多工況下制動系統噪聲實驗與測試分析

安 超，李國萌，王榮鵬

（東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

隨著工業社會的發展，汽車在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。汽車給人們的生產生活帶來方便的同時，也帶來了噪聲污染等一系列問題。其中，汽車噪聲主要來源于發動機、制動系統、輪胎與地面的摩擦、鳴笛以及汽車其他零部件的振動等。由于汽車噪聲來源的復雜性，對于制動系統的振動與噪聲特性實驗研究迫切需要。

目前，國內外大量學者對制動噪聲進行了一系列的研究，研究結果對噪聲機理的探索和制動器的設計、優化均有一定的指導意義。文獻[1]從制動尖叫的產生機理、數值分析方法、試驗研究方法、影響因素以及尖叫抑制新技術等方面對盤式制動器尖叫的近期研究進展進行綜述，并總結現有研究存在的問題并對進一步的研究作出展望。文獻[2]通過研究發現由于制動器的結構因素引起的自激振動是產生制動噪聲的主要原因，忽略了材料與制動件之間的摩擦、磨損因素，因而缺乏一定的實際效果。針對盤式制動器系統，文獻[3]建立了盤式制動器8自由度多點接觸動力學模型。在模型中考慮了內外側制動塊、活塞、制動鉗以及相互間的接觸作用，且制動副摩擦系數-相對速度特性采用半經驗試驗模型。文獻[4]采用溫度場與應力場直接耦合方法，根據礦車制動摩擦副的實際尺寸及熱傳導的原理，建立摩擦副三維瞬態熱-結構耦合的有限元模型，對制動器在緊急制動工況下進行數值模擬。文獻[5]通過研究發現制動噪聲的主要來源在摩擦界面，摩擦材料是制動尖叫噪聲的最大來源之一，所以可以通過改變摩擦材料來抑制制動噪聲。一些學者對制動噪聲的研究是通過噪聲實驗進行的。文獻[6]通過搭建制動噪聲實驗臺，探索了制動噪聲的發生規律和盤片之間摩擦系數的時變特性。文獻[7]通過復特征值分析研究了制動系統的穩定性，并通過實驗進行了驗證。文獻[8]針對通風盤式制動器，根據形狀、尺寸設置剛性面模擬活塞側和鉗指側制動塊的法向作用力，建立了三維瞬態熱機耦合有限單元模型，進行了緊急制動工況下盤－塊接觸壓力和制動塊熱機耦合特性的計算與分析。文獻[9]建立了浮動鉗盤式制動器的簡化模型，通過有限元分析得出在（1～5）kHz范圍內，制動盤的橫向振動是引起尖叫的主要原因，并對此進行了實驗驗證。文獻[10]以JF132型汽車制動器試驗臺為試驗設備，采用試驗優化與回歸分析技術，研究盤式制動器的準靜態摩擦特性，以制動壓力與初速度為試驗因素，以制動力矩為試驗指標，建立了盤式制動器摩擦特性的指數函數模型，并進行了統計檢驗。文獻[11]建立了制動系統的分散參數模型，隨后模擬了摩擦引起的高頻振動，探索了不同尖叫的產生機理，最后通過實驗驗證了本模型的正確性。

制動噪聲的產生與制動工況有很大關聯，有的噪聲僅在特定工況下產生。現實生活中能夠產生制動尖叫的典型制動工況有緊急制動剎車和循環點剎車之分，以及汽車制動時是否失去動力等情況，因此將汽車的制動工況分為汽車正常行駛無制動，汽車失去動力后緊急制動，汽車失去動力后循環點剎制動，汽車尚有動力緊急制動，汽車尚有動力循環點剎制動等五種工況，以此來模擬現實中汽車行駛典型制動工況。

以汽車盤式制動器為研究對象，在前人研究的基礎上，在盤式制動系統實驗臺上模擬汽車五種不同的制動工況，并用B&K測試系統對不同制動工況所產生的制動噪聲進行測試分析。其研究意義不僅在于用理論和實際相結合的方式探索盤式制動器的制動噪聲問題，得出制動工況在抑制制動系統的振動、噪聲方面有實際指導意義，更重要的是為企業對產品的設計、改進和優化提供了參考以及指導，從而達到產品降噪的目的，對改善制動系統動力學特性有著重要的現實意義。

2 制動系統工作原理

對汽車盤式制動系統器的制動系統進行簡化，在模型中僅考慮制動盤、制動片等部件。在此基礎上，將制動盤與制動片之間的接觸等效為接觸剛度。盤式制動系的等效模型結構示意圖，如圖1所示。

3 實驗設備及原理

制動系統噪聲實驗采用的實驗原理圖，如圖2所示。其中包括制動系統實驗臺和B&K測試系統。

測試系統一般由電容式傳聲器、前置放大器、衰減器、放大器等組成。其工作原理是：從傳聲器將聲音轉為電信號，再由前置放大器變化阻抗，使轉聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計權網絡，對信號進行頻率加權，然后再經衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，送到有效檢波器，最后給出噪聲聲級的數值。

實驗中所用電機參數為：功率1.5kW、電壓380V、轉速1400r/min。

飛輪參數為：內半徑25mm、外半徑150mm、厚度50mm、密度7800kg/m3。

圖2 噪聲實驗原理圖Fig.2 The Principle of Noise Experiment

實驗所用測試系統設備為4506型B&K測試系統與麥克風。本實驗的麥克風是電容式高精度測量麥克風，麥克風是直接測量動態聲壓的傳感器。通過Pulse數據采集分析系統可以精準地測量噪聲的聲壓級。

根據實驗原理圖連接實驗設備，如圖2所示。本次實驗的現場，如圖3所示。

4 不同工況下的噪聲測試

實驗一共需要測試五種不同工況下的制動噪聲，分別為實驗臺電機正常工作且不進行剎車制動、正常工作斷電后的緊急制動、正常工作斷電后的循環點剎車、正常工作中的緊急制動和正常工作中的循環點剎車。實驗現場，如圖3所示。

圖3 實驗現場Fig.3 The Experiment Site

4.1 測試工況一

該工況為電機正常工作而不進行制動的情況，用以模擬汽車的正常運行工況。當實驗臺正常工作時，電機、制動器、軸承、主軸、聯軸器等均會產生噪聲。本實驗首先測試電機正常工作且未進行制動時的噪聲信號，當電機轉速達到穩定后開始測試，持續時間為5s，對噪聲的時域信號進行傅里葉變換后得到頻域信號，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在實驗臺電機正常工作且未進行制動的情況下，噪聲的最大值為68.6dB，對應的頻率為896Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加逐漸減小，較大的聲壓級則分布在2500Hz以內，而實驗臺噪聲的總體值為77.5dB。

圖4 噪聲頻率分布圖Fig.4 The Noise Frequency Distribution

4.2 測試工況二

該工況為電機正常工作一段時間后斷電進行緊急制動的情況，用以模擬汽車在失去動力后而進行緊急制動的工況。由于Pulse數據采集分析系統對噪聲數據的采集需要5s左右，因此在測試過程中保證制動盤在制動開始后5s左右停止旋轉。提取制動噪聲結果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖5所示。從圖5中可以看出，在實驗臺電機正常工作斷電后進行一次性緊急制動的情況下，噪聲的最大值為55.7dB，對應的頻率為144Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加呈先減小后增加再減小的趨勢，較大的聲壓級則分布在2500Hz以內，而實驗臺噪聲的總體值為63.8dB。

圖5 噪聲頻率分布圖Fig.5 The Noise Frequency Distribution

4.3 測試工況三

該工況為電機正常工作一段時間后斷電進行循環點剎車，用以模擬汽車在失去動力后進行的循環制動剎車。本次實驗過程中保證制動盤在5s左右速度減小為0，且在此過程中的剎車次數為5次。將實驗臺電機斷電后進行循環點剎車，同時測試這個過程中的噪聲信號，提取制動噪聲結果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖6所示。

圖6 噪聲頻率分布圖Fig.6 The Noise Frequency Distribution

從圖6中可以看出，在實驗臺電機正常工作斷電后進行循環點剎車的情況下，噪聲的最大值為48.6dB，對應的頻率為240Hz。實驗臺的噪聲隨著頻率的增加呈先減小后穩定的趨勢，主要噪聲則分布在24dB到40dB之間，而實驗臺噪聲的總體值為61.8dB。

4.4 測試工況四

該工況為電機在正常工作過程中進行緊急制動的情況，用以模擬汽車在尚有動力而進行緊急制動的工況。在本次實驗中，保證制動盤在制動開始后5s左右停止旋轉。將實驗臺在電機帶電的情況下進行緊急剎車，同時測試這個過程中的噪聲信號，提取制動噪聲結果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖7所示。

從圖7中可以看出，在實驗臺電機正常工作的同時進行緊急剎車的情況下，噪聲的最大值為76.4dB，對應的頻率為784Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加呈先增加后逐漸減小的趨勢，較大的聲壓級分布在2500Hz以內，而實驗臺噪聲的總體值為81.6dB。

圖7 噪聲頻率分布圖Fig.7 The Noise Frequency Distribution

4.5 測試工況五

該工況為電機正常工作過程中進行循環點剎車的情況，用以模擬汽車在尚有動力而進行循環點剎車的工況。在本次測試過程中，剎車次數為5次，測試時間為5s左右，制動過程中需控制制動力的大小。將實驗臺在電機帶電的情況下進行循環點剎車，同時測試這個過程中的噪聲信號，提取制動噪聲結果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在實驗臺電機正常工作的同時進行循環點剎車的情況下，噪聲的最大值為66.7dB，對應的頻率為240Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加呈逐漸減小的趨勢而后趨于穩定，較大的聲壓級則分布在2500Hz以內，而實驗臺噪聲的總體值為77.6dB。

5 實驗結果對比

為研究實驗臺在五種工況下的噪聲變化規律，提取五種測試工況下的噪聲總體值進行對比，如圖9所示。

圖9五種工況下的噪聲強度Fig.9 Noise Intensity of Five Different Braking Conditions

圖9 中橫坐標工況1表示正常工作未進行制動；工況2表示斷電后進行緊急制動；工況3表示斷電后進行循環點剎車；工況4表示帶電情況下的緊急制動；工況5表示帶電情況下的循環點剎車。從圖9中可以看出，斷電后的循環點剎車所產生的噪聲最小，而帶電情況下的緊急制動所產生的噪聲最大。對應于汽車實際的工況是：失去動力后的循環點剎車將會產生最小噪聲，而在尚未失去動力情況下進行緊急制動則會產生最大噪聲。

6 總結

通過制動系統試驗臺模擬了汽車制動系統五種不同工況下的工作情況，并采用B&K測試系統測得了試驗臺在五種不同工況下的噪聲信號。通過對實驗臺的噪聲信號進行分析可知，電機斷電后的循環點剎車所產生的噪聲最小，而電機帶電情況下的緊急制動所產生的噪聲最大。由五種工況下的噪聲頻率分布曲線可知，較大的聲壓級均是在2500Hz以內產生，其對噪聲總體值的貢獻最大。因此在考慮制動系統減噪時，低頻段聲壓級和噪聲最小工況應作重點考慮。