制動噪音研究及實例分析

黃炎清

制動噪音研究及實例分析

黃炎清

（廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

文章闡述了制動噪音產(chǎn)生的相關(guān)機理，根據(jù)頻率對制動噪音進行分類研究，介紹與制動噪音可能相關(guān)聯(lián)的底盤零部件及發(fā)生制動噪音的典型場景，提出相應(yīng)匹配方案。根據(jù)3個制動噪音問題實例的處理分析，通過對噪音實測，分析確認(rèn)頻率和振動源，并提出優(yōu)化的方案。通過結(jié)合臺架和實車效果驗證，最終有效改善了實際制動噪音問題，提高車輛舒適性，進而提高車企產(chǎn)品競爭力。

制動噪音；剎車異響；錯開固有頻率；消音片；Groan噪音

噪音問題是汽車行業(yè)內(nèi)非常棘手的問題。當(dāng)前，汽車逐步進入電機動力時代，汽車制動時產(chǎn)生的噪音沒有內(nèi)燃機掩蓋而被直接暴露出來，故制動噪音成為亟須解決的問題。目前對制動噪音機理研究主要分為理論和實車測試兩種方法。制動噪音產(chǎn)生機理涉及知識面極廣，如摩擦學(xué)、機械學(xué)、聲學(xué)、熱力學(xué)、振動學(xué)等，而且制動噪音相關(guān)影響因素不斷變化[1]。在前期車型設(shè)計階段，通過計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）仿真分析盡可能錯開零部件共振頻率降低產(chǎn)生制動噪音概率，在樣車開發(fā)階段通過設(shè)備檢測噪音頻率、振源確認(rèn)制動噪音類型和產(chǎn)生噪音的零部件，再匹配相應(yīng)解決方案。

1 制動噪音產(chǎn)生機理

當(dāng)前制動噪音產(chǎn)生的原因主要是通過自激振動理論進行分析，即由摩擦片與制動盤的摩擦耦合產(chǎn)生，且懸架和制動器相關(guān)部件的模態(tài)參數(shù)匹配不當(dāng)導(dǎo)致整個系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，進而產(chǎn)生自激振動，形成制動噪音[2-3]。自激振動通過制動器總成、底盤懸架、車身傳到駕駛艙，形成駕駛員所聽到的制動噪音。制動噪音產(chǎn)生因素是非常復(fù)雜的，不同底盤系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)、摩擦片厚度、制動盤薄厚差、裝配精度、部件固有頻率、制動過程中制動盤與摩擦片磨損產(chǎn)生材料碎屑等都是制動噪音產(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噪音[4-5]。

2 制動噪音分類及介紹

制動噪音的頻率范圍從幾赫茲到一萬多赫茲。根據(jù)制動噪音產(chǎn)生的頻率不同，如圖1所示，制動噪聲大致可以分為以下幾種：

圖1 制動噪音類型頻率分布

1）Shudder（judder）制動噪音頻率為5～ 100 Hz，Shudder噪聲發(fā)生時駕駛員通過方向盤、地板、儀表盤、座椅、剎車踏板等感覺到振動。常見Shudder噪音產(chǎn)生原因為制動盤厚度差不合格、剎車時摩擦片與制動盤在輪胎徑向方向產(chǎn)生往復(fù)運動沖擊形成振動，從而產(chǎn)生制動噪音。摩擦片推動制動主缸往復(fù)運動使制動液壓力產(chǎn)生波動變化，導(dǎo)致駕駛員感受到車輛零部件振動現(xiàn)象，這種制動振動稱為“制動顫抖”。

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制動噪音產(chǎn)生原因為當(dāng)車速較慢時，駕駛員輕踩剎車，制動盤與摩擦片處于一種似離非離、似合非合的狀態(tài)，摩擦片和制動盤之間的拖滑產(chǎn)生自激振動源，如果制動噪音相關(guān)零部件的模態(tài)參數(shù)匹配不當(dāng)，容易產(chǎn)生制動噪音。產(chǎn)生Groan可能因素為制動過熱剎車片熱變形，制動盤變形，制動器的卡鉗、軸套等零部件設(shè)計不合理等。

3）Moan也是一種低頻制動噪音，是類似“動物叫聲、嗷、哞”的噪音，一般頻率小于500 Hz，摩擦片與制動盤摩擦，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；或者車輛起步，慢放剎車踏板時等情景。

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)中兩個或兩個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盤與摩擦片入手，例如：制動盤的厚度差不合格、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 制動噪音控制方法

汽車行業(yè)現(xiàn)階段制動噪音測試方法分為噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness, NVH）臺架測試和實車道路測試。臺架測試設(shè)備：GIANT Evo NVH臺架，一般按SAE J2521標(biāo)準(zhǔn)要求進行臺架測試；實車測試：比較典型的測試制動性能測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)，測試結(jié)果評價采用測試設(shè)備輸出數(shù)據(jù)客觀評價加測試人員主觀感受評價。

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

1）盡可能降低摩擦引起的振動。摩擦片選用低μ配方或配方微調(diào)，改善摩擦片、制動盤、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）錯開固有頻率，避免因共振產(chǎn)生的制動噪音。如：摩擦片設(shè)計結(jié)構(gòu)、摩擦片切溝倒角、制動盤和卡鉗的設(shè)計結(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)計結(jié)構(gòu)。

4 制動噪音解決實例分析

4.1 摩擦片配方微調(diào)改善制動噪音

微調(diào)摩擦片配方對解決制動噪音的優(yōu)點有：設(shè)計變更小、樣件制作周期短、幾乎無成本增加；摩擦片配方成分比例增加對制動噪音影響如表1所示。

表1 調(diào)節(jié)摩擦片材料成分對制動噪音影響

注：↗為改善；↘為變差；?為無變化。

通過某車型摩擦片配方微調(diào)Dust實際測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在摩擦片配方其他成分不變的情況下，提高Dust占比對制動噪音改善明顯，如表2所示。

表2 不同Dust含量制動測試噪音結(jié)果對比

4.2 調(diào)節(jié)制動卡鉗支架固有頻率改善制動噪音

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

某車型進行臺架NVH制動噪音測試，測試臺架如圖2所示，冷態(tài)下噪音測試結(jié)果顯示頻率為 3 kHz，且有多個高分貝制動噪音，其最高值已達(dá)到100.5 dB。

圖2 制動NVH測試臺架

分析制動器零部件固有頻率，通過對制動相關(guān)零部件固有頻率進行測試，結(jié)果如表3所示。制動盤與卡鉗支架在3 kHz附近有共振頻率重疊：制動盤頻率為3 065.6～3 081 Hz，卡鉗支架頻率為3 125～3 087.5 Hz，兩個零部件共振頻率非常接近，即制動過程中由于制動盤與卡鉗支架固有頻率重疊共振導(dǎo)致此制動噪音。

表3 制動系統(tǒng)零部件模態(tài)分析各階頻率 單位：Hz

通過對制動盤或卡鉗支架設(shè)計變更，或錯開共振頻率來解決制動噪音問題。優(yōu)選改變制動鉗支架的固有頻率，從而改變其質(zhì)量和剛性著手，同時也要滿足該零件的強度和壽命要求。

如圖3所示，對卡鉗支架截面形狀進行修改，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。錯開與制動盤共振的頻率，用改進后的卡鉗支架重新進行臺架NVH測試，測試結(jié)果表明冷態(tài)的制動噪聲最大值從原來的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比 單位：Hz

4.3 消音片Groan制動噪音問題

國內(nèi)某車企新能源乘用車車型，在清晨時低溫輕踩制動踏板頻發(fā)Groan異響，此車型此配置前麥弗遜獨立懸架加后扭力梁懸架，前后均為浮鉗式盤式制動器。該車型的制動器經(jīng)過潑水后等待10 min左右，車速低于10 km/h，輕踩制動踏板剎車，發(fā)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)概率較高，通過實車布點進行NVH測試確認(rèn)振源，確認(rèn)為后制動器。首先確認(rèn)制動器相關(guān)零部件是否滿足設(shè)計要求，經(jīng)過測試未發(fā)現(xiàn)異常，且臺架NVH測試結(jié)果未檢測到此制動噪音問題，以現(xiàn)有技術(shù)手段，按照SAE J2521進行制動器的NVH噪音測試，對于頻率在1 000 Hz以下的制動噪音難以發(fā)現(xiàn)，只能從設(shè)計變更方向解決自激振動源或隔絕傳播路徑處理，逐個匹配方案進行實車測試。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)對于摩擦片壓縮變形、硬度等基本參數(shù)無影響。動態(tài)效能測試修改前：平均和最小摩擦系數(shù)無影響；NVH性能測試修改前：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，制動噪音概率明顯降低，對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+加涂上潤滑脂+不銹鋼蓋方案。實物如圖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矩形卡點用于卡住不銹鋼蓋，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，消音片上開槽用于存儲潤滑脂。

圖4 方案2摩擦片與不銹鋼蓋實物

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

圖5 不銹鋼鋼蓋材料阻尼特性

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

5 結(jié)束語

制動噪音產(chǎn)生機理是一個非常復(fù)雜的問題，沒有一個模型能解決所有制動噪音問題。當(dāng)制動噪音問題出現(xiàn)時，先測試確認(rèn)噪音源、噪音頻率，判斷噪音類型，然后根據(jù)制動噪音類型逐個匹配方案測試驗證，解決制動噪音應(yīng)優(yōu)先選擇調(diào)整摩擦片，設(shè)計變更成本較低。

在車型開發(fā)初期通過CAE模態(tài)仿真分析各部件各階次共振頻率是否耦合，若耦合就變更錯開相關(guān)部件共振頻率，降低實車出現(xiàn)制動噪音問題概率。只有通過大量實際測試驗證，才能最終解決制動噪音問題。

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

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

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

[4] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.乘用車制動器性能要求及臺架試驗方法:QC/T 564－2018[S].北京:中國計劃出版社,2018.

[5] 康銘.汽車制動摩擦片噪聲匹配研究[J].南方農(nóng)機, 2020,51(16):138-139.

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，研究方向為制動系統(tǒng)，E-mail:1102976695@qq.com。