黃炎清

制動(dòng)噪音研究及實(shí)例分析

黃炎清

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

文章闡述了制動(dòng)噪音產(chǎn)生的相關(guān)機(jī)理，根據(jù)頻率對(duì)制動(dòng)噪音進(jìn)行分類研究，介紹與制動(dòng)噪音可能相關(guān)聯(lián)的底盤零部件及發(fā)生制動(dòng)噪音的典型場(chǎng)景，提出相應(yīng)匹配方案。根據(jù)3個(gè)制動(dòng)噪音問(wèn)題實(shí)例的處理分析，通過(guò)對(duì)噪音實(shí)測(cè)，分析確認(rèn)頻率和振動(dòng)源，并提出優(yōu)化的方案。通過(guò)結(jié)合臺(tái)架和實(shí)車效果驗(yàn)證，最終有效改善了實(shí)際制動(dòng)噪音問(wèn)題，提高車輛舒適性，進(jìn)而提高車企產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

制動(dòng)噪音；剎車異響；錯(cuò)開固有頻率；消音片；Groan噪音

噪音問(wèn)題是汽車行業(yè)內(nèi)非常棘手的問(wèn)題。當(dāng)前，汽車逐步進(jìn)入電機(jī)動(dòng)力時(shí)代，汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪音沒有內(nèi)燃機(jī)掩蓋而被直接暴露出來(lái)，故制動(dòng)噪音成為亟須解決的問(wèn)題。目前對(duì)制動(dòng)噪音機(jī)理研究主要分為理論和實(shí)車測(cè)試兩種方法。制動(dòng)噪音產(chǎn)生機(jī)理涉及知識(shí)面極廣，如摩擦學(xué)、機(jī)械學(xué)、聲學(xué)、熱力學(xué)、振動(dòng)學(xué)等，而且制動(dòng)噪音相關(guān)影響因素不斷變化[1]。在前期車型設(shè)計(jì)階段，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析盡可能錯(cuò)開零部件共振頻率降低產(chǎn)生制動(dòng)噪音概率，在樣車開發(fā)階段通過(guò)設(shè)備檢測(cè)噪音頻率、振源確認(rèn)制動(dòng)噪音類型和產(chǎn)生噪音的零部件，再匹配相應(yīng)解決方案。

1 制動(dòng)噪音產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)前制動(dòng)噪音產(chǎn)生的原因主要是通過(guò)自激振動(dòng)理論進(jìn)行分析，即由摩擦片與制動(dòng)盤的摩擦耦合產(chǎn)生，且懸架和制動(dòng)器相關(guān)部件的模態(tài)參數(shù)匹配不當(dāng)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生自激振動(dòng)，形成制動(dòng)噪音[2-3]。自激振動(dòng)通過(guò)制動(dòng)器總成、底盤懸架、車身傳到駕駛艙，形成駕駛員所聽到的制動(dòng)噪音。制動(dòng)噪音產(chǎn)生因素是非常復(fù)雜的，不同底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、摩擦片厚度、制動(dòng)盤薄厚差、裝配精度、部件固有頻率、制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤與摩擦片磨損產(chǎn)生材料碎屑等都是制動(dòng)噪音產(chǎn)生因素；環(huán)境的溫度、濕度，不同天氣、不同車速剎車、剎車力度大小也形成不同頻率制動(dòng)噪音[4-5]。

2 制動(dòng)噪音分類及介紹

制動(dòng)噪音的頻率范圍從幾赫茲到一萬(wàn)多赫茲。根據(jù)制動(dòng)噪音產(chǎn)生的頻率不同，如圖1所示，制動(dòng)噪聲大致可以分為以下幾種：

圖1 制動(dòng)噪音類型頻率分布

1）Shudder（judder）制動(dòng)噪音頻率為5～ 100 Hz，Shudder噪聲發(fā)生時(shí)駕駛員通過(guò)方向盤、地板、儀表盤、座椅、剎車踏板等感覺到振動(dòng)。常見Shudder噪音產(chǎn)生原因?yàn)橹苿?dòng)盤厚度差不合格、剎車時(shí)摩擦片與制動(dòng)盤在輪胎徑向方向產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊形成振動(dòng)，從而產(chǎn)生制動(dòng)噪音。摩擦片推動(dòng)制動(dòng)主缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)使制動(dòng)液壓力產(chǎn)生波動(dòng)變化，導(dǎo)致駕駛員感受到車輛零部件振動(dòng)現(xiàn)象，這種制動(dòng)振動(dòng)稱為“制動(dòng)顫抖”。

2）Groan是一種低頻噪音，類似于“吱嘎聲”，噪音頻率一般小于600 Hz，通常在車體內(nèi)部能感覺到，Groan制動(dòng)噪音產(chǎn)生原因?yàn)楫?dāng)車速較慢時(shí)，駕駛員輕踩剎車，制動(dòng)盤與摩擦片處于一種似離非離、似合非合的狀態(tài)，摩擦片和制動(dòng)盤之間的拖滑產(chǎn)生自激振動(dòng)源，如果制動(dòng)噪音相關(guān)零部件的模態(tài)參數(shù)匹配不當(dāng)，容易產(chǎn)生制動(dòng)噪音。產(chǎn)生Groan可能因素為制動(dòng)過(guò)熱剎車片熱變形，制動(dòng)盤變形，制動(dòng)器的卡鉗、軸套等零部件設(shè)計(jì)不合理等。

3）Moan也是一種低頻制動(dòng)噪音，是類似“動(dòng)物叫聲、嗷、哞”的噪音，一般頻率小于500 Hz，摩擦片與制動(dòng)盤摩擦，懸架產(chǎn)生共振發(fā)出的聲音，多出現(xiàn)在拉住手剎，后排座位有人坐上去時(shí)；或者車輛起步，慢放剎車踏板時(shí)等情景。

4）Squeal：Squeal低頻尖叫頻率為1～3 kHz，一般由盤片摩擦引起的底盤系統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上零件的固有頻率共振所造成的。引起低頻噪音的可能因素：制動(dòng)盤的厚度差不合格、材質(zhì)、表面平整度等；卡鉗的材質(zhì)、安裝位置等；轉(zhuǎn)向節(jié)的剛度、模態(tài)頻率、材質(zhì)、阻尼系數(shù)等；懸架的剛度、模態(tài)頻率、材質(zhì)、阻尼系數(shù)等；摩擦片的摩擦系數(shù)、材質(zhì)、幾何形狀等。Squeal高頻尖叫頻率為4～16 kHz，處理高頻尖叫主要從制動(dòng)盤與摩擦片入手，例如：制動(dòng)盤的厚度差不合格、材質(zhì)、表面平整度等；摩擦片的摩擦系數(shù)、材質(zhì)、消音片匹配選型、幾何形狀等。

3 制動(dòng)噪音控制方法

汽車行業(yè)現(xiàn)階段制動(dòng)噪音測(cè)試方法分為噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness, NVH）臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車道路測(cè)試。臺(tái)架測(cè)試設(shè)備：GIANT Evo NVH臺(tái)架，一般按SAE J2521標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試；實(shí)車測(cè)試：比較典型的測(cè)試制動(dòng)性能測(cè)試路況為黃山部分道路稱為黃山路試，搭載設(shè)備一般選用LINK3802或Vmax4000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)采用測(cè)試設(shè)備輸出數(shù)據(jù)客觀評(píng)價(jià)加測(cè)試人員主觀感受評(píng)價(jià)。

低頻制動(dòng)噪音的主要改善方法為：盤片和卡鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、質(zhì)量的調(diào)整、增加潤(rùn)滑脂與不銹鋼蓋板等，其他制動(dòng)噪音處理方法對(duì)于低頻噪音效果不明顯。當(dāng)前控制制動(dòng)噪音主要方法如下：

1）盡可能降低摩擦引起的振動(dòng)。摩擦片選用低μ配方或配方微調(diào)，改善摩擦片、制動(dòng)盤、卡鉗接觸面的平面度、平行度等。

2）增加系統(tǒng)阻尼系數(shù)以衰弱振動(dòng)傳遞。在一定范圍內(nèi)增加摩擦片壓縮量、增加消音片、調(diào)節(jié)二硫化鉬比例等。

3）錯(cuò)開固有頻率，避免因共振產(chǎn)生的制動(dòng)噪音。如：摩擦片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、摩擦片切溝倒角、制動(dòng)盤和卡鉗的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的調(diào)整，以及轉(zhuǎn)向節(jié)、避震器、輪轂軸承等其他部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

4 制動(dòng)噪音解決實(shí)例分析

4.1 摩擦片配方微調(diào)改善制動(dòng)噪音

微調(diào)摩擦片配方對(duì)解決制動(dòng)噪音的優(yōu)點(diǎn)有：設(shè)計(jì)變更小、樣件制作周期短、幾乎無(wú)成本增加；摩擦片配方成分比例增加對(duì)制動(dòng)噪音影響如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)摩擦片材料成分對(duì)制動(dòng)噪音影響

注：↗為改善；↘為變差；?為無(wú)變化。

通過(guò)某車型摩擦片配方微調(diào)Dust實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在摩擦片配方其他成分不變的情況下，提高Dust占比對(duì)制動(dòng)噪音改善明顯，如表2所示。

表2 不同Dust含量制動(dòng)測(cè)試噪音結(jié)果對(duì)比

4.2 調(diào)節(jié)制動(dòng)卡鉗支架固有頻率改善制動(dòng)噪音

在車型開發(fā)早期數(shù)模階段，通過(guò)對(duì)制動(dòng)噪音相關(guān)零部件模態(tài)CAE仿真分析得出各階固有頻率，對(duì)比制動(dòng)噪音相關(guān)零部件各階固有頻率是否重疊，通過(guò)修改零部件數(shù)模錯(cuò)開固有頻率重疊，盡量降低后期產(chǎn)生噪音概率。

某車型進(jìn)行臺(tái)架NVH制動(dòng)噪音測(cè)試，測(cè)試臺(tái)架如圖2所示，冷態(tài)下噪音測(cè)試結(jié)果顯示頻率為 3 kHz，且有多個(gè)高分貝制動(dòng)噪音，其最高值已達(dá)到100.5 dB。

圖2 制動(dòng)NVH測(cè)試臺(tái)架

分析制動(dòng)器零部件固有頻率，通過(guò)對(duì)制動(dòng)相關(guān)零部件固有頻率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。制動(dòng)盤與卡鉗支架在3 kHz附近有共振頻率重疊：制動(dòng)盤頻率為3 065.6～3 081 Hz，卡鉗支架頻率為3 125～3 087.5 Hz，兩個(gè)零部件共振頻率非常接近，即制動(dòng)過(guò)程中由于制動(dòng)盤與卡鉗支架固有頻率重疊共振導(dǎo)致此制動(dòng)噪音。

表3 制動(dòng)系統(tǒng)零部件模態(tài)分析各階頻率 單位：Hz

通過(guò)對(duì)制動(dòng)盤或卡鉗支架設(shè)計(jì)變更，或錯(cuò)開共振頻率來(lái)解決制動(dòng)噪音問(wèn)題。優(yōu)選改變制動(dòng)鉗支架的固有頻率，從而改變其質(zhì)量和剛性著手，同時(shí)也要滿足該零件的強(qiáng)度和壽命要求。

如圖3所示，對(duì)卡鉗支架截面形狀進(jìn)行修改，卡鉗支架各階固有頻率有所下降。其中第7階固有頻率由3 125 Hz和3 087.5 Hz變?yōu)? 918.8 Hz和2 943.8 Hz，如表4所示。錯(cuò)開與制動(dòng)盤共振的頻率，用改進(jìn)后的卡鉗支架重新進(jìn)行臺(tái)架NVH測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明冷態(tài)的制動(dòng)噪聲最大值從原來(lái)的100.5 dB下降到73.4 dB，達(dá)到目標(biāo)要求。

圖3 卡鉗支架變更方案

表4 卡鉗支架變更后固有頻率變化對(duì)比 單位：Hz

4.3 消音片Groan制動(dòng)噪音問(wèn)題

國(guó)內(nèi)某車企新能源乘用車車型，在清晨時(shí)低溫輕踩制動(dòng)踏板頻發(fā)Groan異響，此車型此配置前麥弗遜獨(dú)立懸架加后扭力梁懸架，前后均為浮鉗式盤式制動(dòng)器。該車型的制動(dòng)器經(jīng)過(guò)潑水后等待10 min左右，車速低于10 km/h，輕踩制動(dòng)踏板剎車，發(fā)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)概率較高，通過(guò)實(shí)車布點(diǎn)進(jìn)行NVH測(cè)試確認(rèn)振源，確認(rèn)為后制動(dòng)器。首先確認(rèn)制動(dòng)器相關(guān)零部件是否滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)測(cè)試未發(fā)現(xiàn)異常，且臺(tái)架NVH測(cè)試結(jié)果未檢測(cè)到此制動(dòng)噪音問(wèn)題，以現(xiàn)有技術(shù)手段，按照SAE J2521進(jìn)行制動(dòng)器的NVH噪音測(cè)試，對(duì)于頻率在1 000 Hz以下的制動(dòng)噪音難以發(fā)現(xiàn)，只能從設(shè)計(jì)變更方向解決自激振動(dòng)源或隔絕傳播路徑處理，逐個(gè)匹配方案進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。改善方案如下：

1）修改摩擦片配方中銅配比。在摩擦片原配方基礎(chǔ)上增加紫銅比例，降低黃銅比例，發(fā)現(xiàn)對(duì)于摩擦片壓縮變形、硬度等基本參數(shù)無(wú)影響。動(dòng)態(tài)效能測(cè)試修改前：平均和最小摩擦系數(shù)無(wú)影響；NVH性能測(cè)試修改前：6 500 Hz、9 500 Hz頻率位置產(chǎn)生噪音，概率0.6%，修改后：4 300 Hz頻率位置產(chǎn)生噪音一次，概率接近0，制動(dòng)噪音概率明顯降低，對(duì)于高頻噪音改善明顯，NVH性能提升，發(fā)現(xiàn)Groan噪音發(fā)生概率有部分降低。

2）消音片開槽+加涂上潤(rùn)滑脂+不銹鋼蓋方案。實(shí)物如圖4所示，不銹鋼蓋總厚度為0.54 cm，不銹鋼蓋的丁腈橡膠層面與消音片接觸，在摩擦片背板邊緣上切出三個(gè)矩形卡點(diǎn)用于卡住不銹鋼蓋，不銹鋼蓋不與摩擦片剛性連接，不銹鋼蓋可以在消音片表面一定范圍內(nèi)滑動(dòng)，消音片上開槽用于存儲(chǔ)潤(rùn)滑脂。

圖4 方案2摩擦片與不銹鋼蓋實(shí)物

此車型Groan噪音問(wèn)題測(cè)試過(guò)程主要如下：此方案摩擦片裝車后進(jìn)行制動(dòng)磨合，設(shè)置制動(dòng)初速度為50 km/h，平均減速度為3 m/s2，制動(dòng)初溫不大于100 ℃，制動(dòng)周期為60 s，制動(dòng)100次，完成制動(dòng)器磨合。等待制動(dòng)器冷卻后潑水靜止10 min，再低速輕踩剎車進(jìn)行制動(dòng)噪音測(cè)試，選取10輛出現(xiàn)Groan噪音車輛，每輛車重復(fù)對(duì)制動(dòng)器潑水后靜止10 min，再低速輕踩剎車進(jìn)行制動(dòng)噪音測(cè)試10次。測(cè)試結(jié)果未出現(xiàn)一次Groan制動(dòng)噪音問(wèn)題，且臺(tái)架制動(dòng)噪音測(cè)試結(jié)果未降低，表明該方案對(duì)解決該車型Groan噪音效果明顯，該車型最終使用該方案進(jìn)行量產(chǎn)。

圖5 不銹鋼鋼蓋材料阻尼特性

增加不銹鋼蓋解決制動(dòng)噪音的原理：錯(cuò)開在制動(dòng)瞬間活塞施加給摩擦片與制動(dòng)盤之間的咬合力，也會(huì)減小制動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶給支架的切向力矩，從而避開瞬間產(chǎn)生制動(dòng)噪音的條件。從圖5可以看出，在環(huán)境溫度-5～25 ℃，對(duì)于頻率1 000 Hz以下振動(dòng)該方案的阻尼值較大，能有效衰減振動(dòng)，降低制動(dòng)噪音的大小和發(fā)生概率。

5 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)噪音產(chǎn)生機(jī)理是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，沒有一個(gè)模型能解決所有制動(dòng)噪音問(wèn)題。當(dāng)制動(dòng)噪音問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，先測(cè)試確認(rèn)噪音源、噪音頻率，判斷噪音類型，然后根據(jù)制動(dòng)噪音類型逐個(gè)匹配方案測(cè)試驗(yàn)證，解決制動(dòng)噪音應(yīng)優(yōu)先選擇調(diào)整摩擦片，設(shè)計(jì)變更成本較低。

在車型開發(fā)初期通過(guò)CAE模態(tài)仿真分析各部件各階次共振頻率是否耦合，若耦合就變更錯(cuò)開相關(guān)部件共振頻率，降低實(shí)車出現(xiàn)制動(dòng)噪音問(wèn)題概率。只有通過(guò)大量實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，才能最終解決制動(dòng)噪音問(wèn)題。

[1] 吳天玉.制動(dòng)噪音分析研究[J].南方農(nóng)機(jī)2017,48(14):195.

[2] 張超,鄭朋輝,蘇媛.某型輕客制動(dòng)噪音問(wèn)題的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017,42(4):1-3,12.

[3] 譚苗.制動(dòng)器噪音分析研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2017, 42(2):196-198.

[4] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).乘用車制動(dòng)器性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法:QC/T 564－2018[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2018.

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Braking Noise Research and Case Analysis

HUANG Yanqing

( Automotive Engineering Research Institute,Guangzhou Automobile Group Company Limited, Guangzhou 511434, China )

This paper describes the relevant mechanism of brake noise generation, research the classification of brake noise according to the frequency, and introduces the brake noise may be associated with chassis components and the typical occurrence scene of brake noise, the correspon- ding matching scheme is proposed. This paper according to the processing and analysis of three examples of braking noise problems, through the noise measurement, analyzes and confirms the frequency and vibration source, puts forward the optimization scheme. Through the combination of bench and real vehicle effect verification, finally effectively improve the actual braking noise problem, improve vehicle comfort, and then improve the competitiveness of automobile enterprises.

Braking noise; Brake abnormal sound; Staggered natural frequencies; Silencer; Groan noise

U467.3

A

1671-7988(2023)21-63-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.021.013

黃炎清（1993－），男，助理工程師，研究方向?yàn)橹苿?dòng)系統(tǒng)，E-mail:1102976695@qq.com。