洪慶良，王慶輝Hong Qingliang，Wang Qinghui

面向乘用車制動噪聲工程控制的開發(fā)流程研究

洪慶良，王慶輝
Hong Qingliang，Wang Qinghui

（北京汽車股份有限公司，北京 101300）

通過對制動噪聲的分類、產生機理及抑制方法的研究，結合乘用車工程開發(fā)的應用需求，提出以仿真分析、臺架測試、整車測試為基礎的抑制乘用車制動噪聲的工程開發(fā)流程。

制動噪聲；模態(tài)耦合；開發(fā)流程

根據IQS（Initial Quality Study，新車質量滿意度調研）和TQS（Tracking Quality Survey，先行質量滿意度調研）數據統(tǒng)計結果，制動噪聲被列為汽車舒適性市場抱怨的前十大問題之一；部分車輛在制動過程中產生的噪聲聲壓級甚至超過110 dB（A），對人們的聽覺刺激非常明顯，已成為城市生活環(huán)境的重要噪聲污染源之一。降低制動噪聲涉及摩擦學、聲學、熱力學、振動、材料等多學科知識。一般認為，制動器系統(tǒng)的結構因素引起自激振動從而產生制動噪聲，通常將整個制動器看做一個整體，通過改變制動器部件的質量、剛度、阻尼或動態(tài)特性、耦合關系來消除制動器系統(tǒng)的異響模態(tài)頻率[1]。基于模態(tài)耦合理論的復模態(tài)分析方法和SAE J2521 標準的制動噪聲試驗具有較好的一致性，在制動噪聲的抑制研究中已得到廣泛應用和充分認可[2-4]?；谝陨侠碚撨M行制動噪聲抑制方法的研究，構建乘用車制動噪聲工程控制的開發(fā)流程。

1 制動噪聲理論分析

1.1 制動噪聲分類

制動噪聲是制動過程中摩擦片與制動盤摩擦產生的令人厭煩的雜聲，是汽車NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）品質的重要衡量因素之一，由聲音的頻率、聲壓級和品質所決定。根據振動頻率的頻段不同，制動噪聲通常可分為Moan、Groan、Judder等低頻振動噪聲和Squeal、Creak、Wire-brush等中高頻振動噪聲兩大類，Squeak頻段較寬，涵蓋200～8 000 Hz低中高范圍，如圖1所示[5]。

圖1 典型噪聲及頻率分布圖

低頻振動噪聲的頻率一般低于1 000 Hz，其產生的主要原因是制動盤與摩擦材料表面的粘滑運動引起制動器和底盤部件振動。如自動擋車型起步時常見的Groan噪聲，也稱咕隆聲，是駕駛員制動控制過程中制動盤與摩擦片間從靜摩擦到動摩擦轉換時的粘滑運動引起的制動系統(tǒng)及底盤部件振動噪聲；當該粘滑運動無法消除時即表現為一連串有節(jié)奏的噪聲，稱為Creep Groan噪聲，也稱蠕動噪聲，其頻率通常低于800 Hz。

另一種常見的低頻振動噪聲為Moan聲，也稱哞哞聲，其通常與制動系統(tǒng)、連接部件及懸架系統(tǒng)的剛性相關，是以制動盤和摩擦片的摩擦作為激勵源引起制動系統(tǒng)與其環(huán)境件共振，一般發(fā)生在車速較低、輪邊壓力很小或沒有壓力、制動或非制動轉向時，在輕踩或不踩制動踏板的前進、倒退和轉向低速行駛工況，當初始制動為冷態(tài)或濕態(tài)時更易出現，頻率通常低于400 Hz。

中高頻制動噪聲頻率通常在1 000 Hz以上，如常見的Squeal噪聲，又稱制動尖叫聲，對人耳刺激較大，不易被人接受。根據頻率范圍，1 000～3 000 Hz稱為LF-Squeal噪聲，3 000 Hz以上稱為HF-Squeal噪聲。該類噪聲主要由摩擦片的彈性振動引發(fā)自激振，或與制動部件模態(tài)耦合引發(fā)共振，最易與卡鉗和轉向節(jié)的連接件鉗支架發(fā)生模態(tài)耦合引發(fā)共振。

1.2 制動噪聲機理

車輛的制動過程是摩擦片與制動盤摩擦將動能轉化為熱能的過程，對與其連接的部件產生激勵，當某一部件的固有頻率與激勵頻率接近時，會出現頻率耦合共振產生噪聲，涉及到制動及懸架系統(tǒng)的各個零部件；就單個關聯部件而言，比如摩擦片，會涉及其材料、結構、物性、剛性等因素。

在不同理論分析和試驗研究的基礎上，形成了多種制動噪聲理論，一般認為，動摩擦系數隨著相對滑動速度的增大而減小是制動噪聲產生的根本原因，形成了粘滑機理和摩擦力-相對滑動速度關系的負斜率機理。普遍認同的制動噪聲研究包括Sprag-Slip理論、摩擦力-相對滑動速度關系的負斜率機理、模態(tài)耦合理論和摩擦學理論[6–7]，不作贅述。

1.3 制動噪聲影響因素及特點

影響制動噪聲的因素大致分為4類：摩擦副特性、制動器結構、環(huán)境因素和制動工況。大量試驗表明，制動噪聲的發(fā)生存在如下規(guī)律：（1）低速制動及臨近停車時易發(fā)生；（2）摩擦界面溫度升高后，摩擦膜已經形成，摩擦系數穩(wěn)定時易發(fā)生；（3）噪聲頻率隨制動壓力升高而變化；（4）摩擦系數相同的摩擦材料在產生噪聲傾向上有很大差別，同一摩擦片安裝于某一制動器上可能無噪聲，安裝于另一制動器上則有可能產生噪聲。

進一步分析發(fā)現，制動噪聲發(fā)生具有以下特點：（1）受環(huán)境因素影響較大；（2）重復性較差；（3）具有隨機性。這給制動噪聲抑制帶來了較大困難。

1.4 制動噪聲基本抑制方法

研究制動噪聲的目的是在產品初步選型基礎上，通過預測、分析、控制等手段來抑制噪聲產生，通過對制動器及其環(huán)境件的有限元分析，提出結構參數、材料參數、性能參數等優(yōu)化方法以減小制動噪聲發(fā)生幾率。

試驗表明，制動噪聲的特征頻率幾乎不變，進一步說明制動噪聲與制動器結構有關，其中摩擦片結構的隨機性較大，相比卡鉗和支架，摩擦片結構改變更易實現；因此，在抑制制動噪聲時，可嘗試改變摩擦片的結構和物性，沒有得到理想效果時，再對制動器其他部件進行優(yōu)化改進，這既是工程上常用的方法，也是技術風險和成本、周期最易控制的途徑。

對于低頻噪聲，采用摩擦系數對接觸面相對滑動速度不敏感的材料，并修改零部件的結構參數，達到降低或消除噪聲的目的；對于高頻噪聲，改變摩擦片的形狀和接觸面壓，增加制動盤剛度，改變制動盤材料及制動鉗的結構參數以減小或消除噪聲。

2 制動噪聲工程開發(fā)流程

在車型項目工程開發(fā)中，為抑制車輛制動噪聲，需進行系統(tǒng)的分析和驗證?；谥苿釉肼暤漠a生機理和基本抑制方法，提出工程開發(fā)流程：仿真分析、臺架匹配和道路測試。

2.1 仿真分析

在工程上較多采用以下2種方法。

1）基于模態(tài)耦合理論的仿真分析。

在多自由度系統(tǒng)中，摩擦力會使整個系統(tǒng)出現不對稱的剛度矩陣，依據穩(wěn)定性理論對整個系統(tǒng)運動穩(wěn)定性及模態(tài)耦合情況進行分析[8]，如圖2所示，對制動器發(fā)出的噪聲趨勢進行判斷與優(yōu)化改進。圖中和為相對滑動的兩摩擦表面，F和F分別為和表面摩擦力，K為摩擦耦合剛度。

圖2 摩擦耦合關系簡圖

對耦合作用下的制動器進行有限元建模，提取復特征值和系統(tǒng)模態(tài)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，振型和固有頻率是結構振動特性中最基本的2個方面，通過模態(tài)分析可直觀地計算出零件或組合體的振型和固有頻率，利用這一特性避免共振或跳過某一特定振動頻率是工程開發(fā)中最常用的方法。文獻[9]利用有限元分析復模態(tài)發(fā)現制動鉗支架、制動盤、制動塊之間發(fā)生了模態(tài)耦合，對支架邊梁結構進行剛性加強以規(guī)避此情況，降低異響概率。

2）基于摩擦力-相對滑動速度關系的負斜率的仿真分析。

在制動壓力相同的前提下，制動盤與摩擦片之間的摩擦力并不是一個常數，其大小與制動盤的轉速有關；轉速越大，摩擦力可能增大也可能減小，如圖3所示，這樣易使運動部件出現自激振動產生噪聲[10]。圖中為摩擦片質量，為彈簧剛度，為摩擦片上的正壓力，為結構阻尼，為摩擦片滑動速度，0為制動盤穩(wěn)定滑動速度。

圖3 盤式制動器單自由度振動簡化模型

2.2 臺架匹配

結構設計及仿真分析完成后進入臺架匹配測試階段，通過臺架模擬車輛使用工況，對可能產生的制動噪聲進行搜索識別。

1）試驗樣件。

制動系統(tǒng)零部件通過仿真分析對耦合模態(tài)進行了理論上規(guī)避；摩擦材料完成初步選型，其效能和物性滿足要求；摩擦片鋼背材料及厚度進行選擇確保不因剛性弱對低頻制動噪聲不利；懸架系統(tǒng)與制動系統(tǒng)連接最緊密，是制動噪聲傳遞路徑件及放大器，其需要完成關鍵部件的性能調校，尤其是彈性元件硬度、彈簧剛度、轉向節(jié)及穩(wěn)定桿等零部件模態(tài)需完成固化；受條件的限制，通常采用1/4懸架系統(tǒng)配合制動系統(tǒng)進行試驗。

2）試驗設備。

目前常用的試驗設備是LINK 3900制動噪聲試驗倉，在滿足SAE J2521試驗要求的基礎上進行。

3）試驗方法。

通常參照SAE J2521要求進行試驗，包括標準試驗、冷態(tài)試驗及衰減試驗3部分，涵蓋制動初速度、制動終速度、制動初溫、制動減速度、制動壓力、制動次數、環(huán)境濕度等幾百個試驗參數，較大程度上模擬實車環(huán)境噪聲的發(fā)生工況。

4）判定標準。

臺架噪聲判定標準通常由主機廠自主設定，行業(yè)內沒有統(tǒng)一的標準要求。摩擦面的溫度不同、摩擦片的磨損程度不同，制動噪聲的發(fā)生率也不同，以某車型為例，其制動噪聲發(fā)生率臺架試驗要求見表1。

表1 制動噪聲發(fā)生率臺架試驗要求

注：新片為全新摩擦片；半片為摩擦片厚度為新摩擦片2/3狀態(tài)；熱態(tài)為摩擦面溫度大于50℃；冷態(tài)為摩擦面溫度小于等于50℃。

2.3 道路測試

整車道路測試是近些年主機廠為應對用戶對制動NVH要求提升而開展的測試，是對仿真與臺架結果的實車驗證，包括城市工況和山路工況。城市工況試驗主要在上海、重慶等地開展，山路工況試驗主要在安徽黃山、北京密云、河北狼牙山等地開展，以黃山綜合道路試驗為例進行闡述。

1）道路試驗環(huán)境。

道路環(huán)境應符合GB 12534—1990《汽車道路試驗方法通則》中相關規(guī)定；道路工況涵蓋城市工況、鄉(xiāng)村工況、山路工況和高速工況，并且山路工況不少于總里程的60%；試驗溫度應包含低溫（0～5 ℃及以下）、常溫和高溫（制動升溫至300 ℃以上），其中低溫在條件不允許的情況下，可在環(huán)境艙中進行；試驗濕度應包含低濕度（30%RH及以下）、通常濕度（30%～90%RH）和高濕度（90%RH及以上）。

2）道路試驗設備。

隨車安裝噪聲測試設備，如圖4所示，其中主機固定在副駕座椅上，顯示器固定在儀表板上便于觀察的位置，主麥克風安裝在駕駛員右耳旁，副麥克風安裝在副駕位置附近，熱電偶安裝在摩擦片或制動盤貼合面上。通過上述設備記錄噪聲相關的各技術參數，包括車速、踏板力、制動次數、管路壓力、制動減速度、制動時間、制動盤/片溫度、環(huán)境溫度及濕度、噪聲聲壓級、頻率等。

圖4 整車制動噪聲道路試驗圖

通常設置試驗總里程為16 000 km，包括初期試驗2 000 km，主要驗證新摩擦片的狀態(tài)；中期試驗6 000 km，主要驗證摩擦片使用至半磨損狀態(tài)；末期試驗8 000 km，主要驗證摩擦片半磨損后使用狀態(tài)。具體試驗方法參照T/CAAMTB 17—2019《乘用車制動噪聲及抖動整車道路試驗方法及評價》[11]執(zhí)行，包含綜合道路試驗及專項道路試驗2部分。其中，綜合試驗以黃山200 km循環(huán)道路試驗為例，共進行80個循環(huán)（16 000 km），沿途設置10個評價點分別進行起步、勻速、減速、停車制動試驗，試驗工況包括冷車、100 ℃以下、100～250 ℃、250～300 ℃、300 ℃以上及恢復，平地、5%～20%坡道，前進、倒車、轉向和不同初速度、制動壓力、減速度；專項試驗針對Moan、Creep Groan、Squeal、Wire-brush、Judder等典型制動噪聲進行S路、紅綠燈、擁堵跟車、水膜、大坡道、極寒、全磨損及對標等試驗。

3）試驗標準。

根據試驗設備記錄的制動次數、制動噪聲次數n和噪聲分貝值及其對應的強度因素IF（Intensity Factor，強度因素）（見表2），按照式（1）計算ONI（Objective Noise Index，客觀噪聲指數），對照表3評價車輛制動噪聲表現。

式中：n為某噪聲強度的制動噪聲發(fā)生次數；IF為某噪聲強度的強度因素，對應數值見表2；為試驗過程中總制動次數。

表2 噪聲強度與IF對應表

表3 ONI評價標準

根據試驗設備記錄的制動次數、制動噪聲次數n和評價人員對制動噪聲的主觀評價分值及其對應的VER（Vehicle Evaluation Rate，車輛評價級數）（見表4），按照式（2）計算SNI（Subjective Noise Index，主觀噪聲指數），對照表5評價車輛制動噪聲表現。

式中：VER為某制動噪聲的主觀評價分值所對應的車輛評價級數，見表4。其中，主觀評價分值為1～10分，7分為95%用戶群體可接受的合格基準分，其分值越高則車輛噪聲表現越好。

表4 主觀評價分值與VER對應表

表5 SNI評價標準

ONI是通過對客觀數據的加權來評價制動噪聲優(yōu)劣性的指標要素，SNI是通過對主觀打分的加權來評價制動噪聲優(yōu)劣性的指標要素，通過對兩者的綜合評判來確定整車制動噪聲的可接受程度，當其中一項指標不合格時，應分析具體原因進行改善。

3 開發(fā)流程的實踐應用

某車型的開發(fā)周期中，在前期數據設計階段，利用ABAQUS軟件對制動器總成產品模型進行有限元計算，得出其各階模態(tài)、特征值和振型，發(fā)現制動鉗支架與制動器連接板出現模態(tài)耦合，通過增加連接板局部厚度，改變其剛性和模態(tài)，避免了模態(tài)耦合，消除可能出現的低頻噪聲。

在樣件試制階段，搭建1/4懸架制動噪聲試驗臺，經測試發(fā)現，熱態(tài)、70 dB（A）以上、3 000～4 000 Hz中頻噪聲發(fā)生率較高，經過多次匹配，對消音片進行優(yōu)選，在摩擦片上增加兩側J型倒角和中間雙直槽，經過改善后，噪聲發(fā)生率從6.05%降為1.19%，滿足試驗標準要求。

工程樣車階段，在安徽黃山進行試驗樣車的道路測試，全程記錄制動噪聲表現和車輛狀態(tài)，根據客觀試驗數據和主觀評價分值，依據式（1）和式（2）計算得客觀噪聲指數ONI值為0.012、主觀噪聲指數SNI值為0.65，噪聲表現均達到評價標準的優(yōu)秀要求，滿足了用戶對駕乘舒適性的要求。

4 結束語

制動噪聲作為影響汽車舒適性的重要指標，其嚴重干擾用戶的駕駛體驗和城市生活，汽車環(huán)境工況復雜多變，制動噪聲的發(fā)生存在諸多不確定性、隨機性與復雜性，徹底抑制制動噪聲存在一定難度。從制動噪聲發(fā)生機理出發(fā)，遵循科學規(guī)范的開發(fā)流程，進行充分的理論分析、臺架匹配、道路驗證，可以在較大程度上降低噪聲發(fā)生率，滿足用戶需求。

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2020-12-18

U463.5

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.02.001

1002-4581（2021）02-0001-05