轎車制動器制動撞擊噪音影響因素簡析
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摘 要：汽車制動器的撞擊噪音是汽車行業內長期存在的熱點和難點問題，各主機廠和制動器供應商對于此種噪音通常通過在實車上嘗試不同的解決方案，而類似嘗試不能系統和充分的分析和解決這一問題;在嘗試中主要方案為調整制動器的結構設計，特別是各個相關零件之間的間隙配合，而這只是導致和解決噪音的部分因素。文章對撞擊噪音發生的機理和工況做了介紹，該噪音主要發生在低溫高濕且冷車時由前進切換成倒車時制動而產生的撞擊聲;一方面對產生噪音的多種可能影響因素進行了理論分析和闡述，通過整車試驗和臺架試驗相結合的方式對主要影響因素進行了驗證;另一方面探究噪音出現的外部條件即低溫高濕所產生的影響，進一步研究了摩擦材料在不同環境條件下的差異性，從而突破性的發現和證實了結構設計影響之外的摩擦材料的影響。
關鍵詞：制動器;撞擊噪音;摩擦片
中圖分類號：U463.51 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2019）08-86-04
前言
汽車制動器的撞擊噪音是汽車行業內長期存在的熱點和
難點問題，它不僅會對汽車舒適性造成影響，而且會損害產品的市場聲譽，有時甚至導致巨額損失。行業內常見的解決制動撞擊噪音的方法是利用不同的方式減小相關零部件間的間隙，或者通過具有減震效果的隔離材料緩沖撞擊來減小或抑制噪音的發生。本文基于某品牌車型在開發中遇到的制動撞擊噪音，通過系統性的從理論角度分析所有影響因素，再結合整車和臺架試驗，以全面驗證確認不同因素的影響。在分析和不斷深入的驗證中，除了確定不同因素的影響大小外，還逐漸發現，摩擦片摩擦系數的影響也起至關重要的作用，而關鍵點在于其影響是隨著環境條件的變化而產生和變化的。
1 制動撞擊噪音簡介
1.1 發生機理和工況
以制動器安裝于軸前為例，汽車前進方向行進時制動（圖1），摩擦片向下運動，A處間隙為0mm，B處間隙最大。當車輛轉換成倒車制動時，摩擦片會隨著制動盤向上運動，B處間隙變為0;在此過程中，摩擦片背板撞擊轉向節（根據制動器結構不同，可能是制動器固定支架，下面統一簡稱轉向節），產生撞擊噪聲。由于制動器安裝于軸前，在倒車切換為前進方向時，受重力作用，制動器會有微小的自由向下運動，使得A處間隙在制動前就減小，從而前進制動時的該種噪音發生概率很小。
在實際使用中，制動撞擊噪聲多發生在冷車時，特別是在早晨 – 溫度低而且濕度大的時候。在經過幾次制動后，噪聲就會減少，減輕甚至消失。這在整車試驗時也得到了驗證。
1.2 制動撞擊噪音的影響因素
撞擊聲音來源于摩擦片背板和轉向節的接觸間隙處，由于轉向節為固定件，聲音是在摩擦片背板運動而撞擊在轉向節時產生的。以活塞側摩擦片為例進行力學分析，可以建立如下速度模型。外側摩擦片的受力和速度模型相近，不同的制動器設計，其相應模型可能略有不同。
式中：v為摩擦片的運動速度;m為摩擦片質量;?B為摩擦片與制動盤間摩擦系數;?S為摩擦片減震片與活塞間摩擦系數;pA為制動系統壓力;Δx為摩擦片背板與轉向節間隙;?M為摩擦片背板與轉向節間摩擦系數;FF為支撐摩擦片的彈簧力。
2 制動撞擊噪音試驗與分析
2.1 制動撞擊噪音試驗與分析
針對某一出現制動撞擊噪音的車型（圖3）進行整車和臺架試驗，來研究和驗證不同影響因素對解決撞擊噪音的優化效果。
通過臺架試驗可以發現，在出現明顯噪音的時候，摩擦片的速度高，而沒有噪音的時候，摩擦片速度低。圖4-a的圖線記錄了發生撞擊噪音的制動過程，圖4-b的圖線記錄了沒有發生撞擊噪音的制動過程?？梢钥闯?，圖4-a發生噪音的瞬間時長大約為圖4-b的十分之一，即摩擦片的撞擊速度大約為后者的10倍。因此判定可以將摩擦片速度作為判定撞擊噪音發生的物理參數。
將各個方案分別應用到相關車型中，對整車進行2，000公里的普通用戶駕駛習慣的里程積累，每天早上在較低溫度和較高濕度的條件下進行撞擊噪音的尋找和主觀評價。將評價結果與前述公式中提及的影響因素進行對比和分析。
從公式（1）可以看出，在出現撞擊噪音的時候，由于摩擦片質量m由制動器功能設計決定，雖然增加重量對降低速度有幫助，因局部增重帶來的整體增重并不受零部件和主機廠的歡迎，不作為考優先級考慮;而制動系統壓力pA在制動器工作中是變量而且其工作范圍是對系統的固有要求，顯然，壓力大即重踩踏板的時候摩擦片速度更高，從而更容易產生噪音，這與臺架試驗和整車表現一致。
Δx作為摩擦片和轉向節間的間隙，是導致噪音發生的根源所在，理論上間隙為0則不會有噪音的發生。在試驗對比中可以發現，間隙越小對于減少和減輕撞擊噪音有較為明顯的效果。但是由于受生產裝配限制和制動過程中制動器滑移功能的要求，此處的間隙不可能為0。因此，只能在間隙盡可能小的前提下，考慮其它因素的作用。
?B是在公式中繼Δx之后對v即摩擦片的運動速度影響最大的被減數。?B是摩擦片與制動盤這一對制動摩擦副的摩擦系數，也是制動器的最關鍵參數之一。從公式可以判斷，摩擦系數越低對于減小制動撞擊噪聲越有幫助，事實上，摩擦系數降低對于各種其它制動噪音都有積極的影響，但受任一特定汽車對制動系統的要求和限制，特別是在整車和制動系統的布局已經確定以后，允許的摩擦系數的降低非常有限。然而，在對整車進行試驗的對比時，可以發現，不同的摩擦材料配方即使在名義摩擦系數相近的情況下，撞擊噪音的表現也有很大的差異。甚至出現了一種情況：名義摩擦系數大的某低金屬摩擦材料的噪音表現反而比另一名義摩擦系數小的某一陶瓷（NAO）摩擦材料更好。由于摩擦材料的性能表現受各種條件的影響很大，名義摩擦系數作為各種不同工況下多次采集和計算的平均摩擦系數，并不能簡單的用來評價其與單次噪音表現的相關性。在整車中對低金屬和陶瓷的摩擦片分別進行了幾種不同配方的對比驗證，發現在名義摩擦系數相近的情況下，低金屬摩擦材料的噪音表現總是比陶瓷（NAO）摩擦材料更好。 考慮制動撞擊噪聲多發生在特定的環境條件-低溫度和高濕度，需要對兩類摩擦材料在這種特定的條件下進行摩擦系數的對比研究。
?S是摩擦片減震片與活塞間的摩擦系數，此處的摩擦相對于制動盤和摩擦片間的摩擦力方向相反，因此越大對于優化撞擊噪音越好。這里的摩擦系數越大，要求減振片和活塞接觸面的粗糙度或黏著力越高。整車試驗分別對減振片和活塞表面進行過表面處理的方案做了驗證對比，在試驗前期，噪音改善較為明顯，而隨著里程的增加，改善減小直至逐漸消失。后對試驗件拆解，發現特別處理的表面經歷一定的工作后產生磨損。如果能夠解決這里的磨損問題，這一點可以解決或改善制動撞擊噪音。
?M是摩擦片背板與轉向節間摩擦系數。由于兩者均為金屬，而金屬間的相互摩擦系數很低，可以調整的可能空間也很小。
FF是支撐摩擦片的彈簧力。理論上增大FF可以改善制動撞擊噪音，但在實際試車試驗中，用可以實現的增大該力的樣品，并沒有明顯的改善相關噪音。這可以解釋為由于此力對于制動器的功能要求和受限于裝配制造性，可以調整的空間有限，因而并不適用于實際產品。
2.2 摩擦材料的對比分析
考慮制動撞擊噪聲多發生在特定的環境條件-低溫度和高濕度，對兩類摩擦材料在這種特定的條件下進行摩擦系數的對比。對比發現，在相對低溫的相同條件下，低金屬摩擦材料在不同濕度條件下，摩擦系數基本穩定;而陶瓷摩擦材料在高濕度下的摩擦系數比名義摩擦系數增大很多。
從幾個不同供應商的不同陶瓷材料的臺架對比試驗，可以得到相近的變化趨勢。由此證明在特定的環境-低溫度和高濕度，陶瓷摩擦材料的摩擦系數相對相同溫度下低濕度的摩擦系數有顯著增加。在整車上經歷多次制動后，由于制動盤和摩擦片的溫度升高，摩擦片的摩擦系數趨于穩定即降低為名義摩擦系數的水平，噪音不再發生。
發現陶瓷摩擦材料的這一特性，既能合理的解釋為什么部分制動器在低溫度且高濕度的環境下出現制動撞擊噪音，這也為解決這一噪音奠定了有利的基礎。
3 結論
影響汽車制動撞擊噪音的影響因素有多種，經過理論分析和試驗驗證，本文得到的結論如下：
1）影響因素包括公式（1）中的所有變量;
2）但是受整車系統布局，功能要求和制造可行性的限制，可以用于改善制動撞擊噪音的有效參數有限，包括摩擦片背板與轉向節間的接觸間隙，摩擦片減振片和活塞或制動器殼體接觸面的粗糙度或黏著度，以及摩擦片的名義摩擦系數;
3）摩擦片的摩擦系數對制動撞擊噪音的影響很大，特別是在低溫度高濕度的條件下;
4）陶瓷摩擦材料在低溫度條件下，摩擦系數在高濕度時明顯高于低濕度時，而這一差異在倒車工況更為明顯;低金屬摩擦材料沒有這一特征;因此對于低溫度高濕度下發生的制動撞擊噪音，如何選擇摩擦材料類型和如何保證摩擦片在該特定條件下的摩擦系數不會偏離
名義摩擦系數太多，是解決問題的關鍵。
參考文獻
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