汽车噪声研究及控制

汽车制动噪声研究综述苟泽明，林荣会青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛（266520）E-mail ：weifang163@摘要：制动噪声的研究是从粘滑现象和负斜率现象论研究开始的，基于这些研究逐渐形成了制动噪声的自激振动理论，以及后来出现的“热点”理论。

摩擦材料抑噪是制动噪声研究的一个重要部分，摩擦材料的一些性质和特征对制动噪声都有很大的影响，本文着重阐述了摩擦材料对制动噪声的影响和改进摩擦材料来降低制动噪声的方法。

关键词：研究综述，制动噪声，摩擦材料，降低噪声0引言制动噪声已经成为社会普遍关注和亟待解决的环境问题之一，它严重影响当今城市生活的和谐。

制动噪声又会引起汽车振动，使汽车的平稳性和操纵稳定性降低。

所以对制动噪声的产生机理和消除措施的研究具有十分明显的价值。

随着数学模型在制动噪声研究中应用，把建立参数模型嵌入多体动力学分析环境中进行参数变量分析与基于有限元和模态综合技术建立有限元模型和摩擦耦合模型对制动噪声进行研究，开始成为现代制动噪声理论研究的主要方式[1,4]。

然而制动器工况的复杂多变性使得建模的结果往往与试验的测试数据有不可避免的差异，而且建模的方法在很多文献中都有详细介绍，所以本文没有对这些解析模型或数值模型进行介绍。

自激理论与“热点”理论虽然不能完美的解释制动噪声产生的真正原因，但是也为后来的研究者提供了一些研究的思路，是理论研究开始的基础，所以本文简要的阐述了这些理论。

现在对于如何从摩擦材料方面进行抑噪的研究综述不多，所以本文主要介绍了制动噪声涉及摩擦材料部分的研究。

1制动噪声的产生机理综述制动噪声产生的机理主要分为自激理论和“热点”理论[1,2,3]。

1.1自激理论自激理论是研究制动噪声最主要的理论基础。

它起源早，发展完善，有大量的实体实验模型和数学有限元模型。

对它的研究涉及小样实验、台架试验和实车试验。

为解决制动噪声问题提供了重要的研究方向和理论基础。

自激理论指出制动噪声产生的根本原因是摩擦导致自激振动或共振引起的。

在早期的很多研究者把摩擦副作为制动噪声的研究对象，提出自激理论的两个重要的组成部分粘滑理论和负斜率现象。

关于自激理论的一些简单数学模型可以用振动模型经过计算来描述从而揭示制动噪声与激励的关系[1,2]:（1）)(x v f kx x c x m ̇̇̇̇−=++m ——振动物体的质量；c ——物体的阻尼；k ——物体的弹性系数；v ——物体的移动速度；x ——物体的位移。

在振动时，相对v很小，可以忽略不计。

因此采用泰勒级数展开式：（2）()()()()⋯̇̇̇̇+′′+′+=−x v f x v f x v f xv f 略去与振动无关的,将（2）带入（1）中：（3）()[]0=+′−+kx x v f c x m ̇̇̇令=a 解得：（4）()()ϕωωω+=+=−−−−t Ae t C t C eX t m a c t m a c sin sin cos 2212ω——制动噪声的主频率；()2244m km a c −−A ——常数；——制动噪声振动开始时相位；ϕ以上的参数易出现识别困难的情况，所以式（4）通常仅用于在理论上说明摩擦材料及固定装置会产生自激振。

实际分析时，大多用实测的数值代替式(4)计算的得到的振动。

用上式还可以得自激振动的条件为：（5）()()c dv v dF dv v dF ><,0即当衬片的摩擦力相对于速度的导数为负值，而且其绝对值大于衬片的阻尼系数c 时，就会发生尖叫[3]。

这样就对负斜率理论进行了完善，同时指出了车速与制动噪声的关系。

即制动车速低且载荷大时容易产生制动噪声，增加衬片的振动方向上的阻尼系数能降低噪声。

1.1.2粘滑理论如图1，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α，并在端部受到载荷P。

在不考虑摩擦面摩擦系数的速度特性的情况下，如果接触角α满足一定的条件，便可导致弹性杆产生往复振动，其振动与弹性杆及其支座处的弹性有关[1,2]。

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，即制动器的结构因素在制动尖叫的产生中可能起着关键的作用。

粘滑理论没有直接用制动器作为研究对象，而是设计一个实体模型来研究分析制动噪声产生的原因，这是粘滑理论的应用受到了束缚。

粘滑理论根据制动时静摩擦力大于动摩擦力，认为摩擦材料相对于摩擦对偶运动时，摩擦力使弹性连结机构弹性变形，当制动副静摩擦变为动摩擦时，制动副的摩擦力小于变形力，为摩擦副的滑动部件提供了一个大的激励，造成制动器的制动噪声。

但是滑动的工况下，摩擦力相对比较稳定，这时粘滑理论的说服力就变得有限了。

所以陈小悦在鼓式制动器发“啃”的研究中，指出粘滑现象不是制动器产生噪声的原因，还证明就是鼓式制动器的发“啃”提供了粘滑现象的条件。

即当车速降低至临界车速时，以至于制动蹄的振动速度幅值大于制动鼓的线速度，产生粘滑现象的临界状态[1]。

1.1.3负斜率理论负斜率现象是摩擦系数在一定区域内随滑动速度的增大而减小引起制动噪声的现象。

通过众多研究者的大量工作，这种理论现在已经研究的非常纯熟，而且已经为制动器的噪声控制设计起了很大的指导作用。

然而1971年Spur的研究表明：与速度无关时，制动噪声仍可以发生。

反之，摩擦系数与速度的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Millnerf 亦证明了对于鼓式和盘式制动器，即使为常数，制动噪声仍可发生[1，2]。

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Rhee的试验研究表明：当摩擦界面温度升高，摩擦膜已经形成，摩擦系数保持稳定，而此时反易于发生尖叫。

但是实践证明负斜率现象对制动噪声的研究是有指导作用的[2~30]，前面的科学家的研究可能改变了一部分实验条件造成了对负斜率现象的影响，进一步的沿着他们的研究路线探索使用负斜率理论解释摩擦振动现象的产生也许可以为当前理论研究提供更有价值的资料。

1.2“热点”理论热点是指在制动过程中制动盘上出现的温度明显高于其它处的斑点状区域，这是由于当相对滑动速度达到一定值时，实际接触面积只是一处小的区域，理论摩擦面受热不均造成热点现象[1，2，3]。

热点可能会因为受热而膨胀高出周围表面，使摩擦材料产生垂直于摩擦切面的法向运动，因为摩擦材料是运动的，热点也是变化的，随着热点的变化制动器激起振动噪声[2]。

研究发现“hot judder”频率与汽车速度和摩擦表面的热点数目相关，进一步分析可以得到不稳定车速，以及对应不同车速不同的振动频率[1，2，3]。

但是这个热点理论不能解释制动噪声存在主频率的原因，其计算出的临界车速也往往比实际车速高，而且对低车速为什么会制动噪声无法进行解释。

因此，热点理论是不完善的，还需要综合更多的条件约束来调节，才能成为一个完美的理论。

2.摩擦材料对制动噪声的影响2.1摩擦系数对制动噪声的影响从摩擦系数的角度用粘滑理论和负斜率理论解释制动噪声现象时，可以假设制动噪声产生的主要原因是摩擦力突然变大后变小引起了初始振动激励，这个激振力非常大，是制动器部件产生较大振动的主要原因。

当摩擦负载相对稳定时，摩擦系数会随着摩擦温度的变化而变化，每一次摩擦系数的变化都会产生摩擦力的变化为制动噪声提供得以持续的能量[16]。

同时，若没有大的摩擦力变化出现，则制动噪声较小。

用这种研究方法来说明低速制动时易产生制动噪声的原因时，可以这样解释：物体的静摩擦系数要比动摩擦系数大，当在速度较低、载荷很大时，静摩擦持续的时间较长，制动器结构的形变量高，较小的摩擦系数变化会引起较大的摩擦力变化，形成对制动器部件很大的激励造成制动噪声。

当高速、低载荷时静摩擦系数的存在时间很短，部件的变形较小，因此激励较小，噪声相应也会较低。

这种解释与粘滑理论的观点的解释是具有相同之处。

当摩擦较为稳定时制动噪声的能量提供就会变得十分复杂，摩擦力的变化会为制动噪声的持续提供保障。

2.2摩擦材料的组织结构对制动噪声影响周军现等认为摩擦材料的混料不均引起的硬相分布不均匀会引起制动噪声。

孟宪皆等对制动噪声进行研究时也提出了摩擦力分布不稳定是造成制动尖叫的一个问题[31]。

同时研究中也指出混料不均与热点理论热点的产生也有一定关系[31]。

因此对摩擦材料均匀混料技术的研究是控制制动噪声产生的一个可行的方法。

随着阻尼吸振技术的发展，增加摩擦材料的粘弹性被证明包含抑制制动噪声的作用[10]。

从美国的一些研究报告中发现硬度太大是半金属摩擦材料产生制动噪声大的一个重要原因，在日本的一些专利当中，发现他们采取了软金属代替硬金属的办法来降低制动噪声。

特别是新的专利当中，日本专利[58-77663,59-24775]等采用添加软质不生锈半金属摩擦材料的方法来降低制动噪声[32]。

摩擦材料经过长时间的高温制动后会产生一层硬质面。

一些文献指出这些硬质面产生后会造成较大制动噪声是制动噪声产生的一个重要因素之一[29]。

这可能是硬质层与内层相对振动的结果，一般这种制动噪声听起来较为尖细。

制动噪声发生时，硬质层与内层弹性模量不同，在摩擦力的作用下可能产生相对移动和变形，当摩擦力随着摩擦材料的离去而消失时，硬质层产生复位运动。

硬质层质量小，恢复力较大，恢复速度快，能产生较高频的制动噪声。

为了减少制动噪声的产生因素，可以在摩擦材料的研究中把一些特殊组元添加入摩擦材料中来防止硬质层的产生。

2.3摩擦材料降噪技术的研究摩擦材料的降噪技术研究是一个伴随制动噪声研究产生的一个重要组成单元。

现在主要的降噪方法就是采用阻尼吸振和设计多孔结构。

一些研究中还发现合理调整配方，抑制粘滑现象及负斜率现象也可以降低制动噪声[10，14，16]，以及添加低温润滑材料提高摩擦材料的低温润滑性也是一种有效的降噪措施[7]。

现代轿车盘式制动衬片一般都加装一个阻尼片，阻尼片具有吸收5kHz以上噪声的阻尼特性[21]。

早期的阻尼片多采用冷轧钢作为原材料，但是实践证明冷轧钢片的降噪特性并不好，随着粉末冶金技术的工业化生产，原来的钢制阻尼片已经逐渐被粉末冶金材料所代替。

粉末冶金材料一般都采用软金属作为主体材料，通常还会添加一些抗氧化剂等。

但是鼓式制动器由于结构的原因，阻尼加装阻尼片现在还没有应用。

摩擦材料自身的阻尼吸振技术也在发展中，它更具有通用性，所以应该大力发展[24]。

多孔技术的研究由于直接作用于摩擦材料本身，所以在鼓式和盘式制动摩擦材料都可以被应用,研究的价值和意义比较大。

增加摩擦材料中空隙可以从改革工艺上[33]和选用材料组分上来获得。

增加多孔物质是一个最简单的方法。

一些文献中指出增加泡沫铁粉、蛭石、石油焦粉等多孔材料可以提高摩擦材料的孔隙度降低制动噪声的声级[31，33]。