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轿车制动器制动撞击噪音影响因素简析

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  摘 要:汽车制动器的撞击噪音是汽车行业内长期存在的热点和难点问题,各主机厂和制动器供应商对于此种噪音通常通过在实车上尝试不同的解决方案,而类似尝试不能系统和充分的分析和解决这一问题;在尝试中主要方案为调整制动器的结构设计,特别是各个相关零件之间的间隙配合,而这只是导致和解决噪音的部分因素。文章对撞击噪音发生的机理和工况做了介绍,该噪音主要发生在低温高湿且冷车时由前进切换成倒车时制动而产生的撞击声;一方面对产生噪音的多种可能影响因素进行了理论分析和阐述,通过整车试验和台架试验相结合的方式对主要影响因素进行了验证;另一方面探究噪音出现的外部条件即低温高湿所产生的影响,进一步研究了摩擦材料在不同环境条件下的差异性,从而突破性的发现和证实了结构设计影响之外的摩擦材料的影响。
  关键词:制动器;撞击噪音;摩擦片
  中图分类号:U463.51  文献标识码:A  文章编号:1671-7988(2019)08-86-04
  前言
  汽车制动器的撞击噪音是汽车行业内长期存在的热点和
  难点问题,它不仅会对汽车舒适性造成影响,而且会损害产品的市场声誉,有时甚至导致巨额损失。行业内常见的解决制动撞击噪音的方法是利用不同的方式减小相关零部件间的间隙,或者通过具有减震效果的隔离材料缓冲撞击来减小或抑制噪音的发生。本文基于某品牌车型在开发中遇到的制动撞击噪音,通过系统性的从理论角度分析所有影响因素,再结合整车和台架试验,以全面验证确认不同因素的影响。在分析和不断深入的验证中,除了确定不同因素的影响大小外,还逐渐发现,摩擦片摩擦系数的影响也起至关重要的作用,而关键点在于其影响是随着环境条件的变化而产生和变化的。
  1 制动撞击噪音简介
  1.1 发生机理和工况
  以制动器安装于轴前为例,汽车前进方向行进时制动(图1),摩擦片向下运动,A处间隙为0mm,B处间隙最大。当车辆转换成倒车制动时,摩擦片会随着制动盘向上运动,B处间隙变为0;在此过程中,摩擦片背板撞击转向节(根据制动器结构不同,可能是制动器固定支架,下面统一简称转向节),产生撞击噪声。由于制动器安装于轴前,在倒车切换为前进方向时,受重力作用,制动器会有微小的自由向下运动,使得A处间隙在制动前就减小,从而前进制动时的该种噪音发生概率很小。
  在实际使用中,制动撞击噪声多发生在冷车时,特别是在早晨 – 温度低而且湿度大的时候。在经过几次制动后,噪声就会减少,减轻甚至消失。这在整车试验时也得到了验证。
  1.2 制动撞击噪音的影响因素
  撞击声音来源于摩擦片背板和转向节的接触间隙处,由于转向节为固定件,声音是在摩擦片背板运动而撞击在转向节时产生的。以活塞侧摩擦片为例进行力学分析,可以建立如下速度模型。外侧摩擦片的受力和速度模型相近,不同的制动器设计,其相应模型可能略有不同。
  式中:v为摩擦片的运动速度;m为摩擦片质量;?B为摩擦片与制动盘间摩擦系数;?S为摩擦片减震片与活塞间摩擦系数;pA为制动系统压力;Δx为摩擦片背板与转向节间隙;?M为摩擦片背板与转向节间摩擦系数;FF为支撑摩擦片的弹簧力。
  2 制动撞击噪音试验与分析
  2.1 制动撞击噪音试验与分析
  针对某一出现制动撞击噪音的车型(图3)进行整车和台架试验,来研究和验证不同影响因素对解决撞击噪音的优化效果。
  通过台架试验可以发现,在出现明显噪音的时候,摩擦片的速度高,而没有噪音的时候,摩擦片速度低。图4-a的图线记录了发生撞击噪音的制动过程,图4-b的图线记录了没有发生撞击噪音的制动过程。可以看出,图4-a发生噪音的瞬间时长大约为图4-b的十分之一,即摩擦片的撞击速度大约为后者的10倍。因此判定可以将摩擦片速度作为判定撞击噪音发生的物理参数。
  将各个方案分别应用到相关车型中,对整车进行2,000公里的普通用户驾驶习惯的里程积累,每天早上在较低温度和较高湿度的条件下进行撞击噪音的寻找和主观评价。将评价结果与前述公式中提及的影响因素进行对比和分析。
  从公式(1)可以看出,在出现撞击噪音的时候,由于摩擦片质量m由制动器功能设计决定,虽然增加重量对降低速度有帮助,因局部增重带来的整体增重并不受零部件和主机厂的欢迎,不作为考优先级考虑;而制动系统压力pA在制动器工作中是变量而且其工作范围是对系统的固有要求,显然,压力大即重踩踏板的时候摩擦片速度更高,从而更容易产生噪音,这与台架试验和整车表现一致。
  Δx作为摩擦片和转向節间的间隙,是导致噪音发生的根源所在,理论上间隙为0则不会有噪音的发生。在试验对比中可以发现,间隙越小对于减少和减轻撞击噪音有较为明显的效果。但是由于受生产装配限制和制动过程中制动器滑移功能的要求,此处的间隙不可能为0。因此,只能在间隙尽可能小的前提下,考虑其它因素的作用。
  ?B是在公式中继Δx之后对v即摩擦片的运动速度影响最大的被减数。?B是摩擦片与制动盘这一对制动摩擦副的摩擦系数,也是制动器的最关键参数之一。从公式可以判断,摩擦系数越低对于减小制动撞击噪声越有帮助,事实上,摩擦系数降低对于各种其它制动噪音都有积极的影响,但受任一特定汽车对制动系统的要求和限制,特别是在整车和制动系统的布局已经确定以后,允许的摩擦系数的降低非常有限。然而,在对整车进行试验的对比时,可以发现,不同的摩擦材料配方即使在名义摩擦系数相近的情况下,撞击噪音的表现也有很大的差异。甚至出现了一种情况:名义摩擦系数大的某低金属摩擦材料的噪音表现反而比另一名义摩擦系数小的某一陶瓷(NAO)摩擦材料更好。由于摩擦材料的性能表现受各种条件的影响很大,名义摩擦系数作为各种不同工况下多次采集和计算的平均摩擦系数,并不能简单的用来评价其与单次噪音表现的相关性。在整车中对低金属和陶瓷的摩擦片分别进行了几种不同配方的对比验证,发现在名义摩擦系数相近的情况下,低金属摩擦材料的噪音表现总是比陶瓷(NAO)摩擦材料更好。   考虑制动撞击噪声多发生在特定的环境条件-低温度和高湿度,需要对两类摩擦材料在这种特定的条件下进行摩擦系数的对比研究。
  ?S是摩擦片减震片与活塞间的摩擦系数,此处的摩擦相对于制动盘和摩擦片间的摩擦力方向相反,因此越大对于优化撞击噪音越好。这里的摩擦系数越大,要求减振片和活塞接触面的粗糙度或黏着力越高。整车试验分别对减振片和活塞表面进行过表面处理的方案做了验证对比,在试验前期,噪音改善较为明显,而随着里程的增加,改善减小直至逐渐消失。后对试验件拆解,发现特别处理的表面经历一定的工作后产生磨损。如果能够解决这里的磨损问题,这一点可以解决或改善制动撞击噪音。
  ?M是摩擦片背板与转向节间摩擦系数。由于两者均为金属,而金属间的相互摩擦系数很低,可以调整的可能空间也很小。
  FF是支撑摩擦片的弹簧力。理论上增大FF可以改善制动撞击噪音,但在实际试车试验中,用可以实现的增大该力的样品,并没有明显的改善相关噪音。这可以解释为由于此力对于制动器的功能要求和受限于装配制造性,可以调整的空间有限,因而并不适用于实际产品。
  2.2 摩擦材料的对比分析
  考虑制动撞击噪声多发生在特定的环境条件-低温度和高湿度,对两类摩擦材料在这种特定的条件下进行摩擦系数的对比。对比发现,在相对低温的相同条件下,低金属摩擦材料在不同湿度条件下,摩擦系数基本稳定;而陶瓷摩擦材料在高湿度下的摩擦系数比名义摩擦系数增大很多。
  从几个不同供应商的不同陶瓷材料的台架对比试验,可以得到相近的变化趋势。由此证明在特定的环境-低温度和高湿度,陶瓷摩擦材料的摩擦系数相对相同温度下低湿度的摩擦系数有显著增加。在整车上经历多次制动后,由于制动盘和摩擦片的温度升高,摩擦片的摩擦系数趋于稳定即降低为名义摩擦系数的水平,噪音不再发生。
  发现陶瓷摩擦材料的这一特性,既能合理的解释为什么部分制动器在低温度且高湿度的环境下出现制动撞击噪音,这也为解决这一噪音奠定了有利的基础。
  3 结论
  影响汽车制动撞击噪音的影响因素有多种,经过理论分析和试验验证,本文得到的结论如下:
  1)影响因素包括公式(1)中的所有变量;
  2)但是受整车系统布局,功能要求和制造可行性的限制,可以用于改善制动撞击噪音的有效参数有限,包括摩擦片背板与转向节间的接触间隙,摩擦片减振片和活塞或制动器壳体接触面的粗糙度或黏着度,以及摩擦片的名义摩擦系数;
  3)摩擦片的摩擦系数对制动撞击噪音的影响很大,特别是在低温度高湿度的条件下;
  4)陶瓷摩擦材料在低温度条件下,摩擦系数在高湿度时明显高于低湿度时,而这一差异在倒车工况更为明显;低金属摩擦材料没有这一特征;因此对于低温度高湿度下发生的制动撞击噪音,如何选择摩擦材料类型和如何保证摩擦片在该特定条件下的摩擦系数不会偏离
  名义摩擦系数太多,是解决问题的关键。
  参考文献
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