龍 文

（東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

從聲學(xué)的學(xué)理上說(shuō)，對(duì)人能感知的聲音是借助媒介傳播的一種波，波由振動(dòng)產(chǎn)生。用擬人的“尖叫”表達(dá)汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)發(fā)出的特別刺耳的聲音，嚴(yán)格意義上說(shuō)汽車(chē)是不會(huì)“尖叫”的，從環(huán)境學(xué)上統(tǒng)稱(chēng)為噪聲。車(chē)輛噪聲不僅給乘車(chē)人員帶來(lái)不愉快的感受，也影響道路周邊居住人員的生活[1]。隨著機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的增加，車(chē)輛噪聲問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲是乘坐人員最直接的感受，抑制噪聲已成為重要研究方向[2]。在制動(dòng)噪聲研究中，制動(dòng)尖叫出現(xiàn)頻率最高，同時(shí)也最難消除，因此是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多理論試圖解釋制動(dòng)噪聲，但是還沒(méi)有一套統(tǒng)一的理論來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析和研究。本研究探討制動(dòng)尖叫的產(chǎn)生機(jī)理及特點(diǎn)，綜述了制動(dòng)尖叫的研究方法及影響因素，并提出了抑制措施及對(duì)未來(lái)研究的展望。

1 制動(dòng)噪聲分類(lèi)及產(chǎn)生機(jī)理

制動(dòng)噪聲是由制動(dòng)塊和制動(dòng)盤(pán)（或制動(dòng)蹄片和制動(dòng)鼓）接觸，二者之間產(chǎn)生摩擦并形成振動(dòng)而造成的。不同的學(xué)者對(duì)制動(dòng)噪聲有著不同的分類(lèi)依據(jù)，但頻率是各種研究制動(dòng)噪聲方法中所公認(rèn)的基本參數(shù)[3]。

按頻率的大小制動(dòng)噪聲大致分為3 類(lèi)：低頻范圍，主要表現(xiàn)為振動(dòng)和噪聲，具體現(xiàn)象為低頻抖動(dòng)（一般不超過(guò)100 Hz）；中頻范圍，表現(xiàn)為顫振（1000 Hz以下）；高頻范圍，表現(xiàn)為制動(dòng)尖叫，具體又可分為低頻嘯叫（1 ～3 kHz 之間）和高頻嘯叫（3 ～16 kHz），英文中的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)包括Judder、Grind、Hum、Grunt、Moan、Groan Roughness 可歸為低頻振動(dòng)噪聲，Squeal、Squeak 歸為中高頻振動(dòng)噪聲。研究較多的是中高頻噪聲Squeal、Squeak，其頻率范圍為1 ～16 kHz 或到人耳聽(tīng)力的上限頻率，有些高達(dá)120 db。這些術(shù)語(yǔ)是乘員的主觀評(píng)價(jià)，具有一定的主觀性。從已有的研究報(bào)道來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)這三種類(lèi)型的噪聲都有所研究，但側(cè)重點(diǎn)不同，由于制動(dòng)尖叫機(jī)理復(fù)雜且對(duì)人們?cè)斐傻睦_最大，故研究的熱點(diǎn)在制動(dòng)尖叫上。

在以往對(duì)制動(dòng)尖叫的研究中，學(xué)者提出了一些解決特定問(wèn)題的模型和工程實(shí)用方法[4]，但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，仍沒(méi)有一套統(tǒng)一的理論來(lái)概述。在工程上所采用的抑制制動(dòng)尖叫的措施也基本上都是經(jīng)驗(yàn)性的，不具備通用性。

目前關(guān)于制動(dòng)尖叫的發(fā)生機(jī)理可聚焦到3 種主要理論[5]：粘滑振動(dòng)理論、自鎖-滑動(dòng)理論和模態(tài)耦合不穩(wěn)定理論。其中模態(tài)耦合不穩(wěn)定理論占據(jù)主要位置，粘滑振動(dòng)和自鎖-滑動(dòng)理論從某種角度都可以理解為制動(dòng)尖叫中的激勵(lì)效應(yīng)。由于制動(dòng)尖叫具有不確定性，所以近年來(lái)關(guān)于制動(dòng)尖叫的不確定性理論正在不斷完善，主要用于分析復(fù)雜不確定性因素的影響機(jī)制。

2 制動(dòng)尖叫理論分析

對(duì)制動(dòng)尖叫的理論探究，主要方法有有限元分析方法、多體動(dòng)力學(xué)仿真法和復(fù)特征值分析法。

2.1 有限元分析方法

在已有的文獻(xiàn)中有一部分用有限元法分析制動(dòng)尖叫，這些文獻(xiàn)中對(duì)該方法的運(yùn)用大致相同[6-9]，均是用有限元單元將制動(dòng)器結(jié)構(gòu)彈性區(qū)域或噪聲輻射的空氣區(qū)域離散化，根據(jù)力學(xué)方程或聲學(xué)波動(dòng)方程，得到聯(lián)立代數(shù)方程式。通過(guò)對(duì)代數(shù)方程式的求解，得到結(jié)構(gòu)彈性體或聲傳播空氣域中的振動(dòng)或聲特性。目前也有很多軟件由可以做有限元仿真分析，如ABAQUS、Hypermesh、CATIA 等。

2.2 多體動(dòng)力學(xué)仿真法

除了有限元法，用得較多的還有使用柔性體和碰撞模型的多體仿真法[10，11]。劉又午[12]在多體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用方面進(jìn)行了較多的研究工作。現(xiàn)多使用ADAMS軟件進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)仿真分析。

2.3 復(fù)特征值分析法

對(duì)于制動(dòng)尖叫的研究，復(fù)特征值分析法占據(jù)了主要地位，得到了廣泛的認(rèn)可[13]。復(fù)特征值分析法以模態(tài)耦合理論為基礎(chǔ)，由有限元軟件進(jìn)行建模并且提取出模型的復(fù)特征值和模態(tài)，通過(guò)分析特征值實(shí)部的符號(hào)和大小來(lái)判斷系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和尖叫的傾向性[14]。能表現(xiàn)出系統(tǒng)特性的模型對(duì)于解決問(wèn)題來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵，文獻(xiàn)[15]的研究提出了一個(gè)3 自由度極坐標(biāo)模型。在數(shù)十年的研究里，出現(xiàn)了兩種不同的研究方向，一種認(rèn)為模型越復(fù)雜，自由度越多則越能更好進(jìn)行制動(dòng)噪聲的分析。因此，有MILLNER N[16]建立了一個(gè)8 自由度模型；BROOKS P C[17]建立了一個(gè)12 自由度的模型；Chowdhary[18]等建立了一個(gè)14 自由度模型。另一種則認(rèn)為具有較少自由度的模型能準(zhǔn)確反映出制動(dòng)尖叫的機(jī)理。SHIN.K[19]得到了一個(gè)具有最少自由度的制動(dòng)尖叫模型，即二自由度模型。

從摩擦副的角度來(lái)解釋制動(dòng)尖叫聲主要有兩種被大家所接受的理論：自激摩擦振動(dòng)理論以及“熱點(diǎn)”理論。徐俊波等[20]考慮了制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)時(shí)的溫度對(duì)摩擦系數(shù)的影響；文獻(xiàn)[21]從自激摩擦振動(dòng)理論出發(fā)，提出面內(nèi)制動(dòng)盤(pán)的載荷是產(chǎn)生面外振動(dòng)的一個(gè)重要原因。

復(fù)特征值法也存在一些缺點(diǎn)，首先其不能清楚地表現(xiàn)出制動(dòng)尖叫的產(chǎn)生機(jī)理，其次摩擦材料和載荷在制動(dòng)過(guò)程中為非線性變化而復(fù)特征值法對(duì)模型是線性化的假設(shè)時(shí)常會(huì)導(dǎo)致“過(guò)預(yù)測(cè)”和“欠預(yù)測(cè)”的結(jié)果，限制了其預(yù)測(cè)精度與可靠性。然而復(fù)特征值法對(duì)于解決制動(dòng)尖叫來(lái)說(shuō)具有優(yōu)越性，因此有學(xué)者開(kāi)始考慮非線性因素。文獻(xiàn)[22]將非線性動(dòng)力學(xué)分析用于解決盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)尖叫問(wèn)題，解決了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[23]考慮了多種參數(shù)，如液壓系統(tǒng)參數(shù)、制動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度等對(duì)制動(dòng)尖叫的影響，并利用復(fù)雜特征值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3 制動(dòng)尖叫試驗(yàn)研究方法

從試驗(yàn)出發(fā)來(lái)進(jìn)行研究可以幫助研究人員掌握制動(dòng)尖叫的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)于制動(dòng)尖叫試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，可以分為整車(chē)道路試驗(yàn)和總成臺(tái)架試驗(yàn)。這兩大類(lèi)試驗(yàn)研究的難點(diǎn)在于如何保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性和可重復(fù)性，這是由制動(dòng)尖叫本身具有“難以再現(xiàn)”的特點(diǎn)所決定的。

整車(chē)道路試驗(yàn)旨在再現(xiàn)制動(dòng)尖叫，開(kāi)展主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量，將制動(dòng)噪聲從諸多噪聲中區(qū)分出來(lái)。但是目前尚缺少噪聲測(cè)量方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于臺(tái)架試驗(yàn)來(lái)說(shuō)[24]，目前臺(tái)架試驗(yàn)主要應(yīng)用歐洲AK 噪聲臺(tái)架試驗(yàn)程序和美國(guó)SAEJ2521 程序。

制動(dòng)尖叫難以再現(xiàn)的特點(diǎn)，使得對(duì)其的研究有很大的挑戰(zhàn)性，國(guó)內(nèi)的張立軍及其團(tuán)隊(duì)[25]針對(duì)這一特點(diǎn)，基于制動(dòng)聲振試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了制動(dòng)器的多工況制動(dòng)尖叫試驗(yàn)，得到的結(jié)果能夠全面反映尖叫的時(shí)間、頻率和幅值特征。

4 制動(dòng)尖叫影響因素分析

找到影響制動(dòng)尖叫的因素對(duì)于研究尖叫的產(chǎn)生機(jī)理且控制制動(dòng)尖叫的產(chǎn)生非常有意義。造成制動(dòng)尖叫的因素比較復(fù)雜，在已有的文獻(xiàn)中可以歸出三類(lèi)影響因素：摩擦副特性、制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、制動(dòng)工況。

摩擦副中摩擦系數(shù)隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的變化而變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的粘-滑（Stick-Slip）自激振動(dòng)。許多學(xué)者認(rèn)為這是產(chǎn)生制動(dòng)尖叫的根本原因。文獻(xiàn)[26]針對(duì)鼓式制動(dòng)器對(duì)其摩擦塊的接觸進(jìn)行仿真分析，也是從摩擦副的角度研究了制動(dòng)尖叫。

SPURR R T[27]用Sprag-Slip 現(xiàn)象來(lái)解釋制動(dòng)尖叫的機(jī)理，如圖1 所示，下面部分為摩擦平面沿圖示方向運(yùn)動(dòng)，中間的為彈性桿，二者之間的相對(duì)速度為V，二者之間的夾角為θ，彈性桿在摩擦平面的接觸端受到的載荷為P。若不考慮摩擦系數(shù)隨速度的變化而變化，如果θ滿足一定的條件，彈性桿將會(huì)產(chǎn)生來(lái)回的振動(dòng)。這一模型比較簡(jiǎn)單，但是它也表明零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)尖叫有影響。

圖1 Sprag-Slip 現(xiàn)象

MILLNER N[15]提出了cantilever-disc 模型，如圖2 所示，該模型包含了圓盤(pán)、懸臂梁及支架3 個(gè)零件，該模型的工作原理與盤(pán)式制動(dòng)器很類(lèi)似，但是其理論計(jì)算的穩(wěn)態(tài)邊界和試驗(yàn)得到的邊界差別較大。

圖2 Cantilever-disc 模型

除了不可避免的結(jié)構(gòu)因素，環(huán)境溫度過(guò)低同樣會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)尖叫，在寒冷的冬天有些制動(dòng)器在前幾次制動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)尖叫，之后這種情況就會(huì)隨著制動(dòng)盤(pán)溫度的升高而消失。綜合前人的研究[28，29]，溫度能改變制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的剛度，尤其是制動(dòng)盤(pán)（制動(dòng)鼓）的剛度，這種變化可能會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而產(chǎn)生制動(dòng)尖叫。

5 制動(dòng)尖叫的抑制措施

研究制動(dòng)尖叫，最終要落到抑制制動(dòng)尖叫上，這些措施可分為結(jié)構(gòu)修改，新摩擦材料的使用，新技術(shù)的使用等方面。文獻(xiàn)[30]運(yùn)用LMS 算法，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)降噪，控制效果較為明顯。除了一些非技術(shù)性的措施，如，嚴(yán)格按照汽車(chē)使用手冊(cè)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行檢查維修、選裝正規(guī)廠家的摩擦襯塊及制動(dòng)盤(pán)等，還對(duì)子部件進(jìn)行材料、形狀、結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化，可以從根源上抑制噪聲的產(chǎn)生。一些學(xué)者從摩擦材料入手，抑制制動(dòng)尖叫。劉志恩等[31]分析了摩擦材料、制動(dòng)盤(pán)材料對(duì)復(fù)模態(tài)的影響，并針對(duì)此模型提出了抑制制動(dòng)尖叫的措施，即從摩擦系數(shù)和材料彈性模量的角度。

6 結(jié)語(yǔ)

有關(guān)制動(dòng)尖叫的研究，已有的文獻(xiàn)從不同的角度揭示了其產(chǎn)生的機(jī)理，但仍沒(méi)有公認(rèn)的理論，究其原因：（1）制動(dòng)尖叫具有難以再現(xiàn)的特點(diǎn)；（2）前人的研究模型太過(guò)簡(jiǎn)化，對(duì)非線性的考慮有所欠缺。針對(duì)這些存在的不足筆者提出幾點(diǎn)未來(lái)可研究的思路：可從系統(tǒng)的穩(wěn)健性的角度出發(fā)，降低制動(dòng)尖叫對(duì)有關(guān)的設(shè)計(jì)因素的敏感度；模型的建立及分析應(yīng)充分考慮對(duì)制動(dòng)尖叫影響因素的大??；研究應(yīng)用多種方法綜合起來(lái)深入研究其機(jī)理，充分考慮非線性的因素。