2007年(第29卷)第5期汽　车　工　程Aut omotive Engineering2007(Vol .29)No .52007089汽车摩擦制动噪声研究进展与发展趋势 原稿收到日期为2006年4月13日,修改稿收到日期为2006年7月4日。

黄学文1,张金换1,董光能2,谢友柏2(11清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京　100084;　21西安交通大学润滑理论及轴承研究所,西安　710049)[摘要]　总结汽车摩擦制动噪声的产生机理、噪声特点和影响因素,回顾并分析抑制和防治制动噪声的理论与工程研究进展,提出开发新型高阻尼摩擦制动材料来降低或抑制制动噪声的思路和措施。

关键词:摩擦学系统;摩擦;制动噪声Pr ogress and Devel opment Trend of Research onFricti on 2induced B rake Squeal of VehiclesHuang Xuewen,Zhang J i n huan,D ong Guangneng &X i e Y ouba i11Tsinghua U niversity,S take Key Laboratory of A uto m otive Safety and Energy,B eijing 100084;21Theory of Lubrication and B earing Institute,X i πan J iaotong U niversity,X i πan 710049[Abstract]　The generati on mechanis m ,features and influencing fact ors of brake squeal caused by fricti on 2induced vibrati on are summarized .The theory and research p r ogress on the supp ressi on and p reventi on measures of brake squeal are revie wed and analyzed .Finally,the idea on devel opment of ne w fricti on materials with high da mp 2ing for reducing brake squeal is pointed out .Keywords:Tr i bo 2syste m;Fr i cti on;Brake squea l前言汽车制动时产生的尖叫声和振颤声是城市交通噪声的组成部分之一,它既影响汽车乘坐的舒适性,又污染环境,损害人们的健康。

开发与研制新型和环境友好的绿色高效摩擦制动系统、抑制制动噪声已成为重要的研究方向。

1　制动噪声的产生和特点制动摩擦噪声的产生不仅与经典的摩擦振动理论有关,还受到制动系统自身结构和复杂的工况条件的强烈影响,是目前摩擦振动和噪声控制研究领域的重点、热点和难点。

如果制动器设计不合理、摩擦材料的老化或制动工况的改变,制动时就可能引起强烈的振动,向环境中辐射制动噪声。

制动器的振动不仅包括摩擦材料特性引起的摩擦振动,还包括机械部件振动特性引起的部件振动[1]。

制动时干摩擦接触物体间的摩擦力增大,使摩擦副接触表面的瞬间摩擦系数增大,在制动力作用下接触比压增加,瞬间温度突然升高,接触表面出现局部凸起点“粘着”与“分离”,引起摩擦特性发生变化。

表现为接触面比压的增大而使摩擦材料磨损增加,因而摩擦副各构件间相对位置发生变化,从而出现振动;对高速时的强制制动,这种振动尤为剧烈。

摩擦振动与摩擦材料的硬度、表面处理、压缩弹性率、拉伸强度、气孔率、黏弹性、摩擦因数-温度关系曲线、摩擦因数-速度关系曲线等参数有关。

摩擦振动的趋势随着表面接触压力的增加而增加,也随着摩擦材料表面温度的升高而加强。

相对滑动速度增加时,摩擦因数也随着变化,因而出现振动噪声的可能性也会增加。

摩擦因数-速度曲线的负斜率是产生制动噪声的重要因素之一[2]。

制动器部件的摩擦振动是由于作为相对速度函数的摩擦因数变化的结果,而相对速度又产生于・386　・汽　车　工　程2007年(第29卷)第5期制动衬片、摩擦表面(制动盘或制动鼓)和机械系统的阻尼器之间,当两摩擦表面的相对速度增加时,若摩擦因数减少,则产生摩擦振动,引起部件的振动而发出噪声。

当接触的部件由于摩擦而发生磨损后,其间隙增大也会引起部件振动[3-4]。

通过高速电子光斑干涉仪与近场声压测量方法发现制动部件的振动与噪声有很好的一致性[5]。

制动噪声的频率范围非常宽,可以从几十赫兹至几万赫兹左右。

一般根据制动器部件振动频率的频段可分为低频振动噪声(约几十赫兹到几百赫兹)和中高频振动噪声(约几百赫兹到1万多赫兹),在文献中出现的描述制动振动噪声的术语中,例如Hu m、Moan、Gr oan、Judder、Roughness大体上可归入低频振动噪声,Squeal、Squeak大体上可归入中高频振动噪声。

实际中发生较多并且研究文献也较多的制动噪声问题为Squeal,其频率范围为1～16kHz或上限到人耳听力的极限。

Squeal又可分为低频尖叫(1～3kHz)和高频尖叫(5～15kHz)。

高频制动噪声往往非常刺耳,通常高达110dB,为城市主要噪声污染源之一;而低频振动往往恶化汽车制动平稳性。

近年来,低阻尼耐高温新材料取代石棉作为摩擦衬片以及汽车结构的轻量化趋势使得制动噪声问题更加突出,成为迫切需要解决的问题[6-7]。

2　影响制动噪声的因素影响制动噪声的因素比较复杂,大致可分为4类:摩擦副特性因素;制动器结构因素;环境因素;制动工况因素。

制动噪声的发生大致有如下规律[6,8]。

(1)摩擦制动噪声伴随有简谐振动和极限环振动,显示有非线性行为的存在,如在摩擦材料与制动盘之间接触的丧失。

(2)在下列情况下容易发生制动尖叫:低速制动和临近停车时;摩擦衬片历经热衰退后;特定的制动压力范围;以及一定的温度、湿度情况下。

(3)随着环境温度的上升,摩擦衬片的摩擦因数减小,摩擦副间的接触形态得以改善,有利于抑制尖叫的发生。

(4)对特定的鼓式制动器,尖叫频率独立于摩擦特性,且制动尖叫多发生在100℃以下。

(5)制动噪声有广泛的频率范围,尖叫频率随着制动压力的升高而略有增加。

(6)摩擦因数基本相同的摩擦材料在产生尖叫倾向上可以大不相同,同一摩擦材料安装于某一制动器可能无尖叫倾向,安装于另一制动器却极可能产生噪声。

(7)通常鼓式和蹄式以及带式制动器一般比盘式制动器更易产生制动尖叫。

3　抑制制动噪声的理论研究与防治措施国外系统地开展制动噪声研究已经有60多年的历史[9],我国起步较晚,开始于20世纪80年代[10]。

过去的研究大多数都是以找出制动噪声源和机理、建立力学模型描述制动动力学、提出对策减少噪声和振动幅值为目的。

研究者运用试验法、理论分析、有限元数值计算等方法,对制动噪声问题进行多层次、多角度的大量研究,取得了不少成就[6,9,11-14]。

但是,由于难以建立足够准确的包含摩擦界面摩擦力的系统模型以及制动系统结构的复杂性,导致了多种不同的制动噪声机理。

文献[10]在试验分析的基础上提出制动器结构摩擦闭环耦合系统不稳定是制动噪声发生的机理,认为制动器结构动态参数匹配不当是影响制动噪声产生的积极因素。

文献[2]认为制动噪声是因摩擦力作为非保守力引入系统而使系统动能增量大于零所致。

文献[15]认为4种摩擦振动机理可能会引起制动摩擦噪声,分别为:黏-滑运动机理、自锁-滑动机理、摩擦力-相对滑动速度关系的负斜率机理和模态耦合机理。

文献[11]提出6种制动噪声理论,分别为摩擦力-相对滑动速度关系负斜率机理、自锁-滑动机理、摩擦力-相对滑动速度关系负斜率和自锁-滑动联合作用机理、常摩擦力自激振动机理、二重模态裂分机理、锤击机理。

目前被大多数人所接受的机理为系统自激振动理论,即制动噪声是由摩擦耦合诱发和制动器各部件的模态参数匹配不当而引起的系统不稳定现象,从而产生自激振动。

也就是说,摩擦制动噪声与其摩擦材料特性及其结构体的具体结构形式有关。

文献[16]认为消除制动噪声最根本方法是减小制动摩擦力,显然,减小摩擦力会降低制动效率,是不可取的。

因此前人针对摩擦材料及制动器结构形式作了不少努力来减小制动噪声。

文献[17]通过增加制动块与底板之间和底板与活塞之间的阻尼,改变制动钳的几何形状和刚度、更改底板的方法来减小制动噪声;对鼓式制动器而言,采用添加阻尼器、增加制动鼓刚度、减小制动蹄刚度的方法。

文献2007(Vol.29)No.5黄学文,等:汽车摩擦制动噪声研究进展与发展趋势・387　・[18]发现鼓式制动器制动衬片的曲率半径对制动噪声的产生有影响,优化制动衬片的几何形状有助于减小制动噪声;优化制动钳刚度和质量以及活塞作用力位置可以减小盘式制动器制动噪声。

文献[19]等通过增加制动盘散热片数目以提高制动盘刚度,来消除一定条件下的自激振动噪声。

文献[20]的研究表明:如果制动系统结构参数选择正确,不同声源的振动波可以产生一种驻波,这种驻波可以抑制制动系统的不稳定性,从根本上消除制动噪声。

在制动器结构中采用阻尼隔振器也是一种降低制动振动和噪声的有效途径。

文献[21]和文献[22]证实底板背面采用黏弹材料(阻尼材料)可以有效降低制动块的弯曲振动。

文献[23]也采用黏弹材料构成隔振器来控制制动噪声。

文献[24]探讨在制动器底板上黏贴阻尼层来减振降噪的方法,该方法能够一定程度地抑制制动器的不稳定模态,降低制动噪声。

文献[25]和文献[26]等发现通过修改制动块的形状来改变制动块和制动盘之间耦合的方法也有一定效果。

文献[27]认为设计制动块、制动盘和制动钳时,应尽量使它们的固有频率互相远离以避免共振来抑制噪声。

文献[28]提出改变制动盘帽的形状,破坏制动盘的对称性来抑制制动噪声。

文献[29]借鉴该方法的思想,修改制动盘形状,非对称设计制动盘来抑制耦合所需要的特定的振动模态,从而防止振动噪声,取得了一定效果。

文献[30]提出的措施包括:制动衬片采用摩擦力-滑动速度非负斜率的摩擦材料以及优化底板支架的结构和材料以提高阻尼性能。

文献[31]等用高频扰动方法来消除噪声,通过对安装在活塞上的压电传感器施加高频电压引起底板和制动摩擦块振动,利用这种振动来光滑摩擦力,从而消除制动尖叫噪声。

以上措施归纳起来可分为3类。

(1)修改制动器部件,如制动衬片和制动蹄的几何参数和形状、非对称制动盘、添加阻尼器。

(2)改变某些制动部件的材料,如制动衬片采用摩擦力-滑动速度非负斜率的摩擦材料。