制動噪音與環境因素的分析及改善措施

李虎本 黃巨成 朱亞偉

制動噪音不僅有單一性的激勵和系統性的激勵，且受環境因素影響較大，如晨起噪音、地域性噪音等。正因為制動噪音復雜性，所以制動噪音不僅成為各主機廠的瓶頸技術難題，也成為是制動器供應商的行業難題。

一、制動噪音的相關因素

1、制動噪音的可控因素

制動噪音的類型與部件相關如圖1所示。

如圖l所示，噪音是通過摩擦激勵，有兩個或兩個以上的部件共振產生。通過調整各部件自身材質、壓縮、結構、剛度或者部件間的配合方式，能有效降低或者預防噪音的產生，把該相關部件作為可控因素。

2、制動噪音的不可控因素

制動噪音的不可控因素主要分為以下四方面。

（1）自身磨耗及老化。

（2）道路的加載與震動。

（3）不良使用。

（4）自然氣候環境。

二、制動噪音的不可控因素分析

1、自身磨耗及老化

隨著里程的增加，剎車片和剎車盤自身的磨耗引起的物理特性改變，以及剎車片消音片粘接膠的老化引起的阻尼特性改變，形成的耦合性噪音。

2、道路的加載與震動

行駛道路路況的干擾和震動引起噪音的方式具有多樣性，如泥濘路涉水引起異物入侵，導致制動盤/片摩擦面劃傷的非正常噪音。

3、不良使用

客戶長期高溫，高壓制動導致剎車片表面形成釉面層，摩擦系數輸出不穩定造成非典型噪音（注：釉面層區分于轉移膜，轉移膜對噪音和制動穩定性有改善作用，同時釉面層也區分于MPU，兩者非常相似，但是有本質區別，釉面層為剎車片有機物碳化形成的硬質點，MPU則是制動盤金屬并集聚鑲嵌于剎車片）。

4、自然氣候環境

自然氣候環境包括：環境的溫度、濕度和大氣鹽分等諸多方面。環境的交互會引起某些部件固有特性的改變從而導致噪音，如高濕狀態下會導致的摩擦系數升高，增加制動片對盤的攻擊性，形成攻擊性噪音。

就以上不可控因素進行分析，無論是自身的磨耗及老化，還是路況和不良使用問題，都很難通過部件自身的改善來抑制噪音問題的產生。但自然環境不同，自然環境雖不可控，但是否可以采用對自然環境不敏感的惰性材料進行優化呢？

三、自然氣候環境與材料的交互

2014年某車反饋全國共59個城市共計172例噪音，其中沿海城市14地市個反饋113例，內陸城市45地市僅僅反饋59例，且15例反饋以上的地市都集中在沿海地區，呈現明顯的地域性。

1、噪音分析

該噪音雖呈現地域性，但沿海分布較廣溫差較大，所以跟溫度相關并不強烈，考慮和沿海地區的濕度和大氣鹽分強相關。

如圖2對該故障分析過程的發現，其故障件開槽中夾雜的成分主要為Fe₂O₃，對其來源做如下分析。

（1）制動盤的磨損。

（2）剎車片本身。

因現階段制動盤材質無可取代，即對剎車片材料進行分析，該摩擦材料中含有還原鐵粉。還原鐵粉是一種活性很強的鐵粉，因其顆粒小與空氣接觸面比較大，極易產生氧化，其加工過程需要惰性氣體保護，常溫條件下極易成氧化Fe₂O₃，而Fe₂O₃在摩擦材料中作為增摩劑應用。還原鐵粉氧化成Fe₂O₃，增加了摩擦系數，從而增加制動片對制動盤的攻擊性，導致噪音產生。

2、故障再現

首先對制動片借用鹽霧實驗標準《ASTM-B117》進行銹蝕實驗，如圖3所示，模擬出故障原因（下面稱作：模擬故障件）。

然后進行SAE J251的噪音驗證，與故障件進行對比確認，如圖4所示。

對比可發現，故障件和模擬故障件其噪音頻率都在2100Hz和7000Hz完全吻合。

3、回歸分析

將剎車片銹蝕層打磨后再進行SAE J2521驗證噪音故障是否消失。以確定銹蝕影響，回歸分析噪音頻率圖，如圖5所示。

將故障件銹蝕層打磨后2100Hz和7000Hz噪音消失，確定銹蝕影響。

4、故障分析總結

結合故障再現和回歸分析，可判定噪音為同一故障：銹蝕導致。

結合我國沿海空氣鹽度分析，確定沿海降水、風力擴散導致的空氣潮濕和沿海城市大氣中含有海鹽成分，是導致摩擦材料剎車片工作面表面銹蝕的環境因素。剎車片中的還原鐵粉是對該環境因素敏感的內在原因。

四、噪音整改措施

針對環境因素導致的摩擦材料工作面銹蝕，優化對環境敏感的材料成分如還原鐵粉，并延展可銹蝕的材料如鋼棉等確定如下方案進行銹蝕實驗。

方案一：鋼棉替代還原鐵粉（測試鋼棉銹蝕程度）。

方案二：礦物類替代黑色金屬。

目前銹蝕實驗考察對象為剎車片背板材料，對摩擦材料本身銹蝕標準缺失，故借用軍《GJDl50.11-2009軍用裝備實驗室實驗方法》對剎車片進行抗銹蝕實驗。該標準為24h的交替實驗，如圖6所示，這種交變方式和試驗時間，能提供比連續噴霧96h更接近真實暴露情況的鹽霧試驗結果，并具有更大的潛在破壞性，因為在從濕潤狀態到干燥狀態的轉變過程中，腐蝕速率更高。

銹蝕結果看出：鋼棉抗銹蝕能力優于還原鐵粉，但還是存在銹蝕風險，故選取方案二進行SAE J2521噪音驗證，驗證結果如圖7所示。

從報告中可以看出：方案二中制動噪音僅有2次，且分貝比較低，抗銹蝕能力好，對于環境交互產生銹蝕而導致的噪音有很好的遏制作用。

五、環境因素交互噪音的改善措施、建議

1、建立相應標準，固化要求

案例陳述標準缺失，前期驗證不全面，導致地域性噪音發生。建立健全相應的標準，驗證并固化標準要求，以保證開發前期的全面驗證，做到有標準可依、有要求可依。

2、建立和優化標準間的關系

優化標準間的關聯性，如果案例所述地域性噪音，在開發前期鹽霧實驗ASTM-B117和侵蝕實驗0204Y1650結合，開發初期即可發現銹蝕的侵蝕厚度，規避地域性噪音風險，再如剪切實驗IS06312-2012和密度、PH值實驗相結合，可有效降低破壞性實驗的樣本數量，降低開發成本。

3、優化材料選取方向

摩擦材料原材料的選取，無論是礦物類材料還是合成類材料，充分考慮其對自然環境的交互關系，活潑性、吸水性以及氧化性好的材料進行規避，以提高部件自身的穩定性，同應考慮國家標準對該部件的法規要求，如剎車片原材料中避免出現石棉共生礦類。

六、結語

對特定環境下的噪音進行分析，要從環境的交互后的現象，分析到現象的本質。借助共性的標準，針對性地分析原因，尋求解決方向。搭載檢測工具驗證措施有效性。環境因素不可控，可控的是部件對環境的敏感性，希望通過本文對有對效預防環境交互導致的制動噪音起到一定的指導作用。