盘式制动器车辆的制动抖动现象

盘式制动器车辆的制动抖动现象 谭川尹东晓 (1.同济大学;2.上海燃料电池汽车动力系统有限公司) 摘要盘式制动器的制动抖动现象,会影响车辆的行驶安全性和驾驶舒适性,其产生 原因是制动盘的原始几何尺寸 及热膨胀作用造成几何变形的共同作用引起制动压力的波动,进而产生对制动系 统及悬架和转向机构的激振作用. 制动管路和悬架等传递途径的自振特性,也会对抖动的振幅产生影响.文章在结合 国内外相关文献和实验数据 的基础上,对盘式制动器特有的制动抖动现象进行了研究.主要包括制动抖动现象 的成因和相关各方面的实验与分 析方法,最后提出了改进建议. 关键词盘式制动器制动抖动热弹性的不稳定性 BrakeJudderofDiscBrakeVehicle Abstract:Discbrakejudderphenomenausuallyoccuronmodemcarswithdiscbrake,anditaffectstheridesafetyandcomfort. Themaincauseis,thatthevibrationofthebrakepressurethatcausedbytheoriginalandthermoexpandedgeometryofthedisc, furtherstimulatesthelibrationsofthebrakesystem,suspensionandsteeringsystem.Furthermorethebrakesystem,suspension andsteeringsystemasthetransferringcoul'seshavealsoagreatinfectionontheamphtudeofthejudder.nispapergivesastudy onthephenomenaofbrakejudder,includingthefactorsofoccurrence,researchingtheoriesandrelevantexperiments,basedon manyhteraturesandexperimentaldata.Finallyputsforwardsomesuggestions. Keywords:DiscbrakeBrakejudderTEI l前言 随着我国汽车工业的发展,特别是轿车工业的 发展,盘式制动器越来越广泛地应用到各类汽车上. 盘式制动器具有尺寸较小,热稳定性和水稳定性好 的优点,但是在制动时产生的振动,特别是其特有的 低频抖动,会明显影响行驶的舒适性和安全性.国内 对盘式制动器制动振动现象的研究正日渐深入. 制动引起的振动按照频率高低可分为3类:低频 抖动,中频颤动和高频啸叫[1】.低频抖动的频率一般 在100I-lz以下,通常为10--50Hz抖动的频率与车速呈 一 定的阶次关系.中频颤振是由于制动盘和摩擦块表 面间的摩擦特性引起的,频率为100-500(1000)Hz. 高频啸叫与制动系统部件的模态有关,与车速无 关,制动啸叫频率一般在500(1O00)Hz以上,通过 空气传播.由于低频抖动的频率与车辆许多部件的 一 阶激振频率很接近,因此对车辆舒适性的影响也 最为明显. 制动抖动就是制动时所引起的一类振动现象, 被驾驶员与乘客所感受到的就是制动时方向盘,制 动踏板,车身底板和座椅的剧烈抖动.文献【2】中认 为制动抖动通常就是制动时对悬架和车身结构的 一 阶或低阶激振. 2制动抖动现象的产生原因与影响因素 文献[3-4]中采用简单的定子与车轮的二自由 模型,以固定幅值的制动压力或是制动力矩正弦波 动作为输入,从理论上得出车轮抖动的形式,且与 实验中实 际测的抖 动行为与 理论结果 有很好的 一 致性.进 一 步采用 其它一些 复杂模型 进行研究, 也都可以验证:制动压力和制动力矩的波动,会引 起制动蹄片和制动盘面的振动.制动压力波动 (BPV,brakepressurevariation)和制动力矩波动 (BTV,braketorquevariation)是产生制动抖动现象 的直接原因圈. 制动压力和制动力矩的变化,主要是由于制动 盘的几何形状不均匀和其它一些不规则因素(如摩 擦系数,热膨胀率等)产生的.对每一因素的研究, 都考虑常温下(静止及低速下)和高温下(高速制动 下大量发热)2种不同情况. 2.1常温状态下的制动抖动现象 常温状态下引起制动抖动现象的因素,主要就 是制动盘的几何形状,一般用以下2个参数来评价: 2.1.1制动盘厚度变化(DTV,discthicknessvarial~l1) 制动盘厚度变化,就是指制动盘的盘面厚度值 在与蹄片接触区域内沿圆周向的变化值.由于在制 动过程中,制动蹄片总是与盘面的两端面紧密接 触,因此盘面厚度的变化会导致转动到不同位置时 制动蹄片的位置不断变化,并引起制动压力和制动 力矩大小发生变化.当厚度值的变化量超过一定范 围时(一般认为是15~20m时),在某些车速下制 动就会感受到制动抖动现象. 制动盘厚度的变化,主要由于以下原因产生_2阁: 1)制造误差. 2)使用磨损.使用时间较长的制动盘,在不理 想的情况下,盘面各处会有不同的磨损量,产生厚 度不均匀. 3)制动时热膨胀和热腐蚀.有关热现象的具体 影响在后面阐述. 2.1.2制动盘端面偏移(SI,sidefacerun-out) 制动盘端面偏移是指制动盘的盘面沿圆周方 向有轴向的高低变化阁.端面偏移也就是盘面到主, 从制动蹄片之间距离的变化.当转动到不同位置 时,主从蹄片的位置发生变化,会引起制动时制动 压力和制动力矩的波动.有制动盘端面偏移的制动 盘,由于不均匀制动磨损原因,还会造成制动盘厚 度变化. 端面跳动的形成有以下几种情况】: 1)制造误差. 2)安装误差.安装制动盘的轮毂端面的不平整 会造成制动盘有一定的倾斜,产生端面偏移.安装 螺栓的松紧也有可能产生端面偏移. 3)外力作用.车轮受到外力作用时会通过连接 螺栓传到制动盘.当车轮受力恶劣如大角度转弯或 强烈颠簸时,会引起制动盘的端面偏移. 制动盘厚度变化和制动盘端面偏移产生制动 抖动的原理,实质上说来是一样的,就是由于制动 盘的尺寸影响,在制动过程中当转动到不同位置时 制动蹄片位置产生变化,导致接触压力分布不均 匀,摩擦系数变化及制动力等效半径变化,从而引 起制动压力和制动力矩的变化.当这种变化量超过 一 定的幅度时,就产生了使驾驶员能感受到的制动 抖动现象. 对于静态下制动盘厚度变化量和端面偏移量 对制动抖动的影响程度,同济大学做过相关的道路 试验和台架试验,处于进一步研究分析中ol. 2.2发热状态下的制动抖动现象 虽然制动盘厚度变化和制动盘端面偏移是引 起制动抖动主要因素,但是在静态下厚度变化量和 制动盘端面偏移量都符合要求的制动盘,仍有可能 在制动时发生制动抖动现象.这是因为制动过程是 一 个产生热量的过程,随着制动盘温度的升高,会 引起盘的热膨胀和热变形.各处温度差异所产生的 热膨胀与热变形程度的不同,会产生新的制动盘厚 度变化和制动盘端面偏移,或是对已有的厚度变化 量和端面偏移量产生一个放大作用,从而引起制动 抖动_l】1.这种放大作用具有明显的非线性.在反复制 动发热的情况下,制动盘厚度变化的绝对量会增加 50%.由于蹄片的作用,制动力矩的变化量会增加 100%t5].同时,温度的变化还会影响摩擦衬片与制动 盘之间的摩擦系数,进一步影响制动力矩和制动过 程中发热量的变化.综合看来,这是一个动力学一 热力学的复杂过程,一般总称为制动盘热弹性的不 稳定性(TEI,thermoelasticinstability)引起的制动抖 动.整个热状态下各因素的相互影响关系如图1所 示_l21. 2.2.1热点(HotSpots)与关键速度(CriticalSpeed) 热点就是制动过程中制动盘上出现的温度明 显高于其他处的斑点状区域.研究表明[131,当相对滑 动速度达到某一特定值时,制动时的接触摩擦力会 集中在盘面或蹄片上一些小的区域内,使得这些地 方的温度升高,形成热点.热点在蹄片下的转动,就 会产生制动抖动.制动盘热弹性的不稳定性TEI是 产生热点的物理原因.TEI就是对摩擦生热,弹性接 图1热状态下的各因素相互影响关系图 触和热弹性变形等物理现象之间相互耦合作用的 统称.TEI早在60年代就由Barber开始研究5】, 该现象发生在很多实际应用的摩擦系统中,包括制 动盘和离合器.即使对于制造与安装都非常理想的 制动盘,在某些车速下制动仍会出现热点. 较易产生热点的滑动速度,被称为关键速度, 很多情况下也称相对应的车速为关键速度.另一方 面,对应于产生一阶或是二阶制动抖动的制动车 速,也被称为关键车速.这两者实际上是一样的,也 就是制动时制动抖动现象最为明显的车速.该车速 下制动抖动振幅最大,或者是悬架系统对抖动的共 振放大作用最明显. 由于产生热点时的相对滑动速度都较高,这类 抖动也被称为高速抖动,同时对应于较小的制动减 速度(0.1g-0-3g).因为在中小强度长时间制动下, 有足够的时间来形成热点和放大抖动的振幅,从而 比紧急制动更容易发生制动抖动现象[31.低强度长 时间制动会产生更高的温度,制动压力和制动力矩 的变化量显着变大. 2.2.2研究热点的方法 对于热点的研究,可以采用虚拟模型分析或是 实验的方法.文献[12]中建立了一个制动盘厚度变 化量和端面偏移量都为零的理想制动盘和蹄片有 限元模型(FEM),通过计算机仿真来分析.文中将 整个过程中的振动分为垂直于盘面和切于盘面的 两个振动分量,得出切向振动是产生热点的主要原 因,且热点的数目由切向振动频率和盘转速之间的 比例关系决定. 采用实验的方法,可以利用温度传感器或者高 速红外线照相机,来采集盘上的温度场分布信息. 红外线照相机相对于传感器更为准确和实时性更 好.文献【13]中,进行了各种情况下的制动盘台架试 验,并用高速红外线照相机拍摄温度分布照片.在 低于关键车速(95km/h)下制动,盘上的高温区域呈 连续的环带状分布,而在高于关键车速下制动,出 现热点,且热点与摩擦接触环带上的低温处温差高 达200oC.同时这些照片也,热点在制动盘内外 两端面上的位置是交叉相隔分布的. 如果采用温度传感器来进行实验,需要设计传 感器在盘面上的布置方法,还有结合其他的一些算 法或是处理软件,才能保证采集数据的适宜性与准 确性,因此准确性较低. 2.2.3温度升高对摩擦系数的影响 现代摩擦理论证明,在温度升高的时候,物体 间相对运动的摩擦系数会降低,这是因为高温下在 接触物体表面会形成一层成分复杂的薄膜,摩擦的 机理发生变化,摩擦系数下降,造成热衰退L】91.至于 摩擦系数的变化量与制动力矩变化量的关系以及 对制动抖动现象的影响程度,仍还是国内外相关研 究中的热点和难点之一. 3制动抖动的传递途径 制动产生的抖动,一方面通过制动管路中的油 压波动反馈传递到踏板上,并被驾驶员所感受到; 另一方面制动盘与制动轮的抖动通过悬架和转向 系传递到车身和方向盘上.作为激振源抖动的频率 是相对较宽的一个频率带,当与悬架的固有频率接 近时,原本很小的振幅也会由于共振作用放大到能 令驾驶员明显察觉的程度.大多数轿车的一阶频率 -20Hz,对应于关键车速60-120km/h,二阶频 在10 率则对应于车速30-65km/h.实验证明,新制动盘 主要在一阶频率处产生抖动,而已长期使用过的旧 制动盘在一阶和高阶频率处都可能产生抖动L】Ol.因 此建议,通过优化设计悬架的几何尺寸,质量和刚 度,使一阶主频与激励源的频率错开. 4结束语 制动抖动现象是制动引起的,通过悬架和制动 管路传递的,包括动力学和热力学作用的一个复杂 振动现象.现在的研究主要还是利用较为简单的模 型和单方面的实验,对各个不同的因素进行分析, 得出一些重要的结论,也对控制制动抖动现象提出 了一些措施与建议,主要包括3个方面: 1)采用更为精确的制造和安装要求,降低初始 的制动盘厚度变化量和端面偏移量,减少由于原始 几何尺寸引起抖动的可能性; 2)采用散热性能好,热弹性变形小,热衰退性 能好的材料来制造制动盘或摩擦衬片,减小温度变 化产生的变形和制动力矩的波动; 3)优化设计悬架系统,降低悬架系统对振动幅 值的放大作用. 今后的研究,将主要是设计时考虑更多因素的 综合模型或实验来整体性的分析制动抖动现象,对热 状态下的各影响因素的关系做更深入详尽的研究. 参考文献 1JacobssonH.AspectsofDiscBrakeJudder.Proc.InstnMech.Engrs. 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