[摘要]基于慣性試驗臺架對盤式制動器進行了制動噪聲試驗，分析對比了盤式制動器在不同工況、不同類型夾具下的制動噪聲表現(xiàn)，并分析了制動噪聲在時域內(nèi)的發(fā)生過程。還討論了制動壓力、制動初速度、制動盤溫度對制動噪聲的影響。最后針對研究結(jié)果，給出了制動噪聲試驗程序編制的建議。

關(guān)鍵詞：制動噪聲，試驗臺架，夾具

1 前言

在汽車技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對汽車的要求不僅僅體現(xiàn)在操作性、穩(wěn)定性、安全性等上面，消費者越來越關(guān)注汽車的舒適性。汽車制動會產(chǎn)生振動、抖動、尖叫，這是影響汽車駕駛的舒適性的重要指標。汽車制動系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注與重視，開發(fā)新型“綠色”制動器是科學家面臨的一項亟須解決的問題。按照制動噪聲發(fā)生的頻率不同，K. Brent Dunlap[1]等將盤式制動器制動噪聲分為 3 類：將頻率在 10~1kHz 的噪聲稱為低頻噪聲，將頻率在 1kHz~5kHz 的噪聲稱為低頻嘯叫，將頻率>5kHz 的噪聲稱為高頻嘯叫。統(tǒng)計中，一般將大于 70dB 的制動聲響列為不可接受的制動噪聲。

2 關(guān)于制動噪聲國內(nèi)外研究概況

國外針對汽車制動噪聲的研究早于國內(nèi)，早在 20 世紀 30 年代，國外學者 Mills[2]通過對鼓式制動器制動噪聲的試驗研究，得出制動產(chǎn)生噪聲的重要機理：摩擦力-相對速度關(guān)系的負斜率機理。50 年代，英國學者 Fosberry 與 Holubecki[3]針對盤式制動器做了大量的實驗與研究，得出大多數(shù)的制動噪聲的產(chǎn)生與摩擦系數(shù)的減小有關(guān)，而和摩擦片的摩擦特性沒有必然聯(lián)系。60 年代，Spurr[4]提出了 Sprag-Slip 理論，即由于摩擦面自鎖作用導(dǎo)致整個摩擦系統(tǒng)不平衡，從而引起振動噪聲。80 年代以來，研究者們從簡單的物理模型轉(zhuǎn)到了對制動器整體結(jié)構(gòu)的研究，進行全面分析。Kusano[5]等通過對鼓式制動器的研究，提出了用模態(tài)分析的研究思路來研究制動噪聲。國內(nèi)對汽車制動噪聲的研究開始于 20 世紀 80 年代，何瑞發(fā)[6]通過對 EQ140 汽車前鼓式制動器制動發(fā)啃的研究，得出摩擦片的燒焦變形、包角、支撐角、端頭的倒角對制動時的影響。俄延華等[7]通過建立鼓式制動器的力學模型，總結(jié)出鼓式制動器的制動尖叫主要是由于摩擦片的耦合作用而引起的高頻自激振動，制動尖叫的發(fā)生取決于制動系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性。余為高、于學華[8]通過建立盤式制動器的有限元模型，得知制動噪聲的產(chǎn)生與摩擦系數(shù)有很大關(guān)系。呂輝、于德介等[9]基于響應(yīng)面法，通過拉丁超立方試驗方法采樣，建立制動系統(tǒng)復(fù)模態(tài)的二階響應(yīng)面近似模型。余卓平、孟德建、張立軍[10]采用道路和臺架對制動系統(tǒng)進行振動噪聲試驗，并對兩種試驗進行了闡述和對比分析。孫國輝、侯俊等[11]通過是否在制動塊底板上增加橡膠阻尼層進行制動噪聲對比試驗，得出制動盤和制動塊的耦合特性是影響制動振動和噪聲的一重要因素。侯俊、過學迅[12]以振動力學和有限元理論為基礎(chǔ)，建立制動器的有限元模型并對其進行有限元分析。董士琦、過學迅[13]利用 ANSYS 對制動系統(tǒng)進行模態(tài)分析，把制動盤固有頻率與激振頻率進行對比，盡量避免產(chǎn)生共振和噪聲。

3  基于臺架對盤式制動器的試驗

3.1 臺架的特性及類型

目前測量制動噪聲方式有整車測量和臺架測量兩種。整車外部環(huán)境比較苛刻，干擾噪聲較多。由于整車道路試驗受天氣、道路狀況及駕駛員操作等原因的影響，一些制動問題工況的復(fù)現(xiàn)，尤其是對制動噪聲問題的復(fù)現(xiàn)，有一定的難度。這時候，從時間和成本上考慮，臺架就具有一定的優(yōu)勢。臺架試驗對車速、制動壓力、溫度、濕度等試驗工況控制更加方便精確，更具有目的性和針對性。相對于道路試驗，臺架試驗有獨特的優(yōu)勢。本次試驗的臺架試驗設(shè)備是 link3900 制動慣量試驗臺（如圖 1 所示），由主電機驅(qū)動系統(tǒng)（為試驗提供驅(qū)動力和行駛慣量）、環(huán)境模擬系統(tǒng) ECU（設(shè)定和控制制動環(huán)境）、標準步入式 NVH 試驗倉（提供自由聲場測試環(huán)境）三大部分組成，該系統(tǒng)主要測試和分析車角式和車橋式制動試件在不同條件下的制動性能及制動振動噪聲。

可以采集的主要數(shù)據(jù)有以及相關(guān)傳感器精度信息如表 1 所示:

文中計算摩擦系數(shù)的數(shù)值，其計算公式如下

公式中：T 為輸出扭矩，單位為N ? mp為制動壓力，單位為kPapthreshold為制動啟動壓力，單位為kPaAp為活塞面積reff為有效半徑η為效率3.2 制動噪聲程序章節(jié)典型試驗章節(jié)中制動壓力，制動速度和壓力控制方式都略有不同。為了更全面的反映實車制動系統(tǒng)使用情況，程序盡量覆蓋不同參數(shù)的工況信息。幾個比較典型工況信息如表 2所示：

圖 2 表示了拖磨和冷態(tài)低速拖磨情況下制動壓力分布情況，實際試驗中覆蓋的壓力范圍更廣，制動速度和制動溫度也都有不同組合。

4 制動噪聲的影響因素4.1 行駛工況對制動噪聲的影響以某一汽車制動器 A 在 link3900 試驗臺上做制動噪聲試驗，試驗中以 SAE J2521 試驗標準進行校核，對制動器在不同工況的制動噪聲進行采集，分別按照拖磨工況，減速度工況，正反轉(zhuǎn)工況進行試驗統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表 3 所示。

此制動器在不同工況下，產(chǎn)生噪聲次數(shù)和頻率并不相同。拖磨工況中共產(chǎn)生 7 次噪聲，其中 4 次噪聲頻率為 3000Hz，另外 3 次噪聲為 13800Hz。減速度工況共產(chǎn)生了 6 次噪聲，噪聲頻率均為 13800Hz，而正反轉(zhuǎn)工況并沒有產(chǎn)生制動噪聲。可以說明，不同工況條件下，制動器的噪聲不一定被激發(fā)。而制動噪聲的頻域分布又有著頻率相似性。制動噪聲看起來有隨機性，但是一般都是滿足特定工況才會發(fā)生，所以在制定制動噪聲測試規(guī)范的時候，要充分考慮車輛行駛的工況。而在做制動噪聲分析的時候，要對噪聲發(fā)生做頻率分析，才能進行有效改進。4.2 試驗臺夾具對制動噪聲的影響針對汽車制動系統(tǒng)做臺架試驗時，可根據(jù)試驗夾具的不同，分為車角式，懸架式和車橋式試驗。三種夾具的組成可以參考表 4，后兩種類型的夾具可以預(yù)先給制動角施加載荷，保證振動傳遞時懸架部件參與，更接近實車，但成本較高。

對于樣車 B，我們分別采用車角式和懸架式夾具進行噪聲測試。試驗中運用的夾具如圖3 所示：

試驗完畢后，將噪聲尖叫聲壓級和噪聲頻率統(tǒng)計完畢后，結(jié)果如圖 4 所示：

從圖中可以看出，用車角式夾具時，制動噪聲主要集中在 7800Hz，9800Hz 和 14300Hz。而同樣的零部件在使用車橋式夾具時，噪聲主要集中在 2200Hz，3300Hz 和 9800Hz。這說明制動噪聲與懸架零部件是有關(guān)聯(lián)性的，不同的夾具類型和懸架形式會導(dǎo)致不同頻率噪聲的激發(fā)。2200Hz 和 3300Hz 的噪聲屬低頻嘯叫，產(chǎn)生機理為零部件之間的模態(tài)耦合[14]，說明夾具不同改變了零部件之間的耦合狀態(tài)。

4.3 其他參數(shù)影響

4.3.1制動時間關(guān)于在一次制動過程中，摩擦條件不斷在變化，當噪聲發(fā)生條件滿足時，噪聲便會發(fā)生。這使得研究一次制動過程中噪聲發(fā)生時間，便有了意義。比如圖 5 所示，制動噪聲并不是在一開始就產(chǎn)生。隨著溫度的不斷升高，制動器間的摩擦情況發(fā)生改變，摩擦材料膨脹，計算摩擦系數(shù)變化，溫度從 140 上升到 155，制動扭矩不斷增加。在溫度上升初期，并沒有明顯的制動噪聲發(fā)生，當拖磨至 2.7 秒時，扭矩增幅達到 20%的，開始出現(xiàn)大于 70db 的噪聲，并在 2.7s 至3.5s 不斷出現(xiàn)制動噪聲，且有不斷增大的趨勢。此噪聲在頻域上表現(xiàn)為 7800Hz。很多噪聲都是如此，在一次制動過程中，并不是從始至終都有噪聲，需要在制動過程中達到一定條件才會出發(fā)，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，噪聲發(fā)生在中后期居多。

4.3.2制動壓力對制動噪聲的影響在慣性試驗臺上對制動系統(tǒng)進行同一工況不同制動壓力的制動試驗，得到的試驗結(jié)果如圖 6 所示：

從圖中我們可以看出在不同制動壓力下，噪聲的產(chǎn)生情況是不同的，制動壓力在 0-25bar范圍是制動噪聲的多發(fā)區(qū)，這說明在較低的制動壓力下制動噪聲發(fā)生傾向性較大。在壓力較高時，制動噪聲發(fā)生的傾向性減少，這與摩擦面和制動盤之間的接觸穩(wěn)定性有關(guān)。在制定制動噪聲測試規(guī)范時，應(yīng)將更多的章節(jié)設(shè)置為低壓制動。

4.3.3制動初速度對制動噪聲的影響汽車在高速和低速下制動時，產(chǎn)生噪聲的頻率及大小是不同的。這說明制動初速度對制動噪聲也是有影響的。針對這一情況，在相同條件下對不同的車速進行制動試驗，其結(jié)果如圖 7 所示：當車速在 3kph 與 10kph，對汽車進行制動時，制動噪聲出現(xiàn)的頻次叫高，當車速在高速 50kph 與 80kph 下對汽車進行制動時，汽車制動噪聲發(fā)生率明顯變低。用戶用車的角度來講，一般都是在交通擁堵，路口紅綠燈前等低速工況下頻發(fā)制動噪聲問題。而高速工況，用戶制動次數(shù)較少，一般為緊急制動或者制動初速與制動末速差距不大，與擁堵工況大不相同。在編制噪聲測試規(guī)范時，應(yīng)考慮低速工況多一些。

4.3.4制動盤初始溫度對制動噪聲的影響圖 8 是在不同溫度下制動噪聲發(fā)生概率的分布圖，我們可以看出不同溫度下的制動，制動噪聲發(fā)生頻次有一定的差異，在 25℃、75℃、125℃、150℃制動時，制動噪聲出現(xiàn)的概率較高。制動溫度只是一個初始條件，單獨考慮并無明顯規(guī)律。但在制定制動噪聲試驗規(guī)范時，也應(yīng)盡量覆蓋不同溫度段，與制動速度和制動強度統(tǒng)一考慮。

5 總結(jié)

本文是基于慣性試驗臺架對盤式制動器進行制動噪聲研究，得出了以下結(jié)論：1) 不同制動工況下，制動噪聲發(fā)生的趨勢不同，在編制制動噪聲試驗程序時，應(yīng)考慮不同工況下制動噪聲水平。2) 夾具類型不同，制動噪聲的表現(xiàn)不同，建議使用更接近實車的懸架類型夾具或全軸類型夾具。3) 在一次制動過程中，制動噪聲并不是一直在發(fā)生，而是隨著制動條件改變才發(fā)生，本文試驗中發(fā)現(xiàn)，制動噪聲多發(fā)生于制動中后期。4) 當制動壓力較低，制動初始速度較低時，制動噪聲發(fā)生傾向性更明顯。本文研究仍有一定的局限性，以后還要結(jié)合不同溫濕度的外界環(huán)境以及制動器在涉水等復(fù)雜情況來研究制動噪聲水平。

作者：周明岳 1，阿比拉涅 2,馮博 1，馮天驥 1作者單位：中國汽車技術(shù)研究中心，2吉林大學來源：2016汽車NVH控制技術(shù)國際研討會論文集