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制動(dòng)噪音和振動(dòng)

2019-09-14 19:37:20·  來(lái)源：汽車(chē)底盤(pán)論壇  
　
1 定義汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中摩擦副的摩擦振動(dòng)使制動(dòng)零件或車(chē)身產(chǎn)生共振并行程噪音和振動(dòng)。制動(dòng)尖叫聲和制動(dòng)不平順性是典型的制動(dòng)噪音振動(dòng)問(wèn)題，在北美乘用車(chē)市場(chǎng)有將近
1 定義
汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中摩擦副的摩擦振動(dòng)使制動(dòng)零件或車(chē)身產(chǎn)生共振并行程噪音和振動(dòng)。
制動(dòng)尖叫聲和制動(dòng)不平順性是典型的制動(dòng)噪音&振動(dòng)問(wèn)題，在北美乘用車(chē)市場(chǎng)有將近占比至70%的客戶抱怨。

2 制動(dòng)噪音&振動(dòng)基礎(chǔ)理論
2.1 胡克定理
F=-kx
2.2  靜&動(dòng)摩擦力
當(dāng)滑動(dòng)速度增加時(shí)，摩擦系數(shù)和摩擦力變小，不穩(wěn)定的摩擦副狀態(tài)導(dǎo)致了制動(dòng)噪音和振動(dòng)。
2.3 粘滑振動(dòng)
胡克定理：
Fs=-kx
摩擦力Ff=u·mg
摩擦力是相對(duì)速度的函數(shù)
靜摩擦力：Ff＞|Fs|
動(dòng)摩擦力：Ff＜|Fs|
2.4 頻率范圍
 
3   制動(dòng)噪音&振動(dòng)分類(lèi)
3.1 呻吟噪聲（groan noise）
發(fā)生條件和噪聲頻率：
1）當(dāng)制動(dòng)踏板松開(kāi)且車(chē)輛開(kāi)始前進(jìn)的一瞬間；
2）發(fā)生在低速和制動(dòng)壓力較小時(shí)：0.2-2rpm,2-5kg/cm³；
3）摩擦片動(dòng)靜摩擦力不同的影響；
4）噪音頻率：50-300Hz。
對(duì)策：
1）選擇和調(diào)試摩擦片材料
3.2   嗡嗡噪噪聲或呻吟噪聲（humming noise）
發(fā)生條件和噪聲頻率
1）當(dāng)制動(dòng)踏板松開(kāi)后車(chē)輛開(kāi)始很緩慢的移動(dòng)或車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)；
2）尤其是發(fā)生在后制動(dòng)盤(pán)；
3）噪音頻率：200-400Hz
對(duì)策：
1）減小拖滯力矩；
2）增加懸架系統(tǒng)剛度
3.3 隆隆噪聲或咆哮噪聲、刺耳噪聲
（Rumbling Noise或Roaring Noise, Grinding Noise）
發(fā)生條件和噪聲頻率
1）一般制動(dòng)工況；
2）摩擦片表面凹陷引起，摩擦力相對(duì)制動(dòng)盤(pán)發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移；
3）噪聲頻率：50-300Hz
對(duì)策：
1）改變摩擦片材料；
2）摩擦片切口調(diào)整
3.4 咔噠噪聲（或當(dāng)啷噪聲、咕嚕噪聲）
Clicking Noise (ClunkingNoise, Grunt Noise)
發(fā)生條件：
1）一般制動(dòng)工況，尤其是停車(chē)后的倒車(chē)行駛；
2）摩擦片墊耳撞擊鉗架的卡簧時(shí)；
對(duì)策：
優(yōu)化摩擦片墊耳與鉗架卡簧間得到間隙
3.5 咯咯噪聲 (卡鉗滑動(dòng)的咯咯噪聲, 摩擦片咯咯噪聲)
Rattle Noise (CaliperSliding Pin Rattle, Pad Rattle)
發(fā)生條件：
1）松開(kāi)制動(dòng)踏板，在不平或粗糙路面行駛時(shí)金屬零件彼此撞擊的聲音
對(duì)策
1）優(yōu)化摩擦片間隙；
2）優(yōu)化銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔的間隙。
3.6 尖叫噪聲（Squeal Noise）
3.6.1 發(fā)生條件：
1）制動(dòng)尖叫聲是一種動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性現(xiàn)象，發(fā)生于制動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)或者更多的固有頻率上；
2）由制動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)的1-16Hz的噪音；
3）低頻尖叫(1~3 kHz)一般涉及零件：鉗體、鉗架、轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架、摩擦片和制動(dòng)盤(pán)；
4）由于人耳對(duì)1-4Hz的噪聲很敏感, 低頻尖叫被認(rèn)為最為令人厭惡的制動(dòng)噪音；
5）摩擦片和制動(dòng)盤(pán)耦合主要產(chǎn)生中高頻的尖叫噪聲(4~16kHz)。
3.6.2 噪聲特點(diǎn)
很難復(fù)現(xiàn)，這個(gè)現(xiàn)象基于如溫度、濕度、速度和制動(dòng)踏板力等多種因素條件形成。
例: 尖叫發(fā)生在天冷或濕度較高的天氣條件下，一般條件下發(fā)生頻率并不高，很難找到相應(yīng)的對(duì)應(yīng)措施。
3.6.3 影響低頻尖叫噪聲的因素
3.6.4 影響高頻尖叫噪聲的原因
3.6.5 尖叫噪聲對(duì)策方法
調(diào)查、分析和驗(yàn)證方法:
1）整車(chē)試驗(yàn)；
2）臺(tái)架試驗(yàn)；
3）模態(tài)試驗(yàn)；
4）有限元模擬分析。
對(duì)策：
1）減少激勵(lì)，優(yōu)化摩擦片的倒角設(shè)計(jì)；
2）增加阻尼，阻尼消音片選擇；
3）改變零件的自然頻率（制動(dòng)盤(pán)、鉗架、卡鉗和制動(dòng)底盤(pán)）
4 調(diào)查、分析和驗(yàn)證
4.1 整車(chē)試驗(yàn)
成功解決噪音問(wèn)題的最終判定
北美的一般測(cè)試過(guò)程：
1）洛杉磯市交通測(cè)試：標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)噪音和摩擦片磨損試驗(yàn)，對(duì)每個(gè)原裝車(chē)輛不同路線的測(cè)試；
2）底特律郊區(qū)交通測(cè)試(DST)主：要用于DTV測(cè)試；
3）來(lái)自主機(jī)廠和供應(yīng)商的其他測(cè)試：用于噪音研究和快速確認(rèn)。
駕駛者的噪音主觀評(píng)分、噪音記錄、聲壓級(jí)數(shù)據(jù)和加速度數(shù)據(jù)在試驗(yàn)中被收集。
典型的 LACT 噪音測(cè)試結(jié)果：
1）尖叫事件可以在傅里葉頻譜中識(shí)別；
2）噪音發(fā)生的次數(shù)和振幅被統(tǒng)計(jì)記錄；
3）顧客其他額外的計(jì)算要求。
4.2 臺(tái)架測(cè)試
1）提供噪音驗(yàn)證的可控環(huán)境；
2）相對(duì)整車(chē)試驗(yàn)，成本較低；
4.2.1 測(cè)試過(guò)程：
1）SAE J2521-AK測(cè)試基礎(chǔ)上增加了增加了慣量制動(dòng)
2）AK–起源于歐洲的測(cè)試程序（主要拖曳制動(dòng)）
3）模LACT–一系列類(lèi)似LACT駕駛條件的制動(dòng)
4）以上幾種測(cè)試的組合。
5）聲壓級(jí)數(shù)據(jù)一般在測(cè)試過(guò)程中收集。
典型的臺(tái)架測(cè)試結(jié)果：
噪聲發(fā)生可以根據(jù)頻率、溫度、壓力和速度變化進(jìn)行識(shí)別。
4.2.2 制動(dòng)NVH試驗(yàn)的可重復(fù)性和可復(fù)現(xiàn)性
1）整車(chē)與臺(tái)架試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性；
2）由于更多零件的參與，整車(chē)和臺(tái)架的低頻噪聲很難實(shí)現(xiàn)重復(fù)性和可復(fù)現(xiàn)性。環(huán)境因素，如天氣、溫度、濕度和道路粉塵都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。
改善制動(dòng)NVH試驗(yàn)可重復(fù)性和可復(fù)現(xiàn)性的一些建議：
1）采用正確等級(jí)的測(cè)試硬件；
2）設(shè)置正確的測(cè)試參數(shù)；
3）確保測(cè)試零件的連貫性；
4）記錄測(cè)試過(guò)程中所有的變化和有意義的事件；
5）適當(dāng)?shù)氖占头治鰯?shù)據(jù)。
4.3 模態(tài)試驗(yàn)
1）提供對(duì)部件和制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的理解；
2）零件模態(tài)測(cè)試測(cè)試了自然頻率、模態(tài)阻尼比和摩擦片、制動(dòng)盤(pán)、襯片、卡鉗、鉗架和轉(zhuǎn)向節(jié)等的模態(tài)振型；
3）系統(tǒng)模態(tài)測(cè)試在整車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)上臺(tái)架制動(dòng)系統(tǒng)上測(cè)試。
4）錘擊測(cè)試：快速且成本低；
5）激光測(cè)振：更加精確但昂貴
模態(tài)振型測(cè)試
擾度變形測(cè)試
典型的模態(tài)測(cè)試結(jié)果：
1）自然頻率和模態(tài)阻尼比可以從測(cè)量的頻率響應(yīng)（加速度/力）函數(shù)曲線中推導(dǎo)；
2）由于系統(tǒng)零件耦合，單個(gè)零件的尖叫頻率可能不同。
4.4 有限元模擬分析
干摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力導(dǎo)致摩擦力有微小的起伏變動(dòng)，這導(dǎo)致摩擦片周邊零件的共鳴。摩擦力的起伏進(jìn)一步放大則引起零件表面的相對(duì)振動(dòng)并引起空氣振動(dòng)發(fā)出噪聲。
制動(dòng)尖叫的影響因素：
1）摩擦材料的物理特性，如摩擦系數(shù)的速度敏感性、制動(dòng)盤(pán)熱變形的熱力因素和制動(dòng)盤(pán)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)因素等；
2）這些因素往往都是相互影響的。
4.4.1 有限元模擬分析
目前制動(dòng)尖叫的主流分析主要集中在結(jié)構(gòu)因素上，主要是制動(dòng)零件的共振特性。
有限元模擬分析可以反復(fù)進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)優(yōu)化，不需要制作樣件試驗(yàn)。
兩種分析模型：
1）制動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定模型（復(fù)域特征值分析）
包含所有的單邊制動(dòng)系統(tǒng)零件
2）摩擦片-制動(dòng)盤(pán)-卡鉗支撐模型（頻率響應(yīng)模型分析）
包含摩擦片、制動(dòng)盤(pán)和卡鉗，適合中高頻尖叫分析。
有限元模擬分析，優(yōu)化摩擦片舉例：
 
5 采用阻尼墊片的方法減少尖叫噪聲
在物理學(xué)中，阻尼可以減少任何振蕩系統(tǒng)中的振動(dòng)的振蕩運(yùn)動(dòng)；
在力學(xué)中，摩擦力就是這樣一種阻尼效應(yīng)。
零速度初始條件下，取決于系統(tǒng)的阻尼值：
欠阻尼（藍(lán)色曲線）；
臨界阻尼（綠色曲線）；
過(guò)阻尼（粉色曲線）
在摩擦片上增加墊片或隔音材料是一種增加制動(dòng)系統(tǒng)阻尼的方法，增加阻尼是減少共振的一種方法。
5.1  選擇適當(dāng)?shù)淖枘岵牧系倪^(guò)程：
第一步：在臺(tái)架上用不同的數(shù)據(jù)形成制動(dòng)噪音生成模型和制動(dòng)基準(zhǔn)聲壓級(jí)地圖；
第二步：通過(guò)模態(tài)分析下選擇合適的阻尼材料；
第三步：在第一步中的噪音生成模型中驗(yàn)證選擇的阻尼材料
5.1 在臺(tái)架上用不同的數(shù)據(jù)形成制動(dòng)噪音生成模型和聲壓級(jí)地圖；
基準(zhǔn)制動(dòng)試驗(yàn): 最高的SPL (聲壓級(jí)) 發(fā)生在7Hz, 溫度約為 150°C ，聲壓級(jí)為25 bar
5.2.1通過(guò)摩擦片模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料
5.2.2通過(guò)制動(dòng)盤(pán)模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料
5.2.3 通過(guò)制動(dòng)盤(pán)和摩擦片總成模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料
5.2.4通過(guò)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)總成模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料(在壓力和溫度下制動(dòng)零件的振動(dòng)響應(yīng))
當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)零件在一定溫度和壓力下工作時(shí)，零件的動(dòng)態(tài)特性變發(fā)生了變化。
由于摩擦材料特性，摩擦片的變化比制動(dòng)盤(pán)更明顯
5.2.5通過(guò)摩擦片和制動(dòng)器總成模態(tài)分析選擇合適的阻尼材料（制動(dòng)零件特性與溫度的關(guān)系）
當(dāng)溫度上升時(shí)制動(dòng)盤(pán)的剛度減小，則制動(dòng)盤(pán)的響應(yīng)頻率趨于減小。
左側(cè)視圖展示了制動(dòng)盤(pán)對(duì)不同溫度的頻率響應(yīng)（基于一階和二階彎曲模型）。
5.2.6
尖叫噪聲是制動(dòng)盤(pán)和摩擦片彎曲振動(dòng)模型耦合產(chǎn)生的，當(dāng)這兩個(gè)零件開(kāi)始共振時(shí)，由于制動(dòng)盤(pán)和摩擦片間阻尼減小，系統(tǒng)共振的系統(tǒng)阻尼便減小?？梢酝ㄟ^(guò)采用約束阻尼層來(lái)獲得額外的阻尼。
3）選擇/驗(yàn)證消音片
將不同的阻尼墊片聯(lián)結(jié)在摩擦片上，在烘箱內(nèi)測(cè)試其頻率響應(yīng)函數(shù)以評(píng)估損失因子的變化。
在150°C時(shí)，#2 阻尼墊片在摩擦片損失因子上表現(xiàn)出最好的性能。
5.2.7制動(dòng)系統(tǒng)總成分析
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生耦合時(shí)，現(xiàn)代技術(shù)可以分析系統(tǒng)阻尼。
制動(dòng)系統(tǒng)總成分析說(shuō)明#2阻尼墊片是最好的選擇，為了驗(yàn)證阻尼墊片選擇結(jié)果。需要進(jìn)行新的臺(tái)架試驗(yàn)。
6 制動(dòng)不平順性（震動(dòng)）
6.1 定義
駕駛員或乘客感受到的整車(chē)振動(dòng)、痙攣或震動(dòng)
發(fā)生時(shí)機(jī)：發(fā)生在制動(dòng)停止時(shí)
感知方式：
——方向盤(pán)
——地板或前壁板
——座椅
——制動(dòng)踏板
由制動(dòng)力矩變化產(chǎn)生
——一般范圍為5-60Hz
——頻率隨車(chē)速變化而變化
——一般每轉(zhuǎn)一圈有1-2個(gè)脈沖，但可以增加到10個(gè)脈沖
6.2制動(dòng)不平順性的嚴(yán)重程度取決于：
制動(dòng)力矩變化的幅度和頻率
車(chē)輛敏感性
——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的傳遞路徑；
——共振頻率和車(chē)輛零件阻尼。
制動(dòng)不平順性也稱(chēng)為震動(dòng)或顫抖，通常用具體環(huán)境條件來(lái)細(xì)分制動(dòng)不平順性
熱震動(dòng)：制動(dòng)盤(pán)溫度＞ 200°C
冷震動(dòng)：制動(dòng)盤(pán)溫度＜ 100°C
未磨損不平順性：新制動(dòng)盤(pán)
濕不平順性：浸水
高速震動(dòng)：制動(dòng)速度＞130km/h
6.3 高溫震動(dòng)（熱震動(dòng)）
制動(dòng)盤(pán)在制動(dòng)過(guò)程中變熱，熱碰撞引起盤(pán)在旋轉(zhuǎn)方向上的波浪變形，導(dǎo)致制動(dòng)力矩波動(dòng)和振動(dòng)
對(duì)策：增加制動(dòng)盤(pán)的剛度和熱容。
6.4低溫震動(dòng)（冷震動(dòng)、老化震動(dòng)）
車(chē)輛釋放制動(dòng)行駛，但制動(dòng)拖滯引起制動(dòng)盤(pán)磨損，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)厚度發(fā)生變化。當(dāng)車(chē)輛行駛10000-20000公里后，制動(dòng)盤(pán)會(huì)發(fā)生幾微米的厚度變化。這種情況下制動(dòng)會(huì)引起制動(dòng)力矩波動(dòng)，導(dǎo)致制動(dòng)震動(dòng)。
6.5低溫震動(dòng)原理
當(dāng)制動(dòng)盤(pán)較厚的部分通過(guò)摩擦片時(shí)，制動(dòng)鉗活塞和棘爪被壓回，增加制動(dòng)液壓力；當(dāng)制動(dòng)盤(pán)較薄的部分通過(guò)摩擦片時(shí)，制動(dòng)液壓力減小。制動(dòng)時(shí)制動(dòng)液壓力波動(dòng)導(dǎo)致了制動(dòng)力矩的波動(dòng)，在懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中形成激勵(lì)源，產(chǎn)生震動(dòng)。
6.6 震動(dòng)原因魚(yú)骨圖
6.7 制動(dòng)力矩變化
T = Fr·r = 2μ·FN·r = 2μ·P·A·r = c·μ·P·r
從制動(dòng)力矩公式中可以看出影響制動(dòng)力矩變化的因素
△T = c·μ·△P·r + c·△μ·P·r + c·μ·P·△r
雖然影響制動(dòng)力矩變化的因素有三個(gè)，但制動(dòng)液壓力是主要影響因素。而制動(dòng)盤(pán)厚度變化引起制動(dòng)液壓力變化
Fr：制動(dòng)力
r：等效制動(dòng)半徑
μ：摩擦系數(shù)
P ：制動(dòng)液壓力
A ：活塞作用面積
C = 2A
6.8制動(dòng)盤(pán)厚度變化影響因素
摩擦片材料轉(zhuǎn)移至制動(dòng)盤(pán)
熱變形
腐蝕
制動(dòng)拖滯導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)的不均勻磨損
高速制動(dòng)時(shí)摩擦盤(pán)接觸面積變化導(dǎo)致的制動(dòng)盤(pán)不均勻磨損是產(chǎn)生制動(dòng)不平順性的主要原因。制動(dòng)盤(pán)磨損可以是單邊磨損或雙邊磨損。
制動(dòng)盤(pán)厚度變化范圍為15-20um，是人體頭發(fā)直徑長(zhǎng)度的一半，可以產(chǎn)生制動(dòng)力矩50Nm的變化，這很容易引起制動(dòng)不平順性問(wèn)題。
6.9行駛時(shí)制動(dòng)或不制動(dòng)引起制動(dòng)盤(pán)不均磨損的因素：
1）制動(dòng)盤(pán)裝配公差（軸承、裝配機(jī)械等）——期望為零
2）卡鉗間隙（密封圈滾動(dòng)、側(cè)滑力、棘爪剛度等）——期望較高值
3）摩擦片材料攻擊性和摩擦片尺寸——期望較低值
4）轉(zhuǎn)向節(jié)和卡鉗的負(fù)載變形——期望為零
需要考慮制動(dòng)系統(tǒng)其他要求，如制動(dòng)踏板感、制動(dòng)盤(pán)防腐、車(chē)輪防腐等，最小化制動(dòng)不平順性最好考慮制動(dòng)系統(tǒng)所有涉及零件的交互影響而不是其中一兩個(gè)零件的影響。
6.10減少震動(dòng)的對(duì)策
1）最小化制動(dòng)系統(tǒng)中的激勵(lì)
2）最小化車(chē)輛的響應(yīng)
——在懸架中增加隔離或阻尼；
——在車(chē)身和轉(zhuǎn)向管柱中增加阻尼零件；
——改變車(chē)輛零件的共振頻率。
 
7 總結(jié)
1）近些年乘用車(chē)的低頻噪音問(wèn)題較多，NVH問(wèn)題成為車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中的主要問(wèn)題；
2）制動(dòng)噪音和振動(dòng)出現(xiàn)在不同的使用環(huán)境和工況當(dāng)中；
3）制動(dòng)噪音和振動(dòng)發(fā)生的概率與使用條件相關(guān)，如制動(dòng)盤(pán)溫度、制動(dòng)液壓力、摩擦片材料物理特性、磨損程度和駕駛者輸入。這也是為什么現(xiàn)代科技仍無(wú)法完全解決制動(dòng)噪音和振動(dòng)問(wèn)題。
4）在設(shè)計(jì)階段需要提前對(duì)制動(dòng)噪音和制動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)避；
5）試驗(yàn)分析技術(shù)和噪音&振動(dòng)仿真技術(shù)是汽車(chē)制動(dòng)設(shè)計(jì)不可或缺的手段。 
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