汽車制動噪聲的優化

關熊飛 劉偉紅

（海馬轎車有限公司）

隨著人們對乘坐舒適性的要求不斷提高，汽車制動時產生的噪聲、尖叫及剎車抖動備受關注。制動噪聲是汽車NVH特性中一項非常重要的考核指標，因此降低汽車制動噪聲，改善乘坐舒適性以及凈化都市環境是汽車工程技術人員面臨的一項重要任務。噪聲是由物體振動和往復運動引起的，以聲波的方式將振動所產生的能量釋放出去。因此可以根據制動噪聲產生的原因和發生頻率的分布對癥下藥，通過減少振動和衰減共振的方法來消除和降低噪聲的發生。

1 汽車制動噪聲的產生及分類

汽車在行駛過程中減速或停車，踩下制動踏板，真空助力器推動制動主缸工作，建立油壓，通過管路系統將壓力傳遞給制動器，制動分泵推動摩擦片夾緊轉動中的制動盤或制動鼓，從而實現減速。

汽車制動噪聲產生的機理主要由于制動器工作發生振動產生（摩擦片與制動盤，制動蹄與制動鼓之間摩擦振動），并通過卡鉗總成、制動底板、扭力梁、穩定桿及懸架等部件將振動所產生的能量釋放出去，這個過程就會產生制動噪聲。圖1示出制動噪聲發生的部位示意圖。

汽車制動引起的噪聲是一個系統性的過程，噪聲聲壓級的大小不僅與摩擦振動密切相關，還受自身結構（制動系統、懸架系統、轉向節等）及各種工況的影響，如鉗體、摩擦襯片、制動間隙、制動盤、制動油壓、制動速度、懸架系統及環境溫/濕度條件等。這些因素的一個或多個發生變化，都會影響到制動噪聲的產生和噪聲聲壓級的大小。

制動噪聲以頻率范圍劃分可分為低頻振動噪聲（＜1 000 Hz)和中高頻振動噪聲（1 000～20 000 Hz）。低頻振動噪聲聽起來比較沉悶、渾厚；高頻振動噪聲聽起來比較尖銳、清脆，有金屬感，讓人難以忍受的尖叫聲，最高可達120 dB[1]。

圖2示出某轎車車型所使用摩擦片噪聲（＞70 dB）在不同頻率段的分布圖，表1示出該車型摩擦片在不同頻率段噪聲產生的幾率。

表1 臺架試驗得某轎車摩擦片噪聲＞70，80 dB噪聲出現的次數和發生的概率

通過大量摩擦片噪聲試驗[2]（SEA J2521）數據表明，出現70 dB以上噪聲在每一個頻率段都有發生，有的頻率段發生次數少，有的頻率段發生次數多，而且制動噪聲會集中出現在某一頻率段。

根據頻率范圍可以將低頻振動噪聲和中高振動頻噪聲分類[3]，如圖3所示。

2 影響制動噪聲的因素

經過分析，不能單把噪聲的產生歸因于摩擦襯片和制動盤，引起不同頻率段制動噪聲的因素與制動器相關連接零部件有關，如表2所示。

表2 影響不同類型的噪聲因素

2.1 制動顫抖聲

振蕩頻率在100 Hz以內的噪聲，一般由輪速變化、輪胎壓力變化、部件不平衡轉動、制動扭矩變化、汽車懸架及轉向系統引發共振造成。駕駛員可通過方向盤、制動踏板、儀表面板及座椅等感覺到。制動顫抖一般有不同制動溫度下抖動、新車抖動、制動部件進水及高速顫抖等幾種情況。抖動的感覺與共振的頻率大小，跟懸架和轉向系統固有頻率及振動阻尼特性都有關系。

2.2 制動噪聲

制動噪聲的頻率通常在500 Hz以內，通常由制動部件、傳動軸及懸架系統的剛性在一定條件下引發的共振產生。

噪聲發生的特點：車速較低、很小制動力或沒有制動壓力、制動或低速轉向時及冷車起步、倒車或者慢速停車。

造成該噪聲發生的潛在因素：1）制動盤變形；2）剎車片偏磨；3）卡鉗、制動盤與摩擦襯片之間壓力不均；4）制動拖滯；5）制動盤表面起槽，形成波紋；6）鉗體剛度等。

2.3 低高頻尖叫

頻率范圍比較廣，在1 000～20 000 Hz之間，聲源主要由摩擦片和制動盤摩擦共振發出。大多數人認為該噪聲的產生主要由制動器結構因素（卡鉗剛度、材質、幾何結構、固有頻率等）引起的自激振動，而在制動器分析報告中忽略了摩擦襯片和阻尼減振片對噪聲的影響[4]，影響尖叫的主要因素，如表3所示。

表3 影響制動尖叫的因素

3 制動噪聲的控制及措施

改善、降低或消除噪聲發生最直接有效的辦法就是通過減少振動，文章以某款轎車車型量產前噪聲問題改善為例。

3.1 案例1

3.1.1 問題描述

在低速慢踩制動、起步或倒車過程中，后盤式制動器有“嗡嗡的呻吟聲”（85～105 dB），嚴重時車身抖動，以及車速在5～20 km/h出現，高速時消失；受環境影響，冬季氣溫較低、濕度大時，制動噪聲比較明顯，夏季噪聲消失。另外不同的人剎車噪聲大小也不一樣。屬低頻噪聲。

3.1.2 解決方案

對多臺模擬用戶車采集如圖4所示位置的后卡鉗本體、卡鉗支架及后扭力梁上振動數據，同時，通過表4可以看出該車型發生噪聲的共振頻率在310～350 Hz。

圖5示出某一臺車不同測量點采集到的頻譜數據圖，由圖5可以看出，低速慢踩制動、起步或倒車過程中引發共振的頻率為327.10 Hz。

表4 檢測多臺樣車共振頻率表 Hz

通過在固定鉗體的銷軸螺釘上增加諧振塊的方法，改變制動器固有頻率，從而消除共振經過檢測制動器噪聲可降低到70 dB以下，而且“嗡嗡的呻吟聲”消失。圖6示出制動卡鉗優化前后示意圖。

目前已有多家汽車制造商通過此方法來消除“低速緩慢制動，或者倒車”引起的低頻振動噪聲，從而改善其整車舒適度。

3.2 案例2

3.2.1 問題描述

某特定工況下，車速達到某個數值時，制動時前制動器產生“刺耳的金屬尖叫聲”，屬于高頻噪聲。

3.2.2 解決方案

通過對該車型摩擦片噪聲測試（AK噪聲試驗臺）和整車測試，優化摩擦片倒角和阻尼減振片減振層材料[5]的匹配進行多輪調試。調試數據，如表5所示。

表5 摩擦片及阻尼消音片的噪聲臺架試驗調試數據

經過調試數據和實車驗證，編號9的測試數據最為理想，摩擦片倒角設計為10 mm×25°，阻尼減振片減振層材料采用RPN714001時可以有效降低該車型高頻制動尖叫發生的概率。

3.3 案例3

3.3.1 問題描述

制動器自身結構引起摩擦片相對滑動，緊急制動時制動器異響。

3.3.2 解決方案

經過模態測試和整車路試，由于鉗體支架剛性不足及鉗體與摩擦襯片裝配間隙設計不合理，引起摩擦片在緊急制動時相對鉗體滑動產生的制動異響（咔噠聲）。通過在摩擦片安裝槽內增加導向彈簧片和卡鉗支架加筋的措施可以有效降低噪聲，如圖7所示。

4 結論

綜上所述，制動噪聲由摩擦襯片表面與制動盤表面相對摩擦振動以及制動器總成共振所產生，因此有效控制噪聲，消除或降低汽車制動噪聲的措施，可以通過制動噪聲的頻率分布，對噪聲進行分類，然后先通過增加諧振塊改變制動器的固有頻率、合理匹配摩擦襯片的特性（材料、配方，倒角設計）、匹配阻尼減振片材料的方法消除共振，再通過制動器模態分析優化制動器剛性（卡鉗、卡鉗支架、制動盤）、懸架剛性及轉向節剛性等方面去考慮。

由于制動噪聲還與周圍環境的溫/濕度、車速、個人的駕駛習慣有關系，因此隨著天氣、人為因素及轎車使用里程的變化，其制動噪聲的表現也會發生變化。目前市場上有很多車型包括國外高端車型都存在制動噪聲問題，制動噪聲還跟個人主觀感覺有關系，即便是專業NVH測試專家也要通過主觀評價來對噪聲接受度進行評估。