趙立微

制動器Rattle噪音影響因素與試驗(yàn)分析

趙立微

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

制動Rattle噪音是長期困擾整車車企和制動器供應(yīng)商制動噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）難題。為分析和解決該項(xiàng)難題，文章以某制動器項(xiàng)目為載體，通過建立單自由度運(yùn)動模型和力學(xué)模型，對該噪音制動器進(jìn)行運(yùn)動和受力分析，確定影響該制動器Rattle噪音的各項(xiàng)因素。同時通過整車驗(yàn)證和分析闡述了制動器各主要因素在實(shí)際噪音產(chǎn)生過程中起到的作用，分析結(jié)果表明噪音發(fā)生位置間隙控制是影響該噪音至關(guān)重要的內(nèi)在因素。研究分析過程中對解決該噪音問題各項(xiàng)因素和方法也進(jìn)行了梳理，為整車車企和制動器供應(yīng)商解決類似噪音問題提供參考。

盤式制動器；摩擦片；Rattle噪音；振動加速度

近些年來，隨著國內(nèi)汽車行業(yè)電動化和智能化的快速發(fā)展，汽車用戶消費(fèi)升級對整車產(chǎn)品和整車舒適性的要求也日益增加。汽車電動化發(fā)展對整車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）水平和降噪技術(shù)相對原有燃油車都有明顯提高。因此，制動NVH作為整車舒適性的重要方面，隨著近幾年汽車行業(yè)的發(fā)展，已越來越得到整車企業(yè)的重視。之前在燃油車開發(fā)中不被消費(fèi)者重視的Rattle噪音，在當(dāng)前整車開發(fā)過程中也逐漸越來越得到關(guān)注。

本文以某車型盤式制動器制動Rattle噪音為載體，通過理論分析確定噪音主要影響因素和相應(yīng)解決方法，且通過整車驗(yàn)證和對比分析確定不同因素對該噪音的影響，以便供相關(guān)企業(yè)制動器開發(fā)時參考和解決類似相關(guān)問題。

1 噪音原理

1.1 噪音現(xiàn)象和原理

制動器Rattle噪音與制動Clack噪音同屬于制動器常見撞擊噪音類型，但基本原理卻具有明顯不同，其根本在于提供撞擊噪音的能量來源不同[1-2]。它具有瞬時性和間歇性特征，整車表現(xiàn)為車輛以一定速度經(jīng)過顛簸路面（如減速帶、負(fù)坎路、比利時路等）非制動工況下制動器內(nèi)零部件間會產(chǎn)生類似“嗒嗒”的金屬撞擊聲。而顛簸路面即為產(chǎn)生該噪音提供低頻隨機(jī)輸入和激振能量。

汽車在路面上行駛時，摩擦片受到重力及運(yùn)動載荷因素影響，摩擦片與制動器支架下側(cè)下止點(diǎn)接觸，摩擦片與制動器支架上側(cè)間隙?最大。當(dāng)非制動工況車輪受到路面不平激勵時，摩擦片受到支架支撐力影響產(chǎn)生相對運(yùn)動。當(dāng)摩擦片受到激勵足夠大時，摩擦片上側(cè)與制動器支架上側(cè)發(fā)生相對撞擊，進(jìn)而產(chǎn)生撞擊噪音。如此往復(fù)，摩擦片與支架上下側(cè)撞擊噪音即為制動Rattle噪音。實(shí)際上除上述噪音發(fā)生位置以外，因制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異，在部分項(xiàng)目中制動Rattle噪音也發(fā)生在摩擦片與殼體之間，也有少數(shù)在殼體與支架之間[3]。本文介紹的Rattle噪音源發(fā)生在摩擦片與制動器支架之間，如圖1所示。

圖1 制動器結(jié)構(gòu)與撞擊間隙

1.2 噪音分析模型

為更深入研究該制動器Rattle噪音原理，以抱怨制動器摩擦片與支架間Rattle噪音為例，建立單自由度有阻尼運(yùn)動簡化模型[4]。如圖2所示，剛性摩擦片質(zhì)量為與剛度的線性彈簧和粘性阻尼相連接。原點(diǎn)=0是摩擦片質(zhì)量塊的初始平衡位置，間隙?為初始平衡位置時摩擦片與剛性障礙物支架的初始間隙。摩擦片在受迫運(yùn)動過程中將受到低頻隨機(jī)激振力()影響與剛性支架發(fā)生撞擊。該摩擦片的隨機(jī)性激振力為()與道路路譜激振力函數(shù)有關(guān)。從而基于上述條件得到微分方程式（1）。

圖2 單自由度運(yùn)動模型

''()+['()-'()]+[()-()]=0 （1）

從運(yùn)動模型可以得知，當(dāng)()?時摩擦片運(yùn)動最大位移大于實(shí)際間隙，摩擦片背板與制動器支架發(fā)生撞擊，撞擊瞬時速度分別為'()>0。從運(yùn)動模型微分方程式（1）可知，受任意輸入激勵()影響輸出響應(yīng)()振幅和相位與輸入激勵()具有直接關(guān)系。由于道路路譜函數(shù)()在實(shí)際應(yīng)用中具有多種隨機(jī)性，在此將不再對輸出響應(yīng)()分類計(jì)算。

2 噪音影響因素分析

當(dāng)制動器非制動操作時，顛簸路面激勵為摩擦片產(chǎn)生振動能，發(fā)生撞擊時自身動能轉(zhuǎn)化為摩擦片與制動鉗撞擊振動能量，當(dāng)能量足夠大時將通過空氣傳播為聲能為用戶所感知。相反，當(dāng)制動器被施加制動操作時，活塞缸受到缸內(nèi)液壓壓力，將摩擦片向內(nèi)推移與制動盤產(chǎn)生剛性接觸。此時液壓制動力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路面激勵傳遞對摩擦片激振力，摩擦片被壓實(shí)在制動盤上，無法產(chǎn)生撞擊Rattle噪音。

以摩擦片與支架上側(cè)撞擊為例，通過分析得知當(dāng)摩擦片受到制動鉗支架瞬時激勵()時，摩擦片產(chǎn)生瞬時加速度z和瞬時初速度0。

z=z=0/?（2）

式中，z為支架對摩擦片的瞬時支撐力；a為摩擦片瞬時加速度。

當(dāng)撞擊發(fā)生時，撞擊瞬時內(nèi)摩擦片（活塞側(cè)）的撞擊瞬時動能t如式（3）所示，撞擊過程摩擦片受力模型如圖3所示。

式中，t為摩擦片撞擊支架瞬時速度；為摩擦片質(zhì)量；0為摩擦片受路面激勵傳遞的初始運(yùn)動速度；k為支架與背板接觸處摩擦系數(shù)；k為支架對摩擦片背板正壓力；()為彈簧片對背板支撐力；?為撞擊位置間隙。

圖3 活塞側(cè)摩擦片受力分析

從式（3）得，摩擦片質(zhì)量由制動器功能設(shè)計(jì)決定，減小摩擦材料和背板重量顯然能夠達(dá)到降低撞擊動能t需要，但導(dǎo)致制動器材料、設(shè)計(jì)成本大幅增加顯然不是最佳選擇。kk與制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，k與摩擦片背板和制動器殼體、支架等結(jié)構(gòu)的材料屬性等有直接關(guān)系，顯然制動器材料屬性因?yàn)樵胍舳鴥?yōu)化變更的技術(shù)成本較高、可能性較小。k直接影響制動拖滯力矩、噪音、磨損等性能，顯然對制動器綜合性能影響較大，需要綜合考慮。因此，摩擦片運(yùn)動初始速度0和撞擊位置間隙?是改善該噪音重要影響因素。

但是摩擦片運(yùn)動初始速度0主要受非制動器因素影響。制動器作為整車非簧載質(zhì)量的一部分，其受到激勵主要與路面激勵、車輛行駛速度、懸掛與車輪剛度與阻尼等非制動因素有關(guān)。當(dāng)汽車行駛在顛簸路面時，在輪胎及懸掛剛度及阻尼不變的條件下，車輛行駛速度、路譜激勵等均會對摩擦片初始速度和振動加速度有較大的影響。但上述影響0因素均為制動器以外影響因素，非制動器自身因素，所以在實(shí)際問題中通過該因素改善Rattle噪音情況顯然并不現(xiàn)實(shí)。

撞擊間隙?主要是撞擊位置摩擦片背板與制動鉗支架的實(shí)際間隙。該間隙存在是撞擊噪音的主要原因，雖然其它位置設(shè)計(jì)間隙也存在，但尺寸間隙稍大，當(dāng)前設(shè)計(jì)情況下不足以導(dǎo)致撞擊發(fā)生。所以撞擊間隙?降低可以有效改善該噪音，但不可能為零，必須保持適當(dāng)大小，以滿足裝配、殼體滑移力、拖滯力矩、偏磨、其它噪音等技術(shù)要求。因此，撞擊間隙只能盡可能減小，同時綜合考慮各種其它因素。所以在實(shí)際噪音問題解決中改善撞擊位置間隙成為首要考慮因素。

另外我們也發(fā)現(xiàn)，Rattle噪音發(fā)生在非制動工況，該工況下制動盤片間有空氣間隙設(shè)計(jì)要求，盤片摩擦系數(shù)、制動器溫度等對該噪音并無明顯影響。但伴隨制動鉗活塞缸液壓壓力逐漸增大，制動盤片逐漸貼合產(chǎn)生相對滑動摩擦，摩擦片側(cè)向和周向自由度受到限制，噪音隨之減弱直至消失。因此，制動器活塞缸液壓壓力對該噪音有明顯影響。

3 整車驗(yàn)證與分析

針對前述已發(fā)現(xiàn)的制動器Rattle噪音影響因素進(jìn)行整車試驗(yàn)分析，進(jìn)而研究和驗(yàn)證不同制動器因素對該噪音的影響。通常對于噪音類測量最直接的方法是使用麥克風(fēng)，但在該噪音實(shí)際測試中由于路面激勵、外界環(huán)境、底盤及輪胎噪聲等影響，麥克風(fēng)測量結(jié)果中摻雜了較多與噪音頻率相近的雜頻，數(shù)據(jù)處理相對困難。

圖4 摩擦片振動加速度

制動器振動加速度測量點(diǎn)選擇內(nèi)外側(cè)摩擦片、制動鉗殼體與制動鉗支架。測量布點(diǎn)位置和方向參見圖5(a)所示。整車測試行駛速度約為 30 km/h，道路路譜如圖5(b)所示。經(jīng)多次分析確認(rèn)在該路況和速度下Rattle噪音相對清晰且干擾較小便于分析。

圖5 測試傳感器位置及測試道路示意

3.1 制動工況因素

以相同車輛行駛速度30 km/h通過連續(xù)凸砍激勵，如圖6所示制動與非制動方式摩擦片的振動加速度最大值相差4至5倍。當(dāng)制動工況即采取液壓制動方式時摩擦片緊緊貼合制動盤，僅有制動盤片的滑動摩擦，摩擦片與制動器殼體與支架似剛性連接，不再有相對運(yùn)動，且內(nèi)外摩擦片振動加速度趨于一致，因此，制動工況Rattle噪音不會發(fā)生。此時制動工況摩擦片振動加速度即為非簧載質(zhì)量在該行駛和路面激勵條件下振動加速度。同時非制動工況內(nèi)外摩擦片分別受不同間隙影響也存在振動加速度差異。

圖6 制動工況與振動加速度關(guān)系

3.2 間隙與阻尼因素

撞擊位置摩擦片和支架的間隙?，該間隙存在是導(dǎo)致噪音發(fā)生的關(guān)鍵原因，理論上間隙為零時摩擦片在該方向的自由度被完全限制，則不會有噪音發(fā)生。在試驗(yàn)驗(yàn)證中也發(fā)現(xiàn)，間隙減小能夠明顯改善噪音發(fā)生。如圖7所示，原設(shè)計(jì)間隙為0.55～0.60 mm，優(yōu)化后間隙為0.35 mm，碰撞位置間隙優(yōu)化可使最大振動加速度下降約300 m/s2。測試工程師主觀感受噪音也得到明顯改善。在實(shí)際改善噪音過程中應(yīng)綜合考慮其他因素確定撞擊位置相對合理設(shè)計(jì)間隙。

支撐摩擦片的彈簧力k，增大該彈簧力可以改善該噪音，原因在于在相同的試驗(yàn)條件下增大該作用力可以限制摩擦片運(yùn)動和消耗摩擦片運(yùn)動能量，達(dá)到改善該噪音效果。但彈簧力同樣受限于制動器其它參數(shù)設(shè)計(jì)要求，只能在適度范圍內(nèi)同時通過改變彈簧結(jié)構(gòu)、改變減振阻尼等方式實(shí)現(xiàn)。該方法需要針對不同制動器設(shè)計(jì)酌情應(yīng)用，且可以與縮小間隙?同時實(shí)施達(dá)到改善噪音效果。

圖7 間隙設(shè)計(jì)與振動加速度關(guān)系

圖8中原彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化為雙向單側(cè)背面分別增加0.15 mm阻尼涂層，通過阻尼分子內(nèi)部能量耗散摩擦片運(yùn)動動能，測試結(jié)果表明該方法也可以達(dá)到很好的降噪效果。摩擦片在向最大振動加速度可以下降約200 m/s2。另外由于原內(nèi)外間隙存在不同，導(dǎo)致優(yōu)化效果也呈現(xiàn)明顯差異。因此，也說明彈簧和阻尼設(shè)計(jì)優(yōu)化和間隙優(yōu)化同時考慮將會呈現(xiàn)更好的優(yōu)化噪音效果，在實(shí)際解決噪音考慮噪音問題時可以根據(jù)實(shí)際情況確定相關(guān)優(yōu)化方案。

圖8 阻尼設(shè)計(jì)與振動加速度關(guān)系

4 結(jié)語

文章通過制動Rattle噪音的運(yùn)動模型和力學(xué)模型公式分析影響該噪音的相關(guān)因素，并通過整車對比試驗(yàn)驗(yàn)證分析確定影響因素不同變量差異對該制動器Rattle噪音的影響。分析研究得出：

1）該制動器影響Rattle噪音的因素如式（3）所列相關(guān)因素。

2）制動器關(guān)鍵因素摩擦材料摩擦系數(shù)、制動盤溫度對該噪音無影響；制動器活塞缸液壓力大小對摩擦片側(cè)向和切向自由度有不同限制，對該噪音有較大影響；外部因素車輛行駛速度和道路路譜激勵為該噪音提供激勵能量，對該噪音有較大影響。

3）影響該噪音的制動器內(nèi)在因素主要取決于撞擊位置間隙。制動器固定彈簧支撐力和阻尼設(shè)計(jì)等隔振方法作為間隙控制有效補(bǔ)充可以進(jìn)一步改善噪音，在實(shí)際降噪中可以考慮綜合應(yīng)用。

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Influence Factors of Brake Rattle Noise and Test Analysis

ZHAO Liwei

( SAIC Volkswagen Automotive Company Limited, Shanghai 201805, China )

Brake Rattle noise is one of the noise,vibration,harshness(NVH)problems that has long plagued automobile manufacturers and brake suppliers. In order to solve this problem, based on the brake development project, this paper establishes the single degree of freedom model and mechanical analysis model, and determines the main factors that affect the brake Rattle noise. At the same time, by the vehicle test verification and analysis, the role played by the main factors of the brake system in the process of the brake noise generation is described. The analysis results show that the gap control of the noise generation position is the key internal factor affecting the noise. In the process of research and analysis, various factors and methods to solve the noise problem are also sorted out, which could provide the reference for Automobile enterprises and brake suppliers to solve similar noise problems.

Disc brake;Brake pad;Rattle noise;Vibration acceleration

U462

A

1671-7988(2023)11-174-05

趙立微（1981－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P制動系統(tǒng)集成與制動NVH開發(fā)，E-mail:zhaoli wei@csvw.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.032