制動噪聲信號分析及抑制方法

王 能

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

制動器是保證車輛安全運行的重要結構部件，由于車輛運行環境不同，行駛過程中會產生各種形態的噪聲，而即使制動器性能符合制動要求，也會被認為是噪聲信號產生的源頭。為了探究噪聲的產生機理，同時對產品的結構性能進行優化，采用模擬試驗的方式進行噪聲研究。

由于整車液壓制動系統中存在系統背壓，且部分制動器結構中無復位裝置，車輛在行駛過程中，摩擦片與制動盤始終處于夾緊狀態，導致溫度上升，磨屑不易排出，進而產生尖銳的刺耳噪聲。因此通過實驗室縮比試驗，對制動器進行在各工況下的噪聲檢測，并提出抑制噪聲的方案。

1 模擬試驗噪聲分析

制動器為鉗盤式結構，摩擦副采用銅基粉末冶金摩擦片和鍛鋼制動盤，當系統通入油壓時，活塞推動摩擦片夾緊制動盤，將夾緊力轉化為制動力實施制動過程。噪聲模擬試驗為保證摩擦制動縮比試驗臺的試驗結果與實際工況相一致，進行如下設定：

(1) 制動比壓相等條件；

(2) 摩擦片試樣從礦卡摩擦片上選取1/4小塊進行線切割；

(3) 制動盤試樣厚度、表面狀況與制動盤表面狀況一致；根據以上條件換算得到制動壓力值和試驗主軸轉數等輸入參數。

在試驗主軸轉數n為170 r/min(對應礦車運行速度30 km/h)的情況下，制動壓力(對應系統背壓0～0.5 MPa)由312 N逐漸增大至807 N時，摩擦噪聲等效聲壓級強度隨之先增后減，如圖1所示，當制動壓力達到561 N時，噪聲強度增至最大值83.6 dB；而當制動壓力繼續增大到807 N時，噪聲強度反而減小至72 dB。

圖1 摩擦噪聲等效聲壓級對比圖

對各制動壓力下的摩擦噪聲進行功率譜分析：摩擦尖叫噪聲產生的噪聲主頻約為5 100 Hz。且當制動壓力由312 N逐漸增大至561 N時，對應摩擦尖叫噪聲的能量峰值達到最大，但制動壓力由561 N再繼續增大時對應的能量峰值反而隨之逐漸減小。圖2所示為制動壓力561 N下的噪聲功率譜分析。

圖2 制動壓力561N下的噪聲功率譜分析

噪聲主頻為5 100 Hz下的摩擦噪聲時頻分析如圖3所示：當制動壓力逐漸增大至561 N時，對應摩擦尖叫噪聲的主頻成分持續時間隨之更長，且連續性增強；而當制動壓力自561 N繼續增大時，對應主頻成分持續時間隨之逐漸減短，且連續性減弱。

圖3 制動壓力561N下的噪聲時頻分析

結合摩擦噪聲等效聲壓級、功率譜和時頻分析，得出如下結論：在系統備壓0～0.5 MPa范圍內，轉速為170 r/min，制動壓力為561 N時，模擬試驗產生了強度最大、穩定性最好和持續時間最長的尖叫噪聲。以該工況為判定基礎，對優化后的摩擦副進行噪聲采集，篩選出最優的降噪方案：

(1) 在摩擦片背板和活塞之間增加阻尼墊片；

(2) 對摩擦材料層進行倒角處理。

2 降噪方案研究

2.1 倒角處理

對摩擦片的粉末冶金材料層分別進行15°、30°、45°垂直倒角處理，如圖4所示，進行噪聲采集分析。試驗工況設置轉速為170 r/min，制動壓力為561 N，其余試驗條件同原始噪聲試驗。

圖4 15°、30°、45°垂直倒角

原始噪聲與3種角度倒角處理后的聲壓級、摩擦噪聲主頻頻率對比如表1所示：

(1)15°垂直倒角處理對降低摩擦噪聲主頻頻率效果最佳；

(2)15°垂直倒角處理后產生的摩擦噪聲信號強度最低，降噪效果最明顯。

表1 摩擦噪聲主頻率及等效聲壓級對比

摩擦尖叫噪聲持續時間也表現出明顯的差異性：原始狀態>45°垂直倒角>30°垂直倒角> 15°垂直倒角。其中，15°垂直倒角處理后摩擦尖叫噪聲持續時間最短。

結論：15°垂直倒角處理噪聲持續時間最短，連續性和能量強度最弱，對抑制和改善摩擦尖叫噪聲表現的綜合效果最明顯。

2.2 阻尼墊片

在摩擦片背板上增加不同材料的阻尼墊片，如圖5所示，對摩擦副進行噪聲采集。阻尼墊片分別選取金屬阻尼材料、聚四氟乙烯材料和丁基橡膠材料。試驗工況設置轉速為170 r/min，制動壓力為561 N，其余試驗條件同原始噪聲試驗。

圖5 阻尼墊片

原始狀態與增加不同材料阻尼墊片后的摩擦噪聲主頻頻率及聲壓級對比如表2所示：

(1) 加金屬阻尼材料和聚四氟乙烯材料后摩擦噪聲強度明顯降低，而加丁基橡膠材料后摩擦噪聲強度反而有所增大；

(2) 加金屬阻尼墊片對降低摩擦噪聲主頻頻率效果最佳，加聚四氟乙烯墊片后主頻頻率反而增大。

表2 摩擦噪聲主頻率及等效聲壓級對比

摩擦尖叫噪聲持續時間也表現出明顯的差異性：原始狀態>丁基橡膠>聚四氟乙烯>金屬阻尼。其中，加金屬阻尼材料后摩擦尖叫噪聲持續時間最短，加金屬阻尼墊片后，噪聲尖叫持續時間最短，且連續性和能量強度最弱，對抑制和改善摩擦尖叫噪聲表現的綜合效果最明顯。

3 結束語

以上對車輛運行中產生的制動噪音進行了模擬試驗分析，并驗證了相應的降噪措施。對解決盤式制動器噪聲尖叫的問題提供了一定的參考。