基于ADAMS的制动抖动现象仿真分析

为汽车系统动力学及控制; 张立军(1972-), 男, 吉林人, 讲师, 博士, 研
究方向为汽车噪声振动控制。
的特点，利用 ADAMS/view 模块建立了制动器仿真模型， 如图 1。建模过程如下：首先利用 Unigraphics 软件建立制动 器的三维实体简化模型；利用 Parasolid 转换格式将其导入 ADAMS；其次在 ADAMS 环境下建立理想约束和初始条件。 仿真模型作如下简化：制动盘和摩擦片均为刚体，两者表面 均平整，制动盘和摩擦片始终接触良好，忽略制动过程中制 动盘的热变形及摩擦系数随温度的变化。模型包含 6 个刚体 和三个自由度，分别为制动盘 1 个旋转自由度，左右摩擦蹄 片工作方向各 1 个平移自由度，具体约束见表 1。
引 言1
制动抖动是指车辆在一定车速范围内实施制动时发生的 制动器制动力矩波动，以及由此引起的方向盘、制动踏板、车 身底板以及座椅等剧烈抖动的现象。制动抖动是制动系统的常 见故障之一，严重影响车辆安全性和舒适性，造成巨大损失[1]。
研究结果表明[2]，制动引起的方向盘抖动的根源是制动 时制动力矩的波动，制动盘安装后的端面跳动(Side face runout, SRO)是引起制动力矩波动的一个重要因素。引起制动盘 安装后端面跳动的因素主要包括制动盘的加工误差、轮毂的 加工误差、制动盘的装配误差、制动器的使用环境和热影响等。
2.5 传递过程中的放大环节
一系列仿真表明，在振动信号从制动器向方向盘的传递 过程中，前悬架下三角摇臂与副车架间的橡胶衬套及副车架 与车身连接处的橡胶衬套明显表现为放大环节的特征，对共
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第 18 卷第 6 期 2006 年 6 月
系统仿真学报
Vol. 18 No. 6 Jun., 2006
Abstract: By using ADAMS/view, a simulation model of disk brake system was established and the brake torque variation due to disc side face run-out was analyzed. Furthermore by using ADAMS/car, a full vehicle model was established, and through simulation, the vibration transmission path from brake system to steering wheel was confirmed and the source of magnifying role in the transmission process was made clear. In the end, the vibration control method by means of adjusting the rigidity of rubber bushing was put forward to eliminate the brake judder phenomenon. Key words: brake judder; side face run-out; brake torque variation; ADAMS
240 230 220 210
200 190 180 170
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 时间(s)
图 2 制动力矩时域的仿真结果
1000 800
600 400
200 0 0 50 100 150 200 250 频率(Hz) 图 3 制动力矩三维谱阵
×1010 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5
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第 18 卷第 6 期 2006 年 6 月
高晓杰, 等：基于 ADAMS 的制动抖动现象仿真分析
Vol. 18 No. 6 Jun., 2006
例，制动力矩仿真结果见图 2；同时利用 matlab 进行数据处 理，通过短时傅利叶变换[3]得到了制动力矩的三维谱阵见图 3。
制动力矩(Nm)
1) 通过整车仿真分析找出了振动信号从制动器制动力矩 →悬架→转向横拉杆→方向盘的Fra Baidu bibliotek递途径并为试验所证实，同 时发现了另一条可能的传递途径：制动器→悬架→副车架→转 向机壳体→方向盘，但这有待进行进一步试验加以验证；
图 4 整车多刚体动力学仿真模型
2.2 仿真工况的确定
结合道路试验[2]及前述的仿真结果确定初始条件。采用直 线制动工况，制动初速度为 120km/h；对两前轮分别施加等幅 正弦扫频制动力矩，根据制动抖动的道路试验结果确定制动 力矩均值为 200Nm，波动幅度 40Nm，频率范围 50- 10Hz。
转速(rpm)
由图 3 可知，随着制动时车轮转速的降低，制动力矩波动 的频率也不断的降低，呈明显的线性关系；制动力矩表现出扫 频信号的特点。相应的整车道路试验也验证了该结论[2]。
2 整车仿真模型的建立及分析
2.1 整车仿真模型的建立
从上述分析可知，制动过程中，在制动盘装偏条件下制 动力矩会产生明显的波动，表现为扫频信号的特点，通过轮 胎与地面的相互作用使得悬架部分发生明显的振动，进而传 递到方向盘上。为了能够准确的分析振动信号的传递途径， 考察振动信号在传递过程中的放大和衰减情况，利用 ADAMS/car 模块建立了如下的整车模型。整个模型包括麦 弗逊式前悬架(包含横向稳定杆)、齿轮齿条式转向机总成、 方向盘、复合梁式后悬架、基于魔术公式的轮胎模型及简化 为质量球的车身。具体建模过程见参考文献[4]。
第 18 卷第 6 期 2006 年 6 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 18 No. 6 Jun., 2006
基于 ADAMS 的制动抖动现象仿真分析
高晓杰，余卓平，张立军，尹东晓，宁国宝
（同济大学, 上海 201804）
摘 要：利用 adams 软件,建立了盘式制动器的仿真模型，分析了在制动盘装偏情况下制动力矩波
10 15 20 25 30 35 40 45 50
频 率 (Hz)
图 7（a） 悬架到转向横拉杆相干系数三维谱阵
转向横拉杆到方向盘法向相干分析的三维谱阵
车轮转速(rpm)
800
0.9
700
0.8
600
0.7
500
0.6
400
0.5
30010 15 20 25 30 35 40 45 50 0.4 频 率(Hz)
悬架垂向 加速度(km/h)
横拉杆横向 加速度(m/s2)
方向盘纵向 加速度(m/s2)
2 0 -2 -4 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
4 2 0 -2 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
2
0
-2 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 3 2 1 0
1 盘式制动器仿真模型建立及分析
1.1 模型建立
为了更好地了解基于制动盘装偏情况下制动力矩波动
收稿日期：2005-04-05
修回日期：2006-03-03
作者简介：高晓杰(1981-), 男, 上海人, 硕士生, 研究方向为汽车系统动
力学及控制; 余卓平(1960-), 男, 江西人, 教授, 院长, 博士, 研究方向
2.3 仿真结果的分析与验证
由图 5 看出，时域上振动加速度的幅值都经历了小-大小的变化过程，频域上均在 25Hz 附近出现了明显的共振峰。 当车轮的转速降低到 860rpm，方向盘径向和法向振动加速 度的幅值开始增大；当转速为 720rpm，振动加速度达到最 大；当转速继续降低，幅值开始衰减。这说明只有在一定的 车速范围内，也即一定的激振频率范围内才会发生制动抖动 现象。由图 5(b)可知，车辆在等幅扫频制动力矩的激励下， 方向盘在 25Hz 附近出现了明显的共振峰，这说明从制动器 到方向盘的传递路径上，存在频率在 25Hz 左右的放大环节，会 加剧制动抖动的负效应。随后的道路试验也验证了这一结论[2]。
图 7（b） 横拉杆到方向盘法向相干系数三维谱阵
振峰的频率和幅值影响最大。如表 2 所示，弹性衬套 x,y,z
三方向的线刚度越大，方向盘加速度信号共振峰频率越高。
序号 1 2 3
表 2 弹性衬套刚度和抖动信号共振频率关系
衬套刚度
固有频率(Hz)
50%
18.5
100%
26.0
200%
36.9
3 结论
本文建立了盘式制动器仿真模型，通过计算发现，在制 动盘装偏情况下会引起制动力矩的波动，且波动频率随着车 轮转速的降低而降低，表现出扫频信号的特点，进而导致前 悬架和方向盘的剧烈振动。故正确的安装制动盘，尽可能减 小安装误差是消除制动抖动现象的根本方法；
Simulation and Analysis of Brake Judder Phenomenon by Using ADAMS
GAO Xiao-jie, YU Zhuo-ping, ZHANG Li-jun, YIN Dong-xiao, NING Guo-bao
（College of Automotive Studies of Tongji University, shanghai 200092, China）
0 10 15
－ -制 动 盘 到 方 向 盘 径 向 ---:制 动 盘 到 方 向 盘 径 向
20 25 30 频 率 (hz)
35 40
图 5(b) 制动盘到方向盘的传递函数仿真结果
2.4 传递途径分析
以右侧前悬架和转向系统为例，方向盘 z 向，横拉杆 y 向 及悬架 z 向的振动加速度信号的振幅在时域内都历经了小-大小的变化过程，表明了振动由弱变强再变弱。同时，采用相干 分析来确定信号间关系。相干系数表明输出与输入之间的相关 程度，通过相干分析可以初步确定振动传递途径。经数据处理， 得到相干分析结果的三维谱阵。由图 7 可知，振动频率和车轮 转速呈明显的线性关系，相干系数大于 0.9。据此可判断振动 信号传递途径为：制动器→悬架→转向横拉杆→方向盘。相应 的实车试验也验证了这一结论[2]。采用同样的分析方法发 现，振动信号也可能沿着：制动器→悬架→副车架→转向机 壳体→方向盘的路径传递，但这有待进一步试验的验证。
-1 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12
图 6 悬架 z 向，横拉杆 y 向及方向盘 x,z 向的加速度仿真结果
悬架到转向横拉杆相干分析的三维谱阵
方向盘垂向 加速度(m/s2)
车轮转速(rpm)
800
0.9
700
0.8
600
0.7
500
0.6
400
0.5
300
0.4
转速(rpm) Dz/dt2(m/s2) Dz/dt2(m/s2)
1500 1000
500
0
7
8
2
1
0
7
8
3
2
1
0
-1
7
8
9
10
11
12
9
10
11
12
9
10
11
12
时 间 (s)
图 5(a) 方向盘径向法向加速度时间历程仿真结果
传递函数
2 1 .8 1 .6 1 .4 1 .2
1 0 .8 0 .6 0 .4 0 .2
图 1 制动盘装偏情况下的制动器仿真模型
铰链类型 移动副 转动副 固定副
表 1 铰接副及其约束自由度
铰接数量
约束自由度数
2
2*5
1
1*5
3
3*6
1.2 仿真计算及结果分析
将整车平移惯量等效为制动盘的转动惯量，在制动盘初 速度 1100rpm 时进行制动，施加的制动力大小等于该制动器 系统在制动油压为 2.4Mpa 时计算得到的制动力。以右侧为
动情况；在此基础上，建立整车仿真模型，通过仿真计算明确了振动从制动器到方向盘的传递途
径，分析了传递途径中的放大环节，最后提出了通过调节前悬架弹性衬套刚度来消除制动抖动现
象的振动控制方法。
关键词：制动抖动；端面跳动；制动力矩波动；ADAMS
中图分类号：U270.1; TB53
文献标识码：A
文章编号：1004-731X (2006) 06-1668-03
本文通过振源形成及振动传递途径两方面从理论上分 析了制动抖动现象。首先利用 ADAMS 软件分别建立了盘式 制动器和整车仿真模型，考察了在制动盘装偏条件下制动力 矩波动的特点；进而对整车仿真模型施加相应的制动力矩， 通过仿真计算确定了从制动器到方向盘的振动传递途径，分 析了传递途径中各零件对制动抖动的吸收与放大，最后提出 了通过调节前悬架弹性衬套刚度的振动控制方法。