行车制动器噪声研究探析

      随着汽车工业的发展，汽车作为一种代步工其，已经进入普及时代。与安全性能有关的行车制动问题，成为行车工程上的重要问题，制动器成了人们研究的主要项目之一。目前行车制动大多采用摩擦制动，行车制动系统中摩擦副的性能与结构是行车乘坐舒适性、耐久性，特别是行驶的安全性的根本影响因素。
      不得不指出的是伴随着行车所带来的便捷生活，是随之而产生的噪声污染，它已成为现代城市生活中不可忽视的一大公害。据统计，城市中的噪声中交通运输噪声可占75％，行车噪声则占其中的85％。而行车制动时产生的尖叫和振颤声又是行车噪声的主要组成部分。因此为了提高车辆的舒适性，世界各大行车公司都对行车噪声水平制定了严格的控制标准，将噪声的控制作为重要的研究方向。研究限制行车制动噪声已成为行车制造商，乃至整个人类社会的强烈共识和亟待解决的重要问题。
      1行车制动器噪声蛋内外研究水平和现状
      早期的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己成为研究重点。对制动振动噪声从理论上和技术上进行系统的研究始于上世纪五十年代，到目前为止已经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，在工程上所采用的抑制尖叫产生的措施基本上都是经验性的，而不具备通用性。
      制动噪声的频率范围非常广。可以从几十赫兹至上万赫兹。在一次制动中，制动噪声在多数情况下是一种音色，偶尔有两三种音色同时发生。而在人耳的感受中，一般在几百至上万赫兹以内的高频成分最为刺耳，也最难消除，是制动噪声中的主要成分，也是厂家需要研究解决的重点在上世纪的整个五十年代，摩擦材料本身的特性～直被认为是引起制动尖叫的根本原因。这～阶段主要有两种理论。第一种理论把制动尖叫归结于摩擦副的摩擦特性。基于此理论的研究，可以把制动尖叫简单地归结为当静摩擦系数大于动摩擦系数或动摩擦系数f随相对滑动速度v的变化率af／av<O时制动系统的自激振动问题。
      摩擦特性理论能够解释制动尖叫的某些现象，但与许多试验结果不一致。即使相同的摩擦副，用于不同结构的制动器，发生尖叫的倾向也大不相同。R．TSpur的研究结果表明：有时f与v无关，制动尖叫却照样发生，而即使af／av很大，制动尖叫也不一定发生，于是产生了第二种理论，即Sprag—slip理论。Sprag—Slip理论解释了当摩擦系数为常数时(即f与v无关)，仅因摩擦副的几何特性选择不当，便可导致系统自激振动的产生。这一理论的进一步发展，形成了几何特性耦合理论。几何特性耦合理论强调了结构耦合特性(摩擦表面的摩擦祸合以及各部件之间的弹性耦合)对制动尖叫的影响，摩擦材料的f—V特性并非产生制动尖叫的必要条件，f本身也是影响制动尖叫的重要因素。
      进入八十年代末、九十年代初，国外对行车制动尖叫的研究进入了一个新的阶段，不再单纯地从简单的物理模型出发研究制动尖叫的问题，而是开始试图通过对实际制动器结构建立动力学模型，从理论上对制动尖叫问题进行定性乃至定量的分析。经过理论推导和试验，得出能够防制动尖叫的制动块必须具有以下这些特性：经过特别设计的外形尺寸(短、宽和厚)尽可能高的弹性模量以及尽可能高的制动钳刚度。
      在进行理论研究的同时，国内外学者还进行了大量的试验：成功的研究实例有1980年的Felska抑制鼓式制动器噪声的解决方案(该方案通过增加底板刚度，制动尖叫被成功抑制)。现在的试验方法和原理已逐渐趋于成熟，并与理论研究结果具有很好的一致性。
      因此，理论研究和试验研究，都是解决制动器的振动与噪声的重要方法。迄今为止，人们已经把全息照相、激光多普勒分析、有限元分析以及试验模态技术等引入到制动器的振动和噪声研究中，并取得了一定的成果。
      2行车制动器嗓声的研究趋势
      尽管对行车制动器噪声问题的研究己经有几十年的历史，但由于问题本身的复杂性以及技术手段的局限性，该问题并没有得到有效的解决。从声学系统角度分析， 由于结构噪声来源于结构的振动，控制结构噪声的根本在于控制结构的振动，具体的研究可以从以下两个方面进行：
      一种是从噪声源上进行控制， 即有源控制技术。制动噪声控制是对其辐射噪声的控制而不是空间噪声控制，因此有源消声不尽合适。另一种是从传播途径上进行控制，即无源控制技术。包括消声、隔声、隔振、阻尼减振等。其中，阻尼减振主要是利用阻尼材料高损耗因子使物体振动能量转化为热能而散发掉，从而达到降低结构噪声辐射的目的。利用薄膜阻尼结构，即通过增加一定的阻尼板料和阻尼材料等环节后，使制动块等直接影响噪声产生的结构因薄膜阻尼而大大增加振动能量的损耗，从而达到降噪目的。另外在制动器减振降噪方面，摄积极有效的控制办法是通过改善制动器本身的结构、材料和参数等等，来设法降低噪声源的本体噪声，即声源降噪。
      随着计算机技术的迅猛发展，计算机在噪声与振动控制领域的应用越来越广泛。在这方面，我国与发达国家的差距很大：其一，利用计算机建立噪声源数据库和环境噪声数据库，国外己有相当大的进展，国内正在起步：其二，噪声预测和评价，国外7O年代开始就利用计算机对城市道路交通噪声和飞机噪声进行预测，8 0年代又开始了工业噪声预测。其三，噪声控制工程和噪声控制产品的计算机辅助设计(CAD)，发达国家己有较为成熟的计算机软件系统。由于受财力、物力和技术水平的限制，国内在应用计算机于噪声控制技术及产品优化设计等方面才刚刚起步。
      综上所述，国内对制动器振动噪声的研究主要还是基于试验方法，通过试验确定系统的动态特性和噪声辐射体，最后再分析论证噪声产生的原因，并在该基础上采取降噪措施。这种做法提高了费用，延长开发时间，效率较低。今后的研究方向是通过计算机，利用虚拟样机技术、模态分析技术、有限元方法、边界元法、多体系统动力学理论等方法来提高设计分析能力，缩短了新产品的研制开发时间、节省研制开发成本和进行大量试验所需的费用，从而提高产品的市场竞争能力。