制动器Rattle噪音影响因素与试验分析

赵立微

制动器Rattle噪音影响因素与试验分析

赵立微

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

制动Rattle噪音是长期困扰整车车企和制动器供应商制动噪声、振动与声振粗糙度（NVH）难题。为分析和解决该项难题，文章以某制动器项目为载体，通过建立单自由度运动模型和力学模型，对该噪音制动器进行运动和受力分析，确定影响该制动器Rattle噪音的各项因素。同时通过整车验证和分析阐述了制动器各主要因素在实际噪音产生过程中起到的作用，分析结果表明噪音发生位置间隙控制是影响该噪音至关重要的内在因素。研究分析过程中对解决该噪音问题各项因素和方法也进行了梳理，为整车车企和制动器供应商解决类似噪音问题提供参考。

盘式制动器；摩擦片；Rattle噪音；振动加速度

近些年来，随着国内汽车行业电动化和智能化的快速发展，汽车用户消费升级对整车产品和整车舒适性的要求也日益增加。汽车电动化发展对整车噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）水平和降噪技术相对原有燃油车都有明显提高。因此，制动NVH作为整车舒适性的重要方面，随着近几年汽车行业的发展，已越来越得到整车企业的重视。之前在燃油车开发中不被消费者重视的Rattle噪音，在当前整车开发过程中也逐渐越来越得到关注。

本文以某车型盘式制动器制动Rattle噪音为载体，通过理论分析确定噪音主要影响因素和相应解决方法，且通过整车验证和对比分析确定不同因素对该噪音的影响，以便供相关企业制动器开发时参考和解决类似相关问题。

1 噪音原理

1.1 噪音现象和原理

制动器Rattle噪音与制动Clack噪音同属于制动器常见撞击噪音类型，但基本原理却具有明显不同，其根本在于提供撞击噪音的能量来源不同[1-2]。它具有瞬时性和间歇性特征，整车表现为车辆以一定速度经过颠簸路面（如减速带、负坎路、比利时路等）非制动工况下制动器内零部件间会产生类似“嗒嗒”的金属撞击声。而颠簸路面即为产生该噪音提供低频随机输入和激振能量。

汽车在路面上行驶时，摩擦片受到重力及运动载荷因素影响，摩擦片与制动器支架下侧下止点接触，摩擦片与制动器支架上侧间隙∆最大。当非制动工况车轮受到路面不平激励时，摩擦片受到支架支撑力影响产生相对运动。当摩擦片受到激励足够大时，摩擦片上侧与制动器支架上侧发生相对撞击，进而产生撞击噪音。如此往复，摩擦片与支架上下侧撞击噪音即为制动Rattle噪音。实际上除上述噪音发生位置以外，因制动器结构设计差异，在部分项目中制动Rattle噪音也发生在摩擦片与壳体之间，也有少数在壳体与支架之间[3]。本文介绍的Rattle噪音源发生在摩擦片与制动器支架之间，如图1所示。

图1 制动器结构与撞击间隙

1.2 噪音分析模型

为更深入研究该制动器Rattle噪音原理，以抱怨制动器摩擦片与支架间Rattle噪音为例，建立单自由度有阻尼运动简化模型[4]。如图2所示，刚性摩擦片质量为与刚度的线性弹簧和粘性阻尼相连接。原点=0是摩擦片质量块的初始平衡位置，间隙∆为初始平衡位置时摩擦片与刚性障碍物支架的初始间隙。摩擦片在受迫运动过程中将受到低频随机激振力()影响与刚性支架发生撞击。该摩擦片的随机性激振力为()与道路路谱激振力函数有关。从而基于上述条件得到微分方程式（1）。

图2 单自由度运动模型

''()+['()-'()]+[()-()]=0 （1）

从运动模型可以得知，当()<∆时摩擦片运动最大位移未达实际间隙没有发生撞击；当()=∆时'()=0，摩擦片刚刚与支架接触且瞬时速度为零，不会产生撞击噪音；当()>∆时摩擦片运动最大位移大于实际间隙，摩擦片背板与制动器支架发生撞击，撞击瞬时速度分别为'()>0。从运动模型微分方程式（1）可知，受任意输入激励()影响输出响应()振幅和相位与输入激励()具有直接关系。由于道路路谱函数()在实际应用中具有多种随机性，在此将不再对输出响应()分类计算。

2 噪音影响因素分析

当制动器非制动操作时，颠簸路面激励为摩擦片产生振动能，发生撞击时自身动能转化为摩擦片与制动钳撞击振动能量，当能量足够大时将通过空气传播为声能为用户所感知。相反，当制动器被施加制动操作时，活塞缸受到缸内液压压力，将摩擦片向内推移与制动盘产生刚性接触。此时液压制动力远远大于路面激励传递对摩擦片激振力，摩擦片被压实在制动盘上，无法产生撞击Rattle噪音。

以摩擦片与支架上侧撞击为例，通过分析得知当摩擦片受到制动钳支架瞬时激励()时，摩擦片产生瞬时加速度z和瞬时初速度0。

z=z=0/∆（2）

式中，z为支架对摩擦片的瞬时支撑力；a为摩擦片瞬时加速度。

当撞击发生时，撞击瞬时内摩擦片（活塞侧）的撞击瞬时动能t如式（3）所示，撞击过程摩擦片受力模型如图3所示。

式中，t为摩擦片撞击支架瞬时速度；为摩擦片质量；0为摩擦片受路面激励传递的初始运动速度；k为支架与背板接触处摩擦系数；k为支架对摩擦片背板正压力；()为弹簧片对背板支撑力；∆为撞击位置间隙。

图3 活塞侧摩擦片受力分析

从式（3）得，摩擦片质量由制动器功能设计决定，减小摩擦材料和背板重量显然能够达到降低撞击动能t需要，但导致制动器材料、设计成本大幅增加显然不是最佳选择。kk与制动器结构设计有关，k与摩擦片背板和制动器壳体、支架等结构的材料属性等有直接关系，显然制动器材料属性因为噪音而优化变更的技术成本较高、可能性较小。k直接影响制动拖滞力矩、噪音、磨损等性能，显然对制动器综合性能影响较大，需要综合考虑。因此，摩擦片运动初始速度0和撞击位置间隙∆是改善该噪音重要影响因素。

但是摩擦片运动初始速度0主要受非制动器因素影响。制动器作为整车非簧载质量的一部分，其受到激励主要与路面激励、车辆行驶速度、悬挂与车轮刚度与阻尼等非制动因素有关。当汽车行驶在颠簸路面时，在轮胎及悬挂刚度及阻尼不变的条件下，车辆行驶速度、路谱激励等均会对摩擦片初始速度和振动加速度有较大的影响。但上述影响0因素均为制动器以外影响因素，非制动器自身因素，所以在实际问题中通过该因素改善Rattle噪音情况显然并不现实。

撞击间隙∆主要是撞击位置摩擦片背板与制动钳支架的实际间隙。该间隙存在是撞击噪音的主要原因，虽然其它位置设计间隙也存在，但尺寸间隙稍大，当前设计情况下不足以导致撞击发生。所以撞击间隙∆降低可以有效改善该噪音，但不可能为零，必须保持适当大小，以满足装配、壳体滑移力、拖滞力矩、偏磨、其它噪音等技术要求。因此，撞击间隙只能尽可能减小，同时综合考虑各种其它因素。所以在实际噪音问题解决中改善撞击位置间隙成为首要考虑因素。

另外我们也发现，Rattle噪音发生在非制动工况，该工况下制动盘片间有空气间隙设计要求，盘片摩擦系数、制动器温度等对该噪音并无明显影响。但伴随制动钳活塞缸液压压力逐渐增大，制动盘片逐渐贴合产生相对滑动摩擦，摩擦片侧向和周向自由度受到限制，噪音随之减弱直至消失。因此，制动器活塞缸液压压力对该噪音有明显影响。

3 整车验证与分析

针对前述已发现的制动器Rattle噪音影响因素进行整车试验分析，进而研究和验证不同制动器因素对该噪音的影响。通常对于噪音类测量最直接的方法是使用麦克风，但在该噪音实际测试中由于路面激励、外界环境、底盘及轮胎噪声等影响，麦克风测量结果中掺杂了较多与噪音频率相近的杂频，数据处理相对困难。

图4 摩擦片振动加速度

制动器振动加速度测量点选择内外侧摩擦片、制动钳壳体与制动钳支架。测量布点位置和方向参见图5(a)所示。整车测试行驶速度约为 30 km/h，道路路谱如图5(b)所示。经多次分析确认在该路况和速度下Rattle噪音相对清晰且干扰较小便于分析。

图5 测试传感器位置及测试道路示意

3.1 制动工况因素

以相同车辆行驶速度30 km/h通过连续凸砍激励，如图6所示制动与非制动方式摩擦片的振动加速度最大值相差4至5倍。当制动工况即采取液压制动方式时摩擦片紧紧贴合制动盘，仅有制动盘片的滑动摩擦，摩擦片与制动器壳体与支架似刚性连接，不再有相对运动，且内外摩擦片振动加速度趋于一致，因此，制动工况Rattle噪音不会发生。此时制动工况摩擦片振动加速度即为非簧载质量在该行驶和路面激励条件下振动加速度。同时非制动工况内外摩擦片分别受不同间隙影响也存在振动加速度差异。

图6 制动工况与振动加速度关系

3.2 间隙与阻尼因素

撞击位置摩擦片和支架的间隙∆，该间隙存在是导致噪音发生的关键原因，理论上间隙为零时摩擦片在该方向的自由度被完全限制，则不会有噪音发生。在试验验证中也发现，间隙减小能够明显改善噪音发生。如图7所示，原设计间隙为0.55～0.60 mm，优化后间隙为0.35 mm，碰撞位置间隙优化可使最大振动加速度下降约300 m/s2。测试工程师主观感受噪音也得到明显改善。在实际改善噪音过程中应综合考虑其他因素确定撞击位置相对合理设计间隙。

支撑摩擦片的弹簧力k，增大该弹簧力可以改善该噪音，原因在于在相同的试验条件下增大该作用力可以限制摩擦片运动和消耗摩擦片运动能量，达到改善该噪音效果。但弹簧力同样受限于制动器其它参数设计要求，只能在适度范围内同时通过改变弹簧结构、改变减振阻尼等方式实现。该方法需要针对不同制动器设计酌情应用，且可以与缩小间隙∆同时实施达到改善噪音效果。

图7 间隙设计与振动加速度关系

图8中原弹簧结构设计优化为双向单侧背面分别增加0.15 mm阻尼涂层，通过阻尼分子内部能量耗散摩擦片运动动能，测试结果表明该方法也可以达到很好的降噪效果。摩擦片在向最大振动加速度可以下降约200 m/s2。另外由于原内外间隙存在不同，导致优化效果也呈现明显差异。因此，也说明弹簧和阻尼设计优化和间隙优化同时考虑将会呈现更好的优化噪音效果，在实际解决噪音考虑噪音问题时可以根据实际情况确定相关优化方案。

图8 阻尼设计与振动加速度关系

4 结语

文章通过制动Rattle噪音的运动模型和力学模型公式分析影响该噪音的相关因素，并通过整车对比试验验证分析确定影响因素不同变量差异对该制动器Rattle噪音的影响。分析研究得出：

1）该制动器影响Rattle噪音的因素如式（3）所列相关因素。

2）制动器关键因素摩擦材料摩擦系数、制动盘温度对该噪音无影响；制动器活塞缸液压力大小对摩擦片侧向和切向自由度有不同限制，对该噪音有较大影响；外部因素车辆行驶速度和道路路谱激励为该噪音提供激励能量，对该噪音有较大影响。

3）影响该噪音的制动器内在因素主要取决于撞击位置间隙。制动器固定弹簧支撑力和阻尼设计等隔振方法作为间隙控制有效补充可以进一步改善噪音，在实际降噪中可以考虑综合应用。

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Influence Factors of Brake Rattle Noise and Test Analysis

ZHAO Liwei

( SAIC Volkswagen Automotive Company Limited, Shanghai 201805, China )

Brake Rattle noise is one of the noise,vibration,harshness(NVH)problems that has long plagued automobile manufacturers and brake suppliers. In order to solve this problem, based on the brake development project, this paper establishes the single degree of freedom model and mechanical analysis model, and determines the main factors that affect the brake Rattle noise. At the same time, by the vehicle test verification and analysis, the role played by the main factors of the brake system in the process of the brake noise generation is described. The analysis results show that the gap control of the noise generation position is the key internal factor affecting the noise. In the process of research and analysis, various factors and methods to solve the noise problem are also sorted out, which could provide the reference for Automobile enterprises and brake suppliers to solve similar noise problems.

Disc brake;Brake pad;Rattle noise;Vibration acceleration

U462

A

1671-7988(2023)11-174-05

赵立微（1981－），男，硕士，工程师，研究方向为汽车底盘制动系统集成与制动NVH开发，E-mail:zhaoli wei@csvw.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.032