制动噪音与环境因素的分析及改善措施

李虎本 黄巨成 朱亚伟

制动噪音不仅有单一性的激励和系统性的激励，且受环境因素影响较大，如晨起噪音、地域性噪音等。正因为制动噪音复杂性，所以制动噪音不仅成为各主机厂的瓶颈技术难题，也成为是制动器供应商的行业难题。

一、制动噪音的相关因素

1、制动噪音的可控因素

制动噪音的类型与部件相关如图1所示。

如图l所示，噪音是通过摩擦激励，有两个或两个以上的部件共振产生。通过调整各部件自身材质、压缩、结构、刚度或者部件间的配合方式，能有效降低或者预防噪音的产生，把该相关部件作为可控因素。

2、制动噪音的不可控因素

制动噪音的不可控因素主要分为以下四方面。

（1）自身磨耗及老化。

（2）道路的加载与震动。

（3）不良使用。

（4）自然气候环境。

二、制动噪音的不可控因素分析

1、自身磨耗及老化

随着里程的增加，刹车片和刹车盘自身的磨耗引起的物理特性改变，以及刹车片消音片粘接胶的老化引起的阻尼特性改变，形成的耦合性噪音。

2、道路的加载与震动

行驶道路路況的干扰和震动引起噪音的方式具有多样性，如泥泞路涉水引起异物入侵，导致制动盘/片摩擦面划伤的非正常噪音。

3、不良使用

客户长期高温，高压制动导致刹车片表面形成釉面层，摩擦系数输出不稳定造成非典型噪音（注：釉面层区分于转移膜，转移膜对噪音和制动稳定性有改善作用，同时釉面层也区分于MPU，两者非常相似，但是有本质区別，釉面层为刹车片有机物碳化形成的硬质点，MPU则是制动盘金属并集聚镶嵌于刹车片）。

4、自然气候环境

自然气候环境包括：环境的温度、湿度和大气盐分等诸多方面。环境的交互会引起某些部件固有特性的改变从而导致噪音，如高湿状态下会导致的摩擦系数升高，增加制动片对盘的攻击性，形成攻击性噪音。

就以上不可控因素进行分析，无论是自身的磨耗及老化，还是路况和不良使用问题，都很难通过部件自身的改善来抑制噪音问题的产生。但自然环境不同，自然环境虽不可控，但是否可以采用对自然环境不敏感的惰性材料进行优化呢？

三、自然气候环境与材料的交互

2014年某车反馈全国共59个城市共计172例噪音，其中沿海城市14地市个反馈113例，内陆城市45地市仅仅反馈59例，且15例反馈以上的地市都集中在沿海地区，呈现明显的地域性。

1、噪音分析

该噪音虽呈现地域性，但沿海分布较广温差较大，所以跟温度相关并不强烈，考虑和沿海地区的湿度和大气盐分强相关。

如图2对该故障分析过程的发现，其故障件开槽中夹杂的成分主要为Fe₂O₃，对其来源做如下分析。

（1）制动盘的磨损。

（2）刹车片本身。

因现阶段制动盘材质无可取代，即对刹车片材料进行分析，该摩擦材料中含有还原铁粉。还原铁粉是一种活性很强的铁粉，因其颗粒小与空气接触面比较大，极易产生氧化，其加工过程需要惰性气体保护，常温条件下极易成氧化Fe₂O₃，而Fe₂O₃在摩擦材料中作为增摩剂应用。还原铁粉氧化成Fe₂O₃，增加了摩擦系数，从而增加制动片对制动盘的攻击性，导致噪音产生。

2、故障再现

首先对制动片借用盐雾实验标准《ASTM-B117》进行锈蚀实验，如图3所示，模拟出故障原因（下面称作：模拟故障件）。

然后进行SAE J251的噪音验证，与故障件进行对比确认，如图4所示。

对比可发现，故障件和模拟故障件其噪音频率都在2100Hz和7000Hz完全吻合。

3、回归分析

将刹车片锈蚀层打磨后再进行SAE J2521验证噪音故障是否消失。以确定锈蚀影响，回归分析噪音频率图，如图5所示。

将故障件锈蚀层打磨后2100Hz和7000Hz噪音消失，确定锈蚀影响。

4、故障分析总结

结合故障再现和回归分析，可判定噪音为同一故障：锈蚀导致。

结合我国沿海空气盐度分析，确定沿海降水、风力扩散导致的空气潮湿和沿海城市大气中含有海盐成分，是导致摩擦材料刹车片工作面表面锈蚀的环境因素。刹车片中的还原铁粉是对该环境因素敏感的内在原因。

四、噪音整改措施

针对环境因素导致的摩擦材料工作面锈蚀，优化对环境敏感的材料成分如还原铁粉，并延展可锈蚀的材料如钢棉等确定如下方案进行锈蚀实验。

方案一：钢棉替代还原铁粉（测试钢棉锈蚀程度）。

方案二：矿物类替代黑色金属。

目前锈蚀实验考察对象为刹车片背板材料，对摩擦材料本身锈蚀标准缺失，故借用军《GJDl50.11-2009军用装备实验室实验方法》对刹车片进行抗锈蚀实验。该标准为24h的交替实验，如图6所示，这种交变方式和试验时间，能提供比连续喷雾96h更接近真实暴露情况的盐雾试验结果，并具有更大的潜在破坏性，因为在从湿润状态到干燥状态的转变过程中，腐蚀速率更高。

锈蚀结果看出：钢棉抗锈蚀能力优于还原铁粉，但还是存在锈蚀风险，故选取方案二进行SAE J2521噪音验证，验证结果如图7所示。

从报告中可以看出：方案二中制动噪音仅有2次，且分贝比较低，抗锈蚀能力好，对于环境交互产生锈蚀而导致的噪音有很好的遏制作用。

五、环境因素交互噪音的改善措施、建议

1、建立相应标准，固化要求

案例陈述标准缺失，前期验证不全面，导致地域性噪音发生。建立健全相应的标准，验证并固化标准要求，以保证开发前期的全面验证，做到有标准可依、有要求可依。

2、建立和优化标准间的关系

优化标准间的关联性，如果案例所述地域性噪音，在开发前期盐雾实验ASTM-B117和侵蚀实验0204Y1650结合，开发初期即可发现锈蚀的侵蚀厚度，规避地域性噪音风险，再如剪切实验IS06312-2012和密度、PH值实验相结合，可有效降低破坏性实验的样本数量，降低开发成本。

3、优化材料选取方向

摩擦材料原材料的选取，无论是矿物类材料还是合成类材料，充分考虑其对自然环境的交互關系，活泼性、吸水性以及氧化性好的材料进行规避，以提高部件自身的稳定性，同应考虑国家标准对该部件的法规要求，如刹车片原材料中避免出现石棉共生矿类。

六、结语

对特定环境下的噪音进行分析，要从环境的交互后的现象，分析到现象的本质。借助共性的标准，针对性地分析原因，寻求解决方向。搭载检測工具验证措施有效性。环境因素不可控，可控的是部件对环境的敏感性，希望通过本文对有对效预防环境交互导致的制动噪音起到一定的指导作用。