特定工況固定頻率制動(dòng)噪音解決方案研究

代立宏 李虎本 黃巨成 朱亞偉

一、前言

制動(dòng)噪音指的是制動(dòng)過(guò)程中，由物體的振動(dòng)所造成的，由彈性界質(zhì)以聲波的方式將能量傳送，產(chǎn)生的人耳朵能感知的（頻率范圍為：20Hz-20000Hz）的噪音。一般認(rèn)為，盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)噪音產(chǎn)生的機(jī)理是通過(guò)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)這對(duì)摩擦副之間的摩擦產(chǎn)生，并通過(guò)一定的路徑傳遞的。制動(dòng)噪音按照頻率劃分可分為3類：低頻噪聲（10Hz-1kHz）、低頻嘯叫（1kHz-5kHz）和高頻嘯叫（>5kHz）。進(jìn)一步可以細(xì)分為常見(jiàn)的十種表現(xiàn)形式：LF-Squeal（低頻尖叫）、HF-SquCal（高頻尖叫）、Judder（抖動(dòng)）、Groan（嘎吱聲）、Moan（牛叫聲）、Rattle（咔嗒聲）、Clonk（敲擊聲）、wir8 bush（刷盤(pán)聲）、Chrip（啁啾聲）和Creak（嘎吱聲）。低頻噪聲主要是摩擦片和制動(dòng)盤(pán)的相互作用，整車懸架系統(tǒng)的傳遞導(dǎo)致。低頻嘯叫主要是制動(dòng)系統(tǒng)零部件之間模態(tài)耦合造成，高頻嘯叫主要是制動(dòng)盤(pán)的周向共振導(dǎo)致。

本文通過(guò)對(duì)某款SUV車型出現(xiàn)的特定工況下固定頻率的制動(dòng)噪音（屬于典型的LF-Squsal）從產(chǎn)生機(jī)理著手進(jìn)行理論分析。探討了導(dǎo)致某型SUV車型特定工況下固定頻率制動(dòng)噪音的解決思路和方法。

二、問(wèn)題現(xiàn)象

此款SUV車型裝配了液壓式前盤(pán)式制動(dòng)器和后盤(pán)式制動(dòng)器。故障產(chǎn)生的對(duì)象為前盤(pán)式制動(dòng)器如圖l所示，主要技術(shù)參數(shù)如下：卡鉗缸徑為60.33mm，制動(dòng)盤(pán)厚度為28mm，制動(dòng)有效半徑為135mm。

該車型在制動(dòng)噪音路過(guò)程中，整車?yán)鋯?dòng)，前幾次制動(dòng)出現(xiàn)分貝70dB左右噪音，制動(dòng)盤(pán)溫度達(dá)到50℃左右噪音消失。故障出現(xiàn)的條件滿足以下幾點(diǎn)：（1）車輛停置一夜;（2）空氣濕度在70%以上;（3）起步輕踩制動(dòng)減速度保持在0.1g以下。滿足以上條件，所有車輛100%出現(xiàn)規(guī)律性固定頻率的制動(dòng)噪音。

三、問(wèn)題機(jī)理及措施實(shí)現(xiàn)

1、機(jī)理分析

針對(duì)出現(xiàn)的噪音利用檢測(cè)設(shè)備對(duì)噪音頻率進(jìn)行了檢測(cè)，如圖2所示。

通過(guò)設(shè)備檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，此噪音的頻率為1.54kHz，分貝值為75dB，屬于典型的低頻嘯叫類噪音。此噪音類型行業(yè)內(nèi)又稱為Me噪音（晨起噪音）主要原因?yàn)椋撼睗駥?dǎo)致的制動(dòng)摩擦系數(shù)的劇烈變化，3個(gè)步驟如下：

（1）水分可暫時(shí)提高摩擦片相對(duì)摩擦面積，摩擦面積上升導(dǎo)致摩擦系數(shù)（效能）上升，如圖3所示。

（2）制動(dòng)盤(pán)和摩擦片之間的灰塵（Wear debris）的細(xì)微氧化鐵（銹）導(dǎo)致摩擦片和制動(dòng)盤(pán)之間的粘貼傾向增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)上升，如圖4所示。

（3）摩擦表面潮濕狀態(tài)時(shí)摩擦系數(shù)低，制動(dòng)后溫度上升，摩擦表面干燥后摩擦系數(shù)急劇上升，如圖5所示。

在以上1到3步驟不斷的變化過(guò)程中，制動(dòng)效能的急劇波動(dòng)和不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致振動(dòng)和噪音的產(chǎn)生。

不均勻的摩擦力是產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，而摩擦塊與制動(dòng)盤(pán)之間Stick-S11p是摩擦力變化的原因，Stick-S11p產(chǎn)生的原因則非常之多與制動(dòng)盤(pán)材質(zhì)均勻性、DTV、摩擦塊材質(zhì)均勻性、壓縮量、熱膨脹量、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性和卡鉗支架剛度等諸多因素有關(guān)。摩擦片一支架的粘彈性單自由度模型，如圖6所示。

根據(jù)單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)特性：摩擦片一支架的粘彈性單自由度振動(dòng)方程為：

其中m為重量、x為位移、c為系統(tǒng)阻尼、k為系統(tǒng)剛度。f（t）作為系統(tǒng)振動(dòng)的能量，也是噪音產(chǎn)生的源頭。最理想的狀態(tài)是f（t）為零，可以通過(guò)增加質(zhì)量;改變頻率削弱振動(dòng)、增加阻尼;吸收振動(dòng)、增加剛度;減小變形來(lái)實(shí)施。根據(jù)此機(jī)理和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)初步準(zhǔn)備以下方案：

內(nèi)側(cè)制動(dòng)塊增加Shim-cover潤(rùn)滑劑，改善摩擦系統(tǒng)粘滑剛度和阻尼;實(shí)車驗(yàn)證方案無(wú)效，方案如圖7所示;

消音片牌號(hào)選用專門(mén)的冷態(tài)消音片，實(shí)車驗(yàn)證無(wú)效;

制動(dòng)盤(pán)開(kāi)漸開(kāi)線孔快速除去摩擦表面灰塵，穩(wěn)定摩擦系數(shù)，方案驗(yàn)證初始有效;一個(gè)星期后方案失效，故也排除此方案，開(kāi)漸開(kāi)線孔方案如圖8所示。

根據(jù)以上排查過(guò)程和方案驗(yàn)證，可以確定摩擦表面摩擦系數(shù)的劇烈變化是此噪音的誘發(fā)因素（100%消除表面的這種變化幾乎不可能）。進(jìn)一步分析基本可以鎖定摩擦系數(shù)的變化導(dǎo)致振動(dòng)和某零部件固有頻率重合導(dǎo)共振，最終導(dǎo)致噪音產(chǎn)生。確定過(guò)程如下：

對(duì)故障車卡鉗支架增加多種方案配重塊，改變零部件頻率如圖9所示，此噪音消失，但是配重塊采用的是強(qiáng)磁性材料吸附，和實(shí)際鑄造一體有差異，故需進(jìn)一步確認(rèn)

采用Link3802S對(duì)實(shí)車進(jìn)行加速度傳感器布置，進(jìn)行制動(dòng)角總成振動(dòng)采集，進(jìn)一步證實(shí)振動(dòng)源來(lái)自卡鉗支架，振動(dòng)頻率為1.5kHz，如圖10所示。

從故障現(xiàn)象的機(jī)理分析以及臨時(shí)方案的驗(yàn)證到最終實(shí)車采集數(shù)據(jù)。可以確定故障原因?yàn)榭ㄣQ支架振動(dòng)模態(tài)不合理導(dǎo)致。

2、措施實(shí)現(xiàn)

對(duì)故障件的制動(dòng)盤(pán)、卡鉗體和卡鉗支架進(jìn)行了固有頻率和振動(dòng)模態(tài)的檢測(cè)，如表1-表4所示。

從以上測(cè)試結(jié)果分析得知制動(dòng)盤(pán)面內(nèi)面外以及卡鉗體在1.5kHz附近無(wú)固有頻率重合;卡鉗支架在2階處存在1.487Hz、1.495Hz的固有頻率與1.54kHz頻率接近，由此進(jìn)一步確定制動(dòng)鉗支架的該階振動(dòng)模態(tài)是導(dǎo)致此噪音的原因。

由于卡鉗支架在2階處存在1.5kHz附近的頻率，由此改變卡鉗支架模態(tài)是最有效的方案。物體的固有頻率和其質(zhì)量和剛度有關(guān)，通過(guò)卡鉗支架上增加重量可以快速改變其模態(tài)，方案如表5所示。

卡鉗支架理論做了6種方案，其中方案5理論和實(shí)際測(cè)試頻率最佳，卡鉗支架改變前、后頻率分析和實(shí)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6所示。

從理論和實(shí)際測(cè)試結(jié)構(gòu)分析得知CAE理論分析結(jié)果和實(shí)際差約5%左右;方案5支架第10階次到第lO階次的固有頻率和1.5kHz最小的間隔為9.8%左右。將改進(jìn)后的支架裝配的前制動(dòng)器按照歐美通行的SAEJ2521標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試，1.5kHz噪音規(guī)避成功，如圖11所示。

隨后將改進(jìn)后的支架進(jìn)行裝車驗(yàn)證，實(shí)車測(cè)試;原1.5kHz噪音消失。驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性，徹底解決了該車型的特定工況下固定頻率的低頻制動(dòng)噪音。

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)本噪音產(chǎn)生的原理循序漸進(jìn)進(jìn)行剖析。制定了：

制動(dòng)塊增加Shim-cover方案;

冷態(tài)消音片方案;

制動(dòng)盤(pán)開(kāi)漸開(kāi)線孔方案;

配重塊驗(yàn)證方案。

最終鎖定原因?yàn)榭ㄣQ支架在1.5kHz附近頻率耦合。通過(guò)改變卡鉗支架的頻率，進(jìn)行解耦，消除了原來(lái)1.5kHz的噪音。

通過(guò)此過(guò)程總結(jié)針對(duì)特殊問(wèn)題的解決思路為：首先從基本原理方面著手分析解決方案，制定解決措施和方案;再進(jìn)一步驗(yàn)證和借助檢測(cè)工具尋找根本原因，最后針對(duì)根本原因制定措施。希望通過(guò)本文的改進(jìn)思路給從業(yè)者一定的指導(dǎo)作用。