制动抖动主要是由制动盘厚度变化(Disc thickness variation,DTV)和制动盘摩擦特性引起的^{[ 1]},前者又称为冷抖动,后者称为热抖动。制动盘厚度变化引起的转向盘抖动是一种机械激励振动,即使是在生产过程中采用较先进的生产工艺,制动盘厚度变化也不可避免,随着制动盘与摩擦片之间的不断摩擦,制动盘的这种厚度变化也在不断发生变化,在制动过程中会产生不一致的制动力,从而导致制动力矩的变化(Brake torque variation,BTV)^{[ 2]}。这种周期性变化的制动力矩对悬架、转向系统以及车身结构均会施加一种外部激励,当激励频率与结构的模态频率一致时就会产生共振。由于悬架灵敏度的不同,转向盘振动幅度也会不同,驾驶员对转向盘抖动的主观感觉也相对变化^{[ 3]}。制动抖动可以直接被驾驶员感知,从而直接影响着人们的购车取向。在国外,许多学者以及汽车生产厂商均致力于制动抖动方面的研究^{[ 4, 5]}。Hussain等^{[ 6]}采用多体系统动力学方法对商用车制动抖动的传递途径进行了分析。Hwang等^{[ 7]}对减小制动抖动的模态和设计灵敏度进行了分析,并有效地对制动抖动进行了控制。Kim等^{[ 8]}分析了制动器总成诸因素对降低制动力矩波动的影响。在国内,同济大学较早地开展了制动抖动方面的研究,建立了研究制动抖动的多刚体系统动力学模型^{[ 9]},并对制动抖动的传递途径进行了仿真与试验分析^{[ 10, 11]}。

本文通过制动抖动试验,对制动抖动进行了分析,通过阶次分析确定了转向盘1阶和2阶振动频率,并对制动抖动的传递途径进行了分析,分析结果可为转向盘制动抖动控制提供指导。

试验在消声室内转鼓试验台上进行,转鼓试验台的鼓面为沥青路面,以更好地模拟实际道路路面。制动抖动试验传感器布置如表1所示:

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 制动抖动试验工况 Table 1 Conditions of the brake judder test 序号 测点信号 传感器 位置 方向 1 转向盘振动加速度 3向加速度传感器 转向盘上边缘 转向盘垂向、切向和侧向 2 转向万向节振动加速度 3向加速度传感器 转向万向节下方 整车垂向、纵向和侧向 3 横拉杆振动加速度 3向加速度传感器 转向横拉杆下方 横拉杆轴向、整车纵向和垂向 4 转向节臂振动加速度 3向加速度传感器 转向节臂下方 整车垂向、纵向和侧向 5 制动管路压力 液压传感器 压力入口 无 6 制动钳振动加速度 3向加速度传感器 制动轮缸侧面 整车垂向、纵向和侧向 7 制动钳支架振动加速度 3向加速度传感器 制动钳支架侧面 整车垂向、纵向和侧向 8 发动机转速 转速传感器 ECU引出信号 无 9 踏板力 踏板力传感器 制动踏板 垂直于制动踏板

表1 制动抖动试验工况 Table 1 Conditions of the brake judder test

其中,转向节臂和转向横拉杆传感器布置如图1所示:

图1

Fig.1

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	图1 转向节臂和转向横拉杆传感器布置Fig.1 Acceleration transducers mounted on knuckle arm and tie rod

在进行制动抖动试验时,使制动踏板力分别为5、10、15和20 N,当制动初速度为90、120和150 km/h时开始实施制动,直到制动末速度减小到20 km/h,并使离合器处于接合和分离两种状态。将制动初速度、离合器状态以及制动踏板力进行组合,并对组合工况分别进行试验。采用LMS公司生产的SCADAS Mobile移动式数据采集前端进行数据采集,试验结束后对试验数据进行处理。

在制动踏板力为15 N、离合器接合、制动初速度为120 km/h以及制动末速度为20 km/h时转向盘垂向振动加速度如图2所示:

图2

Fig.2

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	图2 转向盘垂向振动Fig.2 Vertical vibration of the steering wheel

从图中可以看出,垂向抖动较为明显,且振动加速度先逐渐增大后逐渐减小,振动加速度最大值为2.00×9.8 m/s²。同样工况下的转向盘切向振动加速度如图3所示:

图3

Fig.3

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	图3 转向盘切向振动Fig.3 Lateral vibration of the steering wheel

从图中可以看出,转向盘切向抖动较为明显,振动加速度先增大后减小,切向振动加速度最大值为2.66×9.8 m/s²。同样工况下的转向盘径向振动加速度如图4所示:

图4

Fig.4

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	图4 转向盘径向振动Fig.4 Radial vibration of the steering wheel

从图中可以看出,转向盘径向抖动同样较为明显,但抖动幅度小于切向振动加速度,转向盘径向振动加速度先增大后减小,且径向振动加速度最大值为1.51×9.8 m/s²。在转向盘3个方向的振动中,转向盘切向抖动最为明显,且抖动幅度最大。其次是垂向振动,垂向抖动也较为明显,但最大抖动幅值比切向抖动幅值小0.66×9.8 m/s²。抖动最小的是径向振动,径向振动加速度幅值比切向小1.15×9.8 m/s²,比垂向小0.49×9.8 m/s²。同样工况下的左制动钳垂向振动如图5所示:

图5

Fig.5

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	图5 左制动钳振动垂向加速度Fig.5 Vertical vibration of the left caliper

从图中可以看出,在制动过程中,制动钳垂向振动加速度先增大后减小,垂向振动加速度最大值为3.52×9.8 m/s²。

在制动过程中,当制动盘厚度变化时,制动力矩会发生较明显的波动,制动力矩波动是引起转向盘抖动的根本原因。转向盘各个方向上的振动加速度频谱与汽车前轮转速之间存在着阶次关系,且可以表示为

式中:

转向盘垂向振动阶次谱如图6所示,

图6

Fig.6

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	图6 转向盘垂向阶次谱Fig.6 Order spectrum of the steering wheel at vertical direction

从图6可以看出,转向盘垂向1阶和2阶振动均较为明显,且1阶振动频率为16.8 Hz,2阶振动频率为33.8 Hz。转向盘切向振动阶次谱如图7所示:

图7

Fig.7

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	图7 转向盘切向阶次谱Fig.7 Order spectrum of the steering wheel at lateral direction

从图中可以看出,转向盘切向2阶、3阶、5阶振动较为明显,且2阶振动频率为34.0 Hz,3阶振动频率为54.0 Hz,5阶振动频率为83.4 Hz。转向盘径向振动如图8所示:

图8

Fig.8

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	图8 转向盘径向阶次谱Fig.8 Order spectrum of the steering wheel at radial direction

从图中可以看出,转向盘径向2阶、3阶和5阶振动较为明显,且2阶振动频率为33.8 Hz,3阶振动频率为53.9 Hz,5阶振动频率为83.7 Hz。转向盘3个方向的振动阶次频率基本相一致。

在制动过程中,制动钳与制动盘直接接触,可以近似将制动钳的振动看作转向盘抖动的直接激励。为了准确获取转向盘各个方向振动的传递路径,通过试验获得了各个传递环节的频率响应函数(Frequency response function,FRF),制动钳到转向盘切向的频率响应函数如图9所示:

图9

Fig.9

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	图9 制动钳到转向盘切向的频率响应函数Fig.9 FRFs from caliper to lateral direction of the steering wheel

从图中可以看出,制动钳切向振动在16.9 Hz时被放大,该频率点也是转向盘1阶振动频率,同时制动钳纵向振动在22.0 Hz时被放大,在其他频率点处,制动钳各方向的振动均被缩小。

制动钳到转向盘垂向振动的频率响应函数如图10所示:

图10

Fig.10

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	图10 制动钳到转向盘垂向的频率响应函数Fig.10 FRFs from caliper to vertical direction of the steering wheel

从图中可以看出,在24.3~34.9 Hz频率范围内,制动钳3个方向的振动均有不同程度的放大,在其他频率范围内,振动被衰减。制动钳到转向盘径向振动的频率响应函数如图11所示:

图11

Fig.11

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	图11 制动钳到转向盘径向的频率响应函数Fig.11 FRFs from caliper to radial direction of the steering wheel

从图中可以看出,在转向盘1阶振动频率为17.0 Hz处,制动钳侧向振动放大最大,制动钳垂向和纵向振动在该频率点处也被放大,但放大程度较小;在频率为22.0 Hz时,制动钳3个方向的振动均被放大,其中纵向振动放大最大。

在振动传递过程中,制动盘厚度变化引起的振动通过制动钳支架、转向节臂、转向横拉杆以及转向万向节等中间环节最终传递到转向盘。制动钳3个方向的振动到转向节臂侧向振动的频率响应函数如图12所示:

图12

Fig.12

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	图12 制动钳到转向节臂侧向的频率响应函数Fig.12 FRFs from caliper to lateral direction of the knuckle arm

从图中可以看出,制动钳3个方向的振动在转向节臂侧向放大较为明显,且在19.0~40.0 Hz频率范围内,制动钳纵向和垂向的振动放大较大,在频率为30.0 Hz时制动钳垂向被放大最大。 制动钳3个方向的振动到转向节臂垂向振动的频率响应函数如图13所示:

图13

Fig.13

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	图13 制动钳到转向节臂垂向的频率响应函数Fig.13 FRFs from caliper to vertical direction of the knuckle arm

从图中可以看出,振动从制动钳传递到转向节臂垂向时均被放大。制动钳3个方向的振动到转向节臂纵向振动的频率响应函数如图14所示:

图14

Fig.14

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	图14 制动钳到转向节臂纵向的频率响应函数Fig.14 FRFs from caliper to longitudinal direction of the knuckle arm

从图中可以看出,制动钳3个方向的振动在转向节臂纵向被衰减的程度大于被放大的程度。转向节臂到转向横拉杆轴向的频率响应函数如图15所示:

图15

Fig.15

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	图15 转向节臂到转向横拉杆轴向的频率响应函数Fig.15 FRFs from knuckle arm to axis direction of the tie rod

从图中可以看出,在25 Hz以上,转向节臂垂向均被放大,在3~25 Hz频率范围内,转向节臂纵向除个别频率点外基本全部被放大,在转向盘2阶振动频率点处,3个方向的振动均被放大。

由以上分析可知,从理论上来看,一个结构固定以后,其传递特性也就确定下来,因此,这种放大和缩小环节也随之确定,这种传递特性是该结构的固有属性,并不随外部激励的变化而变化,因此,在进行结构设计时综合考虑这种放大和缩小作用,将会使结构设计更加合理。4 结束语

通过在转鼓试验台上模拟路面行驶工况,对制动抖动现象进行了再现,并对制动钳、制动钳支架、转向节臂、转向横拉杆、转向万向节以及转向盘的振动加速度信号进行了采集,通过阶次分析确定了转向盘1阶16.8 Hz和2阶33.8 Hz为主要振动频率。确定了制动力矩波动引起的振动向转向盘传递的主要路径为:制动器→制动器支架→转向节臂→转向横拉杆→转向横拉杆→转向万向节→转向盘。精确确定3个方向上以及不同方向之间的传递特性,为制动抖动的控制提供参考,同时还可以为汽车结构设计提供支持,对于提高国产汽车NVH设计水平具有参考价值。