盘式制动器抖动和噪声问题的设计预防

作者:张洪阳 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:25 发布时间:2017-05-09
制动抖动和制动啸叫问题一直是困扰制动系统舒适性的复杂问题,也是J.D.Power 调查中客户经常抱怨的重点问题之一。解决这一问题需要在设计阶段就采取有效的预防措施。
盘式制动器抖动和噪声问题的设计预防

制动系统作为汽车底盘重要的子系统之一,涉及汽车安全性能和驾乘舒适性。在J.D.Power的调查结果中,制动抖动和制动啸叫问题是客户经常抱怨的重点问题,也一直是困扰制动系统舒适性的复杂问题,急需解决。

图1 典型的盘式制动器

随着汽车零部件技术的发展,盘式制动器(见图1)已经逐渐成为乘用车制动器的主流结构,在使用过程中,经常会出现制动卡钳摩擦片与制动盘间摩擦副某种异常特性,或制动卡钳与制动盘结构参数设计匹配不佳,或者制动系统零件使用不当的原因,使制动器在制动过程中产生振动和噪声,经过与之相连接的转向节、减振器和车身地板的传递,影响车内驾乘人员的驾驶舒适性。严重的制动噪声问题,甚至会影响制动性能的稳定性。本文针对盘式制动器的这问题进行分析并提出相应的设计预防措施。

制动抖动及其控制措施

制动抖动问题是典型的制动NVH故障,涉及制动器振动和噪声的产生、传递及乘员的主观感受。制动抖动会加速传递途径中相关部件的老化和疲劳破坏,影响车辆的驾驶舒适性。

制动抖动问题一般由制动系统低阶扰动引起。低频抖动主要由制动力矩波动引起的低频强迫振动,抖动的频率与车速呈一定的阶次关系,频率在100 Hz以下,大多数抖动发生在车速60 km/h附近。

制动抖动按照现象一般可以分为冷抖动、热抖动、新车抖动、湿态抖动(摩擦副间有水时)和锈蚀抖动。冷抖动主要是制动盘几何尺寸不规则或者摩擦片的晃动,从而影响制动压力及制动力矩波动引起的,大部分冷抖动都是1~5阶低频振动。热抖动是制动盘局部热态不稳定而导致热变形,热抖动一般发生在高速行驶多次紧急制动,制动盘温度快速升高以后。新车抖动一般是新车磨合期间,制动摩擦片与制动盘摩擦不均匀导致。湿态抖动主要是下雨天,制动盘和摩擦片间水膜导致的制动压力不均匀引起的制动器力矩波动。锈蚀抖动是制动盘生锈后导致摩擦片与制动盘间摩擦力矩波动,一般在锈迹磨耗清除后抖动消失。

针对以上相关影响因素,在设计阶段可采取一定的措施加以预防。

制动盘的几何尺寸包括制动盘厚薄差、制动盘端跳、制动盘表面粗糙度。在前期设计过程中,需要结合制动盘的加工工艺水平,规范制动盘几何尺寸公差分布。

图2 制动盘厚薄差测量

如图2所示,制动盘厚薄差是指制动盘的厚度沿圆周方向的变化,会导致摩擦片周期性的接触压力分布变化。由于制动盘的厚薄差在车轮旋转一周内变化几次,因此,由于厚薄差而导致的制动抖动频率与车速成正比。

图3 制动盘端面跳动测量

制动盘端面跳动是指制动盘的盘面沿圆周方向有轴向的高低变化(见图3),有端面跳动的制动盘旋转一周,引起制动卡钳的内外摩擦片产生微小位置变化,导致接触压力分布不均匀。制动盘与轮毂轴承压装后,如果制动盘安装面平面度不好或者安装面有杂质,也会影响安装后的总成端面跳动量。

制动盘粗糙度是其表面机加工后微观高低起伏的几何形状误差。表面粗糙度越小,则越光滑。制动盘表面粗糙度对抖动的影响类似制动盘端面跳动,引起制动压力的波动。

制动盘热变形是指制动盘温度升高后,发生翘曲变形,如果热点过高会导致制动盘材料局部金相组织细微变化,加速了厚薄差的产生。对此,设计前期需要计算最大制动强度时的制动盘热负荷,根据需求设计制动盘的通风结构、热容量和制动挡泥板的形状,避免制动盘升温过快。

雨雪天气后,制动盘表面极易生锈。制动盘材料一般用珠光体灰铸铁制成,为了提高铸铁的强度和耐腐蚀性,设计时可以考虑制动盘表面使用碳氮共渗工艺,提高制动盘表面抗腐蚀性能,同时优化制动摩擦片的结构设计,提高摩擦除锈能力。

制动摩擦片在制动时受到摩擦力的剪切作用,会在制动支架卡槽内有一定的振动,振动能量经过卡钳的传递产生制动抖动,设计时需要考虑摩擦片的滑移力,在满足摩擦片回位特性的前提下,通过增大弹簧片的弹性刚度来减小摩擦片的晃动量。

制动噪声及其控制措施

图4 制动噪声开发过程

制动噪声的频率分布很广,中低频噪声一般是由于制动盘和摩擦片间的摩擦特性引起的,频率为100~1 000 Hz,多数情况下发生在较低的车速时(低于10 km/h),一般在车辆刚起动或者快要停车时,还有倒车或者挪库中,都容易发生。高频噪声一般与制动系统元件的模态有关,频率在1 000 Hz以上。
制动噪声产生的原因与摩擦振动理论有关,包括摩擦片与制动盘间的配合特性引起的粘滑摩擦振动和制动系统机械部件模态耦合引起的共振。制动噪声的频率范围为100 Hz到20 kHz。在设计过程中,通过对制动系统相关部件,包括制动卡钳、制动摩擦片、制动盘及制动支架的模态和刚度分析,避免模态耦合引起的共振,同时通过台架试验、整车路试来验证制动噪声,持续优化系统结构。制动噪声开发过程如图4。

非制动状态下的制动盘和摩擦片拖摩容易导致低频噪声,一般通过优化浮动卡钳的导向销与卡钳支架孔的配合间隙设计,比如增加橡胶衬片或者油脂来减小滑移阻力,让摩擦片更好的回位;通过制动卡钳活塞密封圈的结构优化设计,或者在内侧摩擦片背板增加卡簧结构,提高摩擦片回位性;通过在摩擦片弹簧处增加油脂,提高摩擦片回位时的润滑性。这些措施都能够有效减少非制动状态下的盘片磨损,改善摩擦片与制动盘摩擦振动。

图5 制动系统模态分析

摩擦系数对制动噪声影响明显,摩擦系数偏大容易产生高频制动噪声,因此,在满足制动强度的前提下,设计时应尽量选用摩擦系数小的摩擦片。与此同时,通过对摩擦片形状进行合理的设计优化,可以改善制动系统的模态。一般通过对摩擦片进行倒角或者切槽,以改变摩擦片的摩擦面积、接触压力分布,改善一定频率下的制动噪声。此外,在摩擦片背板上设计合适的消音片,可以在摩擦片和卡钳间产生良好的隔振效果,减少制动噪声、抖动的传递。
如图5所示,通过对制动卡钳的钳体、支架等零件的结构和刚度进行优化设计,合理匹配,可以避免制动系统的模态耦合,提高噪声品质。

结语

本文通过浅析制动抖动和制动噪声的发生机理,系统梳理设计开发过程中对制动抖动和噪声采取的设计预防措施,并结合多年的制动噪声问题解决效果,从而为制动系统噪声问题的控制提供了借鉴。