微型汽车制动抖动问题探讨

唐甸鑫

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

微型汽车制动抖动问题探讨

唐甸鑫

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

文章通过介绍某微型汽车盘式制动器抖动问题进行分析归纳，对制动抖动机理、影响因素，并探讨当前研究的重点问题和今后研究的方向，为后续理论分析研究提供一种解决思路，奠定了基础。

制动系统；盘式制动器；制动抖动；抖动机理

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

1、制动系统概述

制动系统强制降低行驶速度其主要作用是使行驶的汽车按照驾驶员的意志进行各种操作例如：制动，减速，加速，以及保持汽车上下坡行驶时速度的平稳性。

2、制动引起的噪声与振动的分类

制动器主要是通过摩擦力实现车辆的减速以及停车。在制动的过程中，因为制动盘和摩擦片之间的相互作用，就会有噪声和振动现象的出现。按照制动过程中的造成以及振动出现的情况，可以划分为：制动抖动、制动啸叫以及制动颤振。在振动频率上，振动颤振要高于制动抖动，而制动啸叫要比制动颤振的频率高[1]。

在制动抖动中，可以将车轮的转速频率相同的振动看成为一阶，如果频率是车轮转速的两倍，就看成为二阶。制动抖动主要包含了1~5阶，其振动频率不会超过100Hz。其中，制动抖动也可以划分成为冷抖动和热抖动两个部分。

制动颤振的是因为摩擦块表面和制动盘之间的摩擦引起的。当车辆处于低速制动的时候，摩擦表面就存在粘(着)-滑(动)之间的相互运动。当处于粘着状态的时候，两个表面之间的摩擦力称之为静摩擦力，当出现相对滑动的时候，就会存在滑动摩擦力。考虑到静摩擦的系数要比滑动摩擦系数高，导致摩擦力也在不断的变化，这样就会有振动出现。震颤还有可能使因为随着速度的增加，摩擦系数降低的负阻尼因素导致的。颤振的频率处于啸叫与抖动之间，在100~ 1000Hz之间。制动所引起的颤振一般在10km/h的车速下出现。

制动啸叫主要是因为制动元件本身出现模态共振所引起的，啸叫的频率与车速之间没有直接的关系。啸叫的频率都会超过1000Hz，主要是利用空气来进行传播。对于制动啸叫，多外研究的较多，其主要是针对不同的模型，从而对产生的机理以及制动啸叫如何才能够消除而建立出来的。

3、盘式制动器制动抖动现象

对于现代轿车，盘式制动器是最常用的制动方式，目前，大部分乘用车都会选择前盘后鼓或者四轮盘式制动器的方式。制动抖动主要是因为制动力矩的波动所引发的低频振动，通过车身与底盘零部件，就可以将振动传递给驾驶员。制动抖动最为明显的就是座椅振动，仪表盘和方向盘出现剧烈抖动，甚至还会出现制动踏板脉动的现象。严重时，还会出现整车抖动的现象。其主要标新在车辆高速行驶，并且中等强度进行制动的时候，当车速降低到某一个数值开始出现抖动，进而降至某一特征车速抖动幅值达到最大，直至车速抖动消失留在整个制动过程中，振动会经过小-大-小的幅值变化，属于共振阶段的强迫振动。制动抖动指的是车辆在一定车速的时候，出现了制动力矩的波动，并且这样还会导致制动探班、转向盘、座椅等多个方面的剧烈振动。

4、制动抖动的机理

针对制动力矩所引发的制动器抖动，利用轮胎地面的耦合系统就可以将其实现。当制动力矩因为某一阐述变化而出现一定程度波动的时候，其制动力矩与地面制动力相对应的规律就会出现波动，通过轴承、车轮等连接件就会传递给制动器，进而导致制动器产生相同的振动。如果车架所传递的振动被放大，就会导致车身的地板和系统转向盘也出现抖动，最终引起制动抖动。

通过具体的分析，制动力矩同压紧压力、接触面积、制动盘使用材料的摩擦系统以及相对应的等效作用的半径之间是成正比的，其公式如下：

其中，T表示的是制动力矩；p表示的是接触压力；A表示的是接触面积；μ表示的是摩擦系数；r表示的是摩擦力等效作用半径。

很明显，无论是pAμr任何一个出现了变化，那么制动力矩都会出现相对应的变化，从而导致制动力矩波动的出现。在实际的制动过程中，很难控制这一部分参数不会出现任何的转变，所以，制动抖动本身也会因为不同程度的状况而存在于实际的车辆行驶环节。

5、制动抖动的影响因素

（1）制动盘厚薄差

制动盘厚薄差主要是沿着圆周的方向，其制动盘的厚度也会出现相应的变化。其厚薄差会直接出现不均匀的接触压力分布，同时也可能引发制动力等效半径的变化。同时，制动分泵的活塞轴也会因为制动盘的厚度变化而出现异动，这样就会引发制动压力的波动。通过试验表明，当车况一定的时候，就算是出现了15um的厚薄差，如果驾驶人员足够细心，也会感觉到制动抖动。

出现制动盘厚薄差的主要原因在于：第一，加工误差。第二，在非制动状态下，非制动状态的磨损。因为浮动钳不能够及时的回位或者是因为制动盘本身安装出现了偏移，这样就会导致摩擦块同制动盘局部存在轻微的接触，可能接触力不会很大，但是因为存在长时间的摩擦，就会导致制动盘厚薄差的出现，这样就会有制动力矩波动的出现。第三，在热效应的制动过程中，会逐渐提升制动盘的温度，这样很可能会引起制动盘的翘曲变形的问题，这样也会让制动盘的厚薄差进一步增大。

就算是不存在制动盘形状误差，但是因为内圈的相对速度要低于外圈相对速度。在持续的制动过程中，在外圈就会有一个热带的存在。通过大量的实践研究表明。一旦速度超出了某一个临界速度，那么久会导致热带成为热点，如95km/h。

（2）制动盘端面跳动

制动盘端面的跳动主要是沿着圆周的方向，制动盘的盘面会存在轴向高低的变化，但是不一定就会存在后厚薄差。当端面的跳动制动盘出现不懂角度的旋转的时候，摩擦块与摩擦块之间就会形成微小的距离变化。对于摩擦块而言，这样的作用与厚薄差是相同的，但是会面临摩擦系数变化、接触压力分布不够均匀以及制动力等效半径变化的问题，这样就会引发制动压力以及制动力矩波动的问题[2]。

（3）摩擦系数的变化

随着相对速度、温度以及接触压力的变化，摩擦系数也会有所改变。利用台架的试验我们就可以清楚的了解到，随着相对速度的降低，摩擦系数会逐渐增大，但是随着制动压力与制动盘温度的升高，摩擦系数会逐渐减小。在动态的制动过程中，这一些因素都会出现相对应的变化，因此，摩擦系数随着这一些因素的变化也会出现相对应的变化。

（4）悬架特性和转向系统的影响

当制动力矩的波动成为了振动源之后，这样就会导致周围的环境被施加激励，如果周围的环境和激励频率亦或是传递途径之上的某一个子系统本身的股友频率接近或者是重合的时候，因为受到共振的作用，就会进一步方法振动的幅值。通过大量的实践来看，制动力矩波动主要是因为一阶或者是二阶的扰动而引起的，也就是制动盘的厚薄差会出现每一圈1到2次的变化，其产生出的激励频率有可能与车速相同，但是也有可能是车速的两倍。如果制动抖动从车速在120~ 50km/h之间，那么制动盘一阶的激励频率就是18~7.5Hz，其二阶的激励频率就是36~15Hz。

（5）表面波纹度

工件表面在进行磨削的时候，就会有一定周期的高低起伏的存在，其主要是存在于宏观和围观之间的形状误差。制动盘表面的波纹度对于抖动产生的影响就好比制动盘端面出现了跳动，其波纹度主要是因为砂轮、机床在加工环节因为振动所引起的。

（6）热屈曲

在热变形的初始阶段就会出现热屈曲，并且还存在蝶形和波浪形等，其形状阶次特征同摩擦带范围之内的温度梯度有着直接的关系。而热变形的另外的变形形态就属于锥形[3]。

（7）阻尼系数的影响

摩擦材料本身的摩擦特性以及黏弹性就直接决定了阻尼。首先需要考虑材料的气孔率；其次，基体本身的机械特性的影响。通过大量的时间研究表明：对于改善制动抖动而言，制动块内阻尼的增加有着明显的效果。通过制动块组成成分的优化，就可以将制定力矩波动范围降低2~3倍。

（8）车辆子系统影响

制动力矩波动属于振动源，利用转向、悬架以及轮胎等系统，就可以将振动传递给驾驶人员可以感受到的区域之中。由于子系统本身的结构特性，因此，就必定会影响到抖动现象。第一，悬架系统。在进行NVH设计的时候，汽车需要对来至于轮胎、制动力矩波动、动不平衡以及路面等激振效应加以分析。不同的悬架类型，针对激振效应的灵敏度也会有所差异，如麦弗逊悬架对于因为制动抖动频率所引发的灵敏度，就要远远高于其余几种形式；虽然悬架的纵向柔度会对声振粗糙度以及平顺性加以改善，但是会让悬架对于抖动更加的灵敏。第二，转向系统。在方向盘对于制动抖动相应的时候，还会受到安装方式、转向柱质量以及方向盘具体组件等多种因素的影响。第三，对于1-1000Hz的频率范围，轮胎所带来的振动影响较大。由于加工问题，在轴向以及侧向上，轮胎的刚度和形状都不会均匀。所以，当轮胎出现旋转的时候，会出现载荷波动，甚至还因为很小的干扰，导致宗巷里、侧向等出现变化，这主要表现在高速行驶的状态下。另外，轮胎的类型也会直接的影响制动抖动。在30~60Hz的频率范围内，子午线轮胎本身所具备的垂直振动传递的特性要比斜交胎更好。

（9）路面状况与驾驶习惯

如果车辆在较差的路面上行驶，因为颠簸过于强烈，就会导致制动盘端面出现跳动，这样就会加速抖动的出现。在告诉公路上的车辆，因为制动操作较少，所以，会有非制动磨损的出现，这样就有制动盘厚薄差的出现，进而导致制动抖动加快的问题出现。在形式过程中，手搭在方向盘之上，加入方向盘同手以及手腕之间存在等效的弹簧，那么驾驶人员个人的实际操作就会直接决定不同的等效弹簧刚度。所以，对于驾驶员而言，制动抖动出现的影响也会有一定的差异。在低制动压力之下，细心的驾驶人员会缓慢的施加制动力，机遇这样的操作，就不会出现摩擦块对于制动盘修正的作用，也不会出现抖动的问题[4]。

6、抖动问题的解决思路

（1）从设计方面考虑

设计方面需要考虑制动系统和整车的设计。制动系统形式、材料、元件行传骨干等都会直接影响制动抖动。并且制动盘的热传导系数、热容量、热膨胀系数等都会对制动盘热变形产生影响。如特殊的设计，就会确保制动盘本身具备抗翘曲性。采用整体的制动盘，这样就避免了装配环节的存在，进而降低了制动抖动存在的可能性。利用浮动钳导向销设计的改变，以及制动盘表面特性的改善，也可以将非制动状态下的磨损降低。第一，制动盘的抗翘曲性。主要是针对制动盘本身的翘曲的问题，做好材料以及形状方面针对性的设计，这样就可以确保抗翘曲性不受到任何影响。第二，将非制动状态下的磨损进一步降低。

（2）创新设计方法

使用6西格玛的健壮设计优化方法将结构可靠性、6西格玛质量工程原理以及鲁棒质量工程等不同概率分析方法中的概念进行合理的整合处理，这样对于设计质量的评价就可以从约束满足概率性能目标灵敏度这两个同“西格玛水平”设计有着相互关系的方面来进行合理的评价，这样也可以确保概率优化设计能够得到全面的实施。如，当存在小汽车抖动问题的时候，通过2片AT89C52单片机构成主从式的控制系统设计的使用，就可以将控制的可靠性提高，同时，再配合上语音识别系统，就可以将语音操作的功能完成，再配合上软件来对校车的行驶加以控制，这样就能够满足稳定性的需求。

将装配精度和加工精度提高，这样就可以适当的降低端面的跳动，同时也可以减少制动盘的厚薄差，进而延迟制动出现抖动需要的时间，同时也可以减慢制动盘的磨损时间。但是需要在这一个过程中注意到装配误差方面的控制，确保在进行装配之后，其端面的跳动能够满足实际的标准需求。在加工过程中进行时效处理的时候，当进行时效处理之前的固溶处理的时候，还需要严格的控制加热的温度，这样才能确保溶质原子最大限度的融入固溶体之中，再配合上分段的时效，这样就可以确保取得最佳的效果。

（3）从维护方面考虑

由于不当的维护可能会对制动器的使用寿命以及制动性能产生直接的影响，同时还会造成车辆制动抖动的问题。如，异物直接覆盖了制动衬块的排屑槽，当进行制动的时候，就会失去刮水分以及排除尘土的作用，进一步降低制动力；出现了制动衬块正常磨损；钳体同制动衬块之间存在较大的间隙；因为轮缸内活塞密封圈本身的弹力不足，这样就会导致摩擦块和制动盘之间出现拖磨的问题。对于上述的几个方面都需要做好定期的检查与维护，同时还可以按照实际的要求做好相对应的调整与清洁，当然，还需要做好零件的更换以及焊锡、涂镀等相对应的处理[5]。

（4）从使用方面考虑

引擎脚主要是在运转的时候负责对引擎细微的抖动进行吸收。如果避震系统出现了问题，那么这一部分振动就会传递到车内以及方向盘上，进而导致怠速抖动的问题发生。针对这一问题，需要更换部件才可以解决。对于发动机存在严重积碳的问题，需要进行油路的清洗，同时杜宇怠速马达本身是否存在积碳的现象进行检查，并且做好相对应的处理即可。

（5）试验研究方面考虑

基于制动抖动发生的广泛性和普遍性，再加上制动抖动本身存在的不确定性与复杂性。结合动力学、热学、摩擦学一级运动学相关方面的知识，就可以针对制动的过程来建立热-机耦合模型，同时还需要建立出制动盘端面跳动和厚度不均引起制动力矩波动的试验模型，然后将试验的结果同仿真的结果进项相互之间的比较，这样就可以对模型的正确性进行验证；另外，按照仿真模型，通过有限元模型的建立，也可以针对不同制动系统以及不同摩擦材料之间的抖动情况进行全面细致的分析。

现在制动盘的材料有很多种，最受欢迎的应该是HT250，现在其他材料的：例如陶瓷、碳纤、铝基复合材料等等。处于成本考虑，铝合金的最经济的选择。通宇摩擦集团的制动盘，烟台三星制动有限公司的三星5158588型号、222号都是国际市场的选择。按制动要求选择最佳“制动盘”，制动盘可以设计成带散热筋的，旋转时使其具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，适用于高速、重载列车[6]。

7、结语

总之，制动系统是汽车的多个系统中非常重要的一部分，目前制动抖动问题在试验研究、理论分析方面已经取得了一定的成果，但是理论模型的简化因素过多，未能系统定量地进行仿真分析。因此今后的研究应借鉴声学低频噪声领域研究方法、成果，进一步研究揭示制动抖动的发生机理，同时运用基于6西格玛的健壮设计方法解决大规模工业生产中盘式制动器抖动问题，从而有效提升汽车的制动性能，进而推动我国汽车行业的健康、稳定发展。

[1] 鲍健.汽车故障诊断技术的现状与发展趋势[J].科技资讯.2012, (05):110-111.

[2] 刘志军,王晓霞.汽车故障诊断技术初探[J].科技传播.2011. (03):181+176.

[3] 蒋鸣雷.汽车故障诊断技术发展趋势[J].中国新技术新产品.2010. (09):102.

[4] 王秉仁,姜小丽,张雷.基于模糊逻辑推理的汽车故障诊断的研究[J].机电工程,2005,(10):58-60.

[5] 黄俍.汽车盘式制动器制动抖动分析及改进[D].清华大学,2012.

[6] 杨翠丽.汽车制动方向盘抖动分析与对策研究[D].华南理工大学, 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，就职于上汽通用五菱汽车股份有限公司。