摩擦片底料阻尼比對盤式制動器冷態(tài)尖叫的影響

李碧軍 吳磊 何小波 李飛 黎熙

摘? 要：本文結(jié)合制動尖叫的發(fā)生機(jī)理，通過復(fù)模態(tài)分析系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，識別出摩擦片對冷態(tài)制動尖叫的貢獻(xiàn)度最大，對比兩種含不同性能石墨顆粒的摩擦片底料的阻尼比，含回彈性好的石墨的摩擦片底料能夠提高摩擦片的阻尼比，從而可以降低系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，通過臺架試驗和實車試驗驗證表明，該方法能夠有效對改善冷態(tài)制動尖叫。

關(guān)鍵詞：冷態(tài)制動尖叫；摩擦片底料；阻尼比；摩擦片底料

中圖分類號：U463.51? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0026-06

Influence of Brake Pad Underlayer Damping Ratio on Cold Squeal of Disc Brake

LI Bi-jun， WU Lei， HE Xiao-bo， LI Fei， LI Xi

（ NIO Automotive Technology （Anhui） Co.， Ltd， Hefei 230601， China）

Abstract： In this paper， based on the mechanism of brake squeal， the instability of the system is analyzed by complex mode， and the maximum contribution of the brake pad to cold brake squeal is identified. The damping ratio of the underlayer of the brake pad containing different performance graphite particles is compared. The damping ratio of the underlayer of the brake pad containing good resilient graphite can improve the damping ratio of the brake pad， thus reducing the instability of the system.? The bench test and vehicle test show that the method can effectively improve the cold braking squeal.

Key Words： Cold Brake Squeal; Brake Pad Underlayer; Damping Ratio; Pad Underlayer

1? ? 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展越來越成熟，尤其是近年來電動車的快速發(fā)展，對整車噪音要求提出了更高的要求，而制動噪音是汽車整車噪音的一個主要噪音現(xiàn)象，因此如何有效解決制動噪音，是一直困擾制動行業(yè)的一個難題。現(xiàn)代汽車的制動噪音主要有Groan，Moan，Squeal等主要的幾種類型[1]。Groan和moan屬于低頻振動噪音，Squeal就是通常說的制動尖叫，其頻率范圍在1～16kHz。一般把1～3kHz的尖叫認(rèn)為是低頻尖叫，把5～16kHz的尖叫認(rèn)為是高頻尖叫[2]。車輛起步階段比較容易發(fā)生制動尖叫，這時摩擦片和制動盤還處于冷態(tài)，通常認(rèn)為是冷態(tài)制動尖叫，這種情況車速低，周邊環(huán)境相對安靜，這樣使客戶更容易覺察，因此冷態(tài)制動尖叫更容易讓客戶產(chǎn)生抱怨，所以冷態(tài)制動尖叫是在制動器開發(fā)和試驗過程中需要重點關(guān)注的噪音。

影響制動尖叫的因素很多也很復(fù)雜。有制動器各個構(gòu)成件的模態(tài)發(fā)生耦合，如制動盤面內(nèi)和面外模態(tài)頻率接近發(fā)生了模態(tài)自激共振；有摩擦副摩擦特性的影響，如摩擦片表面形成MPU（Metal Pick-Up）摩擦系數(shù)波動大引起的制動尖叫；有環(huán)境溫濕度的因素，如低溫環(huán)境下導(dǎo)致制動器的橡膠件阻尼特性變化引起的制動尖叫，濡水后摩擦片摩擦系數(shù)變化引起的制動尖叫；有特定的制動工況因素，如在高溫時摩擦片衰退之后摩擦系數(shù)發(fā)生變化引起的制動尖叫。因此，產(chǎn)生制動尖叫的原因并非某個單一因素，這也是制動尖叫至今為止仍然還是制動行業(yè)的難題的原因。

對于制動尖叫的發(fā)生機(jī)理研究，可以分為如下兩大類：①摩擦副的不穩(wěn)定理論，認(rèn)為制動盤和摩擦片之間的摩擦副的摩擦系數(shù)波動大是造成自激振動是制動尖叫的發(fā)生原因[3]，但是盤片之間的摩擦系數(shù)本身就是隨車速、減速度、溫度、濡水等內(nèi)外界因素變化的，存在隨機(jī)性和時變性，因此摩擦副不穩(wěn)定理論對制動尖叫不能起到有效預(yù)測；②耦合理論，耦合理論又可以分兩類，一類是自鎖-滑移與模態(tài)耦合理論[4]，認(rèn)為摩擦系數(shù)-相對速度負(fù)斜率與自鎖滑移的聯(lián)合作用造成，模態(tài)耦合理論是目前行業(yè)制動尖叫的熱點，認(rèn)為摩擦能量的饋入是導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定度增大，尤其是系統(tǒng)的阻尼特性對系統(tǒng)的不穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)起到至關(guān)重要的作用，另一類是摩擦激勵與結(jié)構(gòu)耦合的理論，該理論認(rèn)為盤片中之間微觀接觸點的摩擦副是一個瞬時沖擊激勵[5]，不同接觸點的多個瞬時沖擊激勵和各模態(tài)頻率產(chǎn)生耦合就會發(fā)生制動尖叫。

通過有限元建模仿真中的復(fù)模態(tài)特征值法理論是目前制動行業(yè)研究制動尖叫的主要分析方法[6-9]，可以預(yù)測制動尖叫發(fā)生的可能性和識別各個構(gòu)成件的貢獻(xiàn)度。本文基于復(fù)模態(tài)特征值法分析方法，識別出制動器的摩擦片對制動尖叫的貢獻(xiàn)度最大，對比兩種不同底料的摩擦片的阻尼比、系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)特征值的不穩(wěn)定度、Link3900制動噪音臺架和整車實驗結(jié)果，提高摩擦片底料的阻尼比，能夠有效的消除冷態(tài)制動尖叫。

2? ? 復(fù)模態(tài)特征值分析法

目前浮動式盤式制動器的設(shè)計基本上都是如圖1所示，其中摩擦片是由摩擦片面料、摩擦片底料、摩擦片鋼背和摩擦片消音片組成。摩擦片消音片一般是帶粘彈阻尼橡膠的薄鋼板，但是在低溫情況下粘彈阻尼材料會玻璃態(tài)，其阻尼特性會下降，導(dǎo)致消音片在低溫情況下對冷態(tài)制動尖叫不能起到抑制的作用。摩擦片底料的主要作用是連接面料和鋼背，起到粘接面料和鋼背的作用，也有減振吸能的作用。

綜合考慮制動盤、制動摩擦塊面料、制動摩擦片底料、摩擦片鋼背、摩擦片消音片、制動卡鉗卡簧和卡鉗支架等制動器單元的實際接觸情況，圖2表示上述構(gòu)成件受力示意圖：

制動時，其系統(tǒng)的振動方程如式（1）：

（1）

式中：Mi為質(zhì)量矩陣；Ci為阻尼矩陣；Ki為剛度矩陣；Kf為盤片之間接觸摩擦剛度矩陣；x（t）為振動位移矢量；μ為盤片之間接觸面摩擦系數(shù)。

系統(tǒng)的剛度矩陣不對稱導(dǎo)致了特征值矩陣也是不對稱，在某些條件下就會有復(fù)數(shù)，系統(tǒng)的各階模態(tài)頻率和模態(tài)振型都是復(fù)數(shù)。

設(shè)系統(tǒng)的特征值為τi：

τi=σi+jφi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：σi為特征值實部，即系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；φi 為征值虛部，即系統(tǒng)的模態(tài)頻率。

故復(fù)模態(tài)阻尼比εi ：

（3）

當(dāng)復(fù)模態(tài)阻尼比是正數(shù)，當(dāng)能量饋入系統(tǒng)時，系統(tǒng)因存在正的阻尼比，就會吸收能量形成一個能量衰減系統(tǒng)，系統(tǒng)不會失穩(wěn)。當(dāng)復(fù)模態(tài)阻尼比是負(fù)數(shù)，認(rèn)為系統(tǒng)存在負(fù)阻尼，此時不能吸收外界饋入的能量，當(dāng)外界能量饋入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會將振動放大，形成自激振動，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，一般用系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)不穩(wěn)定度γi 作為評價系統(tǒng)不穩(wěn)定度的指標(biāo)，用來預(yù)測制動尖叫發(fā)生的可能性。

γi =-εi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

國內(nèi)外研究者通常將復(fù)模態(tài)不穩(wěn)定度大于0.01認(rèn)為是不穩(wěn)定模態(tài) [10-11]。

3? ? 摩擦片底料材料阻尼比

摩擦材底料是在摩擦片面料與鋼背之間，其主要作用是連接摩擦片面料和鋼背，承受橫向剪切力，同時具備降低摩擦振動沖擊和隔熱等作用。

底料中的石墨材料需要有高回彈性、耐高溫的特性，尤其是在高壓縮、壓力消失之后又能夠恢復(fù)的特點，對制動噪音抖動有良好的改善[12]。

在理想的彈簧阻尼振子系統(tǒng)中，振動方程如下公式：

（5）

求解以上方程，得到系統(tǒng)的阻尼比ε

（6）

當(dāng)ε=1時，阻尼系數(shù)為臨界阻尼系數(shù)，當(dāng)0<ε<1時，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如下。

實際工程應(yīng)用中一般把摩擦片當(dāng)成欠阻尼彈簧阻尼振子模型，摩擦片的阻尼比測量可以通過固有頻率方法，再換算得出阻尼比，如圖（5）和式（7）。通過敲擊法測量摩擦片的各階固有頻率，按照式（7）求各階固有頻率對應(yīng)的阻尼比。

（7）

4? ? 不同阻尼比的摩擦片底料對冷態(tài)制動尖叫的影響

4.1? ?前盤式制動器冷態(tài)尖叫分析

某電動車型路試時發(fā)現(xiàn)前輪制動器在冷態(tài)（環(huán)境溫度6～8℃，摩擦片溫度在低于50℃）狀態(tài)下發(fā)生多個頻率段的冷態(tài)制動尖叫，如圖6所示，發(fā)生尖叫的車速約為20km/h，減速度在0.2～0.4g范圍內(nèi)，頻率范圍2.2～8kHz。

在Link3900制動噪音試驗臺按照實車發(fā)生冷態(tài)多頻制動尖叫的工況（溫度、速度和減速度等）編寫程序，臺架再現(xiàn)了該冷態(tài)多頻制動尖叫，如圖7所示。從臺架結(jié)果來看，一共981次制動，發(fā)生了354次冷態(tài)多頻制動尖叫，發(fā)生率為36%，都是集中在10℃以下。

為了解決這種冷態(tài)工況下的制動尖叫，通過Altair. Hyper Mesh 13.0軟件建立制動卡鉗總成、制動盤、摩擦塊的有限元模型，定義完邊界條件和計算工況后提交到Nastran SOL400，提取系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)模態(tài)。在分析的時候?qū)⒅苿颖P與摩擦片之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4和0.6，液壓設(shè)定為1MPa，2MPa，3MPa等不同工況。統(tǒng)計14kHz以內(nèi)的復(fù)模態(tài)的不穩(wěn)定度與頻率關(guān)系，如圖8所示，多個頻率點存在大于0.01不穩(wěn)定度。

分析制動器總成各個構(gòu)成件的對不穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)率，如圖9～11所示，多個不穩(wěn)定狀態(tài)振型最大貢獻(xiàn)率都是內(nèi)摩擦片。

4.2? ?摩擦片底料阻尼比對冷態(tài)制動尖叫的改善

結(jié)合實際項目開發(fā)周期和成本原因，通常是采用最小變更來避免系統(tǒng)模態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，消除該車型的冷態(tài)多頻制動尖叫。結(jié)合復(fù)模態(tài)分析制動器構(gòu)成件對不穩(wěn)定度貢獻(xiàn)率最大是摩擦片的分析結(jié)果，以及摩擦片底料具有減振吸能作用，按照式（8）和圖（5）方法，對比了A（含脆性石墨）和B（含回彈性好的石墨）兩種的摩擦片底料在不同溫度下前三階固有頻率對應(yīng)的阻尼比結(jié)果如表1，含回彈性好的石墨的B底料摩擦片比含脆性石墨的A底料的摩擦片各階阻尼比都有提高。

該車發(fā)生冷態(tài)多頻制動尖叫的摩擦片底料就是含脆性石墨的A底料，將含回彈性好的石墨的B底料的材料特性代入到復(fù)模態(tài)分析模型中，統(tǒng)計系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，其結(jié)果如圖12所示，系統(tǒng)不穩(wěn)定度沒有超過0.01。

將含回彈性好的石墨的B底料的摩擦片在Link3900臺架上，按照實車發(fā)生冷態(tài)多頻制動尖叫的工況程序測試，一共981次制動中，只發(fā)生了3次制動尖叫，如圖13所示，發(fā)生率0.3%，比含脆性石墨A底料的摩擦片大幅降低。

將含回彈性好的石墨的B底料的摩擦片用于之前發(fā)生冷態(tài)多頻制動尖叫的實車試驗，無冷態(tài)制動尖叫發(fā)生，該方法有效的解決了這車型的前制動器冷態(tài)多頻制動尖叫。

5? ? ?結(jié)束語

（1）低溫狀態(tài)下摩擦片阻尼比比常溫狀態(tài)下低，這就是制動器冷態(tài)狀態(tài)更容易發(fā)生制動尖叫的原因之一。

（2）摩擦片底料中的回彈性好的石墨能夠起到減振吸能作用，通過含回彈性好的石墨的底料可以提高摩擦片的阻尼比。

（3）通過有限元復(fù)模態(tài)分析，可以識別出摩擦片對冷態(tài)多頻制動尖叫的貢獻(xiàn)率最大，摩擦片的阻尼比對系統(tǒng)的不穩(wěn)定度有決定性作用。

（4）實車試驗發(fā)生了冷態(tài)制動尖叫，可以按照實車工況條件，臺架上模擬再現(xiàn)制動尖叫，然后通過復(fù)模態(tài)分析系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，識別出哪個零件的貢獻(xiàn)率最大，改善該零件，可以快速有效的解決制動尖叫。

（5）在制動器開發(fā)初期，需要對摩擦片底料進(jìn)行分析，盡可能的提高摩擦片的阻尼比，能夠更好的吸能降噪，從而使系統(tǒng)不容易發(fā)生冷態(tài)制動尖叫。

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專家推薦語

閆濤衛(wèi)

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

架構(gòu)開發(fā)中心? 高級工程師

本文的研究方法合理，理論正確，數(shù)據(jù)可靠。研究結(jié)果對工程上解決冷態(tài)制動噪音提供了方案，有較高的學(xué)術(shù)價值和工程價值。