制动振动噪声研究的回顾、发展与评述

1、第21卷第4期 工 程 力 学 Vol.21 No.4 2004年 8 月ENGINEERING MECHANICSAug. 2004收稿日期:2002-12-15;修改日期:2003-04-14文章编号:1000-4750(200404-0150-06制动振动噪声研究的回顾、发展与评述管迪华,宿新东(清华大学汽车工程系,汽车安全与节能国家重点试验室,北京 100084摘 要:由于制动振动噪声问题的重要性和复杂性,许多研究者对此问题从各方面进行了研究。以近期的研究工作为重点对制动振动噪声的研究工作进行了较为系统的回顾。重点阐述了各种制动噪声机理研究以及对制动噪声的理论建模和分析工作;对各种机理

2、解释、理论分析方法及其他相关问题进行了分析和评述;最后,进行了总结并对未来的研究工作提出了一些展望与建议。关键词:综述;制动振动;制动噪声;制动尖叫;抑噪 中图分类号:U463.51; TB123 文献标识码:AAN OVERVIEW ON BRAKE VIBRATIONS AND NOISEGUAN Di-hua , SU Xin-dong(Department of Automotive Engineering, State Key laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation, Tsinghua University, B

3、eijing 100084, ChinaAbstract: The problem of brake vibrations and noise has been studied by many researchers in a variety of ways due to its importance and complexity. A systematic review is given in this paper focusing on the recent research work in this field. First, the different studies on mecha

4、nism, theoretical modeling and analysis of brake noise are presented. Second, the mechanism explanations, theoretical analysis methods and other related questions are analyzed and commented. Finally, a summary is given and some suggestions are put forward for future research.Key words: review; brake

5、 vibration; brake noise; brake squeal; reduction of brake noise1 引言当前汽车广泛采用盘式和鼓式制动器来实现停车和减速,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,并伴随着噪声。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;制动振动噪声还会影响乘员的舒适性,降低有关零件的寿命,严重时会造成承载零件的早期破损。近来,低阻尼耐高温新材料取代石棉作摩擦衬片、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1。早期的

6、制动噪声研究关注当时广泛使用的鼓式制动器,现在盘式制动器由于其广泛的应用已成为研究重点。对制动振动噪声的研究始于上世纪三十年代2,已积累了不少解决特定问题的工程实用方法和分析问题的各种力学模型。但迄今为止,对该问题的研究从发生机理到分析方法仍没取得很一致的结论。一方面因为制动器本身就是涉及诸多设计参数的复杂动力学系统,其噪声产生又与多变的制动工况和使用环境密切相关;另一方面则是汽制动振动噪声研究的回顾、发展与评述151车工业的激烈竞争限制了研究工作的公开发表和交流。2 制动噪声的分类和特征2.1 制动振动噪声的分类和特征制动振动噪声的频率范围非常宽,可以从几十赫兹左右至上万赫兹。制动噪声的主频

7、通常是较为单一的,时常还伴有幅度较低的谐波成分3。不同的研究者对制动噪声有不同的分类4-10,但频率是各种文献分析制动噪声时一致采用的基本特征参数11。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(约几十到几百赫兹和中高频振动噪声(约几百到十几千赫兹,在文献中出现描述制动振动噪声的术语中,Hum、Moan、Groan、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。不同的术语是从乘员的感觉角度来描述的,各术语并没有严格的频率范围定义。如文献8的描述:Moan,其频率范围约在150400Hz,主要为制动钳或支架的刚体振动;Gr

8、oan或Creep groan为另外一种低频噪声,频率范围在100400Hz;文献4的描述:Judder或Roughness,频率范围几十到几百赫兹,其振动经转向节和底盘传递到车身,乘员可从转向轮和制动踏板振动及车身大面积部件如车门、车顶、风挡的嗡鸣声感受到;实际中发生较多并且研究文献也较多的噪声问题为Squeal :其频率范围116KHz或上限到人耳听力的极限58。Squeal又可分为低频尖叫(13KHz和高频尖叫(515KHz9。2.2影响制动噪声的因素影响制动噪声的因素比较复杂,大致可分为四类:摩擦副特性因素;制动器结构因素;环境因素;制动工况因素。在大量试验的基础上,制动噪声的发生大致

9、有如下规律:(1 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12;以及一定的温度、湿度情况下13。(2 随着环境温度的上升,摩擦衬片的摩擦系数减小,摩擦副间的接触形态得以改善,有利于抑制尖叫的发生14。(3 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100o C以下3。(4 尖叫频率随着制动压力的升高而略有增加12。 (5 摩擦系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15。上述的现象表明制动尖叫的产生受环境的影响较大,因而重复性较差是制动

10、尖叫显著特点,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;同时制动器尖叫的主要频率几乎不变,说明制动尖叫的产生又取决于制动器的结构因素。3 制动振动噪声研究的回顾、发展与评述3.1振动、噪声发生的机理制动噪声的机理解释可大致分为两类:自激振动和“热点(hot spot”理论。大多数研究者从自激振动的角度研究制动噪声,最初的研究很自然地从摩擦副入手,认为摩擦副的本身的特性是引起制动振动噪声的根本原因1617。一般摩擦系数有两个特征:静摩擦系数sµ大于动摩擦系数dµ摩擦系数µ在一定区间随相对滑动速度Vr的增大而减小。前者可能导致系统出现粘滑(Stick

11、-Slip现象而后者则导致系统的负阻尼效应,当系统本身的阻尼不太大时,系统振动可能发散,引起振动噪声。这种分析是典型的自激振动分析例题,实践表明这种分析只涉及摩擦副的摩擦特性,它远远不能解决制动器的振动噪声问题。1971年Spur18的研究表明:µ与Vr无关时,制动噪声仍可以发生,反之,µ-Vr曲线负斜率很大的摩擦副特性也不一定会引发制动噪声。而Millner1920亦证明了对于鼓式和盘式制动器,即使µ为常数,制动噪声仍可发生。一些试验研究实例也表明仅考虑摩擦副特性远不能描述制动噪声产生的机制,例如Rhee21的试验研究表明:当摩擦界面温度升高,摩擦膜已经形成,摩

12、擦系数保持稳定,而此时反易于发生尖叫。文献15,2225用Sprag-Slip现象来解释制动尖叫的形成,这可以用图1所示的机理图来说明26。摩擦平面以速度V相对弹性杆运动,弹性杆与摩擦面接触角为,并在端部受到载荷P。在不考虑摩擦面摩擦系数µ的速度特性的情况下,如果接触角满足一定的条件,便可导致弹性杆产生往复的振152工 程 力 学 动,其振动与弹性杆及其支座处的弹性有关。虽然该模型过于简单,以至于无法直接用于制动噪声的分析,但它给出了一个重要启示,即制动器的结构 v图1 Sprag-Slip 现象机理图 Fig.1 Mechanism of Sprag-Slip后来的研究者多数不再单

13、纯从摩擦副特性研究制动振动噪声问题,甚至某纯试验研究证明了仅加强鼓式制动器的底板刚度就可有效地抑制噪声的发生3。也说明了单纯研究摩擦副特性很难导致实际问题的解决。80年代中期以来前后出现了一系列从结构设计角度探讨制动振动噪声发生机理的研究。文献12在试验研究中发现制动器蹄和鼓各有一阶频率与发生尖叫的频率相近,认为这两阶模态频率在制动器工作时发生变化的幅度不同,可导致两者重合,就形成了噪声频率。因此解决问题的思路是避免这两阶频率靠近,这种说法显然没有揭示噪声发生的机理。制动器各部件均为弹性体结构,仅蹄和鼓而言,它们均有按一定规律分布的模态频率,把它们放在一起会形成密集的排列,为什么其中仅两阶在工

14、作时其频率会发生变化而重合发生噪声?其发生机理又是什么?文中所用术语为共振,既然是共振,那么周期性的激励来自何方?尽管如此,该文献仍属于较早的用模态分析的方法分析制动器振动噪声的工作。在研究制动振动噪声过程中,人们对于振动噪声发生的频率往往并不是其部件中的某一共振频率疑惑不解。文献27对一盘式制动器总成,除制动盘不旋转外,油压亦模拟了实际工况进行的模态试验研究(如图2可测出发生尖叫的模态频率,它不是某个部件的固有频率,并用有限元模型计算得到了印证。所以该文认为研究制动尖叫不应局限于某个制动器部件的振动特性,而应研究尖叫与整个制动器系统特性之间的关系。图2 盘式制动器总成的激振试验示意Fig.2

15、 Excitation test apparatus for disc brake assembly此后,许多学者针对结构从各个角度更为深入地对噪声机理进行了研究。文献728认为制动尖叫可以看成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,称为动力不稳定理论(dynamic instability theory。但均没有提出相应可行的动能增量分析方法;其物理模型对实际结构也有较大简化,其部件的动态特性隐含于系统矩阵中,难以针对动态特性提出抑噪方案。Liles 29将盘式制动器的制动盘和制动块之间的摩擦力耦合作为非对角项引入系统方程刚度阵,以其不稳定复特征根来表征系统振动发散。 几乎与文

16、献29同时,陈小悦1113对鼓式制动器的发“啃”的试验研究发现(如图3所示:在“啃”的酝酿至萌发的过程中,初始扰动引起的振动总是收敛的;当制动过程趋于稳态工况形成闭环耦合时,制动振动开始萌发并持续下去。在试验分析的基础上提出了制动器结构摩擦闭环耦合系统不稳定是振动噪声发生的机理,其数学模型的特点是摩擦力的引入使系统刚度矩阵不对称,在一定系统参数匹配的条件下使系统出现实部大于零的共轭复特征值。并认为制动器结构动态参数匹配不当是影响制动振动噪声发生的积极因素。该文献的试验研究还证实了粘滑现象不是制动振动噪声产生的原因,粘滑现象产生于振动噪声已发生后的制动结尾阶段。并证明了正是鼓式制动器的振动(发啃

17、为粘滑的产生创造了基本条件,即当车辆速度减至足够低时,以至于制动蹄的振动速度幅值大于制动鼓的线速度,即为产生粘滑现象的临界状态。制动振动噪声研究的回顾、发展与评述153图3 “啃”的酝酿至萌发的过程(试验曲线1st为制动蹄切向的振动, 试验曲线A a为气室的振动Fig.3 The brewing and divergence course of Judder(1st is the tangentvibration of the shoe and Aa is the vibration of the air-chamber近期从结构分析角度研究这一问题的文献较多,如2730-39。另外一些研究虽

18、然没有明确提出系统结构分析的概念,但是其抑噪思路是通过尝试修改影响振动噪声的关键部件的结构设计来消除或改变噪声模态的,也应归结为从结构分析角度进行的研究4041。可以看到,从结构设计角度来抑制制动噪声的研究近来趋于主流的地位。另一个解释制动振动噪声机理的分支是“热点(hot spot”理论,该理论认为制动盘表面在制动过程中产生热点导致振动噪声。Kreitlow4通过试验发现judder频率与车辆速度和热点数目相关。Abdelhamid5进一步说明cold judder由盘厚度变化引起,而hot judder由热点引起。对热点的进一步分析涉及到其产生机理,与盘式制动器结构相近的理论模型4243分

19、析可计算出对应不同阶次热点分布的临界车速,即不稳定车速。对应不同的阶次有不同的临界车速,但该模型不能回答为什么通常制动过程中往往只在某阶频率上发生振动噪声,而且在一定的车速范围内频率是不变的;此外,理论分析得出的临界车速往往很高44,这与制动尖叫常发生在中低速的结果也是不一致的。理论模型4243只讨论了盘的几何尺寸(盘厚对临界车速的影响,这远不能解决实际的制动噪声问题。到目前为止,热点理论的研究无论解析模型还是有限元模型对实际制动器热点的仿真尚不完善,更没有见到有关实际问题解决的报道。3.2 制动噪声抑制的分析方法在认同制动振动噪声产生机理为系统自激振动的前提下,要解决其实际问题使噪声得到抑制

20、,分析方法和手段是至关重要的。近十多年来对制动器振动噪声的理论分析多致力于将制动器整体结构作为系统的分析。如29建立有盘式制动器系统的有限元模型,在设定摩擦系数为定常值时计算出了该系统的非稳态模态(对应噪声模态。并分析了摩擦系数、衬片长度以及有关材料弹性模量对尖叫倾向的影响。该文的参数分析对制动器设计有一定指导意义,但是噪声产生是多个参数联合作用的结果,而单个参数对尖叫倾向的影响也是比较复杂的,因此很难由此产生切实可行的抑噪方法,其次该文没有分析结构弹性体模态对噪声发生倾向的影响,但许多理论分析及试验研究均表明它们对控制噪声的发生起着更为重要的作用。陈小悦1113对一鼓式制动器73Hz的低频振

21、动(发啃建立了摩擦闭环耦合模型,很好地模拟了其产生发啃的现象。特别是在制动鼓反转时其发散系数(表征系统稳定性要比其正转时高几倍,并为试验所证实。分析指出制动器结构动态参数匹配不当是影响制动振动噪声发生的积极因素。朱新潮3334基于结构闭环耦合理论建立了较为完善的一鼓式制动器在2100Hz的尖叫模型,首次提出用噪声模态的子结构模态构成来寻找对系统发生尖叫影响大的子结构系统及其模态。理论分析和试验均证明了加强底板系统的刚度可有效抑制该制动器尖叫的发生。值得指出的是,Felske3于七十年代末基于纯试验研究类似地解决了一鼓式制动器的尖叫问题。文献1430用有限元及模态综合法建立了较准确的盘式制动器产

22、生尖叫的分析模型。在寻找子结构模态对系统尖叫倾向上沿用了文献3334的子结构模态幅值影响系数方法,并通过修改子结构模态频率使问题得到了解决。文献41通过大量的试验,认为支架部件的模态振型对制动尖叫产生有较大的影响,对十种不同制动钳支架的大量实车试验数据进行拟合,得到了尖叫倾向与支架振幅大小的经验公式,认为支架与内外制动块接触处在制动力方向的振幅最大值及幅值差越小,系统发生尖叫的倾向越小。文献30与文献41相比,显然建立有效的分析方法,特别是切合实际的理论分析方鼓式制动器试验 No.0831503035F4 鼓式制动器试验 No.0831503035F4154 工程力学法,对有效地解决制动器的振

23、动噪声问题是至关重要的。这首先要建立一个从工程角度较为符合实际的模型,目前这一工作仅公开发表的就有相当的积累如文献27,29,30,32-34等等,它们一般都经历了模态分析试验及台架试验的验证。基于模型分析一些单一因素对控制噪声的影响较为容易,但对解决实际问题往往并不很奏效。理论和实践已经表明:系统结构动态特性参数匹配的影响是至关重要的,然而对这一问题的分析始终存在着数理方面的难度。文献303334的分析虽然可以达到解决问题的正面效果,但由于数理方面的障碍,仍存在相当不完善之处,以至于难以将其直接纳入CAE工程以指导设计。这些不完善之处一是噪声子结构模态组成系数为复数,分析中存在着数学难度,故

24、取其幅值来判别其影响程度,其次在模态修改方面,是以修改模态频率为目标的。这导致结构修改结果不唯一,最后靠模型正确性来把握。文献45则从制动器系统能量馈入的角度对分析方法做了根本提高。能量馈入分析证实,通过摩擦对某阶模态的能量输入可指示发生噪声的倾向性,更深入地揭示了制动噪声发生机理并能准确判断关键子结构的模态修改目标,可直接指导无噪声制动器的设计。从结构着手的理论分析模型往往对模型的某些因素如摩擦系数等作简化处理293045,这样的处理方法其合理性在于:(1 在反映问题本质的前提下避免在模型中过多地牵涉一些复杂的难以把握的因素如摩擦系数在实际工作中随温度、压力、湿度、粉尘等因素的影响,这些因素

25、有些是非常复杂的,有些是难以仿真的。(2 建立仿真模型只是研究手段,制动噪声研究的最终目的还是抑制噪声,所以仿真模型并不一定必要模拟自激振动的整个过程,只要能够把握系统在静态平衡点附近的变化趋势即能够提出相应的抑制振动方案。模型与真实情况的误差可以通过适当提高系统模型的稳定裕度来弥补。还有一些研究者从其它途径和方法入手研究制动振动噪声问题。文献314647通过全息激光技术对制动噪声问题进行了研究。文献31发现尖叫频率对应的制动盘弯曲模态相对于地面坐标都是静止的。作者认为如果消除盘振型受激振区位置的影响(使振型随盘转动,就可能消除尖叫。通过改变制动盘的冷却孔的数目(堵以质量块达到使振型随盘旋转并

26、使制动尖叫概率大大降低。作者将尖叫与制动盘振型相对惯性坐标静止的现象相关联,并通过消除该现象来抑噪,但没有进一步从理论上探讨两者之间是如何联系的。3.3 利用阻尼和主动控制抑噪的研究一些文献更多的是在实际中从增加系统阻尼角度探讨抑制噪声问题,例如对制动器加隔振片1。增加阻尼抑制噪声主要针对频率5KHz以上的高频噪声问题才有效,由于阻尼建模的复杂性,目前还没有人从理论分析角度对阻尼方法作出分析,如何针对不同情况确定阻尼大小、位置以及在结构中如何实现的研究仍需进一步的工作。近期有文献从主动控制的途径研究振动噪声的抑制,虽然主动控制消振在其它领域不乏研究,但是应用于制动器的研究尚不多见4849。文献

27、48提出了电子控制抑噪应用于四活塞对置式钳盘制动器,内制动块与活塞之间安装传感器检测振动,产生输入信号经控制单元控制外制动块与活塞间的执行器,产生消振作用。制动振动噪声抑制的主动控制一般基于试验研究,其应用前景尚需未来的实践来证实。4 结束语制动噪声问题由于其复杂性迄今仍未彻底解决,现在一般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,主流的研究思路是把整个制动器看做一个整体,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。毫无疑问,对于制动噪声这样复杂的问题,试验研究有无可替代的作用,但是在当前车辆开发设计广泛采用CAD/CAE以大大缩短研

28、制周期、降低费用的背景下,建立一套通用的、能结合到CAE 中的制动振动噪声预防和解决方法已非常重要,其中最重要的是发展一套建立符合实际制动噪声模型的方法和准确的噪声抑制的分析方法。参考文献:1 Singh R, Sheikh A, et al. Viscoelastic damping to control discbrake squealJ. Sound and Vibration, 1998. 18-22.2 Papinniemi A, Lai J C S, etc. Brake Squeal: a literature reviewJ.Applied Acoustics, 2002, 6

29、3:391-400.3 Felske A, Hcppe G, Matthai H. A study on drum brake noise byholographic vibration analysisC. SAE800221, 1980.4 Kreitlow W, et al. Vibration and “Hum” of disc brakes under loadC. SAE850079, 1985.制动振动噪声研究的回顾、发展与评述 5 6 Abdelhamid M K. Brake judder analysis: case studyC. SAE972027, 1997. Kao

30、 T K, et al. Brake disk hot spotting and thermal judder: an experimental and finite element study J. Int. J. of Vehicle Design, 2000, 23(3/4: 276-296. Nishiwaki M. Generalized theory of brake noiseJ. Proc Instn Mech Engrs, 1993, 207:195-202. Rhee S K, et al. Friction induced noise and vibration of d

31、isk brake J. Wear, 1989, 133: 39-45. Kido I and Kurahachi T, etc. A study on low-frequency brake squeal noiseC. SAE960993, 1996. Ibrahim R A and Madhavan S, etc. Experimental investigation of friction-induced noise in disc brake systemsJ. Int. J. of Vehicle Design, 2000, 23(3/4: 218-240. 陈小悦. 鼓式制动器低

32、频振颤的研究D. 北京：清华 大学, 1988. Chen Xiaoyue. A study of drum brake judder D. Beijing: Tsinghua University, 1988. (in Chinese Kusano M, et al. Experimental study on the reduction of drum brake noiseC. SAE851465, 1985. Chen Xiaoyue, Guan Dihua ,Wang Xiaodong. A study of drum brake judderC. Shanghai: SAE, IP

33、C-5 Paper891329, 1989. 蒋东鹰. 盘式制动器制动尖叫的研究D. 北京：清华 大学, 1998. Jiang Dongying. A study of disc brake squeal D. Beijing: Tsinghua University, 1998. (in Chinese Basford P. Properties of friction materials I: experiments on variables affecting noiseJ. Transactions of ASME, 1958, 80: 402-406. Sinclair D, Ma

34、nville N J. Frictional vibrationJ. Journal of Applied Mechanics, 1955, 22:207-214. Chikaromis S. Study of brake noiseJ. Mitsubishi Tech. Review,1968, 5(1: 23-28. Spurr R T. Brake squealJ. I Mech E, 1971, 95/71: 13-15. Millner N. A theory of drum brake squeal J. I Mech E, 1976, c39/76: 170-185. Milln

35、er N. An analysis of disc brake squealC. SAE780332, 1978. Rhee S K, et al. The role of friction film in friction, wear and noise of automotive brakesJ. Wear , 1991,146 :89-97. Spurr R T. A theory of brake squeal J. Proc. Auto. Div., I Mech E, 1961, 62: 33-40. BASFORD P R and TWISS S B. Properties of

36、 friction materials II-theory of vibrations in brakesJ. Transactions of the ASME, 1958, 80:407-410. FOSBERRY R A C and HOLUBECKI Z. An investigation of the cause and nature of brake squealR. Detreit: Motor Industry Research Association (MIRA, 1955/2. FOSBERRY R A C and HOLUBECKI Z. Third report on s

37、queal of drum brakesR. Detreit: Motor Industry Research Association (MIRA, 1957/3. 陈世雄. 鼓式制动器制动尖叫的研究D. 北京：清华 大学, 1988. Chen Shixiong. Study of drum brake squeal D. Beijing: Tsinghua University, 1988. (in Chinese Matsui H, Murakami H, etc. Analysis of disk brake squealC. SAE920553, 1992. Ishihara N a

38、nd Nishiwaki M, etc. Experimental analysis of low-frequency brake squeal noiseC. SAE962128, 1996. Liles G D. Analysis of disc brake squeal using finite element methodsC. SAE891150, 1989. Guan Dihua Jiang Dongying. A study on disc brake squeal using 155 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

39、 24 finite element methodsC. SAE Paper980579, 1998. 31 Nishiwaki M, Harada Hiroshi, et al. Study on disc brake squealC. SAE890864, 1989. 32 Chen Shixiong, Guan Dihua. Theoretical and experimental study on drum brake squealC. SAE Paper912497, 1991. 33 Zhu Xinchao, Guan Dihua. The experimental and sim

40、ulational analysis of drum brake squeal by structurally close-loop coupling modelC. SAE Paper931879, 1993. 34 Zhu Xinchao, Guan Dihua. Simulations of structurally close-loop coupling and experimental study on drum brake squeal of commercial vehicles C. SAE Paper945049, 1994. 35 Gouya M, Nishiwaki M.

41、 Study on disc brake groanC. SAE900007, 1990. 36 Nack W V . Brake squeal analysis by finite elementJ. Int. J. of Vehicle Design, 2000, 23 (3/4 :263-275. 37 Nack W V. Brake squeal analysis by finite elementsC. SAE1999-01-1736, 1999. 38 Lee J M, etc. A study on the squeal noise of drum brakesC. the 16th IMAC, 1998. 1369-1375. 39 Kung Shih-Wei, etc. Complex eigenvalue analysis fo