摩擦片底料阻尼比對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器冷態(tài)尖叫的影響

李碧軍 吳磊 何小波 李飛 黎熙

摘? 要：本文結(jié)合制動(dòng)尖叫的發(fā)生機(jī)理，通過(guò)復(fù)模態(tài)分析系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，識(shí)別出摩擦片對(duì)冷態(tài)制動(dòng)尖叫的貢獻(xiàn)度最大，對(duì)比兩種含不同性能石墨顆粒的摩擦片底料的阻尼比，含回彈性好的石墨的摩擦片底料能夠提高摩擦片的阻尼比，從而可以降低系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法能夠有效對(duì)改善冷態(tài)制動(dòng)尖叫。

關(guān)鍵詞：冷態(tài)制動(dòng)尖叫；摩擦片底料；阻尼比；摩擦片底料

中圖分類號(hào)：U463.51? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）06-0026-06

Influence of Brake Pad Underlayer Damping Ratio on Cold Squeal of Disc Brake

LI Bi-jun， WU Lei， HE Xiao-bo， LI Fei， LI Xi

（ NIO Automotive Technology （Anhui） Co.， Ltd， Hefei 230601， China）

Abstract： In this paper， based on the mechanism of brake squeal， the instability of the system is analyzed by complex mode， and the maximum contribution of the brake pad to cold brake squeal is identified. The damping ratio of the underlayer of the brake pad containing different performance graphite particles is compared. The damping ratio of the underlayer of the brake pad containing good resilient graphite can improve the damping ratio of the brake pad， thus reducing the instability of the system.? The bench test and vehicle test show that the method can effectively improve the cold braking squeal.

Key Words： Cold Brake Squeal; Brake Pad Underlayer; Damping Ratio; Pad Underlayer

1? ? 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展越來(lái)越成熟，尤其是近年來(lái)電動(dòng)車的快速發(fā)展，對(duì)整車噪音要求提出了更高的要求，而制動(dòng)噪音是汽車整車噪音的一個(gè)主要噪音現(xiàn)象，因此如何有效解決制動(dòng)噪音，是一直困擾制動(dòng)行業(yè)的一個(gè)難題?，F(xiàn)代汽車的制動(dòng)噪音主要有Groan，Moan，Squeal等主要的幾種類型[1]。Groan和moan屬于低頻振動(dòng)噪音，Squeal就是通常說(shuō)的制動(dòng)尖叫，其頻率范圍在1～16kHz。一般把1～3kHz的尖叫認(rèn)為是低頻尖叫，把5～16kHz的尖叫認(rèn)為是高頻尖叫[2]。車輛起步階段比較容易發(fā)生制動(dòng)尖叫，這時(shí)摩擦片和制動(dòng)盤(pán)還處于冷態(tài)，通常認(rèn)為是冷態(tài)制動(dòng)尖叫，這種情況車速低，周邊環(huán)境相對(duì)安靜，這樣使客戶更容易覺(jué)察，因此冷態(tài)制動(dòng)尖叫更容易讓客戶產(chǎn)生抱怨，所以冷態(tài)制動(dòng)尖叫是在制動(dòng)器開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的噪音。

影響制動(dòng)尖叫的因素很多也很復(fù)雜。有制動(dòng)器各個(gè)構(gòu)成件的模態(tài)發(fā)生耦合，如制動(dòng)盤(pán)面內(nèi)和面外模態(tài)頻率接近發(fā)生了模態(tài)自激共振；有摩擦副摩擦特性的影響，如摩擦片表面形成MPU（Metal Pick-Up）摩擦系數(shù)波動(dòng)大引起的制動(dòng)尖叫；有環(huán)境溫濕度的因素，如低溫環(huán)境下導(dǎo)致制動(dòng)器的橡膠件阻尼特性變化引起的制動(dòng)尖叫，濡水后摩擦片摩擦系數(shù)變化引起的制動(dòng)尖叫；有特定的制動(dòng)工況因素，如在高溫時(shí)摩擦片衰退之后摩擦系數(shù)發(fā)生變化引起的制動(dòng)尖叫。因此，產(chǎn)生制動(dòng)尖叫的原因并非某個(gè)單一因素，這也是制動(dòng)尖叫至今為止仍然還是制動(dòng)行業(yè)的難題的原因。

對(duì)于制動(dòng)尖叫的發(fā)生機(jī)理研究，可以分為如下兩大類：①摩擦副的不穩(wěn)定理論，認(rèn)為制動(dòng)盤(pán)和摩擦片之間的摩擦副的摩擦系數(shù)波動(dòng)大是造成自激振動(dòng)是制動(dòng)尖叫的發(fā)生原因[3]，但是盤(pán)片之間的摩擦系數(shù)本身就是隨車速、減速度、溫度、濡水等內(nèi)外界因素變化的，存在隨機(jī)性和時(shí)變性，因此摩擦副不穩(wěn)定理論對(duì)制動(dòng)尖叫不能起到有效預(yù)測(cè)；②耦合理論，耦合理論又可以分兩類，一類是自鎖-滑移與模態(tài)耦合理論[4]，認(rèn)為摩擦系數(shù)-相對(duì)速度負(fù)斜率與自鎖滑移的聯(lián)合作用造成，模態(tài)耦合理論是目前行業(yè)制動(dòng)尖叫的熱點(diǎn)，認(rèn)為摩擦能量的饋入是導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定度增大，尤其是系統(tǒng)的阻尼特性對(duì)系統(tǒng)的不穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)起到至關(guān)重要的作用，另一類是摩擦激勵(lì)與結(jié)構(gòu)耦合的理論，該理論認(rèn)為盤(pán)片中之間微觀接觸點(diǎn)的摩擦副是一個(gè)瞬時(shí)沖擊激勵(lì)[5]，不同接觸點(diǎn)的多個(gè)瞬時(shí)沖擊激勵(lì)和各模態(tài)頻率產(chǎn)生耦合就會(huì)發(fā)生制動(dòng)尖叫。

通過(guò)有限元建模仿真中的復(fù)模態(tài)特征值法理論是目前制動(dòng)行業(yè)研究制動(dòng)尖叫的主要分析方法[6-9]，可以預(yù)測(cè)制動(dòng)尖叫發(fā)生的可能性和識(shí)別各個(gè)構(gòu)成件的貢獻(xiàn)度。本文基于復(fù)模態(tài)特征值法分析方法，識(shí)別出制動(dòng)器的摩擦片對(duì)制動(dòng)尖叫的貢獻(xiàn)度最大，對(duì)比兩種不同底料的摩擦片的阻尼比、系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)特征值的不穩(wěn)定度、Link3900制動(dòng)噪音臺(tái)架和整車實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高摩擦片底料的阻尼比，能夠有效的消除冷態(tài)制動(dòng)尖叫。

2? ? 復(fù)模態(tài)特征值分析法

目前浮動(dòng)式盤(pán)式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)基本上都是如圖1所示，其中摩擦片是由摩擦片面料、摩擦片底料、摩擦片鋼背和摩擦片消音片組成。摩擦片消音片一般是帶粘彈阻尼橡膠的薄鋼板，但是在低溫情況下粘彈阻尼材料會(huì)玻璃態(tài)，其阻尼特性會(huì)下降，導(dǎo)致消音片在低溫情況下對(duì)冷態(tài)制動(dòng)尖叫不能起到抑制的作用。摩擦片底料的主要作用是連接面料和鋼背，起到粘接面料和鋼背的作用，也有減振吸能的作用。

綜合考慮制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)摩擦塊面料、制動(dòng)摩擦片底料、摩擦片鋼背、摩擦片消音片、制動(dòng)卡鉗卡簧和卡鉗支架等制動(dòng)器單元的實(shí)際接觸情況，圖2表示上述構(gòu)成件受力示意圖：

制動(dòng)時(shí)，其系統(tǒng)的振動(dòng)方程如式（1）：

（1）

式中：Mi為質(zhì)量矩陣；Ci為阻尼矩陣；Ki為剛度矩陣；Kf為盤(pán)片之間接觸摩擦剛度矩陣；x（t）為振動(dòng)位移矢量；μ為盤(pán)片之間接觸面摩擦系數(shù)。

系統(tǒng)的剛度矩陣不對(duì)稱導(dǎo)致了特征值矩陣也是不對(duì)稱，在某些條件下就會(huì)有復(fù)數(shù)，系統(tǒng)的各階模態(tài)頻率和模態(tài)振型都是復(fù)數(shù)。

設(shè)系統(tǒng)的特征值為τi：

τi=σi+jφi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：σi為特征值實(shí)部，即系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；φi 為征值虛部，即系統(tǒng)的模態(tài)頻率。

故復(fù)模態(tài)阻尼比εi ：

（3）

當(dāng)復(fù)模態(tài)阻尼比是正數(shù)，當(dāng)能量饋入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)因存在正的阻尼比，就會(huì)吸收能量形成一個(gè)能量衰減系統(tǒng)，系統(tǒng)不會(huì)失穩(wěn)。當(dāng)復(fù)模態(tài)阻尼比是負(fù)數(shù)，認(rèn)為系統(tǒng)存在負(fù)阻尼，此時(shí)不能吸收外界饋入的能量，當(dāng)外界能量饋入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將振動(dòng)放大，形成自激振動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，一般用系統(tǒng)的復(fù)模態(tài)不穩(wěn)定度γi 作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)不穩(wěn)定度的指標(biāo)，用來(lái)預(yù)測(cè)制動(dòng)尖叫發(fā)生的可能性。

γi =-εi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

國(guó)內(nèi)外研究者通常將復(fù)模態(tài)不穩(wěn)定度大于0.01認(rèn)為是不穩(wěn)定模態(tài) [10-11]。

3? ? 摩擦片底料材料阻尼比

摩擦材底料是在摩擦片面料與鋼背之間，其主要作用是連接摩擦片面料和鋼背，承受橫向剪切力，同時(shí)具備降低摩擦振動(dòng)沖擊和隔熱等作用。

底料中的石墨材料需要有高回彈性、耐高溫的特性，尤其是在高壓縮、壓力消失之后又能夠恢復(fù)的特點(diǎn)，對(duì)制動(dòng)噪音抖動(dòng)有良好的改善[12]。

在理想的彈簧阻尼振子系統(tǒng)中，振動(dòng)方程如下公式：

（5）

求解以上方程，得到系統(tǒng)的阻尼比ε

（6）

當(dāng)ε=1時(shí)，阻尼系數(shù)為臨界阻尼系數(shù)，當(dāng)0<ε<1時(shí)，系統(tǒng)為欠阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)曲線如下。

實(shí)際工程應(yīng)用中一般把摩擦片當(dāng)成欠阻尼彈簧阻尼振子模型，摩擦片的阻尼比測(cè)量可以通過(guò)固有頻率方法，再換算得出阻尼比，如圖（5）和式（7）。通過(guò)敲擊法測(cè)量摩擦片的各階固有頻率，按照式（7）求各階固有頻率對(duì)應(yīng)的阻尼比。

（7）

4? ? 不同阻尼比的摩擦片底料對(duì)冷態(tài)制動(dòng)尖叫的影響

4.1? ?前盤(pán)式制動(dòng)器冷態(tài)尖叫分析

某電動(dòng)車型路試時(shí)發(fā)現(xiàn)前輪制動(dòng)器在冷態(tài)（環(huán)境溫度6～8℃，摩擦片溫度在低于50℃）狀態(tài)下發(fā)生多個(gè)頻率段的冷態(tài)制動(dòng)尖叫，如圖6所示，發(fā)生尖叫的車速約為20km/h，減速度在0.2～0.4g范圍內(nèi)，頻率范圍2.2～8kHz。

在Link3900制動(dòng)噪音試驗(yàn)臺(tái)按照實(shí)車發(fā)生冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫的工況（溫度、速度和減速度等）編寫(xiě)程序，臺(tái)架再現(xiàn)了該冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫，如圖7所示。從臺(tái)架結(jié)果來(lái)看，一共981次制動(dòng)，發(fā)生了354次冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫，發(fā)生率為36%，都是集中在10℃以下。

為了解決這種冷態(tài)工況下的制動(dòng)尖叫，通過(guò)Altair. Hyper Mesh 13.0軟件建立制動(dòng)卡鉗總成、制動(dòng)盤(pán)、摩擦塊的有限元模型，定義完邊界條件和計(jì)算工況后提交到Nastran SOL400，提取系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)模態(tài)。在分析的時(shí)候?qū)⒅苿?dòng)盤(pán)與摩擦片之間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4和0.6，液壓設(shè)定為1MPa，2MPa，3MPa等不同工況。統(tǒng)計(jì)14kHz以內(nèi)的復(fù)模態(tài)的不穩(wěn)定度與頻率關(guān)系，如圖8所示，多個(gè)頻率點(diǎn)存在大于0.01不穩(wěn)定度。

分析制動(dòng)器總成各個(gè)構(gòu)成件的對(duì)不穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)率，如圖9～11所示，多個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)振型最大貢獻(xiàn)率都是內(nèi)摩擦片。

4.2? ?摩擦片底料阻尼比對(duì)冷態(tài)制動(dòng)尖叫的改善

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期和成本原因，通常是采用最小變更來(lái)避免系統(tǒng)模態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，消除該車型的冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫。結(jié)合復(fù)模態(tài)分析制動(dòng)器構(gòu)成件對(duì)不穩(wěn)定度貢獻(xiàn)率最大是摩擦片的分析結(jié)果，以及摩擦片底料具有減振吸能作用，按照式（8）和圖（5）方法，對(duì)比了A（含脆性石墨）和B（含回彈性好的石墨）兩種的摩擦片底料在不同溫度下前三階固有頻率對(duì)應(yīng)的阻尼比結(jié)果如表1，含回彈性好的石墨的B底料摩擦片比含脆性石墨的A底料的摩擦片各階阻尼比都有提高。

該車發(fā)生冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫的摩擦片底料就是含脆性石墨的A底料，將含回彈性好的石墨的B底料的材料特性代入到復(fù)模態(tài)分析模型中，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，其結(jié)果如圖12所示，系統(tǒng)不穩(wěn)定度沒(méi)有超過(guò)0.01。

將含回彈性好的石墨的B底料的摩擦片在Link3900臺(tái)架上，按照實(shí)車發(fā)生冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫的工況程序測(cè)試，一共981次制動(dòng)中，只發(fā)生了3次制動(dòng)尖叫，如圖13所示，發(fā)生率0.3%，比含脆性石墨A底料的摩擦片大幅降低。

將含回彈性好的石墨的B底料的摩擦片用于之前發(fā)生冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫的實(shí)車試驗(yàn)，無(wú)冷態(tài)制動(dòng)尖叫發(fā)生，該方法有效的解決了這車型的前制動(dòng)器冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫。

5? ? ?結(jié)束語(yǔ)

（1）低溫狀態(tài)下摩擦片阻尼比比常溫狀態(tài)下低，這就是制動(dòng)器冷態(tài)狀態(tài)更容易發(fā)生制動(dòng)尖叫的原因之一。

（2）摩擦片底料中的回彈性好的石墨能夠起到減振吸能作用，通過(guò)含回彈性好的石墨的底料可以提高摩擦片的阻尼比。

（3）通過(guò)有限元復(fù)模態(tài)分析，可以識(shí)別出摩擦片對(duì)冷態(tài)多頻制動(dòng)尖叫的貢獻(xiàn)率最大，摩擦片的阻尼比對(duì)系統(tǒng)的不穩(wěn)定度有決定性作用。

（4）實(shí)車試驗(yàn)發(fā)生了冷態(tài)制動(dòng)尖叫，可以按照實(shí)車工況條件，臺(tái)架上模擬再現(xiàn)制動(dòng)尖叫，然后通過(guò)復(fù)模態(tài)分析系統(tǒng)的不穩(wěn)定度，識(shí)別出哪個(gè)零件的貢獻(xiàn)率最大，改善該零件，可以快速有效的解決制動(dòng)尖叫。

（5）在制動(dòng)器開(kāi)發(fā)初期，需要對(duì)摩擦片底料進(jìn)行分析，盡可能的提高摩擦片的阻尼比，能夠更好的吸能降噪，從而使系統(tǒng)不容易發(fā)生冷態(tài)制動(dòng)尖叫。

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專家推薦語(yǔ)

閆濤衛(wèi)

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

架構(gòu)開(kāi)發(fā)中心? 高級(jí)工程師

本文的研究方法合理，理論正確，數(shù)據(jù)可靠。研究結(jié)果對(duì)工程上解決冷態(tài)制動(dòng)噪音提供了方案，有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程價(jià)值。