制动抖动现象原因分析

车辆制动时通过制动器摩擦副之间的相对滑动, 将动能转化为热能而耗散于空气中, 以使降低车速甚至完全停止。在摩擦激励下,如果制动器结构参数匹配不佳,将会使制动器在制动过程中产生剧烈的振动和噪声, 影响乘员的舒适性。将制动抖动和制动噪声统称为制动NVH。

制动NVH性能包括制动抖动和制动噪声,是制动系统匹配和开发中重要性能之一。整车制动系统的振动噪声性能在燃油车型NVH(noise,vibration and harshness）性能开发中是重要的一环，制动抖动问题越来越多的受到关注。通常在制动过程中摩擦片与制动盘相接触产生热量,引起制动盘热变形进而引发制动力矩波动(BTV)和制动压力波动(BPV)，制动压力波动通过液压管路传递到制动踏板的过程中经放大产生踏板波动。制动力矩波动则会激励悬架系统引起转向系统和车身振动易被驾驶员感知并引起不舒适性。

盘式制动器是目前上市车型中使用较多的制动器之一，其结构如图1所示，盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦材料的摩擦片。摩擦片安装在制动卡钳内，摩擦片之间装有作为旋转摩擦的制动盘，制动盘通过螺栓固定在轮毂上。

图1 盘式制动器结构

当驾驶员踩下制动踏板时，制动液从主缸进入钳体，推动活塞移动，达到一定压力，内侧摩擦片与制动盘接触，并对制动盘产生正压力，当缸内压力足够大时，内外两摩擦片总成夹紧制动盘，实现制动。盘式制动器工作原理如图2所示

图2 盘式制动盘工作原理

制动盘通常有两种类型，通风盘和实心盘，如图3和图4所示。实心盘结构的内部是均匀等厚盘面，而通风盘结构由两侧盘面通过中间散热筋连接，汽车高速制动使摩擦片和制动盘之间由于摩擦迅速升温，导致制动盘产生热变形，影响车辆制动能力，而采用通风盘结构可大幅提升制动盘的散热性能，对于加速较快的纯电动车而言，由于加速快和自身质量大，需要更大制动力，对散热需求更高，因此更多的车辆使用通风盘结构。

图3 实心盘式制动盘的结构剖面示意图

图4 通风盘式制动盘的结构剖面示意图

制动抖动是指车辆在一定速度范围内，进行制动时车辆产生制动踏板、方向盘、车身地板及座椅抖动的现象。根据产生的机理可主要分为冷抖动与热抖动。冷抖动主要出现在车辆冷态启动后产生抖动现象，主要由于制动盘因加工、安装、磨损及腐蚀等原因造成几何不规则变化而导致的制动压力或制动力矩波动，一般制动盘温度低于200 ℃。

而热抖动主要在车辆进行连续制动后制动盘温度在300 ℃以上进行制动后产生抖动，在温度降低后，抖动现象减弱或消除。主要由于在制动过程中制动盘DTV刚开始被摩擦片压缩，有所减小，随着温度的升高，制动盘DTV逐渐加剧，制动结束后达到最大，并随着温度降低，逐渐复原。故区别于冷抖动，热抖动在制动盘初始周向厚度差(Disc Thickness Variation, 简称DTV)和断面跳动(Lateral Run-out, 简称LRO)较小的情况下，依然可能出现制动抖动。除此之外，还与制动盘与摩擦片间局部不均匀热膨胀金属材料相变相关。制动抖动严重影响着车辆行驶的安全性及舒适性。

动抖动主要为制动系统通过不同路径传递至其他系统，从而导致不同的形式的抖动表现。传递路线如下图5所示，主要的激励源为制动压力波动(Brake Pressure Variation, 简称BPV)和制动力矩波动，其中制动压力波动主要通过制动管路传递至制动踏板，表现为制动踏板抖动；而另一路径的制动力矩波动通过悬架系统可传递至转向系统与车身两大系统，前者通过转向节系统传递至方向盘，表现为驾驶方向盘抖动，而后者通过车身将抖动传递至地板，使车内乘客及驾驶员感到显著的抖动现象。

图5 制动抖动传递路线

BPV与BTV的产生主要与制动盘的DTV和LRO超差引起的，特别为热态情况的状态，随着温度的升高，DTV与LRO也会相应变大。具体如图6所示，LRO的超差主要与制动盘几何尺寸、初始跳动、初始DTV及热变形性能有关；摩擦系数的波动主要由制动盘材质及涂层，摩擦片的配方，材料转移及压缩比有关，需要同时关注初始状态及热态情况时上述指标的变化情况。

图6 BTV/BPV影响因素

其中，DTV是指制动盘周向内厚度的不均匀，由DTV造成的制动扭矩波动在制动盘每转一圈的过程中会产生1次波动。SRO是指制动盘端跳，由于安装误差，制动盘在安装后会产生一定的倾斜，由SRO造成的制动扭矩波动在制动盘每转一圈的过程中会产生2次波动。

4.1 制动盘厚薄差因素

制动盘厚薄差(DTV)是指制动盘厚度沿着圆周方向有变化,DTV会导致在制动过程中接触压力不均以及制动力矩等效半径发生变化等问题。同时,DTV也会引起制动活塞轴向移动产生制动压力波动导致制动踏板出现上、下跳动现象。初始状态DTV值、制动盘成分、机械加工精度、不均匀腐蚀以及长时间连续制动等都会对DTV产生影响。另外,制动过程中热翘曲现象也会引起DTV增长。

4.2 制动盘端面跳动因素

制动盘端面跳动(SRO)是指制动盘面沿着圆周有轴向的高低变化。存在端面跳动时,当制动盘旋转到不同角度,内外摩擦块之间会形成微小的间距同样会导致接触压力分布不均,引起制动力矩和制动压力波动。制动盘加工精度、安装误差、轮毂轴承间隙、外力作用、动不平衡等因素均会引起端面跳动。此外,当制动力施加到制动盘时也会引起制动盘产生微小扭曲增加端面跳动。

4.3 摩擦片因素

在制动过程中,随着制动温度、接触压力等发生变化摩擦片特性也会跟着发生改变。在摩擦片选型过程中超过20项属性需要被考虑,如密度、熔点、强度等等。其中摩擦系数、压缩刚度、热导率、热膨胀系数对制动抖动影响较为突出。另外,摩擦片长度也会引起摩擦片上制动压力分布变化对制动抖动也会产生影响。

4.4 悬架和转向子系统因素

动力矩波动引起的振动作为激励源必然也会对其他相关结构产生影响,当激励频率与子系统固有频率重合或者比较接近时将产生共振现象,振动将被放大引起系统出现明显振动问题。大量试验结果表明,制动力矩波动多为制动盘1阶或2阶扰动引起,在车速120 km/h至60 km/h范围内,制动盘1阶、2阶激励频率通常分别在18 Hz～9 Hz和36 Hz-～18 Hz之间。另外,转向系统的自激振动固有频率也处于10 Hz～20 Hz范围内容易产生耦合共振问题。从激励源到接受体传递路径之间会经过悬架和转向子系统,因此不同的子系统特性将会对制动抖动产生明显的差异,这也就解释了为什么相同DTV值制动盘在不同的车型上所表现出的制动抖动差异大不相同。

4.5 其它因素

当车辆行驶在较差的路面时,由于路面颠簸引起制动盘端面跳动增加也会加剧制动抖动。此外,不同的驾驶员、不同的驾驶风格对制动抖动也会存在一定影响。

制动抖动的产生、传递和发展是一个复杂的过程, 因此制动抖动的评价也是一个复杂的过程, 制动抖动评价主要通过下图几个方面进行分析。

图7 制动抖动评价

5.1整车测试评价

整车试验能够真实再现制动抖动的实际情况, 研究制动抖动的传递途径。整车试验测试项目主要是制动盘厚薄差变化、产生振动的频率、振动的位置、抖动时的车速、整个角总成端跳、驾驶里程和驾驶模式。在整车试验时安装自制的应变式力矩传感器和非接触式位移传感器, 能够实时监测制动力矩的波动和制动盘形状的变化。在整车制动抖动评价环节中，除目前黄山休宁高速抖动评价外，同时结合耐久道路试验不同里程的抖动评价，来完善整车制动抖动评价体系。

5.2 DTV台架测试评价

DTV台架测试包括测试速度、端跳、驾驶里程和驾驶模式、目标值。主要测试试验为实际模拟台架测试、off-braking拖滞测试、m-V测试等。在制动系统开发试验中开展BTV台架试验项目，同时选取制动盘DTV上限状态样件来模拟制动盘DTV设计极限状态，对该状态系统BTV进行一定的控制。将初始制动力矩波动控制一定范围内，可有效降低售后的相关热抖动的抱怨。

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