制動尖叫研究綜述

龍 文

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

從聲學的學理上說，對人能感知的聲音是借助媒介傳播的一種波，波由振動產生。用擬人的“尖叫”表達汽車在制動時發出的特別刺耳的聲音，嚴格意義上說汽車是不會“尖叫”的，從環境學上統稱為噪聲。車輛噪聲不僅給乘車人員帶來不愉快的感受，也影響道路周邊居住人員的生活[1]。隨著機動車數量的增加，車輛噪聲問題越來越受到關注。在制動過程中產生的振動和噪聲是乘坐人員最直接的感受，抑制噪聲已成為重要研究方向[2]。在制動噪聲研究中，制動尖叫出現頻率最高，同時也最難消除，因此是該領域的研究重點和難點。

目前已經出現了很多理論試圖解釋制動噪聲，但是還沒有一套統一的理論來對其進行分析和研究。本研究探討制動尖叫的產生機理及特點，綜述了制動尖叫的研究方法及影響因素，并提出了抑制措施及對未來研究的展望。

1 制動噪聲分類及產生機理

制動噪聲是由制動塊和制動盤（或制動蹄片和制動鼓）接觸，二者之間產生摩擦并形成振動而造成的。不同的學者對制動噪聲有著不同的分類依據，但頻率是各種研究制動噪聲方法中所公認的基本參數[3]。

按頻率的大小制動噪聲大致分為3 類：低頻范圍，主要表現為振動和噪聲，具體現象為低頻抖動（一般不超過100 Hz）；中頻范圍，表現為顫振（1000 Hz以下）；高頻范圍，表現為制動尖叫，具體又可分為低頻嘯叫（1 ～3 kHz 之間）和高頻嘯叫（3 ～16 kHz），英文中的專業術語包括Judder、Grind、Hum、Grunt、Moan、Groan Roughness 可歸為低頻振動噪聲，Squeal、Squeak 歸為中高頻振動噪聲。研究較多的是中高頻噪聲Squeal、Squeak，其頻率范圍為1 ～16 kHz 或到人耳聽力的上限頻率，有些高達120 db。這些術語是乘員的主觀評價，具有一定的主觀性。從已有的研究報道來看，國內外對這三種類型的噪聲都有所研究，但側重點不同，由于制動尖叫機理復雜且對人們造成的困擾最大，故研究的熱點在制動尖叫上。

在以往對制動尖叫的研究中，學者提出了一些解決特定問題的模型和工程實用方法[4]，但由于問題的復雜性，仍沒有一套統一的理論來概述。在工程上所采用的抑制制動尖叫的措施也基本上都是經驗性的，不具備通用性。

目前關于制動尖叫的發生機理可聚焦到3 種主要理論[5]：粘滑振動理論、自鎖-滑動理論和模態耦合不穩定理論。其中模態耦合不穩定理論占據主要位置，粘滑振動和自鎖-滑動理論從某種角度都可以理解為制動尖叫中的激勵效應。由于制動尖叫具有不確定性，所以近年來關于制動尖叫的不確定性理論正在不斷完善，主要用于分析復雜不確定性因素的影響機制。

2 制動尖叫理論分析

對制動尖叫的理論探究，主要方法有有限元分析方法、多體動力學仿真法和復特征值分析法。

2.1 有限元分析方法

在已有的文獻中有一部分用有限元法分析制動尖叫，這些文獻中對該方法的運用大致相同[6-9]，均是用有限元單元將制動器結構彈性區域或噪聲輻射的空氣區域離散化，根據力學方程或聲學波動方程，得到聯立代數方程式。通過對代數方程式的求解，得到結構彈性體或聲傳播空氣域中的振動或聲特性。目前也有很多軟件由可以做有限元仿真分析，如ABAQUS、Hypermesh、CATIA 等。

2.2 多體動力學仿真法

除了有限元法，用得較多的還有使用柔性體和碰撞模型的多體仿真法[10，11]。劉又午[12]在多體動力學的應用方面進行了較多的研究工作。現多使用ADAMS軟件進行多體動力學仿真分析。

2.3 復特征值分析法

對于制動尖叫的研究，復特征值分析法占據了主要地位，得到了廣泛的認可[13]。復特征值分析法以模態耦合理論為基礎，由有限元軟件進行建模并且提取出模型的復特征值和模態，通過分析特征值實部的符號和大小來判斷系統的不穩定性和尖叫的傾向性[14]。能表現出系統特性的模型對于解決問題來說十分關鍵，文獻[15]的研究提出了一個3 自由度極坐標模型。在數十年的研究里，出現了兩種不同的研究方向，一種認為模型越復雜，自由度越多則越能更好進行制動噪聲的分析。因此，有MILLNER N[16]建立了一個8 自由度模型；BROOKS P C[17]建立了一個12 自由度的模型；Chowdhary[18]等建立了一個14 自由度模型。另一種則認為具有較少自由度的模型能準確反映出制動尖叫的機理。SHIN.K[19]得到了一個具有最少自由度的制動尖叫模型，即二自由度模型。

從摩擦副的角度來解釋制動尖叫聲主要有兩種被大家所接受的理論：自激摩擦振動理論以及“熱點”理論。徐俊波等[20]考慮了制動盤制動時的溫度對摩擦系數的影響；文獻[21]從自激摩擦振動理論出發，提出面內制動盤的載荷是產生面外振動的一個重要原因。

復特征值法也存在一些缺點，首先其不能清楚地表現出制動尖叫的產生機理，其次摩擦材料和載荷在制動過程中為非線性變化而復特征值法對模型是線性化的假設時常會導致“過預測”和“欠預測”的結果，限制了其預測精度與可靠性。然而復特征值法對于解決制動尖叫來說具有優越性，因此有學者開始考慮非線性因素。文獻[22]將非線性動力學分析用于解決盤式制動器的制動尖叫問題，解決了系統的動態不穩定性。文獻[23]考慮了多種參數，如液壓系統參數、制動盤旋轉速度等對制動尖叫的影響，并利用復雜特征值對系統進行分析。

3 制動尖叫試驗研究方法

從試驗出發來進行研究可以幫助研究人員掌握制動尖叫的產生機理，對于制動尖叫試驗來說，可以分為整車道路試驗和總成臺架試驗。這兩大類試驗研究的難點在于如何保證試驗結果的一致性和可重復性，這是由制動尖叫本身具有“難以再現”的特點所決定的。

整車道路試驗旨在再現制動尖叫，開展主觀評價和客觀測量，將制動噪聲從諸多噪聲中區分出來。但是目前尚缺少噪聲測量方法的相關標準。對于臺架試驗來說[24]，目前臺架試驗主要應用歐洲AK 噪聲臺架試驗程序和美國SAEJ2521 程序。

制動尖叫難以再現的特點，使得對其的研究有很大的挑戰性，國內的張立軍及其團隊[25]針對這一特點，基于制動聲振試驗臺開展了制動器的多工況制動尖叫試驗，得到的結果能夠全面反映尖叫的時間、頻率和幅值特征。

4 制動尖叫影響因素分析

找到影響制動尖叫的因素對于研究尖叫的產生機理且控制制動尖叫的產生非常有意義。造成制動尖叫的因素比較復雜，在已有的文獻中可以歸出三類影響因素：摩擦副特性、制動器結構、制動工況。

摩擦副中摩擦系數隨著相對滑動速度的變化而變化，這種變化會導致系統的粘-滑（Stick-Slip）自激振動。許多學者認為這是產生制動尖叫的根本原因。文獻[26]針對鼓式制動器對其摩擦塊的接觸進行仿真分析，也是從摩擦副的角度研究了制動尖叫。

SPURR R T[27]用Sprag-Slip 現象來解釋制動尖叫的機理，如圖1 所示，下面部分為摩擦平面沿圖示方向運動，中間的為彈性桿，二者之間的相對速度為V，二者之間的夾角為θ，彈性桿在摩擦平面的接觸端受到的載荷為P。若不考慮摩擦系數隨速度的變化而變化，如果θ滿足一定的條件，彈性桿將會產生來回的振動。這一模型比較簡單，但是它也表明零件的結構參數對制動尖叫有影響。

圖1 Sprag-Slip 現象

MILLNER N[15]提出了cantilever-disc 模型，如圖2 所示，該模型包含了圓盤、懸臂梁及支架3 個零件，該模型的工作原理與盤式制動器很類似，但是其理論計算的穩態邊界和試驗得到的邊界差別較大。

圖2 Cantilever-disc 模型

除了不可避免的結構因素，環境溫度過低同樣會產生制動尖叫，在寒冷的冬天有些制動器在前幾次制動時就會產生制動尖叫，之后這種情況就會隨著制動盤溫度的升高而消失。綜合前人的研究[28，29]，溫度能改變制動器結構的剛度，尤其是制動盤（制動鼓）的剛度，這種變化可能會使系統產生不穩定的狀態，從而產生制動尖叫。

5 制動尖叫的抑制措施

研究制動尖叫，最終要落到抑制制動尖叫上，這些措施可分為結構修改，新摩擦材料的使用，新技術的使用等方面。文獻[30]運用LMS 算法，實現了主動降噪，控制效果較為明顯。除了一些非技術性的措施，如，嚴格按照汽車使用手冊的技術規范進行檢查維修、選裝正規廠家的摩擦襯塊及制動盤等，還對子部件進行材料、形狀、結構等方面的優化，可以從根源上抑制噪聲的產生。一些學者從摩擦材料入手，抑制制動尖叫。劉志恩等[31]分析了摩擦材料、制動盤材料對復模態的影響，并針對此模型提出了抑制制動尖叫的措施，即從摩擦系數和材料彈性模量的角度。

6 結語

有關制動尖叫的研究，已有的文獻從不同的角度揭示了其產生的機理，但仍沒有公認的理論，究其原因：（1）制動尖叫具有難以再現的特點；（2）前人的研究模型太過簡化，對非線性的考慮有所欠缺。針對這些存在的不足筆者提出幾點未來可研究的思路：可從系統的穩健性的角度出發，降低制動尖叫對有關的設計因素的敏感度；模型的建立及分析應充分考慮對制動尖叫影響因素的大小；研究應用多種方法綜合起來深入研究其機理，充分考慮非線性的因素。