汽车制动抖动问题的原因分析及对策探讨_温俊芳
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表1 参数 · mm 板簧的垂直刚度 / （ N 板簧展开长度 / mm 前桥制动器制动力矩 / （ 气压 0． 6 MPa） 前桥的轴荷 / N 前板簧前段长度 / mm 前板簧后段长度 / mm 前簧前支架销孔中心的 距地面距离 / mm 前簧后支架销孔中心的 距地面距离 / mm
－1
采取被 动 措 施 解 决 制 动 抖 动 的 方 法 及 道 路
述， 讨论了当前解决制动抖动问题的方法和今后的研究方向 。 关键词：制动抖动；传递途径；制动力矩 中图分类号：U461． 6 文献标识码：A 9889 （ 2013 ） 04006804 文章编号：1672-
Cause Analysis and Countermeasure Discussion on Automobile Brake Jitter Problem
）， 作者简介：温俊芳（ 1967男， 山西定襄人， 高级讲师， 主要从事汽车教学与科研工作 。
第4 期
温俊芳， 等：汽车制动抖动问题的原因分析及对策探讨
·69· f ″f ' ） L1 + L2 （5）
而且 制能量输入的轮胎特性和地面摩擦特性有关， 汽车转向系统的动力学特性参数匹配和悬架系统的 弹性体振动特性也对摆振的发生有着重要的影响。 为验证轮胎特性对制动时转向盘摆振的影响 ， 采用不同厂家的轮胎进行试验。 试验证明更换轮 胎虽然不能完全消除摆振现象， 但转向盘摆振的频 率和幅度明显衰减。 2 2． 1 原因分析 制动时质量转移对前悬架的影响 汽车在制动时， 由于惯性力的作用会造成质量
·பைடு நூலகம்0·
现代 交 通 技 术
2013 年
有规律的变形， 当制动力矩波动的频率与悬架系统 的变形频率相同时， 将会引起方向盘的摆振。
空 载 时 同 步 附 着 系 数 ' 0 = 分配比 β = 0 ． 558 7 ， － 0 ． 345 ， 满载时 同 步 附 着 系 数 0 = 0 ． 294 。 根 据 《汽车理论》 ， 该车空载时在任何路面上制动时均是 后轮先抱死；满载时根据现有路面状况基本上也是 后轮先抱死， 而制动时由于质量转移， 后桥抱死时 因此该车前桥制动力还有很大的提升 空 间更快， 间。根据分析， 决定提高该车制动分配比 （ 前桥制 动凸 轮 轴 基 圆 直 径 由 原 来 的 Φ24 ． 8 mm 改 为 Φ23 mm， 制动力分配比 β = 0． 597 7 ） 进行实验。结
Wen Junfang1 ，Wang Ｒongqing2 （ 1． Xuzhou Electrical and Mechanical Engineering Higher Vocational School，Xuzhou 221004 ，China； 2． Xuzhou Traffic Engineering Mechanization Construction Department，Xuzhou 221005 ，China） Abstract：Based on consulting a large amount of literature and experimental research，this paper analyzed SUV brake jitter phenomenon，occurrence mechanism and solving measures． Finally it discussed current methods to solve brake jitter problem and research direction in the future． Key words：brake jitter； transductin pathway； braking torque
转移， 并伴随前、 后悬架的变形， 其中汽车前钢板弹 簧承受的载荷最大， 在它的后半段出现最大变形， 作用在钢板弹簧上的力见图 1 。 它们之间的关系 如下：
式中：C r 为前钢板弹簧的纵向角刚度；L 为前钢板弹 簧展开长度。 （ 2 ） 制动时前板簧的扭转角 γ= Mr Cr （7）
式中：γ 为制动时前板簧的扭转角；M r 为制动器对车 轮作用的制动力矩。 （ 3 ） 前钢板弹簧扭转变形时转向系统的运 动 分析 由于前钢板弹簧的扭转变形， 必然导致转向系 的运动， 计算公式如下：
解决制动抖动问题的方法 根据上述原因分析， 可分为主动措施和被动措施 2 种。 3． 1 主动措施解决制动抖动的方法及试验 主动措施就是从引起制动力矩波动的根源入 手， 尽可能减小制动力矩的波动。 为了减小制动力 矩波动的能量级， 国外开展很多方面的研究， 包括 制动器加工精度的提高与装配误差的严格控制和 在车制动蹄总成修复设备的研究等。 为验证这些 措施的可行性， 本次试验抽出 1 辆同类型制动时基 本没有方向盘抖动的 SX2110 车， 将该车的前桥换 到实验车上， 实验车基本消除抖动现象， 同时根据 调试人员的反映， 采用斯太尔桥的车调试时有的也 存在这些问题， 通过对制动蹄和制动摩擦片的修复 也能解决这些问题。 上述措施能够很好地抑制制 动力矩波动的幅值， 但由于加工误差、 装配误差、 外 力作用和使用环境等因素存在， 制动力矩的波动是 无法避免的。 由图 2 钢板弹簧纵倾原理图 （ 制动工况下 ） ， 前 桥制动力 F r 使前桥逆时针旋转克服由于质量转移 造成前桥顺时针扭转， 故选择恰当前桥的制动力可 衰减因质量转移造成前桥的扭转所带来的转向节 臂运动干涉。为验证该方案的可行性， 分别对实验 车进行摘掉前桥制动和增大前桥制动力实验， 其中 摘掉前桥制动力试验显示在中等强度制动时方向 盘抖动的频率和幅度均有增大的趋势 。 为验证增大前桥制动力的方案可行性， 对制动 系统进行理论计算。 计算结果如下： 制动器制动力
转向摇臂转动的角度 β： Ｒγθ β= L3
（8）
式中：Ｒ 为转向节臂球销中心距车轮中心的距离取 146 ． 7 mm；L3 为转向摇臂的长度。 转向盘转动的角度 ω： ω = β /t 式中：t 为转向器传动比， 取 22 ． 2∶ 1 ～ 26 ． 2∶ 1 。 制动时车轮中心相对于车架有一个上升量 ， 但 由于 f ″ ≠ f ' ， 钢板弹簧后端的变形量比前端变形量 大， 使前桥向后扭转变形， 同时地面制动力 F r 绕着 c 点产生的力矩使钢板弹簧向前扭转变形， 在两种扭 转变形的共同作用下钢板弹簧的变形见图 2 。 理论 上讲两种变形是可以抵消的。 在制动时由于钢板 弹簧的变形， 转向节臂球销中心的两种运动关 系 （ 转向节臂球销中心沿着钢板弹簧主片中心所决定 的运动轨迹及绕转向摇臂下端球销中心摆动的轨 迹） 产生运动干涉， 当转向节臂球销中心沿着钢板 弹簧主片中心所决定的运动轨迹的运动量超过转 向系统的自由行程， 将会引起转向盘的摆动。 同时 在制动过程中由于制动力矩的波动， 造成悬架系统 （9）
图1 汽车制动时作用在钢板弹簧上的力
m1 G w （ L － φC2 ） L1 + L2 2 m1 G w （ L + φC1 ） P2 = （2） L1 + L2 1 Px = Fr C2 为前钢板簧 式中：G w 为作用在车轮上的载荷； C1 、 L2 为前钢板弹 前、 后两端固定点距路面的距离； L1 、 簧两端的长度； φ 为道路附着系数； m1 为制动时质 P1 = 量转移系数。 为了突出主要矛盾， 忽略水平分力对前钢板弹 簧变形的影响， 并假设板簧处于水平位置， 并忽略 非悬挂质量的惯性力对质量转移的影响， 则前钢板 1 。 f ' 、 f ″ 弹簧的变形可用图 来表示 图中 分别表示 P2 的作用造成的前钢板弹簧前、 由于 P1 、 后端变形 量， θ 表示前钢板弹簧倾斜变形的角度。 设前钢板 弹簧的垂直刚度 C ， 则有： m1 G w P1 = f' = （3） ( L φc ) C 2 ( L1 + L2 ) C 2 2 m1 G w P2 = （4） f″ = ( L + φc1 ) C 2 ( L1 + L2 ) C 1
制动抖动是汽车制动普遍存在的现象， 制动抖 动是汽车制动系统的重要故障之一， 严重影响车辆 的舒适性， 增加了驾驶员疲劳和误操作的可能性， 同时抖动也加速了相关部件的老化和疲劳破坏， 从 而影响到汽车的安全性。 本文以 SX2110 越野车为 例， 它所存在的汽车制动属于低频抖动状态， 具体 表现为：当车速为 40 ～ 50 km / h 实施中等强度制动 时， 方向盘左右抖动， 紧急制动时无异常现象。 1 制动抖动的发生机理 制动时造成转向盘摆振的综合因素很多 。 制 动引起的方向盘摆振的根源是制动时制动力矩的 波动， 而制动力矩产生于制动器， 其引起制动器的 振动有两种途径， 一种为固定件 （ 制动底板带制动 蹄总成） 与旋转件 （ 制动鼓 ） 之间的直接作用， 它属 于内力不引起制动抖动。 另一种通过轮胎与地面 再传到制动器。 因此其振动的根 之间的相互作用， 源只能通过轮胎与地面之间的相互作用实现， 具体
地面制动力与制动器 原理为：当车轮转速 n ≠0 时， 制动力矩满足下面公式： F= T re （1） （2）
T = pA μ r
式中：F 为地面制动力；T 为制动器制动力矩；r e 为轮 胎有效半径；p 为接触压力；A 为接触面积；μ 为摩擦 系数；r 为摩擦力等效作用半径。 从上式可以看出， 只要接触压力、 接触面积、 摩 擦系数、 有效作用半径中任何一个发生变化， 都会 导致制动力矩波动。 假设制动时忽略轮胎有效半 径变化， 当制动器制动力矩 T 波动时， 地面制动力 F 以与制动器制动力矩同样的规律波动， 由于轮胎的 弹性恢复力和力矩常滞后于轮胎变形的特性， 系统 在振动时能量会由地面经弹性轮胎输入到车轮悬 系统便 架系统和转向系统。 能量输入到一定程度， 变成了负阻尼系统， 这是造成转向盘摆振的根本原 。 ， 因 理论研究表明 能量输入多少， 不仅直接与控
θ = arctan（
式中： f ' 为前钢板弹簧前端位移量；f ″为前钢板弹簧 后端位移量；θ 为质量转移导致前钢板弹簧的摆角； m1 制动时质量转移系数， 取 1 ． 5 ；G w 为满载时前桥的 载荷；L1 为前钢板弹簧前段长度；L2 为前钢板弹簧后 段长度；C 为前钢板弹簧的垂直刚度； c1 为前钢板弹 簧前支架销孔中心距点的距离； c2 为前钢板弹簧后 支架销孔中心距点的距离。 2． 2 地面制动力对前悬架扭转变形的影响 （ 1 ） 前钢板弹簧的纵向角刚度 Cr = CL2 4 （6）
第 10 卷第 4 期 2013 年 8 月
现代 交 通 技 术 Modern Transportation Technology
Vol． 10 No． 4 Aug． 2013
汽车制动抖动问题的原因分析及对策探讨
1 2 温俊芳 ， 王荣庆
（ 1． 徐州机电工程高等职业学校， 江苏 徐州 221004 ；2． 徐州市交通工程机械化施工处， 江苏 徐州 221005 ） 摘 要：在参考大量文献和试验研究的基础上 ， 对越野车汽车制动抖动现象 、 发生机理及解决措施进行了综合的论
图2
钢板弹簧纵倾原理图（ 制动工况下）
综上所述， 方向盘摆振的根源是制动力矩的波 制动力矩的波动通过轮胎与地面的耦合作用及 动， 制动时的质量转移引起悬架系统的变形， 当振动频 共振频率通过转向直拉杆传到转向 率达到一致时， 盘， 引起转向盘的抖动。 3 方向盘抖动整车道路试验
果显示虽然不能完全消除方向盘抖动现象， 但可以 降低方向抖动的频率和幅度。 实验证明增大前桥 的制动力对衰减制动时方向盘抖动是可行的， 但由 于受前桥内部结构的限制， 制动力的提升空间很小。 3． 2 试验 方向盘抖动的根源是制动力矩的波动， 由于制 动力矩的波动及轴荷转移造成悬架系统的扭转变 形， 同时 SX2110 车初始设计根据转向传动装置运 动校核， 该车初始设计时转向系统与悬架系统相对 布置有些不合理， 在总布置允许的条件下， 没有充 分利用钢板弹簧的长度。 本次实验所采取的方案是重新设计悬架系统 和转向传 动 杆 系。 决 定 将 SX2110 前 钢 板 弹 簧 用 SX2190 的前钢板弹簧代替， 2 种板簧的参数见表 1 。
－1
采取被 动 措 施 解 决 制 动 抖 动 的 方 法 及 道 路
述， 讨论了当前解决制动抖动问题的方法和今后的研究方向 。 关键词：制动抖动；传递途径；制动力矩 中图分类号：U461． 6 文献标识码：A 9889 （ 2013 ） 04006804 文章编号：1672-
Cause Analysis and Countermeasure Discussion on Automobile Brake Jitter Problem
）， 作者简介：温俊芳（ 1967男， 山西定襄人， 高级讲师， 主要从事汽车教学与科研工作 。
第4 期
温俊芳， 等：汽车制动抖动问题的原因分析及对策探讨
·69· f ″f ' ） L1 + L2 （5）
而且 制能量输入的轮胎特性和地面摩擦特性有关， 汽车转向系统的动力学特性参数匹配和悬架系统的 弹性体振动特性也对摆振的发生有着重要的影响。 为验证轮胎特性对制动时转向盘摆振的影响 ， 采用不同厂家的轮胎进行试验。 试验证明更换轮 胎虽然不能完全消除摆振现象， 但转向盘摆振的频 率和幅度明显衰减。 2 2． 1 原因分析 制动时质量转移对前悬架的影响 汽车在制动时， 由于惯性力的作用会造成质量
·பைடு நூலகம்0·
现代 交 通 技 术
2013 年
有规律的变形， 当制动力矩波动的频率与悬架系统 的变形频率相同时， 将会引起方向盘的摆振。
空 载 时 同 步 附 着 系 数 ' 0 = 分配比 β = 0 ． 558 7 ， － 0 ． 345 ， 满载时 同 步 附 着 系 数 0 = 0 ． 294 。 根 据 《汽车理论》 ， 该车空载时在任何路面上制动时均是 后轮先抱死；满载时根据现有路面状况基本上也是 后轮先抱死， 而制动时由于质量转移， 后桥抱死时 因此该车前桥制动力还有很大的提升 空 间更快， 间。根据分析， 决定提高该车制动分配比 （ 前桥制 动凸 轮 轴 基 圆 直 径 由 原 来 的 Φ24 ． 8 mm 改 为 Φ23 mm， 制动力分配比 β = 0． 597 7 ） 进行实验。结
Wen Junfang1 ，Wang Ｒongqing2 （ 1． Xuzhou Electrical and Mechanical Engineering Higher Vocational School，Xuzhou 221004 ，China； 2． Xuzhou Traffic Engineering Mechanization Construction Department，Xuzhou 221005 ，China） Abstract：Based on consulting a large amount of literature and experimental research，this paper analyzed SUV brake jitter phenomenon，occurrence mechanism and solving measures． Finally it discussed current methods to solve brake jitter problem and research direction in the future． Key words：brake jitter； transductin pathway； braking torque
转移， 并伴随前、 后悬架的变形， 其中汽车前钢板弹 簧承受的载荷最大， 在它的后半段出现最大变形， 作用在钢板弹簧上的力见图 1 。 它们之间的关系 如下：
式中：C r 为前钢板弹簧的纵向角刚度；L 为前钢板弹 簧展开长度。 （ 2 ） 制动时前板簧的扭转角 γ= Mr Cr （7）
式中：γ 为制动时前板簧的扭转角；M r 为制动器对车 轮作用的制动力矩。 （ 3 ） 前钢板弹簧扭转变形时转向系统的运 动 分析 由于前钢板弹簧的扭转变形， 必然导致转向系 的运动， 计算公式如下：
解决制动抖动问题的方法 根据上述原因分析， 可分为主动措施和被动措施 2 种。 3． 1 主动措施解决制动抖动的方法及试验 主动措施就是从引起制动力矩波动的根源入 手， 尽可能减小制动力矩的波动。 为了减小制动力 矩波动的能量级， 国外开展很多方面的研究， 包括 制动器加工精度的提高与装配误差的严格控制和 在车制动蹄总成修复设备的研究等。 为验证这些 措施的可行性， 本次试验抽出 1 辆同类型制动时基 本没有方向盘抖动的 SX2110 车， 将该车的前桥换 到实验车上， 实验车基本消除抖动现象， 同时根据 调试人员的反映， 采用斯太尔桥的车调试时有的也 存在这些问题， 通过对制动蹄和制动摩擦片的修复 也能解决这些问题。 上述措施能够很好地抑制制 动力矩波动的幅值， 但由于加工误差、 装配误差、 外 力作用和使用环境等因素存在， 制动力矩的波动是 无法避免的。 由图 2 钢板弹簧纵倾原理图 （ 制动工况下 ） ， 前 桥制动力 F r 使前桥逆时针旋转克服由于质量转移 造成前桥顺时针扭转， 故选择恰当前桥的制动力可 衰减因质量转移造成前桥的扭转所带来的转向节 臂运动干涉。为验证该方案的可行性， 分别对实验 车进行摘掉前桥制动和增大前桥制动力实验， 其中 摘掉前桥制动力试验显示在中等强度制动时方向 盘抖动的频率和幅度均有增大的趋势 。 为验证增大前桥制动力的方案可行性， 对制动 系统进行理论计算。 计算结果如下： 制动器制动力
转向摇臂转动的角度 β： Ｒγθ β= L3
（8）
式中：Ｒ 为转向节臂球销中心距车轮中心的距离取 146 ． 7 mm；L3 为转向摇臂的长度。 转向盘转动的角度 ω： ω = β /t 式中：t 为转向器传动比， 取 22 ． 2∶ 1 ～ 26 ． 2∶ 1 。 制动时车轮中心相对于车架有一个上升量 ， 但 由于 f ″ ≠ f ' ， 钢板弹簧后端的变形量比前端变形量 大， 使前桥向后扭转变形， 同时地面制动力 F r 绕着 c 点产生的力矩使钢板弹簧向前扭转变形， 在两种扭 转变形的共同作用下钢板弹簧的变形见图 2 。 理论 上讲两种变形是可以抵消的。 在制动时由于钢板 弹簧的变形， 转向节臂球销中心的两种运动关 系 （ 转向节臂球销中心沿着钢板弹簧主片中心所决定 的运动轨迹及绕转向摇臂下端球销中心摆动的轨 迹） 产生运动干涉， 当转向节臂球销中心沿着钢板 弹簧主片中心所决定的运动轨迹的运动量超过转 向系统的自由行程， 将会引起转向盘的摆动。 同时 在制动过程中由于制动力矩的波动， 造成悬架系统 （9）
图1 汽车制动时作用在钢板弹簧上的力
m1 G w （ L － φC2 ） L1 + L2 2 m1 G w （ L + φC1 ） P2 = （2） L1 + L2 1 Px = Fr C2 为前钢板簧 式中：G w 为作用在车轮上的载荷； C1 、 L2 为前钢板弹 前、 后两端固定点距路面的距离； L1 、 簧两端的长度； φ 为道路附着系数； m1 为制动时质 P1 = 量转移系数。 为了突出主要矛盾， 忽略水平分力对前钢板弹 簧变形的影响， 并假设板簧处于水平位置， 并忽略 非悬挂质量的惯性力对质量转移的影响， 则前钢板 1 。 f ' 、 f ″ 弹簧的变形可用图 来表示 图中 分别表示 P2 的作用造成的前钢板弹簧前、 由于 P1 、 后端变形 量， θ 表示前钢板弹簧倾斜变形的角度。 设前钢板 弹簧的垂直刚度 C ， 则有： m1 G w P1 = f' = （3） ( L φc ) C 2 ( L1 + L2 ) C 2 2 m1 G w P2 = （4） f″ = ( L + φc1 ) C 2 ( L1 + L2 ) C 1
制动抖动是汽车制动普遍存在的现象， 制动抖 动是汽车制动系统的重要故障之一， 严重影响车辆 的舒适性， 增加了驾驶员疲劳和误操作的可能性， 同时抖动也加速了相关部件的老化和疲劳破坏， 从 而影响到汽车的安全性。 本文以 SX2110 越野车为 例， 它所存在的汽车制动属于低频抖动状态， 具体 表现为：当车速为 40 ～ 50 km / h 实施中等强度制动 时， 方向盘左右抖动， 紧急制动时无异常现象。 1 制动抖动的发生机理 制动时造成转向盘摆振的综合因素很多 。 制 动引起的方向盘摆振的根源是制动时制动力矩的 波动， 而制动力矩产生于制动器， 其引起制动器的 振动有两种途径， 一种为固定件 （ 制动底板带制动 蹄总成） 与旋转件 （ 制动鼓 ） 之间的直接作用， 它属 于内力不引起制动抖动。 另一种通过轮胎与地面 再传到制动器。 因此其振动的根 之间的相互作用， 源只能通过轮胎与地面之间的相互作用实现， 具体
地面制动力与制动器 原理为：当车轮转速 n ≠0 时， 制动力矩满足下面公式： F= T re （1） （2）
T = pA μ r
式中：F 为地面制动力；T 为制动器制动力矩；r e 为轮 胎有效半径；p 为接触压力；A 为接触面积；μ 为摩擦 系数；r 为摩擦力等效作用半径。 从上式可以看出， 只要接触压力、 接触面积、 摩 擦系数、 有效作用半径中任何一个发生变化， 都会 导致制动力矩波动。 假设制动时忽略轮胎有效半 径变化， 当制动器制动力矩 T 波动时， 地面制动力 F 以与制动器制动力矩同样的规律波动， 由于轮胎的 弹性恢复力和力矩常滞后于轮胎变形的特性， 系统 在振动时能量会由地面经弹性轮胎输入到车轮悬 系统便 架系统和转向系统。 能量输入到一定程度， 变成了负阻尼系统， 这是造成转向盘摆振的根本原 。 ， 因 理论研究表明 能量输入多少， 不仅直接与控
θ = arctan（
式中： f ' 为前钢板弹簧前端位移量；f ″为前钢板弹簧 后端位移量；θ 为质量转移导致前钢板弹簧的摆角； m1 制动时质量转移系数， 取 1 ． 5 ；G w 为满载时前桥的 载荷；L1 为前钢板弹簧前段长度；L2 为前钢板弹簧后 段长度；C 为前钢板弹簧的垂直刚度； c1 为前钢板弹 簧前支架销孔中心距点的距离； c2 为前钢板弹簧后 支架销孔中心距点的距离。 2． 2 地面制动力对前悬架扭转变形的影响 （ 1 ） 前钢板弹簧的纵向角刚度 Cr = CL2 4 （6）
第 10 卷第 4 期 2013 年 8 月
现代 交 通 技 术 Modern Transportation Technology
Vol． 10 No． 4 Aug． 2013
汽车制动抖动问题的原因分析及对策探讨
1 2 温俊芳 ， 王荣庆
（ 1． 徐州机电工程高等职业学校， 江苏 徐州 221004 ；2． 徐州市交通工程机械化施工处， 江苏 徐州 221005 ） 摘 要：在参考大量文献和试验研究的基础上 ， 对越野车汽车制动抖动现象 、 发生机理及解决措施进行了综合的论
图2
钢板弹簧纵倾原理图（ 制动工况下）
综上所述， 方向盘摆振的根源是制动力矩的波 制动力矩的波动通过轮胎与地面的耦合作用及 动， 制动时的质量转移引起悬架系统的变形， 当振动频 共振频率通过转向直拉杆传到转向 率达到一致时， 盘， 引起转向盘的抖动。 3 方向盘抖动整车道路试验
果显示虽然不能完全消除方向盘抖动现象， 但可以 降低方向抖动的频率和幅度。 实验证明增大前桥 的制动力对衰减制动时方向盘抖动是可行的， 但由 于受前桥内部结构的限制， 制动力的提升空间很小。 3． 2 试验 方向盘抖动的根源是制动力矩的波动， 由于制 动力矩的波动及轴荷转移造成悬架系统的扭转变 形， 同时 SX2110 车初始设计根据转向传动装置运 动校核， 该车初始设计时转向系统与悬架系统相对 布置有些不合理， 在总布置允许的条件下， 没有充 分利用钢板弹簧的长度。 本次实验所采取的方案是重新设计悬架系统 和转向传 动 杆 系。 决 定 将 SX2110 前 钢 板 弹 簧 用 SX2190 的前钢板弹簧代替， 2 种板簧的参数见表 1 。