起振動，一定程度大小的振動會給零部件的應用帶來一定損傷，進而影響到汽車振動系統的應用。對汽車制動系統零部件共振的原因進行分析與研究，就可以找到共振的原因，進而提出具體的解決方案，保障汽車的正常運行。

Abstract： Whether it is a domestic car or a foreign car brand， they will face the same problem in the production and design process. When the car is running at a certain speed and performs emergency braking， the various components of the braking system will also cause Vibration， a certain degree of vibration will bring certain damage to the application of parts， and then affect the application of automotive vibration systems. Analyzing and researching the cause of resonance of automobile brake system components can find the cause of resonance， and then propose specific solutions to ensure the normal operation of the automobile.

關鍵詞：制動系統;零部件;共振;分析

Key words： brake system;parts;resonance;analysis

0 ?引言

隨著社會經濟的發展與增長，小汽車已經成為每家每戶都會擁有的一項消費品，在過去十幾二十年來，國內購買車輛一般都會選擇國外品牌，包括日本、德國、美國生產的汽車，國內車輛在生產技術、車輛性能方面遠遠不如國外汽車品牌。現在，國人更傾向于國產汽車，說明國產汽車品牌的生產工藝與車輛性能在不斷提升，滿足人們對車輛安全穩定性與經濟性的各項指標要求。

汽車在緊急情況下需要緊急制動，并且隨著對車輛制動系統的研究，汽車制動系統的應用也在不斷進步發展著，功能更趨向于全面化，汽車在緊急制動情況下也能保證其正常的安全運行。但是汽車制動系統如果頻繁應用也會給零部件帶來損傷，制動系統的制動原理是通過劇烈的摩擦運動引起的，并隨之引起振動，頻繁的振動會給汽車零部件帶來損傷，惡化汽車的平衡制動性，不僅會損壞零部件，最重要的是影響駕駛員的操作，加大駕駛員出現錯誤操作的概率，頻繁的制動會讓汽車零部件過早的出現損傷，降低零部件使用壽命，影響到汽車的安全使用性能。因此，對于汽車制動系統引起的振動現象必須進行有效的干預與解決，保證汽車的安全平穩運行。

1 ?汽車制動系統的分類

汽車在行駛過程中遇到緊急情況需要進行制動，那么就需要啟動汽車的制動系統，使行駛過程中的汽車進行強制減速或者停車，或者使下坡行駛的汽車速度保持穩定。這就會用到制動系統，制動系統指的是機動車輛上給車輪施加一定的力，從而對其進行一定程度的強制制動的專門裝置。制動系統的作用是：使處于行駛狀態的汽車按照駕駛員的要求進行強制的減速甚至是停車;使已經停駛的汽車可以在各種道路的條件下，包括坡道穩定的駐車;使下坡行駛的汽車速度保持穩定。

在一定程度上保證汽車的安全正常運行，汽車上都會安裝制動系統，用于緊急制動。在汽車的制動方式上有很多種，傳統的制動方式有鼓式剎車，鼓式剎車就是將力作用于制動蹄片上，通過增加摩擦力的方式來阻止剎車鼓進行轉動從而達到制動效果。盤式制動器也是車輛制動系統的一種，不同的是盤式制動器應用于大型貨車或者客車，分為鉗盤式制動器和全盤式制動器兩種。另外，還將電子信息技術應用于制動系統中，即ABS防抱死制動系統，通過輪速感應器傳來的脈沖感受汽車輪胎的運行速度，當車輛的輪胎可能發生抱死時，ABS防抱死系統就會立刻發出指令，通過快速開關開來達到控制剎車。ABS防抱死系統是目前轎車都會應用的一種緊急制動系統，既能讓輪胎保持轉動，也能防止輪胎抱死，最大限度的縮短制動距離，達到穩定制動方向、防止車輪抱死的效果。起初，ABS防抱死制動系統由于價格高昂，只能用于某些高級豪華的汽車，隨著科技的進度，目前各種中小型汽車都能夠安裝ABS防抱死制動系統。還有一種ESC控制系統，這個系統是在ABS的基礎上進一步優化改進的，它增加了汽車車身穩定的功能。ECS它是主要通過監測汽車橫擺角速度來計算出車輛的實際運動狀態，通過方向盤轉角和車速計算出駕駛員所期望的運動狀態。再通過對二者的差別，來判斷車輛是否處于轉向不足或者是轉向過度的狀態，從而進行主動的制動。與此同時也往往會伴隨著發動機扭矩的控制。

2 ?汽車制動系統引起的振動種類

2.1 低頻抖動

汽車制動系統引起的振動方式有三種，摩擦程度的不同造成汽車制動系統會引起不同程度大小的振動，從振動程度依次分為低頻振動、中頻振動和高嘯頻叫。分析三種程度大小不同的振動，可以從根本上解決制動系統引起的振動。那么，首先分析低頻振動，低頻振動的頻率在10-50Hz范圍內，與車速形成一定的正比例關系。引起低頻振動的原因主要是制動力矩的波動引起的低頻強迫振動，低頻振動很容易發現也很容易解決，因此，低頻振動目前并不成為影響汽車安全行駛的因素。

2.2 中頻顫振

中頻顫振的頻率在100-1000Hz，中頻顫振引起的原因是制動盤和摩擦塊之間引起強烈的摩擦，理論上認為，摩擦力速度的負斜率給系統提供了負阻尼，使制動系統處于不穩定的狀態，進而引起一定頻率的震顫。對于中頻顫振的研究已經有很長時間了，但是到目前為止，也沒有有效的解決中頻顫振的問題。中頻顫振是介于低頻振動和高頻嘯叫之間的，對低頻振動已經得到了有效的解決，高頻嘯叫不能有效解決，而中頻顫振雖然有了系統的理論解釋與解決，但是在實際汽車行駛過程中，中頻顫振還是存在的并沒有得到有效解決，不能徹底解決，只能從傳播途徑上進行抑制。

2.3 高頻嘯叫

高頻嘯叫是三種振動模式中振動頻率最大的一種振動模式，振動頻率能達到1000Hz以上，與以上兩種振動方式不同，高頻嘯叫的振動傳播是以空氣為介質，而對于引起高頻嘯叫原因的探究從上個世紀就已經開始了，但到目前為止也沒有有效的解決。對引起高頻嘯叫的原因目前有兩種理論解釋，一種是自激振動，另一種是“熱點”理論。自激振動理論的主要觀點是摩擦引起的嘯叫，當摩擦系數大于系統本身的負阻尼時，系統振動發生發散，就會引起制動的噪聲。但是，在隨后的學者研究中指出，當摩擦系數為恒定值時，制動系統還是會發出噪聲，因而否定了這一理論。而“熱點”理論認為制動盤在制動的過程中產生熱點進而導致的噪聲，但是這一理論也并沒有得到有效的驗證，究竟高頻嘯叫究竟是什么原因引起的，而針對“熱點”理論這一解釋也并沒有做出具體的解決措施。

3 ?制動引起的共振分析

3.1 機理分析

在物理學聲學理論中，聲音的產生一定是因為振動產生的，而且必須也有振動源，以及傳播途徑，如果要解決制動引起的振動，那么就要從振動源和傳播途徑上進行阻斷從而達到抑制振動的目的。從上述中低頻振動和中頻顫振的分析中，可以看出共振的產生一定有振動源，那么找到振動源就可以從根本上解決振動。低頻振動的振動源為制動力矩，低頻振動一般是發生在車速較低時，當車輪轉動一周，由于汽車制動器本身結構的因素而引起制動力矩的變化從而引起振動。但是低頻振動可以得到有效的解決。而中頻顫振是由于摩擦力的變化，并與周圍環境形成系統的振動，而從根本上來看，還是因為制動器的振動從而引起的振動，那么依舊是從振動源上解決。

3.2 傳播途徑分析

聲音傳播的介質主要就是空氣，如果從振動源上無法解決，那么就要從傳播途徑上進行阻隔，通過優化傳播途徑上的系統結構參數來降低傳播信號，在傳播路徑上，各個位置的信號有可能是不同的，在不同位置上要找出這些信號之間的相關聯系，確定信號之間存在著某種聯系，通過對傳播路徑分析，可以找出在各個結構上信號的特點與聯系，分析各個路徑上的信號強度，分析傳播信號的主要路徑。從主要路徑上降低信號的傳播性，才可以從根本上解決振動信號的減弱。而傳播路徑的分析過程并不簡單，確定信號傳輸路徑需要整車再現共振現象，從各個機器內部振動頻率的幅度來分析主要的傳播路徑。

4 ?汽車制動引起共振的對策研究概述

對于汽車制動系統產生的振動必須得到有效的解決與改善，汽車振動就會有噪聲，在減少振動的同時也要降低噪聲，又要保證司機在操作的過程中不會受到影響，可以從汽車發動機上做出措施，并對制動系統構成的零部件進行防振的處理，以及對車廂內部結構進行聲學研究，從而降低帶來的噪聲，從多個方案上解決振動，尋求出最佳的解決方案。其次，還可以從傳播路徑上進行解決，加強傳播路徑上阻尼材料的運用，以及車身的密封狀況也可以改進，對無法避免的振動，那么可以加強車身防振材料、防噪聲材料的運用與安裝，提高汽車內部的密封性能。還有可以對汽車制動系統的零部件結構進行優化，改善振動特性，避免與其他零部件結構產生共振，還可以對汽車內部的空氣進行清理，少了傳播介質，共振產生的力度也會降低。

5 ?結語

汽車在緊急制動時車身產生強烈的抖動是正常現象，汽車在正常行駛時一般不會采用緊急制動系統，只有在特殊情況下需要緊急剎車時才會啟用緊急制動系統，而由于制動系統內部零部件產生的摩擦會引起零部件之間的共振，而強烈又頻繁的振動會降低零部件使用的壽命，干擾司機正常的操作，從而引發安全事故。因此，對于制動系統零部件共振的現象，從產生振動的種類，以及產生振動的原因等一直都有研究，也包括在降低共振現象的措施上也有研究。而解決共振現象無非是從兩方面入手，即從振動源和傳播途徑上入手，或者加強對車身封閉材料的運用，從三方面來有效解決共振現象，從而保證汽車在緊急制動時不會因為強烈抖動對車身造成損害和二次傷害，也能降低發生安全事故的概率。

參考文獻：

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動[M].北京：北京理工大學，2006，6.

[2]靳宵雄，張立軍，江浩，等.汽車振動分析[M].上海：同濟大學出版社，2002，5.

[3]張永昌.MSC.Nastran有限元分析理論基礎與應用[M].北京：科學出版社，2004，11.

[4]姚嘉玲，蔡偉義，閔永軍.汽車發動機怠速抖動研究[J].公路交通科技，2005（22）：2.

[5]姬永勝，馮金芝，林陽，楊曉俊，陸壯.懸架對汽車盤式制動器制動抖動的影響分析[J].農業裝備與車輛工程，2018，56（09）：52-55.