汽车制动噪声产生机理及控制方法

1、汽车制动噪声产生机理及控制方法装备制造技术>>2oo9年第6期汽车制动噪声产生机理及控制方法于学华,余为高(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)摘要:汽车制动时产生的尖叫声,仍然是汽车业中难以解决的问题.简要概括了汽车制动噪声的分类,影响因素,发生规律,并分析了制动噪声的特征和阐述了制动噪声产生的杌理,详细地总结了从设计上控制制动噪声的常用方法.关键词:制动噪声;产生机理;控制方法中图分类号:U467.4+93文献标识码:A随着汽车工业的发展和城市汽车保有量的El益增加,机动车对城市声环境的影响El益严重,汽车制动噪声已成为城市道路交通的主要噪声源

2、之一.制动器在制动过程中,产生剧烈的振动和噪声,会影响乘员的舒适性和降低有关零件的寿命;尖锐的制动声,还会严重干扰人们的生活环境.汽车制动噪声问题,一直是汽车工程技术中一项需要解决的突出问题.1制动噪声的分类,影响因素和发生规律1.1制动器噪声的分类根据产生频率的不同,制动器噪声大致可以分为3种:(1)制动开始到停车时的”格喳”声.这种声音属于低频噪声,频率在1001000Hz,原因是制动盘与摩擦材料之间表面的粘滑运动,引起的制动器和底盘的振动.(2)制动过程中的尖叫声.这种是频率为16kHz的低频尖叫,主要原因是由摩擦激振引起制动器两个以上零件的模态耦合.(3)停车之际的”叽叽”声.为频率在

3、6kHz以上的高频尖叫,主要是由摩擦衬块的弹性振动所引起的自激振动.超过lkHz的噪声,属于高声强级噪声,对人的听觉和周边环境的损害很大,因此目前大部分有关制动噪声的研究工作集中在这方面.1.2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,制动器结构,环境因素,制动工况.在分析大量试验研究的基础上,可将制动噪声发生规律归纳如下:(1)低速制动及临近停车时容易发生制动尖叫.(2)摩擦界面温度升高后,摩擦膜已经形成,摩擦系数保持稳定,此时反易于发生尖叫.(3)制动尖叫噪声的频率,随着制动压力的升高而略有增加.(4)摩擦系数相同的摩擦材料,在产生尖叫倾向上可以有很大差别,

4、同一摩擦材料安装于某一制动器,可能无尖叫噪声;而安装于另一制动器,产生噪声的概率很大.文章编号:1672545X(2009)060025032制动噪声的特征分析对以上制动噪声的发生规律分析,可以发现:制动噪声的产生受环境影响较大,重复性较差,具有随机性的显着特点,并可推断引起制动噪声的主要因素,也必定具有随机性.这样,就排除了制动噪声是由于制动器机械结构引发的结论.另外,制动器噪声的特征频率几乎不变,说明制动噪声又与制器的结构因素有关,而在制动器的结构中,只有摩擦片具有随机性.对某制动器产品是否属于易发生尖叫的制动器,应从统计角度判断.摩擦片材料要求具有大的摩擦系数,同时又要有高强度和良好的散

5、热性,通常做法是在摩擦片材料中添加金属丝,制动时摩擦片和制动盘之间接触,压紧产生摩擦,由于摩擦材料组织的不均匀性,造成局部硬组织在摩擦副中相互犁割而产生制动尖叫.由于这种犁割现象具有随机性,所以会产生制动尖叫的随机性.因此,当制动器结构刚度足够的情况下,产生制动尖叫可能主要取决于摩擦材料的组织构成.另外,由于摩擦材料组成是固定的,也能较好地解释制动器尖叫的特征频率几乎不变的现象.摩擦系数只是摩擦片的一个性能参数,该系数并不能代表摩擦片的组织结构,因此也可以很好地解释上述的特征(4).至于制动尖叫,主要发生在低速制动和临近停车时,可以解释为低速时,在发生犁割的情况下切割的动能不足,切割阻力加大,

6、可能会出现大的振动和噪声,而在高速情况下由于切割顺利,尖叫反而较小.对于特征(2),可解释为随着温度的升高,基底组织软化,而突起接触的硬相组织不随温度变化,使之突出基底组织,切割现象更为明显,因而引发更为剧烈的尖叫.3制动噪声产生机理3.1制动器振动的原因制动器振动,是产生制动噪声的根源.制动器振动原因有:(1)是摩擦副的摩擦特性.静摩擦因数大于动摩擦因收稿日期:200903一Ol作者简介:(1964-),男,山东莱州人,副教授,工学博士,研究方向:汽车振动与噪声控制;余为高(1984),男,湖北黄冈人,硕士研究生,研究方向:汽车振动与噪声控制.EquipmentManufactringTec

7、hnologyNo.6,2009数,或动摩擦因数随相对滑动速度的非线性变化,引起制动系统的自激振动;(2)是制动器存在的动约束,当摩擦因数为常数时,制动器不恰当的几何参数,便可导致系统自激振动的产生;(3)是制动器的模态耦合,摩擦力诱发的制动器各组成部件动态特性参数匹配不当,而引起的自激振动.3.2引起制动噪声的6种理论总结Kinkaid等人总结了引起制动噪声有6种理论,分别为:(1)摩擦力一相对滑动速度关系负斜率机制;(2)自锁一滑动机制;(3)摩擦力一相对滑动速度关系负斜率和自锁一滑动联合作用机制;(4)常摩擦力自激振动机制;(5)二重模态裂分机制;(6)锤击机制.目前被大多数人所接受的机

8、制,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,摩擦制动噪声与摩擦材料特性及具体的结构形式有关.过去通常认为,制动噪声的产生主要是由于制动器的结构因素引起的自激振动,所以主流的研究思路,是把整个制动器看成一个整体,通过改变制动器部件的质量,刚度,阻尼或部件动态特性,耦合关系,消除制动器系统的噪声模态;而忽略了摩擦材料与制动偶件之间的摩擦,磨损因素,过度重视结构因素而忽视摩擦副特性因素,因而效果不佳.对直接引起噪声的摩擦片的微观组织,特别是摩擦片材料中的硬相组织的分布的研究,应该是今后研究制动噪声产生机理的

9、一个重要方向.4制动器噪声的控制方法制动器噪声研究的最终目的,就是要在产品的设计开发阶段,通过预测,控制等措施来抑制制动噪声.这就需要把制动器作为一个整体进行限元分析,在模态分析基础上,提出修改制动器结构参数,材料参数等方法,以减小摩擦诱发的振动,改变制动部件自身的振动行为和抑制振动,来降低振动噪声.对低频噪声,采用摩擦系数对接触面相对滑动速度不敏感的材料,及修改底盘部件的结构参数,能降低或消除此类噪声;对低频尖叫,改变制动器结构参数,如制动钳,制动盘的材料和尺寸,可以消除或减小低频尖叫;对高频尖叫,增加制动盘或制动鼓的刚度,减小摩擦接触面压力分布,能减小高频尖叫发生.控制制动噪声,可以从设计

10、,制造,使用及维护维修等各方面采取措施.但是,最重要的是要从设计和制造方面对其进行控制.在设计上控制噪声的措施,主要是优化制动器结构参数与合理选用材料;而制造上,主要是提高加工质量和装配精度.以下主要从设计角度来进行论述:4.1增加制动鼓的刚性并减小制动蹄的刚性图1是制动鼓的固有频率与制动噪声的关系.随着鼓的固有频率的增加,制动噪声逐渐降低.因此在设计制动器时,应增加制动鼓的刚性,以提高鼓的固有频率,减小制动噪声.但应注意到,没有必要无限地提高鼓的固有频率,当制动噪声接近环境背景噪声时,鼓的刚性就足够了.鼓的固有频卑阻z)图1制动鼓的固有频率与制动噪声的关系降低制动蹄的刚性,可使其振动固有频率

11、降低,并改善摩擦衬片与鼓间的压力分布和接触状况,从而降低制动噪声.图2是降低制动蹄刚性的实例,其中1表示在蹄的辐板圆周设槽;2表示在蹄的幅板上开缺口.图2降低制动蹄刚性实例4.2增加制动鼓与制动蹄对振动的衰减对制动鼓和制动蹄的结构件采用阻尼措施,可以衰减振动能量和降低噪声辐射.在鼓和蹄的接触部分,如分泵,支承处配置减振材料,也能衰减振动能量.采用阻尼措施后,制动器尖叫声可明显降低.4.3合理匹配制动鼓和制动蹄的刚性合理选取鼓和蹄的刚性,避免装配在一起后由于固有频率相近,导致共振而加剧制动噪声.但设计时应注意,装配后鼓和蹄的固有频率并不是单件时的固有频率,而是具有约束的固有频率,二者都有所增高,

12、且鼓的固有频率增长较蹄的略高些.因此,在设计制动器时,可让鼓的固有频率比蹄的高,这样可能会降低制动噪声.4.4改善摩擦衬片特性和衰减振动的能力影响摩擦衬片特性的因素,有摩擦衬片材料的摩擦系数及其温度特性,制动鼓与蹄的刚度匹配与分布,接触面上的压力分布,支承角度及摩擦衬片的包角等.改善摩擦衬片特性的主要措施有:减小材料的摩擦系数,降低蹄的刚度,改善蹄的压力分布,减小摩擦衬片的包角,改进主要零件的结构等(如图3).同时还要注意摩擦材料的物理性能,因为它决定摩擦衬片对振动的衰减.一P)敦群稿鞲装备制造技术>>2009年第6期a)制动鼓b)制动蹄图3增加制动器振动衰减的结构

13、实例4.5盘式制动器优化结构设计增大制动盘对振动的衰减,限制摩擦衬片振动及控制振动的传播,是盘式制动器优化结构的主要措施.主要有合理设计零件结构,限制衬片振动,选用阻尼大的材料等.还可以采取一些阻尼减振措施,例如在制动片和钢背的连接处添加一些油脂,胶漆,或者减振片等.图4是制动盘结构优化实例.亡=:1c)衰减砂图4增加制动盘衰减的实例5结束语汽车制动噪声,是城市环境噪声的主要污染源之一,它严重影响干扰人们的生活.制动噪声的产生机制,是摩擦导致的制动器结构的自激振动,制动时各部件的振动相互耦合,从而辐射出较大噪声.制动噪声的控制,应该从设计制造的根本着手,阻尼减振降噪是行之有效的方法,合理的选用

14、摩擦材料避免共振,是控制噪声产生的关键.参考文献:1】1管迪华,宿新东.制动振动噪声研究的回顾,发展与评述田.工程力学,2004,21(4):150155.【2】KinkaidNM.0ReillyOM,PapadopoulosP.Automotivediscbrakesqueal叨.JournalofSoundandVibration,2003,(267):105-65.【3】黄学文,张金换,董光能,谢友柏.摩擦制动噪声防治研究进展叨.润滑与密封,2006,(I1):194197.【4】AnttiPapinniemi,JosephC.S.Lai,JiveZhao,Brakesqueal:ali

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16、;amp;AutomotiveEngineering,HuananUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Discbrakesquealremainsallelusiveproblemintheautomotiveindustry.Thepapersummarizesthesorts,thecharacteristicsandthemechanismsofautomotivebrakenoise.Thenthemethodsofstudyandcontrolbrakenoisearegivenindetailinaspecto

17、fdesign.Keywords:brakenoise;mechanism;controlmethods(上接第10页)问题,有着一定的实用价值和研究意义,本项目经济效益在35万元以上.参考文献:11吴伟斌,李礼夫,刘落实,等.基于J1939的汽车CAN总线教学实验系统J.微计算机信息,2008,6(2):274276.22朱正礼,任少云,殷承良,等.CAN总线系统在电动轿车上的应用【J】.汽车工程,2003,(2):380383.【3】陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术【M】.北京:北京理工大学出版社,2002.【4杜春雷,等.ARM体系结构与编程【M】.北京:清华大学出版社,2003.【5】邹思轶.嵌入式Linux设计与应用a书1版)M】.北京:清华大学出版社.2002.TheResearchofAutomotiveCANBusControllingSystemBasedonARMHOUYi-kun.XIONGChun_ru.(1.hcultyofEnsineefing,GuangdongVocationalCollegeofIndustryandCOmmerce,Guangzhou510510,China;2.FacultyofEngin