武素榮，費(fèi)康，李亞

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轎車制動(dòng)器制動(dòng)撞擊噪音影響因素簡(jiǎn)析

武素榮，費(fèi)康，李亞

（上海大陸汽車制動(dòng)系統(tǒng)銷售有限公司研發(fā)中心，上海 201821）

汽車制動(dòng)器的撞擊噪音是汽車行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期存在的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，各主機(jī)廠和制動(dòng)器供應(yīng)商對(duì)于此種噪音通常通過在實(shí)車上嘗試不同的解決方案，而類似嘗試不能系統(tǒng)和充分的分析和解決這一問題；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時(shí)由前進(jìn)切換成倒車時(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，通過整車試驗(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。

制動(dòng)器；撞擊噪音；摩擦片

前言

汽車制動(dòng)器的撞擊噪音是汽車行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期存在的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，它不僅會(huì)對(duì)汽車舒適性造成影響，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，或者通過具有減震效果的隔離材料緩沖撞擊來減小或抑制噪音的發(fā)生。本文基于某品牌車型在開發(fā)中遇到的制動(dòng)撞擊噪音，通過系統(tǒng)性的從理論角度分析所有影響因素，再結(jié)合整車和臺(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)車輛轉(zhuǎn)換成倒車制動(dòng)時(shí)，摩擦片會(huì)隨著制動(dòng)盤向上運(yùn)動(dòng)，B處間隙變?yōu)?；在此過程中，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)生在冷車時(shí)，特別是在早晨 – 溫度低而且濕度大的時(shí)候。在經(jīng)過幾次制動(dòng)后，噪聲就會(huì)減少，減輕甚至消失。這在整車試驗(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。

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)撞擊噪音的車型（圖3）進(jìn)行整車和臺(tái)架試驗(yàn)，來研究和驗(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

通過臺(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，而沒有噪音的時(shí)候，摩擦片速度低。圖4-a的圖線記錄了發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過程，圖4-b的圖線記錄了沒有發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過程?？梢钥闯觯瑘D4-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)過程

圖4-b 未發(fā)生撞擊噪音的制動(dòng)過程

將各個(gè)方案分別應(yīng)用到相關(guān)車型中，對(duì)整車進(jìn)行2,000公里的普通用戶駕駛習(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，因局部增重帶來的整體增重并不受零部件和主機(jī)廠的歡迎，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，但受任一特定汽車對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的要求和限制，特別是在整車和制動(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)單的用來評(píng)價(jià)其與單次噪音表現(xiàn)的相關(guān)性。在整車中對(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。整車試驗(yàn)分別對(duì)減振片和活塞表面進(jìn)行過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)際試車試驗(yàn)中，用可以實(shí)現(xiàn)的增大該力的樣品，并沒有明顯的改善相關(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。在整車上經(jīng)歷多次制動(dòng)后，由于制動(dòng)盤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

影響汽車制動(dòng)撞擊噪音的影響因素有多種，經(jīng)過理論分析和試驗(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)，而這一差異在倒車工況更為明顯；低金屬摩擦材料沒有這一特征；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，是解決問題的關(guān)鍵。

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Brief Introduction of Influence Factors for Vehicle Brake Clack Noise

Wu Surong, Fei Kang, Li Ya

( Continental Brake Systems (Shanghai) Ltd., Co., Shanghai 201821 )

Vehicle brake clack noise has long been a major point in automotive industry, OEMs and brake manufactures usually try many different proposals on vehicles to solve the problem, while such trial can not analyze or solve the problem thoroughly in a systematical way; and to change brake design as the main direction, especially to reduce relevant gaps between components, represents only 1 of the influencing factors. The paper analyzes the clack noise mechanism and its condition, that it happens when braking during switching from forward to backward driving under low temperature and high humidity; the paper on the one hand search for noise theoretical influencing factors, confirming them by means of vehicle and bench testing, and on the other hand discloses the effect from brake pad material under different environmental conditions as a breakthrough, other than brake layout design.

brake; clack noise; brake pad

U463.51

A

1671-7988(2019)08-86-04

U463.51

A

1671-7988(2019)08-86-04

武素榮（1977-01），女，基礎(chǔ)制動(dòng)研發(fā)經(jīng)理，就職于上海大陸汽車制動(dòng)系統(tǒng)銷售有限公司，從事盤式制動(dòng)器的開發(fā)研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.028