制動尖叫研究綜述

龍 文

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

從聲學(xué)的學(xué)理上說，對人能感知的聲音是借助媒介傳播的一種波，波由振動產(chǎn)生。用擬人的“尖叫”表達汽車在制動時發(fā)出的特別刺耳的聲音，嚴(yán)格意義上說汽車是不會“尖叫”的，從環(huán)境學(xué)上統(tǒng)稱為噪聲。車輛噪聲不僅給乘車人員帶來不愉快的感受，也影響道路周邊居住人員的生活[1]。隨著機動車數(shù)量的增加，車輛噪聲問題越來越受到關(guān)注。在制動過程中產(chǎn)生的振動和噪聲是乘坐人員最直接的感受，抑制噪聲已成為重要研究方向[2]。在制動噪聲研究中，制動尖叫出現(xiàn)頻率最高，同時也最難消除，因此是該領(lǐng)域的研究重點和難點。

目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多理論試圖解釋制動噪聲，但是還沒有一套統(tǒng)一的理論來對其進行分析和研究。本研究探討制動尖叫的產(chǎn)生機理及特點，綜述了制動尖叫的研究方法及影響因素，并提出了抑制措施及對未來研究的展望。

1 制動噪聲分類及產(chǎn)生機理

制動噪聲是由制動塊和制動盤（或制動蹄片和制動鼓）接觸，二者之間產(chǎn)生摩擦并形成振動而造成的。不同的學(xué)者對制動噪聲有著不同的分類依據(jù)，但頻率是各種研究制動噪聲方法中所公認(rèn)的基本參數(shù)[3]。

按頻率的大小制動噪聲大致分為3 類：低頻范圍，主要表現(xiàn)為振動和噪聲，具體現(xiàn)象為低頻抖動（一般不超過100 Hz）；中頻范圍，表現(xiàn)為顫振（1000 Hz以下）；高頻范圍，表現(xiàn)為制動尖叫，具體又可分為低頻嘯叫（1 ～3 kHz 之間）和高頻嘯叫（3 ～16 kHz），英文中的專業(yè)術(shù)語包括Judder、Grind、Hum、Grunt、Moan、Groan Roughness 可歸為低頻振動噪聲，Squeal、Squeak 歸為中高頻振動噪聲。研究較多的是中高頻噪聲Squeal、Squeak，其頻率范圍為1 ～16 kHz 或到人耳聽力的上限頻率，有些高達120 db。這些術(shù)語是乘員的主觀評價，具有一定的主觀性。從已有的研究報道來看，國內(nèi)外對這三種類型的噪聲都有所研究，但側(cè)重點不同，由于制動尖叫機理復(fù)雜且對人們造成的困擾最大，故研究的熱點在制動尖叫上。

在以往對制動尖叫的研究中，學(xué)者提出了一些解決特定問題的模型和工程實用方法[4]，但由于問題的復(fù)雜性，仍沒有一套統(tǒng)一的理論來概述。在工程上所采用的抑制制動尖叫的措施也基本上都是經(jīng)驗性的，不具備通用性。

目前關(guān)于制動尖叫的發(fā)生機理可聚焦到3 種主要理論[5]：粘滑振動理論、自鎖-滑動理論和模態(tài)耦合不穩(wěn)定理論。其中模態(tài)耦合不穩(wěn)定理論占據(jù)主要位置，粘滑振動和自鎖-滑動理論從某種角度都可以理解為制動尖叫中的激勵效應(yīng)。由于制動尖叫具有不確定性，所以近年來關(guān)于制動尖叫的不確定性理論正在不斷完善，主要用于分析復(fù)雜不確定性因素的影響機制。

2 制動尖叫理論分析

對制動尖叫的理論探究，主要方法有有限元分析方法、多體動力學(xué)仿真法和復(fù)特征值分析法。

2.1 有限元分析方法

在已有的文獻中有一部分用有限元法分析制動尖叫，這些文獻中對該方法的運用大致相同[6-9]，均是用有限元單元將制動器結(jié)構(gòu)彈性區(qū)域或噪聲輻射的空氣區(qū)域離散化，根據(jù)力學(xué)方程或聲學(xué)波動方程，得到聯(lián)立代數(shù)方程式。通過對代數(shù)方程式的求解，得到結(jié)構(gòu)彈性體或聲傳播空氣域中的振動或聲特性。目前也有很多軟件由可以做有限元仿真分析，如ABAQUS、Hypermesh、CATIA 等。

2.2 多體動力學(xué)仿真法

除了有限元法，用得較多的還有使用柔性體和碰撞模型的多體仿真法[10，11]。劉又午[12]在多體動力學(xué)的應(yīng)用方面進行了較多的研究工作。現(xiàn)多使用ADAMS軟件進行多體動力學(xué)仿真分析。

2.3 復(fù)特征值分析法

對于制動尖叫的研究，復(fù)特征值分析法占據(jù)了主要地位，得到了廣泛的認(rèn)可[13]。復(fù)特征值分析法以模態(tài)耦合理論為基礎(chǔ)，由有限元軟件進行建模并且提取出模型的復(fù)特征值和模態(tài)，通過分析特征值實部的符號和大小來判斷系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和尖叫的傾向性[14]。能表現(xiàn)出系統(tǒng)特性的模型對于解決問題來說十分關(guān)鍵，文獻[15]的研究提出了一個3 自由度極坐標(biāo)模型。在數(shù)十年的研究里，出現(xiàn)了兩種不同的研究方向，一種認(rèn)為模型越復(fù)雜，自由度越多則越能更好進行制動噪聲的分析。因此，有MILLNER N[16]建立了一個8 自由度模型；BROOKS P C[17]建立了一個12 自由度的模型；Chowdhary[18]等建立了一個14 自由度模型。另一種則認(rèn)為具有較少自由度的模型能準(zhǔn)確反映出制動尖叫的機理。SHIN.K[19]得到了一個具有最少自由度的制動尖叫模型，即二自由度模型。

從摩擦副的角度來解釋制動尖叫聲主要有兩種被大家所接受的理論：自激摩擦振動理論以及“熱點”理論。徐俊波等[20]考慮了制動盤制動時的溫度對摩擦系數(shù)的影響；文獻[21]從自激摩擦振動理論出發(fā)，提出面內(nèi)制動盤的載荷是產(chǎn)生面外振動的一個重要原因。

復(fù)特征值法也存在一些缺點，首先其不能清楚地表現(xiàn)出制動尖叫的產(chǎn)生機理，其次摩擦材料和載荷在制動過程中為非線性變化而復(fù)特征值法對模型是線性化的假設(shè)時常會導(dǎo)致“過預(yù)測”和“欠預(yù)測”的結(jié)果，限制了其預(yù)測精度與可靠性。然而復(fù)特征值法對于解決制動尖叫來說具有優(yōu)越性，因此有學(xué)者開始考慮非線性因素。文獻[22]將非線性動力學(xué)分析用于解決盤式制動器的制動尖叫問題，解決了系統(tǒng)的動態(tài)不穩(wěn)定性。文獻[23]考慮了多種參數(shù)，如液壓系統(tǒng)參數(shù)、制動盤旋轉(zhuǎn)速度等對制動尖叫的影響，并利用復(fù)雜特征值對系統(tǒng)進行分析。

3 制動尖叫試驗研究方法

從試驗出發(fā)來進行研究可以幫助研究人員掌握制動尖叫的產(chǎn)生機理，對于制動尖叫試驗來說，可以分為整車道路試驗和總成臺架試驗。這兩大類試驗研究的難點在于如何保證試驗結(jié)果的一致性和可重復(fù)性，這是由制動尖叫本身具有“難以再現(xiàn)”的特點所決定的。

整車道路試驗旨在再現(xiàn)制動尖叫，開展主觀評價和客觀測量，將制動噪聲從諸多噪聲中區(qū)分出來。但是目前尚缺少噪聲測量方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對于臺架試驗來說[24]，目前臺架試驗主要應(yīng)用歐洲AK 噪聲臺架試驗程序和美國SAEJ2521 程序。

制動尖叫難以再現(xiàn)的特點，使得對其的研究有很大的挑戰(zhàn)性，國內(nèi)的張立軍及其團隊[25]針對這一特點，基于制動聲振試驗臺開展了制動器的多工況制動尖叫試驗，得到的結(jié)果能夠全面反映尖叫的時間、頻率和幅值特征。

4 制動尖叫影響因素分析

找到影響制動尖叫的因素對于研究尖叫的產(chǎn)生機理且控制制動尖叫的產(chǎn)生非常有意義。造成制動尖叫的因素比較復(fù)雜，在已有的文獻中可以歸出三類影響因素：摩擦副特性、制動器結(jié)構(gòu)、制動工況。

摩擦副中摩擦系數(shù)隨著相對滑動速度的變化而變化，這種變化會導(dǎo)致系統(tǒng)的粘-滑（Stick-Slip）自激振動。許多學(xué)者認(rèn)為這是產(chǎn)生制動尖叫的根本原因。文獻[26]針對鼓式制動器對其摩擦塊的接觸進行仿真分析，也是從摩擦副的角度研究了制動尖叫。

SPURR R T[27]用Sprag-Slip 現(xiàn)象來解釋制動尖叫的機理，如圖1 所示，下面部分為摩擦平面沿圖示方向運動，中間的為彈性桿，二者之間的相對速度為V，二者之間的夾角為θ，彈性桿在摩擦平面的接觸端受到的載荷為P。若不考慮摩擦系數(shù)隨速度的變化而變化，如果θ滿足一定的條件，彈性桿將會產(chǎn)生來回的振動。這一模型比較簡單，但是它也表明零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對制動尖叫有影響。

圖1 Sprag-Slip 現(xiàn)象

MILLNER N[15]提出了cantilever-disc 模型，如圖2 所示，該模型包含了圓盤、懸臂梁及支架3 個零件，該模型的工作原理與盤式制動器很類似，但是其理論計算的穩(wěn)態(tài)邊界和試驗得到的邊界差別較大。

圖2 Cantilever-disc 模型

除了不可避免的結(jié)構(gòu)因素，環(huán)境溫度過低同樣會產(chǎn)生制動尖叫，在寒冷的冬天有些制動器在前幾次制動時就會產(chǎn)生制動尖叫，之后這種情況就會隨著制動盤溫度的升高而消失。綜合前人的研究[28，29]，溫度能改變制動器結(jié)構(gòu)的剛度，尤其是制動盤（制動鼓）的剛度，這種變化可能會使系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而產(chǎn)生制動尖叫。

5 制動尖叫的抑制措施

研究制動尖叫，最終要落到抑制制動尖叫上，這些措施可分為結(jié)構(gòu)修改，新摩擦材料的使用，新技術(shù)的使用等方面。文獻[30]運用LMS 算法，實現(xiàn)了主動降噪，控制效果較為明顯。除了一些非技術(shù)性的措施，如，嚴(yán)格按照汽車使用手冊的技術(shù)規(guī)范進行檢查維修、選裝正規(guī)廠家的摩擦襯塊及制動盤等，還對子部件進行材料、形狀、結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化，可以從根源上抑制噪聲的產(chǎn)生。一些學(xué)者從摩擦材料入手，抑制制動尖叫。劉志恩等[31]分析了摩擦材料、制動盤材料對復(fù)模態(tài)的影響，并針對此模型提出了抑制制動尖叫的措施，即從摩擦系數(shù)和材料彈性模量的角度。

6 結(jié)語

有關(guān)制動尖叫的研究，已有的文獻從不同的角度揭示了其產(chǎn)生的機理，但仍沒有公認(rèn)的理論，究其原因：（1）制動尖叫具有難以再現(xiàn)的特點；（2）前人的研究模型太過簡化，對非線性的考慮有所欠缺。針對這些存在的不足筆者提出幾點未來可研究的思路：可從系統(tǒng)的穩(wěn)健性的角度出發(fā)，降低制動尖叫對有關(guān)的設(shè)計因素的敏感度；模型的建立及分析應(yīng)充分考慮對制動尖叫影響因素的大小；研究應(yīng)用多種方法綜合起來深入研究其機理，充分考慮非線性的因素。