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制動噪音和振動

2019-09-14 19:37:20·  來源：汽車底盤論壇  
　
1 定義汽車制動系統(tǒng)中摩擦副的摩擦振動使制動零件或車身產(chǎn)生共振并行程噪音和振動。制動尖叫聲和制動不平順性是典型的制動噪音振動問題，在北美乘用車市場有將近
1 定義
汽車制動系統(tǒng)中摩擦副的摩擦振動使制動零件或車身產(chǎn)生共振并行程噪音和振動。
制動尖叫聲和制動不平順性是典型的制動噪音&振動問題，在北美乘用車市場有將近占比至70%的客戶抱怨。

2 制動噪音&振動基礎理論
2.1 胡克定理
F=-kx
2.2  靜&動摩擦力
當滑動速度增加時，摩擦系數(shù)和摩擦力變小，不穩(wěn)定的摩擦副狀態(tài)導致了制動噪音和振動。
2.3 粘滑振動
胡克定理：
Fs=-kx
摩擦力Ff=u·mg
摩擦力是相對速度的函數(shù)
靜摩擦力：Ff＞|Fs|
動摩擦力：Ff＜|Fs|
2.4 頻率范圍
 
3   制動噪音&振動分類
3.1 呻吟噪聲（groan noise）
發(fā)生條件和噪聲頻率：
1）當制動踏板松開且車輛開始前進的一瞬間；
2）發(fā)生在低速和制動壓力較小時：0.2-2rpm,2-5kg/cm³；
3）摩擦片動靜摩擦力不同的影響；
4）噪音頻率：50-300Hz。
對策：
1）選擇和調(diào)試摩擦片材料
3.2   嗡嗡噪噪聲或呻吟噪聲（humming noise）
發(fā)生條件和噪聲頻率
1）當制動踏板松開后車輛開始很緩慢的移動或車輛轉彎時；
2）尤其是發(fā)生在后制動盤；
3）噪音頻率：200-400Hz
對策：
1）減小拖滯力矩；
2）增加懸架系統(tǒng)剛度
3.3 隆隆噪聲或咆哮噪聲、刺耳噪聲
（Rumbling Noise或Roaring Noise, Grinding Noise）
發(fā)生條件和噪聲頻率
1）一般制動工況；
2）摩擦片表面凹陷引起，摩擦力相對制動盤發(fā)生了材料轉移；
3）噪聲頻率：50-300Hz
對策：
1）改變摩擦片材料；
2）摩擦片切口調(diào)整
3.4 咔噠噪聲（或當啷噪聲、咕嚕噪聲）
Clicking Noise (ClunkingNoise, Grunt Noise)
發(fā)生條件：
1）一般制動工況，尤其是停車后的倒車行駛；
2）摩擦片墊耳撞擊鉗架的卡簧時；
對策：
優(yōu)化摩擦片墊耳與鉗架卡簧間得到間隙
3.5 咯咯噪聲 (卡鉗滑動的咯咯噪聲, 摩擦片咯咯噪聲)
Rattle Noise (CaliperSliding Pin Rattle, Pad Rattle)
發(fā)生條件：
1）松開制動踏板，在不平或粗糙路面行駛時金屬零件彼此撞擊的聲音
對策
1）優(yōu)化摩擦片間隙；
2）優(yōu)化銷軸與銷孔的間隙。
3.6 尖叫噪聲（Squeal Noise）
3.6.1 發(fā)生條件：
1）制動尖叫聲是一種動態(tài)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，發(fā)生于制動系統(tǒng)的一個或者更多的固有頻率上；
2）由制動系統(tǒng)生產(chǎn)的1-16Hz的噪音；
3）低頻尖叫(1~3 kHz)一般涉及零件：鉗體、鉗架、轉向節(jié)和懸架、摩擦片和制動盤；
4）由于人耳對1-4Hz的噪聲很敏感, 低頻尖叫被認為最為令人厭惡的制動噪音；
5）摩擦片和制動盤耦合主要產(chǎn)生中高頻的尖叫噪聲(4~16kHz)。
3.6.2 噪聲特點
很難復現(xiàn)，這個現(xiàn)象基于如溫度、濕度、速度和制動踏板力等多種因素條件形成。
例: 尖叫發(fā)生在天冷或濕度較高的天氣條件下，一般條件下發(fā)生頻率并不高，很難找到相應的對應措施。
3.6.3 影響低頻尖叫噪聲的因素
3.6.4 影響高頻尖叫噪聲的原因
3.6.5 尖叫噪聲對策方法
調(diào)查、分析和驗證方法:
1）整車試驗；
2）臺架試驗；
3）模態(tài)試驗；
4）有限元模擬分析。
對策：
1）減少激勵，優(yōu)化摩擦片的倒角設計；
2）增加阻尼，阻尼消音片選擇；
3）改變零件的自然頻率（制動盤、鉗架、卡鉗和制動底盤）
4 調(diào)查、分析和驗證
4.1 整車試驗
成功解決噪音問題的最終判定
北美的一般測試過程：
1）洛杉磯市交通測試：標準制動噪音和摩擦片磨損試驗，對每個原裝車輛不同路線的測試；
2）底特律郊區(qū)交通測試(DST)主：要用于DTV測試；
3）來自主機廠和供應商的其他測試：用于噪音研究和快速確認。
駕駛者的噪音主觀評分、噪音記錄、聲壓級數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)在試驗中被收集。
典型的 LACT 噪音測試結果：
1）尖叫事件可以在傅里葉頻譜中識別；
2）噪音發(fā)生的次數(shù)和振幅被統(tǒng)計記錄；
3）顧客其他額外的計算要求。
4.2 臺架測試
1）提供噪音驗證的可控環(huán)境；
2）相對整車試驗，成本較低；
4.2.1 測試過程：
1）SAE J2521-AK測試基礎上增加了增加了慣量制動
2）AK–起源于歐洲的測試程序（主要拖曳制動）
3）模LACT–一系列類似LACT駕駛條件的制動
4）以上幾種測試的組合。
5）聲壓級數(shù)據(jù)一般在測試過程中收集。
典型的臺架測試結果：
噪聲發(fā)生可以根據(jù)頻率、溫度、壓力和速度變化進行識別。
4.2.2 制動NVH試驗的可重復性和可復現(xiàn)性
1）整車與臺架試驗的關聯(lián)性；
2）由于更多零件的參與，整車和臺架的低頻噪聲很難實現(xiàn)重復性和可復現(xiàn)性。環(huán)境因素，如天氣、溫度、濕度和道路粉塵都會影響試驗結果。
改善制動NVH試驗可重復性和可復現(xiàn)性的一些建議：
1）采用正確等級的測試硬件；
2）設置正確的測試參數(shù)；
3）確保測試零件的連貫性；
4）記錄測試過程中所有的變化和有意義的事件；
5）適當?shù)氖占头治鰯?shù)據(jù)。
4.3 模態(tài)試驗
1）提供對部件和制動系統(tǒng)的結構動力學特性的理解；
2）零件模態(tài)測試測試了自然頻率、模態(tài)阻尼比和摩擦片、制動盤、襯片、卡鉗、鉗架和轉向節(jié)等的模態(tài)振型；
3）系統(tǒng)模態(tài)測試在整車制動系統(tǒng)上臺架制動系統(tǒng)上測試。
4）錘擊測試：快速且成本低；
5）激光測振：更加精確但昂貴
模態(tài)振型測試
擾度變形測試
典型的模態(tài)測試結果：
1）自然頻率和模態(tài)阻尼比可以從測量的頻率響應（加速度/力）函數(shù)曲線中推導；
2）由于系統(tǒng)零件耦合，單個零件的尖叫頻率可能不同。
4.4 有限元模擬分析
干摩擦產(chǎn)生的制動力導致摩擦力有微小的起伏變動，這導致摩擦片周邊零件的共鳴。摩擦力的起伏進一步放大則引起零件表面的相對振動并引起空氣振動發(fā)出噪聲。
制動尖叫的影響因素：
1）摩擦材料的物理特性，如摩擦系數(shù)的速度敏感性、制動盤熱變形的熱力因素和制動盤振動的結構因素等；
2）這些因素往往都是相互影響的。
4.4.1 有限元模擬分析
目前制動尖叫的主流分析主要集中在結構因素上，主要是制動零件的共振特性。
有限元模擬分析可以反復進行迭代設計優(yōu)化，不需要制作樣件試驗。
兩種分析模型：
1）制動系統(tǒng)不穩(wěn)定模型（復域特征值分析）
包含所有的單邊制動系統(tǒng)零件
2）摩擦片-制動盤-卡鉗支撐模型（頻率響應模型分析）
包含摩擦片、制動盤和卡鉗，適合中高頻尖叫分析。
有限元模擬分析，優(yōu)化摩擦片舉例：
 
5 采用阻尼墊片的方法減少尖叫噪聲
在物理學中，阻尼可以減少任何振蕩系統(tǒng)中的振動的振蕩運動；
在力學中，摩擦力就是這樣一種阻尼效應。
零速度初始條件下，取決于系統(tǒng)的阻尼值：
欠阻尼（藍色曲線）；
臨界阻尼（綠色曲線）；
過阻尼（粉色曲線）
在摩擦片上增加墊片或隔音材料是一種增加制動系統(tǒng)阻尼的方法，增加阻尼是減少共振的一種方法。
5.1  選擇適當?shù)淖枘岵牧系倪^程：
第一步：在臺架上用不同的數(shù)據(jù)形成制動噪音生成模型和制動基準聲壓級地圖；
第二步：通過模態(tài)分析下選擇合適的阻尼材料；
第三步：在第一步中的噪音生成模型中驗證選擇的阻尼材料
5.1 在臺架上用不同的數(shù)據(jù)形成制動噪音生成模型和聲壓級地圖；
基準制動試驗: 最高的SPL (聲壓級) 發(fā)生在7Hz, 溫度約為 150°C ，聲壓級為25 bar
5.2.1通過摩擦片模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料
5.2.2通過制動盤模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料
5.2.3 通過制動盤和摩擦片總成模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料
5.2.4通過摩擦片和制動盤總成模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料(在壓力和溫度下制動零件的振動響應)
當制動系統(tǒng)零件在一定溫度和壓力下工作時，零件的動態(tài)特性變發(fā)生了變化。
由于摩擦材料特性，摩擦片的變化比制動盤更明顯
5.2.5通過摩擦片和制動器總成模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料（制動零件特性與溫度的關系）
當溫度上升時制動盤的剛度減小，則制動盤的響應頻率趨于減小。
左側視圖展示了制動盤對不同溫度的頻率響應（基于一階和二階彎曲模型）。
5.2.6
尖叫噪聲是制動盤和摩擦片彎曲振動模型耦合產(chǎn)生的，當這兩個零件開始共振時，由于制動盤和摩擦片間阻尼減小，系統(tǒng)共振的系統(tǒng)阻尼便減小?？梢酝ㄟ^采用約束阻尼層來獲得額外的阻尼。
3）選擇/驗證消音片
將不同的阻尼墊片聯(lián)結在摩擦片上，在烘箱內(nèi)測試其頻率響應函數(shù)以評估損失因子的變化。
在150°C時，#2 阻尼墊片在摩擦片損失因子上表現(xiàn)出最好的性能。
5.2.7制動系統(tǒng)總成分析
當系統(tǒng)發(fā)生耦合時，現(xiàn)代技術可以分析系統(tǒng)阻尼。
制動系統(tǒng)總成分析說明#2阻尼墊片是最好的選擇，為了驗證阻尼墊片選擇結果。需要進行新的臺架試驗。
6 制動不平順性（震動）
6.1 定義
駕駛員或乘客感受到的整車振動、痙攣或震動
發(fā)生時機：發(fā)生在制動停止時
感知方式：
——方向盤
——地板或前壁板
——座椅
——制動踏板
由制動力矩變化產(chǎn)生
——一般范圍為5-60Hz
——頻率隨車速變化而變化
——一般每轉一圈有1-2個脈沖，但可以增加到10個脈沖
6.2制動不平順性的嚴重程度取決于：
制動力矩變化的幅度和頻率
車輛敏感性
——轉向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的傳遞路徑；
——共振頻率和車輛零件阻尼。
制動不平順性也稱為震動或顫抖，通常用具體環(huán)境條件來細分制動不平順性
熱震動：制動盤溫度＞ 200°C
冷震動：制動盤溫度＜ 100°C
未磨損不平順性：新制動盤
濕不平順性：浸水
高速震動：制動速度＞130km/h
6.3 高溫震動（熱震動）
制動盤在制動過程中變熱，熱碰撞引起盤在旋轉方向上的波浪變形，導致制動力矩波動和振動
對策：增加制動盤的剛度和熱容。
6.4低溫震動（冷震動、老化震動）
車輛釋放制動行駛，但制動拖滯引起制動盤磨損，導致制動盤厚度發(fā)生變化。當車輛行駛10000-20000公里后，制動盤會發(fā)生幾微米的厚度變化。這種情況下制動會引起制動力矩波動，導致制動震動。
6.5低溫震動原理
當制動盤較厚的部分通過摩擦片時，制動鉗活塞和棘爪被壓回，增加制動液壓力；當制動盤較薄的部分通過摩擦片時，制動液壓力減小。制動時制動液壓力波動導致了制動力矩的波動，在懸架和轉向系統(tǒng)中形成激勵源，產(chǎn)生震動。
6.6 震動原因魚骨圖
6.7 制動力矩變化
T = Fr·r = 2μ·FN·r = 2μ·P·A·r = c·μ·P·r
從制動力矩公式中可以看出影響制動力矩變化的因素
△T = c·μ·△P·r + c·△μ·P·r + c·μ·P·△r
雖然影響制動力矩變化的因素有三個，但制動液壓力是主要影響因素。而制動盤厚度變化引起制動液壓力變化
Fr：制動力
r：等效制動半徑
μ：摩擦系數(shù)
P ：制動液壓力
A ：活塞作用面積
C = 2A
6.8制動盤厚度變化影響因素
摩擦片材料轉移至制動盤
熱變形
腐蝕
制動拖滯導致制動盤的不均勻磨損
高速制動時摩擦盤接觸面積變化導致的制動盤不均勻磨損是產(chǎn)生制動不平順性的主要原因。制動盤磨損可以是單邊磨損或雙邊磨損。
制動盤厚度變化范圍為15-20um，是人體頭發(fā)直徑長度的一半，可以產(chǎn)生制動力矩50Nm的變化，這很容易引起制動不平順性問題。
6.9行駛時制動或不制動引起制動盤不均磨損的因素：
1）制動盤裝配公差（軸承、裝配機械等）——期望為零
2）卡鉗間隙（密封圈滾動、側滑力、棘爪剛度等）——期望較高值
3）摩擦片材料攻擊性和摩擦片尺寸——期望較低值
4）轉向節(jié)和卡鉗的負載變形——期望為零
需要考慮制動系統(tǒng)其他要求，如制動踏板感、制動盤防腐、車輪防腐等，最小化制動不平順性最好考慮制動系統(tǒng)所有涉及零件的交互影響而不是其中一兩個零件的影響。
6.10減少震動的對策
1）最小化制動系統(tǒng)中的激勵
2）最小化車輛的響應
——在懸架中增加隔離或阻尼；
——在車身和轉向管柱中增加阻尼零件；
——改變車輛零件的共振頻率。
 
7 總結
1）近些年乘用車的低頻噪音問題較多，NVH問題成為車輛開發(fā)過程中的主要問題；
2）制動噪音和振動出現(xiàn)在不同的使用環(huán)境和工況當中；
3）制動噪音和振動發(fā)生的概率與使用條件相關，如制動盤溫度、制動液壓力、摩擦片材料物理特性、磨損程度和駕駛者輸入。這也是為什么現(xiàn)代科技仍無法完全解決制動噪音和振動問題。
4）在設計階段需要提前對制動噪音和制動問題進行設計規(guī)避；
5）試驗分析技術和噪音&振動仿真技術是汽車制動設計不可或缺的手段。 
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