汽车盘式制动系统噪声问题分析

一 概述

汽车制动系统是汽车底盘系统中关键机构，其作用是使汽车以适当的减速度降速行驶直至停车；在下坡行驶时，使汽车保持适当的稳定速度；使汽车可靠地停在原地或者坡道上。

 现阶段伴随人们私家车辆的不断增多，制动噪声引起了人们的广泛关注，同时人们对汽车品质要求日益提高，市场对制动噪声也有了较高的关注度，优秀的噪声表现可以改善客户体验，提高产品竞争力，形成产品核心优势。所以对汽车制动系统噪声研究有很大的必要性。

 目前应用于汽车上的制动器主要有盘式制动器和鼓式制动器，相对于鼓式制动器来说盘式制动器具有水稳定性好、热稳定性好、反应灵敏、散热性能好、较大的制动力矩与尺寸比以及易于保养和修理的优点，因此盘式制动器应用更加广泛，本文主要介绍盘式制动器噪声。

二 盘式制动噪声分类及其概述

制动噪声主要根据频率大小进行划分，制动噪声的分布频率很广，超过人类一般能接收到的赫兹（20Hz-20000Hz），甚至可以从几十赫兹到几十万赫兹。不同的研究人员对于制动噪声的分类不同，频率是被公认的研究制动噪声的主要特征参数，制动噪声按频率大概能分为以下几类，如图1.1所示：

图1.1 噪声分类示意图

第一类为低频噪声，主要指频率在100Hz-1000Hz范围，低频噪声有Groan、Moan、Roughness和Howl等，Groan的频率范围在100Hz-600Hz，该噪声是通过悬架传递给车体引起车体结构的共振所引起的，通常坐在车内的乘客能感觉到。当车辆停止并将制动压力释放到非常低的水平时，变速器的怠速扭矩将开始以非常低的速度向前移动车辆时容易产生；Moan的频率范围在150Hz-500Hz，该噪声容易出现在扭力梁结构的制动器中，通常与制动部件、轴以及悬挂系统的刚度有关；Roughness的频率在几十赫兹到一百赫兹左右，通常可以在驾驶人员踩刹车的时候从制动盘和方向盘感受到，主要是由于制动盘厚薄差（DTV）的变化导致制动力矩（BTV）的波动引起的。总的来说低频噪声的影响因素有以下几点，如图1.2所示：

图1.2 低频制动噪声影响因素

第二类为低频尖叫，主要指频率在1kHz-4kHz范围，该噪声主要是制动盘的耦合共振产生的，此外还与制动钳体、支架、转向节和悬架有关联性影响。低频尖叫影响因素如图1.3。

图1.3 低频尖叫影响因素

第三类为高频尖叫，其频率范围在4kHz-15kHz，主要是由摩擦片的弹性振动引起的，其发生的倾向性与制动盘刚度有关，此外摩擦片的形状和摩擦片与制动盘接触面的压力分布也会对高频尖叫产生影响。高频尖叫的主要影响因素如图1.4。

图1.4 高频尖叫影响因素

三 盘式制动器噪声有限元分析

对于制动系统的振动，主要体现在耦合系统负特征值和自激振动等非稳定振动方面。制动盘与摩擦片摩擦副之间的摩擦系数不是一个恒定的值，与速度有关，是一个随速度增加而减少的一个变量。当速度发生变化时，摩擦力会出现相应变化，这种变化会对制动系统产生自激振动，当自激载荷形成的激励频率与制动系统部件固有频率接近时，便会引起系统的共振，容易出现负阻尼的非稳态共振，将会产生噪声。

目前关于制动噪声有限元分析的方法主要有以下两种：基于频域分析的复模态法和基于时域的瞬态动力学分析。复模态法是指采用限元软件对制动器进行提取复特征值和模态，根据复特征值求解阻尼比进而判定系统的稳定性。瞬态动力学分析通过对整个制动过程进行模拟，包括制动过程中制动压力、温度和摩擦系数随时间变化而变化，获得各项参数的时域特性从而判定系统的稳定性。基于时域的瞬态动力学分析方法比较全面地考虑了制动过程中液压、温度和摩擦系数随时间变化的影响，但模型比较复杂，占用计算资源较多；复模态分析方法相比基于时域的瞬态动力学分析方法占用计算资源较少，比较方便准确。本文采用基于频域分析的复模态法分析制动噪声，如图1.5所示为采用非线性工具Abaqus进行复模态分析示意图。

图1.5 复模态分析示意图

复模态阻尼比的表达式为：

其中,Re_取一个数的实部，Im_取一个数的虚部,λ是复合特征值。图中显示阻尼比中的负值代表的是不稳定的模态，同时可以看到，当频率值为1990Hz时，阻尼比为-0.024，即对应的复合特征求解得到一个相应的不稳定模态，意味着该系统不稳定，可能会存在低频尖叫噪声。

图1.6 不稳定模态云图

如图1.6所示为不稳定模态云图，为发生低频尖叫时制动系统的工作振型，低频尖叫噪声主要是由于制动盘的模态耦合产生的，可以通过优化制动盘、卡钳、摩擦片和转向节等部件的结构和弹性模量来改善低频尖叫。

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