摩擦片偏磨引起制動低鳴噪聲控制研究

常慶斌，浦新宇，張志堅，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低鳴噪聲控制研究

常慶斌，浦新宇，張志堅，張光榮

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

從影響制動低鳴噪聲的影響因素入手，抓取出其中一個重要的影響因素制動卡鉗，重新設(shè)計制動卡鉗，在設(shè)計過程中考慮改善摩擦片偏磨這個主要因素，從而達(dá)到消除制動低鳴噪聲的目的。前期利用CAE分析、臺架驗證及整車驗證等方法，對影響因素摩擦片偏磨進(jìn)行評估，最終通過整車路試充分驗證設(shè)計方案的有效性，對制動低鳴噪聲評價及改善具有指導(dǎo)意義。

聲學(xué)；制動卡鉗；摩擦片；偏磨；低鳴噪聲；評估

目前客戶對制動噪聲的關(guān)注度越來越高，因此對制動噪聲的研究越來越多。對于制動噪聲主要有三類：一類是低頻抖動，在50 Hz以下，主要是表現(xiàn)為制動扭矩波動導(dǎo)致的制動抖動[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，主要解決1 000 kHz～16 kHz之間的高頻噪聲，對于高頻噪聲業(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。而對于低頻噪聲的研究并不多，制動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候，對于自動擋車型較為明顯，且在駕駛室內(nèi)較為明顯，此噪聲沒有主頻率，是一個寬頻噪聲；制動的低鳴噪聲，主要發(fā)生在車輛低速前進(jìn)或倒車制動時，旋轉(zhuǎn)方向盤前進(jìn)或倒退時更為明顯，此噪聲能夠維持一段時間，頻率范圍多在300 Hz～500 Hz范圍。

文獻(xiàn)[7]通過CAE利用負(fù)阻尼比對制動低鳴噪聲進(jìn)行預(yù)測，并通過負(fù)阻尼比方法預(yù)測控制手段的有效性。本文通過對某存在低鳴噪聲的車型進(jìn)行研究，利用整車評估，分析出制動低鳴噪聲的影響因素，通過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，再通過整車驗證、摩擦片壓力分布和臺架驗證等手段驗證方案的有效性。

1 制動低鳴噪聲產(chǎn)生機(jī)理及研究分析

1.1 制動低鳴噪聲產(chǎn)生機(jī)理

制動低鳴噪聲不僅與經(jīng)典的摩擦振動理論有關(guān)，還與整個后橋、懸架等底盤零件相關(guān)。當(dāng)車輛實施制動時，摩擦片與制動盤產(chǎn)生摩擦激勵，這個激勵通過制動卡鉗傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，再通過轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到懸架及后橋系統(tǒng)，在傳遞過程中會引起這些部件的振動。因此當(dāng)這種激勵與此系統(tǒng)中某個零件的頻率模態(tài)發(fā)生耦合時，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。通過對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)：制動低壓、低溫潮濕環(huán)境、倒車轉(zhuǎn)向。因此制動低鳴噪聲產(chǎn)生路徑如圖1所表示。

圖1 制動低鳴噪聲傳遞路徑

1.2 制動低鳴噪聲研究分析

1.2.1 制動低鳴噪聲評估方法

目前在臺架上無法對制動低鳴噪聲進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，只能通過整車路試進(jìn)行試驗，本文對某款存在制動低鳴噪聲的車輛進(jìn)行研究，通過收集客戶對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間后，在低速倒車入庫時出現(xiàn)，根據(jù)這些信息，本文總結(jié)出了利用整車試驗進(jìn)行制動低鳴噪聲的評估方法。利用人工方式對制動系統(tǒng)進(jìn)行澆水，模擬雨天工況，然后車輛停滯一段時間，通過車輛走S彎的行駛模擬車輛停車入庫，再對車輛進(jìn)行如表1所示的工況進(jìn)行評估，其中評估方式腳/手分別指的是行車制動和駐車制動的方式，由于制動低鳴噪聲是后制動系統(tǒng)產(chǎn)生的，因此除了可以通過行車制動工況復(fù)現(xiàn)，也可通過駐車的工況進(jìn)行考核，表1中每一行總的工況數(shù)為32個。對有制動低鳴噪聲的車輛進(jìn)行評估，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 制動低鳴噪聲時頻圖

1.2.2 制動低鳴噪聲影響因素分析

產(chǎn)生低鳴噪聲的一個重要輸入因素為制動摩擦，車輛在制動過程中，是一個動能轉(zhuǎn)化為熱能的過程，在這個過程中需要通過摩擦片與制動盤的磨損輸出制動扭矩，最終使車輛減速或者停止，因此對于里程數(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狀態(tài)的摩擦片，按照表1的方式進(jìn)行評估，沒有發(fā)現(xiàn)制動低鳴噪聲；再分別更換不同里程的摩擦片進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)高里程的摩擦片都存在制動低鳴噪聲。由此可以看出摩擦片是制動低鳴噪聲產(chǎn)生的主要誘因。因此對有制動低鳴噪聲的摩擦片進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，測量點(diǎn)如圖3所示。

圖3 制動摩擦片測點(diǎn)布置

分別測量摩擦片內(nèi)片和外片的1、2、3、4四個點(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)

對不同里程摩擦片進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏差大于0.6 mm時存在制動低鳴噪聲。研究表明，摩擦片的平行的偏磨確實會導(dǎo)致此低鳴噪聲的發(fā)生[6]，因此對于該研究車輛，摩擦片的偏磨是導(dǎo)致制動低鳴噪聲的根本原因。

表1 制動低鳴噪聲評估工況

2 制動低鳴噪聲解決方法及驗證

2.1 制動低鳴噪聲解決方法

通過前面的研究可以看出，如果要解決制動低鳴噪聲，可以通過改善摩擦片的偏磨來實現(xiàn)。摩擦片的偏磨與制動卡鉗的剛度、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)計制動卡鉗，達(dá)到改善摩擦片偏磨的效果，同時在設(shè)計卡鉗上，對制動卡鉗的支架進(jìn)行了加強(qiáng)，不僅能夠改善摩擦片的偏磨，從傳遞路徑上，對制動摩擦的激振在傳遞過程中進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的制動卡鉗支架如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的制動卡鉗支架

2.2 摩擦片偏磨改善驗證

2.2.1 摩擦片偏磨CAE分析

利用三維建模軟件UG建立后制動角的數(shù)模，將帶有裝配關(guān)系的制動角：后卡鉗、后轉(zhuǎn)向節(jié)、后制動盤和后軸承導(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有出現(xiàn)較大差異，因此通過CAE分析可以得出新設(shè)計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 摩擦片偏磨驗證

利用制動慣量實驗臺架，搭載新設(shè)計的制動卡鉗和舊狀態(tài)的卡鉗進(jìn)行摩擦片磨損實驗，按照圖3的測量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，測得的數(shù)據(jù)如表2所示，通過臺架的實驗數(shù)據(jù)可以看出，新設(shè)計卡鉗在摩擦片的偏磨數(shù)據(jù)上有了很大改善。

表2 摩擦片偏磨對比

將新設(shè)計的制動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%階段對摩擦片按照如圖3所示的點(diǎn)對摩擦片進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，測量結(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 整車制動低鳴噪聲驗證

2.3.1 前期整車制動低鳴噪聲評估

新設(shè)計制動卡鉗在改善制動低鳴噪聲方面的效果需要通過整車實驗進(jìn)行驗證的，由于整車路試周期比較長，因此在設(shè)計前期需要通過設(shè)定實驗方法進(jìn)行快速驗證，為了充分驗證新設(shè)計卡鉗的有效性，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)行整車實驗，其中新片偏磨量指的是摩擦片在全新狀態(tài)下通過機(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，對于這些機(jī)加的摩擦片，在整車評估前需要先進(jìn)行磨合實驗，使制動盤和摩擦片進(jìn)行匹配，然后按照2.2.1中描述的方法進(jìn)行評估，按照表1對表4中不同狀態(tài)的摩擦片進(jìn)行3次以上的評估，做好記錄。通過評估發(fā)現(xiàn)新摩擦片偏磨量在0/0.6/1.2 mm狀態(tài)的新片均沒有發(fā)現(xiàn)制動低鳴噪聲，半片偏磨量在0/0.6 mm時沒有發(fā)現(xiàn)制動低鳴噪聲，而對于半片摩擦片偏磨量在1.2 mm時，有制動低鳴噪聲的存在，但是此低鳴噪聲無法連續(xù)發(fā)生，且制動低鳴噪聲不明顯，采集到的頻率在406 Hz左右，如圖9所示。

表4 實驗?zāi)Σ疗?shù)據(jù)

圖9 半片偏磨量1.5 mm的時頻圖

考慮到優(yōu)化后卡鉗臺架實驗結(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)計卡鉗對于制動低鳴噪聲的控制是有效的。

2.3.2 整車耐久低鳴噪聲驗證

將新設(shè)計的制動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%的過程中，按照1.2.1中的評估方法進(jìn)行制動低鳴噪聲的評估，并對各個階段的摩擦片按照圖3的測量方法進(jìn)行偏磨測量，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有發(fā)現(xiàn)制動低鳴噪聲，這與之前的評估結(jié)果一致，摩擦片在偏磨量0.6 mm以下時是沒有制動低鳴噪聲出現(xiàn)的，進(jìn)一步驗證了新設(shè)計卡鉗方案的有效性。

3 結(jié)語

本文針對某一有制動低鳴噪聲的車輛進(jìn)行研究，主要成果如下：

（1）總結(jié)出了一套制動低鳴噪聲整車評估的方法；

（2）摩擦片切向偏磨是導(dǎo)致此車輛制動低鳴噪聲的主要誘因；

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

（4）通過實際路試后對摩擦片偏磨分析，驗證了摩擦片壓力分布的CAE分析方法，能夠有效地預(yù)測摩擦片的偏磨情況。

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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，主要研究方向為汽車制動噪聲研究。E-mail:changqingbin@sina.com