【深度】浅谈制动噪音

这篇文章主要针对制动噪音里面特别难解决的moan噪音。一般刹车片企业/制动器总成企业，解决刹车片噪音投诉时，用的是常规手段，但常规手段主要针对高频噪音，对低频振动噪音基本无效，本文针对该难题给出了技术方案，同时，这套方案为厂家、经销商应付moan噪音投诉时提供话术思路。

作者｜邓海兵 沈炎武

摘要：J.D.Power调查显示，制动噪音问题是汽车用户最为关注的，也是最经常被客户投诉的问题之一。因此，各汽车研发机构及制造厂已经把制动噪音的机理研究、试验验证以及设计预防与仿真作为重点研究课题。

本文将发生在某车型上的后轮moan噪音，进行了相应的测试、频谱分析和振动分析，得到了moan噪音的频率及各零部件的振动特性；并对相关零件进行了3D建模和有限元计算，得到了系统的固有频率和模态;通过测试结果与模态分析的对比，得出moan噪音产生的原因为卡钳支架与安装板的耦合模态不足，并为后续优化噪音提供了参考方案。

[关键词]制动器；噪音与振动；频谱分析；模态分析；有限元计算

Abstract:J.D.Power surveys shows that the problem of brake noise is one of the most important issues for automobile users and one of the most frequently complained by customers.Therefore,automobile research and development institutions and manufacturers have to study the mechanism of brake noise prevention and simulation,test and design as a key research topic.

We have done the test,spectrum analysis and vibration analysis corresponding Moan noise which occurred in the rear wheel of a certain vehicle,and the frequency of moan noise and vibration characteristics of each component are obtained.In addition,3D modeling and finite element calculation are carried out to obtain the natural frequency and mode of the system.Based on the contrast between the test results and the modality analysis,the reason for the moan noise is that the coupling of the bracket and the mounting board is not enough,and it provides a plan for the subsequent improvement of the moan noise.

[Keywords]:brake;noise and vibration;

spectrum analysis;modal analysis;finite element calculation

1.研究背景

制动噪音的产生，从微观来看，制动时摩擦片与制动盘摩擦产生振动，该激励振动经制动系统传递，引起底盘相关系统振动，产生不同频率的噪音^[1]。

制动噪音的研究在国外从1930年就开始，经过多年的发展，国内外的研究形成了多种理论。主要的理论有：摩擦特性理论、自锁-相对滑动（Sprag-Slip）理论、热点理论和系统不稳定理论。其中Sprag-Slip理论和动力不稳定理论在行业内的接受程度较大。

制动噪音问题的解决，行业内也主要从制动系统的稳定性分析和实际匹配入手。主要手段有摩擦片开槽倒角、采用不同的消音片、优化卡钳和支架的结构等，这些手段能够有效解决高低频尖叫噪音。但对于低频噪音，还需要从悬架与制动器的耦合入手。文献^[2]认为低频噪音主要同制动盘和摩擦片之间的相互作用相关，存在一定局限性。文献^[3]从摩擦片磨损角度分析了后独立悬架的低频噪音，没有对后悬架，尤其是非独立悬架的结构特性及与制动器的耦合进行深入研究。

对带非独立式后悬的制动器生产低频制动噪音进行研究，找出对低频噪音敏感零部件并进行机理研究分析，通过实车采集噪音和振动、有限元分析、方案优化及验证的方式，有效抑制Moan噪音的产生。具体工作如下:

（1）实车采集后轮Moan音，对各零部件进行传递路径振动测量；

（2）对测试数据进行处理，排除干扰源影响；

（3）对制动器、扭力梁后悬的三维数模进行有限元计算分析；

（4）对比有限元分析和整车测试结果，给出优化方向，并在下一车型中进行验证。

2.某车型Moan噪音的识别

假如想从根本上解决噪音问题，第一项要做的工作就是要找到噪音产生的根源，解决噪音问题必须从源头入手，否则无论采取何种措施其作用都是极其有限的。另一方面，噪音源识别是极其复杂的，噪音源诊断的目的就是要从复杂的声源系统中，通过采取科学合理的手段，找出主要声源的部位、能量分布、频率特性等，为噪声控制提供科学依据。

某A级轿车，后悬采用扭力梁结构，在路试过程中，后轮出现moan噪音。

对实车噪音情况进行确认，车辆磨合1500km后动态行驶，低速下后轮发生明显“wuwu”摩擦啸叫异响，车辆在举升状态转动左后车轮亦偶发类似“wuwu”异响，主观感觉此“wuwu”异响频率较低，后扭力梁悬架有共振现象，初步判定此“wuwu”异响即为moan噪音。

对比观察其他车辆的moan音情况，同时测量后轮拖滞力矩，如表1所示。1#车的左后制动器拖滞力矩偏大，相当于摩擦片与制动盘接触状态不稳定时即会产生moan噪音。

以上仅是初步锁定了moan噪音的发生部位，初步确定了后制动器拖滞力矩偏大与moan噪音的出现有关，但对于moan噪音的具体频率特性和振动传递路径仍需进一步确认和分析。

3.Moan噪音的信号数据采集

对车辆的moan噪音进行复现，并通过LMS测试设备对moan噪音进行信号采集。

首先在驾驶员的右耳位置安装了一个麦克风，用于测量输出噪音。为了进一步确认噪音的振动及传递情况。使用LMS设备对实车各个点进行测量。分别采集1左钳体、2左卡钳支架、3左卡钳安装板、4左扭力梁U型板、5左纵臂、6横梁、7右钳体、8右卡钳支架、9右卡钳安装板、10右扭力梁连接板、11右纵臂。如图1、2所示。

△图1 振动传感器布置点示意图

△图2 实车布置情况

通过软件安装路径或者桌面的快捷方式打开LMS设备软件，新建1个项目文件。对传感器通道进行设置，通道设置基本属于一个Excel表格的布局，每一行代表一个通道，每一列代表通道的一种属性设置。校准传感器灵敏度，示波/采集设定、在线分析设定，然后进行采集。

4.Moan噪音频率特性分析

对实车的moan噪音进行录音，通过频率分析软件对噪音的振动频率进行分析，发现噪音的频率为310Hz。如图3所示。

△图3 moan噪音频率分析图

采集的到各点的振动加速度如图4和表2所示。

△图4 测量点振动图

从图4和表2可以看出，moan音发生的噪音频率为310Hz时，右卡钳支架的振动Y向加速度仅为0.38g，而左卡钳支架的振动Y向加速度最大，达到了1.24g，左边卡钳支架是右边的3.26倍。卡钳支架是激发moan音的最主要因素。

5.有限元分析

在CATIA中建立制动器总成和扭力梁。制动器总成主要由卡钳体、卡钳支架、内外摩擦片、制动盘等零件组成，扭力梁主要由纵臂、卡钳安装板、U形板、横梁等零件组成。

△图5 制动器各零件3D模型

△图6 扭力梁3D模型

结合噪音振动分析的结果，moan音发生的噪音频率为310Hz时，左卡钳支架的振动Y向加速度最大，达到了1.24g。对卡钳支架和安装板进行了复模态分析。结果如表3所示，支架和安装板的1阶模态为327.8Hz，与moan噪音比较接近，2阶模态在500Hz左右，处于moan噪音的高发频率范围之内，存在风险。

对卡钳支架和安装板进行局部加强，如图7所示。针对优化结果再进行模态分析，结果如表4所示。支架和安装板的2阶模态提高到了600Hz，但1阶模态338.5Hz,仍然与moan噪音频率比较接近，仍有一定风险。

△图7 支架和安装板局部优化

由于卡钳支架与摩擦片、制动盘等零件的空间间隙比较小，加强和优化空间有限，因此重点对安装板进行优化，提出了4个方案，如图8所示。针对优化结果再进行模态分析，结果如表5所示。方案2、3、4的1阶和2阶模态均能有效避开moan噪音，考虑到重量和空间布置问题，最终采用方案4作为moan噪音的优化方案。

△图8 连接板优化方案

6.总结

为了对本文中出现moan噪音的数据采集分析系统的真实工作性能进行科学系统地分析和评价，在相关的试验设备上，运用相关的理论和技术，对于制动系统噪音产生的原因、频率特性、振动等情况进行了研究，获得了相关的数据信号资料，并利用目前比较流行的应用开发软件，使用有限元分析的方法，对试验过程和结果进行精确的把握，得出了契合实际的结论和研究成果。得到以下结论:

1Moan噪音是车辆低速行驶或制动时，一般由后轮发出的呜咽声，常见的频率约在150~400Hz。

2通过相关设备找到moan噪音产生的原因，提取了噪音自身振动频率的特征及分布，获取了信号的特征值，使用有限元分析的方法，对制动器和扭力梁的振动频率及固有特征进行了精确分析，掌握了其产生的机理。

3通过以上的分析，可以看出，噪音产生时，卡钳支架和安装板产生了共振和共鸣，这对于噪音强度的强弱也有很大的影响，因而对卡钳支架和安装板的固有频率进行修改，进而达到降低噪音的目的是可行的。

4moan噪音不仅与制动器本身的结构、材料有关，还与后扭力梁的结构特性有关。不同结构的安装板，产生moan噪音的风险不同。

参考文献

[1]Jearsiripongkul T,Hochlenert D.Disk Brake Squeal:Modeling and Active Control[C]Robotics,Automation and Mechatronics,2006 IEEE Conference on.IEEE,2006:1-5.

[2]戢何民.某型轿车盘式制动器制动噪声的控制[J].汽车技术,2011(11):20-22.

[3]常庆斌,浦新宇,张志坚,等.摩擦片偏磨引起制动低鸣噪声控制研究[J].噪声与振动控制,2017,37(1):68

作者简介

邓海兵（1982年6月~），男，湖北武汉人，武汉靖信达汽车配件有限公司总经理

2年汽车后市场创业经历、12年汽车主机厂OEM工作经历：

•亚迪汽车有限公司，从事制动系统、底盘系统设计开发工作；

•东风本田，从事产品工程及质量管控工作；

•东风雷诺-日产，从事整车项目管理工作；

•东风集团技术中心，从事智能电动车项目管理工作。

沈炎武（1984年11月~），男，广东潮州人，小鹏汽车底盘技术专家

先后就职于比亚迪、广汽、小鹏，主要从事制动系统及底盘系统开发工作。

END