常慶斌，浦新宇，張志堅(jiān)，張光榮

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

摩擦片偏磨引起制動(dòng)低鳴噪聲控制研究

常慶斌，浦新宇，張志堅(jiān)，張光榮

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

從影響制動(dòng)低鳴噪聲的影響因素入手，抓取出其中一個(gè)重要的影響因素制動(dòng)卡鉗，重新設(shè)計(jì)制動(dòng)卡鉗，在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮改善摩擦片偏磨這個(gè)主要因素，從而達(dá)到消除制動(dòng)低鳴噪聲的目的。前期利用CAE分析、臺(tái)架驗(yàn)證及整車驗(yàn)證等方法，對(duì)影響因素摩擦片偏磨進(jìn)行評(píng)估，最終通過(guò)整車路試充分驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性，對(duì)制動(dòng)低鳴噪聲評(píng)價(jià)及改善具有指導(dǎo)意義。

聲學(xué)；制動(dòng)卡鉗；摩擦片；偏磨；低鳴噪聲；評(píng)估

目前客戶對(duì)制動(dòng)噪聲的關(guān)注度越來(lái)越高，因此對(duì)制動(dòng)噪聲的研究越來(lái)越多。對(duì)于制動(dòng)噪聲主要有三類：一類是低頻抖動(dòng)，在50 Hz以下，主要是表現(xiàn)為制動(dòng)扭矩波動(dòng)導(dǎo)致的制動(dòng)抖動(dòng)[1]；第二類是低頻噪聲，頻率范圍為50 Hz～1 000 Hz；第三類為高頻噪聲，頻率在1 000 Hz以上[2–3]，但是人耳能辨別的噪聲一般在16 kHz以下，因此很多汽車企業(yè)在研究解決高頻噪聲時(shí)，主要解決1 000 kHz～16 kHz之間的高頻噪聲，對(duì)于高頻噪聲業(yè)界已經(jīng)有很多的研究[4–5]；并且在高頻噪聲研究方面取得了有效成果。而對(duì)于低頻噪聲的研究并不多，制動(dòng)低頻噪聲主要有顫振的“咕咕”和低鳴的“嗡嗡”聲[6]，顫振的“咕咕”聲，主要發(fā)生在車輛起步或停車的時(shí)候，對(duì)于自動(dòng)擋車型較為明顯，且在駕駛室內(nèi)較為明顯，此噪聲沒(méi)有主頻率，是一個(gè)寬頻噪聲；制動(dòng)的低鳴噪聲，主要發(fā)生在車輛低速前進(jìn)或倒車制動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)前進(jìn)或倒退時(shí)更為明顯，此噪聲能夠維持一段時(shí)間，頻率范圍多在300 Hz～500 Hz范圍。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)CAE利用負(fù)阻尼比對(duì)制動(dòng)低鳴噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)負(fù)阻尼比方法預(yù)測(cè)控制手段的有效性。本文通過(guò)對(duì)某存在低鳴噪聲的車型進(jìn)行研究，利用整車評(píng)估，分析出制動(dòng)低鳴噪聲的影響因素，通過(guò)采用活塞偏心布置及加強(qiáng)卡鉗支架的方式，改善摩擦片偏磨，再通過(guò)整車驗(yàn)證、摩擦片壓力分布和臺(tái)架驗(yàn)證等手段驗(yàn)證方案的有效性。

1 制動(dòng)低鳴噪聲產(chǎn)生機(jī)理及研究分析

1.1 制動(dòng)低鳴噪聲產(chǎn)生機(jī)理

制動(dòng)低鳴噪聲不僅與經(jīng)典的摩擦振動(dòng)理論有關(guān)，還與整個(gè)后橋、懸架等底盤(pán)零件相關(guān)。當(dāng)車輛實(shí)施制動(dòng)時(shí)，摩擦片與制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生摩擦激勵(lì)，這個(gè)激勵(lì)通過(guò)制動(dòng)卡鉗傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，再通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到懸架及后橋系統(tǒng)，在傳遞過(guò)程中會(huì)引起這些部件的振動(dòng)。因此當(dāng)這種激勵(lì)與此系統(tǒng)中某個(gè)零件的頻率模態(tài)發(fā)生耦合時(shí)，此零件的模態(tài)趨向不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致了低鳴噪聲的發(fā)生，此頻率范圍一般在300 Hz到500 Hz之間。通過(guò)對(duì)某一存在此低鳴噪聲的車輛研究發(fā)現(xiàn)，在如下工況中低鳴噪聲更容易出現(xiàn)：制動(dòng)低壓、低溫潮濕環(huán)境、倒車轉(zhuǎn)向。因此制動(dòng)低鳴噪聲產(chǎn)生路徑如圖1所表示。

圖1 制動(dòng)低鳴噪聲傳遞路徑

1.2 制動(dòng)低鳴噪聲研究分析

1.2.1 制動(dòng)低鳴噪聲評(píng)估方法

目前在臺(tái)架上無(wú)法對(duì)制動(dòng)低鳴噪聲進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，只能通過(guò)整車路試進(jìn)行試驗(yàn)，本文對(duì)某款存在制動(dòng)低鳴噪聲的車輛進(jìn)行研究，通過(guò)收集客戶對(duì)該噪聲的抱怨信息可以看出，此抱怨主要發(fā)生在雨天停車一段時(shí)間后，在低速倒車入庫(kù)時(shí)出現(xiàn)，根據(jù)這些信息，本文總結(jié)出了利用整車試驗(yàn)進(jìn)行制動(dòng)低鳴噪聲的評(píng)估方法。利用人工方式對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行澆水，模擬雨天工況，然后車輛停滯一段時(shí)間，通過(guò)車輛走S彎的行駛模擬車輛停車入庫(kù)，再對(duì)車輛進(jìn)行如表1所示的工況進(jìn)行評(píng)估，其中評(píng)估方式腳/手分別指的是行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)的方式，由于制動(dòng)低鳴噪聲是后制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的，因此除了可以通過(guò)行車制動(dòng)工況復(fù)現(xiàn)，也可通過(guò)駐車的工況進(jìn)行考核，表1中每一行總的工況數(shù)為32個(gè)。對(duì)有制動(dòng)低鳴噪聲的車輛進(jìn)行評(píng)估，利用數(shù)采設(shè)備，在工況為前進(jìn)，潮濕，減速度為0.1 g，轉(zhuǎn)向，速度為＜10 km/h，行車制動(dòng)的情況下，采集到了低鳴噪聲如圖2所示，此低鳴噪聲的頻率為363 Hz。

圖2 制動(dòng)低鳴噪聲時(shí)頻圖

1.2.2 制動(dòng)低鳴噪聲影響因素分析

產(chǎn)生低鳴噪聲的一個(gè)重要輸入因素為制動(dòng)摩擦，車輛在制動(dòng)過(guò)程中，是一個(gè)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中需要通過(guò)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的磨損輸出制動(dòng)扭矩，最終使車輛減速或者停止，因此對(duì)于里程數(shù)不同的車輛，摩擦片的狀態(tài)是不同的。將調(diào)查車輛的摩擦片更換為新?tīng)顟B(tài)的摩擦片，按照表1的方式進(jìn)行評(píng)估，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)制動(dòng)低鳴噪聲；再分別更換不同里程的摩擦片進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)高里程的摩擦片都存在制動(dòng)低鳴噪聲。由此可以看出摩擦片是制動(dòng)低鳴噪聲產(chǎn)生的主要誘因。因此對(duì)有制動(dòng)低鳴噪聲的摩擦片進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)如圖3所示。

圖3 制動(dòng)摩擦片測(cè)點(diǎn)布置

分別測(cè)量摩擦片內(nèi)片和外片的1、2、3、4四個(gè)點(diǎn)的厚度信息，發(fā)現(xiàn)1－2；3－4點(diǎn)之間磨損情況不同，且出現(xiàn)了平行磨損的情況，如圖4所示。

圖4 摩擦片磨損狀態(tài)

對(duì)不同里程摩擦片進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏差大于0.6 mm時(shí)存在制動(dòng)低鳴噪聲。研究表明，摩擦片的平行的偏磨確實(shí)會(huì)導(dǎo)致此低鳴噪聲的發(fā)生[6]，因此對(duì)于該研究車輛，摩擦片的偏磨是導(dǎo)致制動(dòng)低鳴噪聲的根本原因。

表1 制動(dòng)低鳴噪聲評(píng)估工況

2 制動(dòng)低鳴噪聲解決方法及驗(yàn)證

2.1 制動(dòng)低鳴噪聲解決方法

通過(guò)前面的研究可以看出，如果要解決制動(dòng)低鳴噪聲，可以通過(guò)改善摩擦片的偏磨來(lái)實(shí)現(xiàn)。摩擦片的偏磨與制動(dòng)卡鉗的剛度、卡鉗質(zhì)心位置布置以及卡鉗的拖滯力矩有較大關(guān)系，因此本文從卡鉗質(zhì)心位置布置及卡鉗殼體中心位置優(yōu)化出發(fā)，重新設(shè)計(jì)制動(dòng)卡鉗，達(dá)到改善摩擦片偏磨的效果，同時(shí)在設(shè)計(jì)卡鉗上，對(duì)制動(dòng)卡鉗的支架進(jìn)行了加強(qiáng)，不僅能夠改善摩擦片的偏磨，從傳遞路徑上，對(duì)制動(dòng)摩擦的激振在傳遞過(guò)程中進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的制動(dòng)卡鉗支架如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的制動(dòng)卡鉗支架

2.2 摩擦片偏磨改善驗(yàn)證

2.2.1 摩擦片偏磨CAE分析

利用三維建模軟件UG建立后制動(dòng)角的數(shù)模，將帶有裝配關(guān)系的制動(dòng)角：后卡鉗、后轉(zhuǎn)向節(jié)、后制動(dòng)盤(pán)和后軸承導(dǎo)入到CAE分析軟件Ansys中，利用網(wǎng)格劃分功能，將制動(dòng)角零件劃分為四面體網(wǎng)格，其中螺栓連接處采用剛性連接的方式，劃分完網(wǎng)格后的CAE模型如圖6所示。

圖6 制動(dòng)系統(tǒng)摩擦片CAE分析模型

為了模擬客戶經(jīng)常使用的制動(dòng)工況，更準(zhǔn)確地分析摩擦片的偏磨情況，在Ansys分析軟件中分別考慮0.3 g和0.8 g減速度情況下摩擦片的壓力分布情況，分析結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

從摩擦片壓力分布結(jié)果可以看出，在0.3 g減速度情況下摩擦片在1－2，3－4點(diǎn)方向壓力分布接近，在0.8 g減速度的情況下外片在3－4方向上壓力分布接近，在1－2方向上摩擦片壓力分布沒(méi)有出現(xiàn)較大差異，因此通過(guò)CAE分析可以得出新設(shè)計(jì)后卡鉗在摩擦片偏磨方面有所改善。

圖7 0.3 g減速度下內(nèi)外片的壓力分布

圖8 0.8 g減速度下的內(nèi)外片壓力分布

2.2.2 摩擦片偏磨驗(yàn)證

利用制動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，搭載新設(shè)計(jì)的制動(dòng)卡鉗和舊狀態(tài)的卡鉗進(jìn)行摩擦片磨損實(shí)驗(yàn)，按照?qǐng)D3的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示，通過(guò)臺(tái)架的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，新設(shè)計(jì)卡鉗在摩擦片的偏磨數(shù)據(jù)上有了很大改善。

表2 摩擦片偏磨對(duì)比

將新設(shè)計(jì)的制動(dòng)卡鉗安裝到有低鳴噪聲的整車上進(jìn)行耐久路試，分別在整車路試60%和100%階段對(duì)摩擦片按照如圖3所示的點(diǎn)對(duì)摩擦片進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 耐久路試摩擦片偏磨數(shù)據(jù)

從測(cè)量數(shù)據(jù)中可以看出，摩擦片的最大偏磨量為0.3 mm，與當(dāng)前卡鉗比，偏磨量有了明顯改善。

2.3 整車制動(dòng)低鳴噪聲驗(yàn)證

2.3.1 前期整車制動(dòng)低鳴噪聲評(píng)估

新設(shè)計(jì)制動(dòng)卡鉗在改善制動(dòng)低鳴噪聲方面的效果需要通過(guò)整車實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的，由于整車路試周期比較長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)前期需要通過(guò)設(shè)定實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行快速驗(yàn)證，為了充分驗(yàn)證新設(shè)計(jì)卡鉗的有效性，結(jié)合之前摩擦片的偏磨數(shù)據(jù)，選取下表4所示的偏磨的摩擦片進(jìn)行整車實(shí)驗(yàn)，其中新片偏磨量指的是摩擦片在全新?tīng)顟B(tài)下通過(guò)機(jī)加的方式，加工出偏磨量分別為0.6/1.2 mm的摩擦片，對(duì)于半片偏磨量指的是摩擦片首先切除一半的摩擦材料，然后再分別機(jī)加偏磨量為0.6/1.2 mm的摩擦片，對(duì)于這些機(jī)加的摩擦片，在整車評(píng)估前需要先進(jìn)行磨合實(shí)驗(yàn)，使制動(dòng)盤(pán)和摩擦片進(jìn)行匹配，然后按照2.2.1中描述的方法進(jìn)行評(píng)估，按照表1對(duì)表4中不同狀態(tài)的摩擦片進(jìn)行3次以上的評(píng)估，做好記錄。通過(guò)評(píng)估發(fā)現(xiàn)新摩擦片偏磨量在0/0.6/1.2 mm狀態(tài)的新片均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)制動(dòng)低鳴噪聲，半片偏磨量在0/0.6 mm時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)制動(dòng)低鳴噪聲，而對(duì)于半片摩擦片偏磨量在1.2 mm時(shí)，有制動(dòng)低鳴噪聲的存在，但是此低鳴噪聲無(wú)法連續(xù)發(fā)生，且制動(dòng)低鳴噪聲不明顯，采集到的頻率在406 Hz左右，如圖9所示。

表4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ疗?shù)據(jù)

圖9 半片偏磨量1.5 mm的時(shí)頻圖

考慮到優(yōu)化后卡鉗臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果中摩擦片的偏磨量在0.1 mm左右，因此可以認(rèn)為新設(shè)計(jì)卡鉗對(duì)于制動(dòng)低鳴噪聲的控制是有效的。

2.3.2 整車耐久低鳴噪聲驗(yàn)證

將新設(shè)計(jì)的制動(dòng)卡鉗安裝到有低鳴噪聲的車上進(jìn)行整車耐久路試，分別在整車耐久路試進(jìn)行到20%、40%、60%、80%和100%的過(guò)程中，按照1.2.1中的評(píng)估方法進(jìn)行制動(dòng)低鳴噪聲的評(píng)估，并對(duì)各個(gè)階段的摩擦片按照?qǐng)D3的測(cè)量方法進(jìn)行偏磨測(cè)量，如表5所示。

表5 優(yōu)化卡鉗不同里程摩擦片偏磨量

直至摩擦片到更換壽命沒(méi)有發(fā)現(xiàn)制動(dòng)低鳴噪聲，這與之前的評(píng)估結(jié)果一致，摩擦片在偏磨量0.6 mm以下時(shí)是沒(méi)有制動(dòng)低鳴噪聲出現(xiàn)的，進(jìn)一步驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)卡鉗方案的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某一有制動(dòng)低鳴噪聲的車輛進(jìn)行研究，主要成果如下：

（1）總結(jié)出了一套制動(dòng)低鳴噪聲整車評(píng)估的方法；

（2）摩擦片切向偏磨是導(dǎo)致此車輛制動(dòng)低鳴噪聲的主要誘因；

（3）通過(guò)活塞的偏心設(shè)計(jì)及卡鉗支架強(qiáng)度加強(qiáng)，達(dá)到了改善摩擦片偏磨的目的；

（4）通過(guò)實(shí)際路試后對(duì)摩擦片偏磨分析，驗(yàn)證了摩擦片壓力分布的CAE分析方法，能夠有效地預(yù)測(cè)摩擦片的偏磨情況。

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Study on the Solution of Braking Moan Noise Induced by Brake Shoes Taper Wear

CHANG Qing-bin,PU Xin-yu,ZHANG Zhi-jian,ZHANG Guang-rong
(PanAsia TechnicalAutomotive Center Co.Ltd.,Shanghai 201201,China)

The brake caliper has the main contribution to the vehicle braking moan noise.In order to reduce the braking moan noise,the brake caliper is redesigned.The brake shoes taper wear,which is the main factor of braking moan,is considered.The CAE analysis,bench test and vehicle validation are used to evaluate the taper wear of the brake shoes. Finally,the redesigned caliper passes the vehicle durability test and the moan noise disappears.This work provides the guidance for vehicle’s moan noise evaluation and reduction.

acoustics;brake caliper;brake pad;taper wear;moan noise;evaluation

TK421+.6；U463.5；U467

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.015

1006-1355(2017)01-0068-04

2016-08-08

常慶斌（1986－），男，山東省濰坊市人，碩士生，主要研究方向?yàn)槠囍苿?dòng)噪聲研究。E-mail:changqingbin@sina.com