汽車制動(dòng)噪聲的優(yōu)化

關(guān)熊飛 劉偉紅

（海馬轎車有限公司）

隨著人們對乘坐舒適性的要求不斷提高，汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲、尖叫及剎車抖動(dòng)備受關(guān)注。制動(dòng)噪聲是汽車NVH特性中一項(xiàng)非常重要的考核指標(biāo)，因此降低汽車制動(dòng)噪聲，改善乘坐舒適性以及凈化都市環(huán)境是汽車工程技術(shù)人員面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。噪聲是由物體振動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的，以聲波的方式將振動(dòng)所產(chǎn)生的能量釋放出去。因此可以根據(jù)制動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原因和發(fā)生頻率的分布對癥下藥，通過減少振動(dòng)和衰減共振的方法來消除和降低噪聲的發(fā)生。

1 汽車制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生及分類

汽車在行駛過程中減速或停車，踩下制動(dòng)踏板，真空助力器推動(dòng)制動(dòng)主缸工作，建立油壓，通過管路系統(tǒng)將壓力傳遞給制動(dòng)器，制動(dòng)分泵推動(dòng)摩擦片夾緊轉(zhuǎn)動(dòng)中的制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓，從而實(shí)現(xiàn)減速。

汽車制動(dòng)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理主要由于制動(dòng)器工作發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生（摩擦片與制動(dòng)盤，制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓之間摩擦振動(dòng)），并通過卡鉗總成、制動(dòng)底板、扭力梁、穩(wěn)定桿及懸架等部件將振動(dòng)所產(chǎn)生的能量釋放出去，這個(gè)過程就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)噪聲。圖1示出制動(dòng)噪聲發(fā)生的部位示意圖。

汽車制動(dòng)引起的噪聲是一個(gè)系統(tǒng)性的過程，噪聲聲壓級(jí)的大小不僅與摩擦振動(dòng)密切相關(guān)，還受自身結(jié)構(gòu)（制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向節(jié)等）及各種工況的影響，如鉗體、摩擦襯片、制動(dòng)間隙、制動(dòng)盤、制動(dòng)油壓、制動(dòng)速度、懸架系統(tǒng)及環(huán)境溫/濕度條件等。這些因素的一個(gè)或多個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)影響到制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生和噪聲聲壓級(jí)的大小。

制動(dòng)噪聲以頻率范圍劃分可分為低頻振動(dòng)噪聲（＜1 000 Hz)和中高頻振動(dòng)噪聲（1 000～20 000 Hz）。低頻振動(dòng)噪聲聽起來比較沉悶、渾厚；高頻振動(dòng)噪聲聽起來比較尖銳、清脆，有金屬感，讓人難以忍受的尖叫聲，最高可達(dá)120 dB[1]。

圖2示出某轎車車型所使用摩擦片噪聲（＞70 dB）在不同頻率段的分布圖，表1示出該車型摩擦片在不同頻率段噪聲產(chǎn)生的幾率。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)得某轎車摩擦片噪聲＞70，80 dB噪聲出現(xiàn)的次數(shù)和發(fā)生的概率

通過大量摩擦片噪聲試驗(yàn)[2]（SEA J2521）數(shù)據(jù)表明，出現(xiàn)70 dB以上噪聲在每一個(gè)頻率段都有發(fā)生，有的頻率段發(fā)生次數(shù)少，有的頻率段發(fā)生次數(shù)多，而且制動(dòng)噪聲會(huì)集中出現(xiàn)在某一頻率段。

根據(jù)頻率范圍可以將低頻振動(dòng)噪聲和中高振動(dòng)頻噪聲分類[3]，如圖3所示。

2 影響制動(dòng)噪聲的因素

經(jīng)過分析，不能單把噪聲的產(chǎn)生歸因于摩擦襯片和制動(dòng)盤，引起不同頻率段制動(dòng)噪聲的因素與制動(dòng)器相關(guān)連接零部件有關(guān)，如表2所示。

表2 影響不同類型的噪聲因素

2.1 制動(dòng)顫抖聲

振蕩頻率在100 Hz以內(nèi)的噪聲，一般由輪速變化、輪胎壓力變化、部件不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)、制動(dòng)扭矩變化、汽車懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)引發(fā)共振造成。駕駛員可通過方向盤、制動(dòng)踏板、儀表面板及座椅等感覺到。制動(dòng)顫抖一般有不同制動(dòng)溫度下抖動(dòng)、新車抖動(dòng)、制動(dòng)部件進(jìn)水及高速顫抖等幾種情況。抖動(dòng)的感覺與共振的頻率大小，跟懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率及振動(dòng)阻尼特性都有關(guān)系。

2.2 制動(dòng)噪聲

制動(dòng)噪聲的頻率通常在500 Hz以內(nèi)，通常由制動(dòng)部件、傳動(dòng)軸及懸架系統(tǒng)的剛性在一定條件下引發(fā)的共振產(chǎn)生。

噪聲發(fā)生的特點(diǎn)：車速較低、很小制動(dòng)力或沒有制動(dòng)壓力、制動(dòng)或低速轉(zhuǎn)向時(shí)及冷車起步、倒車或者慢速停車。

造成該噪聲發(fā)生的潛在因素：1）制動(dòng)盤變形；2）剎車片偏磨；3）卡鉗、制動(dòng)盤與摩擦襯片之間壓力不均；4）制動(dòng)拖滯；5）制動(dòng)盤表面起槽，形成波紋；6）鉗體剛度等。

2.3 低高頻尖叫

頻率范圍比較廣，在1 000～20 000 Hz之間，聲源主要由摩擦片和制動(dòng)盤摩擦共振發(fā)出。大多數(shù)人認(rèn)為該噪聲的產(chǎn)生主要由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)因素（卡鉗剛度、材質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)、固有頻率等）引起的自激振動(dòng)，而在制動(dòng)器分析報(bào)告中忽略了摩擦襯片和阻尼減振片對噪聲的影響[4]，影響尖叫的主要因素，如表3所示。

表3 影響制動(dòng)尖叫的因素

3 制動(dòng)噪聲的控制及措施

改善、降低或消除噪聲發(fā)生最直接有效的辦法就是通過減少振動(dòng)，文章以某款轎車車型量產(chǎn)前噪聲問題改善為例。

3.1 案例1

3.1.1 問題描述

在低速慢踩制動(dòng)、起步或倒車過程中，后盤式制動(dòng)器有“嗡嗡的呻吟聲”（85～105 dB），嚴(yán)重時(shí)車身抖動(dòng)，以及車速在5～20 km/h出現(xiàn)，高速時(shí)消失；受環(huán)境影響，冬季氣溫較低、濕度大時(shí)，制動(dòng)噪聲比較明顯，夏季噪聲消失。另外不同的人剎車噪聲大小也不一樣。屬低頻噪聲。

3.1.2 解決方案

對多臺(tái)模擬用戶車采集如圖4所示位置的后卡鉗本體、卡鉗支架及后扭力梁上振動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過表4可以看出該車型發(fā)生噪聲的共振頻率在310～350 Hz。

圖5示出某一臺(tái)車不同測量點(diǎn)采集到的頻譜數(shù)據(jù)圖，由圖5可以看出，低速慢踩制動(dòng)、起步或倒車過程中引發(fā)共振的頻率為327.10 Hz。

表4 檢測多臺(tái)樣車共振頻率表 Hz

通過在固定鉗體的銷軸螺釘上增加諧振塊的方法，改變制動(dòng)器固有頻率，從而消除共振經(jīng)過檢測制動(dòng)器噪聲可降低到70 dB以下，而且“嗡嗡的呻吟聲”消失。圖6示出制動(dòng)卡鉗優(yōu)化前后示意圖。

目前已有多家汽車制造商通過此方法來消除“低速緩慢制動(dòng)，或者倒車”引起的低頻振動(dòng)噪聲，從而改善其整車舒適度。

3.2 案例2

3.2.1 問題描述

某特定工況下，車速達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，制動(dòng)時(shí)前制動(dòng)器產(chǎn)生“刺耳的金屬尖叫聲”，屬于高頻噪聲。

3.2.2 解決方案

通過對該車型摩擦片噪聲測試（AK噪聲試驗(yàn)臺(tái)）和整車測試，優(yōu)化摩擦片倒角和阻尼減振片減振層材料[5]的匹配進(jìn)行多輪調(diào)試。調(diào)試數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 摩擦片及阻尼消音片的噪聲臺(tái)架試驗(yàn)調(diào)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過調(diào)試數(shù)據(jù)和實(shí)車驗(yàn)證，編號(hào)9的測試數(shù)據(jù)最為理想，摩擦片倒角設(shè)計(jì)為10 mm×25°，阻尼減振片減振層材料采用RPN714001時(shí)可以有效降低該車型高頻制動(dòng)尖叫發(fā)生的概率。

3.3 案例3

3.3.1 問題描述

制動(dòng)器自身結(jié)構(gòu)引起摩擦片相對滑動(dòng)，緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)器異響。

3.3.2 解決方案

經(jīng)過模態(tài)測試和整車路試，由于鉗體支架剛性不足及鉗體與摩擦襯片裝配間隙設(shè)計(jì)不合理，引起摩擦片在緊急制動(dòng)時(shí)相對鉗體滑動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)異響（咔噠聲）。通過在摩擦片安裝槽內(nèi)增加導(dǎo)向彈簧片和卡鉗支架加筋的措施可以有效降低噪聲，如圖7所示。

4 結(jié)論

綜上所述，制動(dòng)噪聲由摩擦襯片表面與制動(dòng)盤表面相對摩擦振動(dòng)以及制動(dòng)器總成共振所產(chǎn)生，因此有效控制噪聲，消除或降低汽車制動(dòng)噪聲的措施，可以通過制動(dòng)噪聲的頻率分布，對噪聲進(jìn)行分類，然后先通過增加諧振塊改變制動(dòng)器的固有頻率、合理匹配摩擦襯片的特性（材料、配方，倒角設(shè)計(jì)）、匹配阻尼減振片材料的方法消除共振，再通過制動(dòng)器模態(tài)分析優(yōu)化制動(dòng)器剛性（卡鉗、卡鉗支架、制動(dòng)盤）、懸架剛性及轉(zhuǎn)向節(jié)剛性等方面去考慮。

由于制動(dòng)噪聲還與周圍環(huán)境的溫/濕度、車速、個(gè)人的駕駛習(xí)慣有關(guān)系，因此隨著天氣、人為因素及轎車使用里程的變化，其制動(dòng)噪聲的表現(xiàn)也會(huì)發(fā)生變化。目前市場上有很多車型包括國外高端車型都存在制動(dòng)噪聲問題，制動(dòng)噪聲還跟個(gè)人主觀感覺有關(guān)系，即便是專業(yè)NVH測試專家也要通過主觀評(píng)價(jià)來對噪聲接受度進(jìn)行評(píng)估。