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轎車(chē)制動(dòng)器制動(dòng)撞擊噪音影響因素簡(jiǎn)析

2021-12-21 23:59:07·  來(lái)源：汽車(chē)NVH之家  
　
摘 要：汽車(chē)制動(dòng)器的撞擊噪音是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期存在的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，各主機(jī)廠(chǎng)和制動(dòng)器供應(yīng)商對(duì)于此種噪音通常通過(guò)在實(shí)車(chē)上嘗試不同的解決方案，而類(lèi)似嘗試不能
摘 要：汽車(chē)制動(dòng)器的撞擊噪音是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期存在的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，各主機(jī)廠(chǎng)和制動(dòng)器供應(yīng)商對(duì)于此種噪音通常通過(guò)在實(shí)車(chē)上嘗試不同的解決方案，而類(lèi)似嘗試不能系統(tǒng)和充分的分析和解決這一問(wèn)題；在嘗試中主要方案為調(diào)整制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是各個(gè)相關(guān)零件之間的間隙配合，而這只是導(dǎo)致和解決噪音的部分因素。文章對(duì)撞擊噪音發(fā)生的機(jī)理和工況做了介紹，該噪音主要發(fā)生在低溫高濕且冷車(chē)時(shí)由前進(jìn)切換成倒車(chē)時(shí)制動(dòng)而產(chǎn)生的撞擊聲；一方面對(duì)產(chǎn)生噪音的多種可能影響因素進(jìn)行了理論分析和闡述，通過(guò)整車(chē)試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)主要影響因素進(jìn)行了驗(yàn)證；另一方面探究噪音出現(xiàn)的外部條件即低溫高濕所產(chǎn)生的影響，進(jìn)一步研究了摩擦材料在不同環(huán)境條件下的差異性，從而突破性的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響之外的摩擦材料的影響。
前言
汽車(chē)制動(dòng)器的撞擊噪音是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期存在的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，它不僅會(huì)對(duì)汽車(chē)舒適性造成影響，而且會(huì)損害產(chǎn)品的市場(chǎng)聲譽(yù)，有時(shí)甚至導(dǎo)致巨額損失。行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的解決制動(dòng)撞擊噪音的方法是利用不同的方式減小相關(guān)零部件間的間隙，或者通過(guò)具有減震效果的隔離材料緩沖撞擊來(lái)減小或抑制噪音的發(fā)生。本文基于某品牌車(chē)型在開(kāi)發(fā)中遇到的制動(dòng)撞擊噪音，通過(guò)系統(tǒng)性的從理論角度分析所有影響因素，再結(jié)合整車(chē)和臺(tái)架試驗(yàn)，以全面驗(yàn)證確認(rèn)不同因素的影響。在分析和不斷深入的驗(yàn)證中，除了確定不同因素的影響大小外，還逐漸發(fā)現(xiàn)，摩擦片摩擦系數(shù)的影響也起至關(guān)重要的作用，而關(guān)鍵點(diǎn)在于其影響是隨著環(huán)境條件的變化而產(chǎn)生和變化的。
1 制動(dòng)撞擊噪音簡(jiǎn)介
1.1 發(fā)生機(jī)理和工況
以制動(dòng)器安裝于軸前為例，汽車(chē)前進(jìn)方向行進(jìn)時(shí)制動(dòng)（圖1），摩擦片向下運(yùn)動(dòng)，A處間隙為0mm，B處間隙最大。當(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)換成倒車(chē)制動(dòng)時(shí)，摩擦片會(huì)隨著制動(dòng)盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)，B處間隙變?yōu)?；在此過(guò)程中，摩擦片背板撞擊轉(zhuǎn)向節(jié)（根據(jù)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)不同，可能是制動(dòng)器固定支架，下面統(tǒng)一簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)向節(jié)），產(chǎn)生撞擊噪聲。由于制動(dòng)器安裝于軸前，在倒車(chē)切換為前進(jìn)方向時(shí)，受重力作用，制動(dòng)器會(huì)有微小的自由向下運(yùn)動(dòng)，使得A處間隙在制動(dòng)前就減小，從而前進(jìn)制動(dòng)時(shí)的該種噪音發(fā)生概率很小。

圖1 制動(dòng)器切向力和間隙
在實(shí)際使用中，制動(dòng)撞擊噪聲多發(fā)生在冷車(chē)時(shí)，特別是在早晨 – 溫度低而且濕度大的時(shí)候。在經(jīng)過(guò)幾次制動(dòng)后，噪聲就會(huì)減少，減輕甚至消失。這在整車(chē)試驗(yàn)時(shí)也得到了驗(yàn)證。
1.2 制動(dòng)撞擊噪音的影響因素
撞擊聲音來(lái)源于摩擦片背板和轉(zhuǎn)向節(jié)的接觸間隙處，由于轉(zhuǎn)向節(jié)為固定件，聲音是在摩擦片背板運(yùn)動(dòng)而撞擊在轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)產(chǎn)生的。以活塞側(cè)摩擦片為例進(jìn)行力學(xué)分析，可以建立如下速度模型。外側(cè)摩擦片的受力和速度模型相近，不同的制動(dòng)器設(shè)計(jì)，其相應(yīng)模型可能略有不同。

圖2 活塞側(cè)摩擦片受力模型
式中：v為摩擦片的運(yùn)動(dòng)速度；m為摩擦片質(zhì)量；μB為摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間摩擦系數(shù)；μS為摩擦片減震片與活塞間摩擦系數(shù)；pA為制動(dòng)系統(tǒng)壓力；Δx為摩擦片背板與轉(zhuǎn)向節(jié)間隙；μM為摩擦片背板與轉(zhuǎn)向節(jié)間摩擦系數(shù)；FF為支撐摩擦片的彈簧力。
（1）
2 制動(dòng)撞擊噪音試驗(yàn)與分析
2.1 制動(dòng)撞擊噪音試驗(yàn)與分析
針對(duì)某一出現(xiàn)制動(dòng)撞擊噪音的車(chē)型（圖3）進(jìn)行整車(chē)和臺(tái)架試驗(yàn)，來(lái)研究和驗(yàn)證不同影響因素對(duì)解決撞擊噪音的優(yōu)化效果。

圖3 試驗(yàn)車(chē)
通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)明顯噪音的時(shí)候，摩擦片的速度高，而沒(méi)有噪音的時(shí)候，摩擦片速度低。圖4-a的圖線(xiàn)記錄了發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過(guò)程，圖4-b的圖線(xiàn)記錄了沒(méi)有發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過(guò)程。可以看出，圖4-a發(fā)生噪音的瞬間時(shí)長(zhǎng)大約為圖4-b的十分之一，即摩擦片的撞擊速度大約為后者的10倍。因此判定可以將摩擦片速度作為判定撞擊噪音發(fā)生的物理參數(shù)。

圖4-a 發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過(guò)程



圖4-b 未發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過(guò)程
將各個(gè)方案分別應(yīng)用到相關(guān)車(chē)型中，對(duì)整車(chē)進(jìn)行2,000公里的普通用戶(hù)駕駛習(xí)慣的里程積累，每天早上在較低溫度和較高濕度的條件下進(jìn)行撞擊噪音的尋找和主觀(guān)評(píng)價(jià)。將評(píng)價(jià)結(jié)果與前述公式中提及的影響因素進(jìn)行對(duì)比和分析。
從公式(1)可以看出，在出現(xiàn)撞擊噪音的時(shí)候，由于摩擦片質(zhì)量m由制動(dòng)器功能設(shè)計(jì)決定，雖然增加重量對(duì)降低速度有幫助，因局部增重帶來(lái)的整體增重并不受零部件和主機(jī)廠(chǎng)的歡迎，不作為考優(yōu)先級(jí)考慮；而制動(dòng)系統(tǒng)壓力pA在制動(dòng)器工作中是變量而且其工作范圍是對(duì)系統(tǒng)的固有要求，顯然，壓力大即重踩踏板的時(shí)候摩擦片速度更高，從而更容易產(chǎn)生噪音，這與臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)表現(xiàn)一致。
Δx作為摩擦片和轉(zhuǎn)向節(jié)間的間隙，是導(dǎo)致噪音發(fā)生的根源所在，理論上間隙為0則不會(huì)有噪音的發(fā)生。在試驗(yàn)對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，間隙越小對(duì)于減少和減輕撞擊噪音有較為明顯的效果。但是由于受生產(chǎn)裝配限制和制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器滑移功能的要求，此處的間隙不可能為0。因此，只能在間隙盡可能小的前提下，考慮其它因素的作用。
μB是在公式中繼Δx之后對(duì)v即摩擦片的運(yùn)動(dòng)速度影響最大的被減數(shù)。μB是摩擦片與制動(dòng)盤(pán)這一對(duì)制動(dòng)摩擦副的摩擦系數(shù)，也是制動(dòng)器的最關(guān)鍵參數(shù)之一。從公式可以判斷，摩擦系數(shù)越低對(duì)于減小制動(dòng)撞擊噪聲越有幫助，事實(shí)上，摩擦系數(shù)降低對(duì)于各種其它制動(dòng)噪音都有積極的影響，但受任一特定汽車(chē)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求和限制，特別是在整車(chē)和制動(dòng)系統(tǒng)的布局已經(jīng)確定以后，允許的摩擦系數(shù)的降低非常有限。然而，在對(duì)整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)的對(duì)比時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，不同的摩擦材料配方即使在名義摩擦系數(shù)相近的情況下，撞擊噪音的表現(xiàn)也有很大的差異。甚至出現(xiàn)了一種情況：名義摩擦系數(shù)大的某低金屬摩擦材料的噪音表現(xiàn)反而比另一名義摩擦系數(shù)小的某一陶瓷（NAO）摩擦材料更好。由于摩擦材料的性能表現(xiàn)受各種條件的影響很大，名義摩擦系數(shù)作為各種不同工況下多次采集和計(jì)算的平均摩擦系數(shù)，并不能簡(jiǎn)單的用來(lái)評(píng)價(jià)其與單次噪音表現(xiàn)的相關(guān)性。在整車(chē)中對(duì)低金屬和陶瓷的摩擦片分別進(jìn)行了幾種不同配方的對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在名義摩擦系數(shù)相近的情況下，低金屬摩擦材料的噪音表現(xiàn)總是比陶瓷（NAO）摩擦材料更好。
考慮制動(dòng)撞擊噪聲多發(fā)生在特定的環(huán)境條件－低溫度和高濕度，需要對(duì)兩類(lèi)摩擦材料在這種特定的條件下進(jìn)行摩擦系數(shù)的對(duì)比研究。
μS是摩擦片減震片與活塞間的摩擦系數(shù)，此處的摩擦相對(duì)于制動(dòng)盤(pán)和摩擦片間的摩擦力方向相反，因此越大對(duì)于優(yōu)化撞擊噪音越好。這里的摩擦系數(shù)越大，要求減振片和活塞接觸面的粗糙度或黏著力越高。整車(chē)試驗(yàn)分別對(duì)減振片和活塞表面進(jìn)行過(guò)表面處理的方案做了驗(yàn)證對(duì)比，在試驗(yàn)前期，噪音改善較為明顯，而隨著里程的增加，改善減小直至逐漸消失。后對(duì)試驗(yàn)件拆解，發(fā)現(xiàn)特別處理的表面經(jīng)歷一定的工作后產(chǎn)生磨損。如果能夠解決這里的磨損問(wèn)題，這一點(diǎn)可以解決或改善制動(dòng)撞擊噪音。
μM是摩擦片背板與轉(zhuǎn)向節(jié)間摩擦系數(shù)。由于兩者均為金屬，而金屬間的相互摩擦系數(shù)很低，可以調(diào)整的可能空間也很小。
FF是支撐摩擦片的彈簧力。理論上增大FF可以改善制動(dòng)撞擊噪音，但在實(shí)際試車(chē)試驗(yàn)中，用可以實(shí)現(xiàn)的增大該力的樣品，并沒(méi)有明顯的改善相關(guān)噪音。這可以解釋為由于此力對(duì)于制動(dòng)器的功能要求和受限于裝配制造性，可以調(diào)整的空間有限，因而并不適用于實(shí)際產(chǎn)品。
2.2 摩擦材料的對(duì)比分析
考慮制動(dòng)撞擊噪聲多發(fā)生在特定的環(huán)境條件－低溫度和高濕度，對(duì)兩類(lèi)摩擦材料在這種特定的條件下進(jìn)行摩擦系數(shù)的對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)低溫的相同條件下，低金屬摩擦材料在不同濕度條件下，摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定；而陶瓷摩擦材料在高濕度下的摩擦系數(shù)比名義摩擦系數(shù)增大很多。

圖5-a 低金屬材 A



圖5-b 陶瓷材料 B
從幾個(gè)不同供應(yīng)商的不同陶瓷材料的臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，可以得到相近的變化趨勢(shì)。由此證明在特定的環(huán)境－低溫度和高濕度，陶瓷摩擦材料的摩擦系數(shù)相對(duì)相同溫度下低濕度的摩擦系數(shù)有顯著增加。在整車(chē)上經(jīng)歷多次制動(dòng)后，由于制動(dòng)盤(pán)和摩擦片的溫度升高，摩擦片的摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定即降低為名義摩擦系數(shù)的水平，噪音不再發(fā)生。
發(fā)現(xiàn)陶瓷摩擦材料的這一特性，既能合理的解釋為什么部分制動(dòng)器在低溫度且高濕度的環(huán)境下出現(xiàn)制動(dòng)撞擊噪音，這也為解決這一噪音奠定了有利的基礎(chǔ)。
3 結(jié)論
影響汽車(chē)制動(dòng)撞擊噪音的影響因素有多種，經(jīng)過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，本文得到的結(jié)論如下：
1）影響因素包括公式（1）中的所有變量；
2）但是受整車(chē)系統(tǒng)布局，功能要求和制造可行性的限制，可以用于改善制動(dòng)撞擊噪音的有效參數(shù)有限，包括摩擦片背板與轉(zhuǎn)向節(jié)間的接觸間隙，摩擦片減振片和活塞或制動(dòng)器殼體接觸面的粗糙度或黏著度，以及摩擦片的名義摩擦系數(shù)；
3）摩擦片的摩擦系數(shù)對(duì)制動(dòng)撞擊噪音的影響很大，特別是在低溫度高濕度的條件下；
4）陶瓷摩擦材料在低溫度條件下，摩擦系數(shù)在高濕度時(shí)明顯高于低濕度時(shí)，而這一差異在倒車(chē)工況更為明顯；低金屬摩擦材料沒(méi)有這一特征；因此對(duì)于低溫度高濕度下發(fā)生的制動(dòng)撞擊噪音，如何選擇摩擦材料類(lèi)型和如何保證摩擦片在該特定條件下的摩擦系數(shù)不會(huì)偏離名義摩擦系數(shù)太多，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
作者：武素榮，費(fèi)康，李亞；上海大陸汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)銷(xiāo)售有限公司研發(fā)中心
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