基于SAE J2521制动噪音问题优化研究

韩厚禄

摘  要：本文通过对某车型在开发过程中发生的制动噪音问题的研究分析和设计改进，通过选择不同摩擦衬片材料、变更摩擦片倒角形状及消音片材料等多项措施，基于SAE J2521 试验程序，开展多轮制动NVH噪音台架试验，并结合整车路试进行方案验证，最终有效地改善和优化了制动噪音问题。本文的分析思路及优化过程，对于后续项目的制动系统NVH性能开发具有一定的参考意义。

关键字：制动噪音;高频尖叫;SAE J2521;摩擦片;消音片

中图分类号：U463.5       文献标识码：A       文章编号：1005-2550（2022）01-0109-10

Analysis And Improvement Of A Certain Passenger Car’s Braking Noise

HAN Hou-lu

（ Chery Jaguar Land Rover Co.， Ltd. Shanghai Branch， Shanghai  201103， China ）

Abstract： In this article， we through the study of a certain type of passenger brake noise problem analysis and improvement， by introducing a car SAE J2521 test method， the different friction liner materials， different silencing shim， different pads chamfer and slot shape， and finally to solve the problem of the passenger car’s bring high frequency brake squeal noise for effective management.

Key Words： Brake Noise; High Frequency Squeal; Sae J2521; Brake Pad; Friction Material;  Shim

1    引言

制动系统作为汽车安全的重要系统之一，市场用户在追求车辆制动性能的同时，对NVH舒适性方面尤其是制动噪音的关注也与日俱增。由于用车环境、驾驶习惯、制动工况不同等原因，将会使制动系统在车辆制动时中不可避免地会出现制动噪音现象，影响驾乘人员的乘坐舒适性。因此，对减小制动噪音的发生概率和可接受程度之间的平衡，是优化和改善制动噪音问题的主要方向。

本文结合项目经验，针对某车型在开发初期出现的特定工况下的制动噪音问题，从对噪音现象的识别、噪音的产生机理着手进行分析，探讨了抑制制动噪音的优化方案和验证方法，介绍了台架验证方法、过程及整车路试验证的结果，对今后的制动NVH性能开发及优化具有一定的参考意义。

2    制动噪音产生的机理

业内一般认为盘式制动器的制动噪音的产生，与制动卡钳总成和制动盘的设计、以及与周边悬架系统零部件包括转向节、轮毂轴承、减震器、弹簧、轮辋等的匹配密切相关。制动噪音的产生机理是通过摩擦片和制动盘的摩擦、振动而产生，通过周边环境件的结构路径而传递放大。根据行业团体标准《T/CAAMTB 17-2019乘用车制动噪声及抖动整车道路试验方法及评价》的定义，当振动频率低于100Hz时主要表征为车辆的制动抖动，当振动频率大于100Hz时主要表征为制动噪音，制动噪音按照频率不同划分为低频噪音、高频噪音两类。低频噪音主要有蠕动噪音、撞击音、哞哞声等，高频噪音主要包括制动啸叫、刷盘音等。典型的制动噪音的分类整理结果见表1所示[1]：

制动噪音的影響因素主要有以下4个方面[2]：

（1）摩擦副特性：制动盘和摩擦片组成的摩擦副是产生制动噪音的源头，摩擦片的不同材料特性，如摩擦系数、压缩率、密度等，以及制动时的压力分布和振动频率等不同，使得制动噪音的声压特性也不尽相同。

（2）底盘结构：制动器总成是制动噪音的主要传递路径，机械特性方面，如摩擦片、制动盘、制动钳等零部件的重量、刚性、模态等对制动噪音的影响较大。但是，不能单把制动噪音的产生仅仅归因于卡钳、摩擦片和制动盘，悬架角模块等周边件也与制动噪音息息相关。当制动器总成结构与悬架系统、转向系统、车身等产生共振耦合时，会不同程度地放大来自摩擦副的振动，对制动噪音的强度有很大影响。与制动器制动噪音强相关的周边零部件见图1及表2所示：

（3）气候环境：试验研究表明，环境因素对制动噪音的影响很大，在不同温度、湿度、盐度的气候环境因素影响下，可能会导致制动系统零部件的机械特性发生变化，进而导致制动噪音的加速产生及恶化。

（4）制动工况：制动噪音的发生和制动工况也有一定的相关性。例如，有的制动噪音仅在某一特定工况下出现，如起步后轻踩踏板时、中等强度制动时、紧急制动、坡道轻微制动时，或左右转向行驶带制动时等。

3    问题的现象

以某项目车型开发过程为例，在开发初期，路试人员反馈工程样车在制动耐久试验的路试过程中有制动噪音发生，主要表现为在中等车速（小于50km/h）或者遇到红灯以较低车速（小于15km/h）行驶，均轻微地踩制动踏板进行制动时，前轮有偶发刺耳的“吱吱”尖叫声发出。经工程师现场确认，可以按照试验人员反馈的特定工况进行复现，主观评价时认为该噪音表现难以接受。

通过实车确认，锁定了制动噪音定位为左右前卡钳位置，利用NVH设备检测确认到该车的实车制动噪音频率主要出现在3000-4000Hz频率范围内，声压值可达80dB-90dB左右，可知属于典型的制动啸叫问题。鉴于此，需要在该项目车型上进行设计优化，降低噪音发生机率。

4    零部件检测及噪音优化方案分析

本次工程样车搭载的前制动角模块沿用的是某量产车型（下文简称原型车）的零部件。技术参数如下：前卡钳为浮动式双缸制动卡钳，缸径为2×45mm，钳体及支架采用球铁QT450材质。前通风式制动盘有效半径为135mm，厚度28mm，材质灰铁HT250。前摩擦片为低金属材质。由于本次新开发车型的前后轴荷、悬架零部件相比原型车略有变更，制动耐久路试表明沿用的制动角模块的噪音性能表现已不满足项目开发要求，因此需要基于当前最新的轴荷、悬架等周边环境件的状态，重新进行优化匹配。

对角模块的制动零部件进行检测时，首先检查零部件的状态，将前卡钳、制动盘、摩擦片等零部件拆解返厂，检查确认零部件的尺寸、固有频率是否符合设计要求。随后进行台架噪音验证，制定对策和噪音优化方案。

4.1   外观及尺寸确认

经过现场实车及拆解确认，卡钳、制动盘、摩擦片的外观未发现异常磨损、裂纹、变形、烧蚀、偏磨等现象，具体见图2所示。制动盘的端面及径向跳动量、DTV盘厚差、磨损量等尺寸检测也无异常，在此不再赘述。

4.2   制动零部件的固有频率检测

同步选择与样车相同批次的制动卡钳总成、制动盘零部件，检查确认制动盘、钳体、支架、摩擦片的在自由状态下的固有频率，确认各零部件的固有频率是否有异常或者频率接近及重叠的区域。零部件自由模态时的固有频率测试结果见表3所示。[3]

从测试结果可知，各零部件实测各阶次频率值与CAE分析值在±3%的公差范围内，两者基本一致，未发现各零部件之间的固有频率互相接近或重合的区域，并且各零部件的固有频率间隔均错开在50Hz以上，满足结构设计要求。由此可知制动盘、钳体、支架、摩擦片的零部件自由模态时固有频率并无异常。

4.3   制动NVH噪音台架验证

对于制动NVH问题，业内一般通过SAE J2521试验程序，在惯性试验台上模拟汽车制动器可能产生制动噪音的各种典型使用工况，帮助分析原因从而改进设计。[4] [5] [6] [7]

本次台架试验时，将前卡钳总成、制动盘及周边悬架角模块（含轮毂轴承、转向节、减震器、弹簧、转向拉杆等）安装到LINK 3900制动惯量试验台上，按照SAE J2521标准的测试程序进行试验，检查噪音问题是否可以复现。台架搭建情况及设备可以采集的数据信息分别见表4及图3所示：

在SAE J2521的试验章节中，制动压力、制动速度和压力控制方式都略有不同，为了尽可能更全面的反映实车的制动工况，试验程序尽量覆盖不同参数的工况信息，程序中几种典型的制动工况见表5所示：

本次前悬架带制动器总成的台架噪音测试的结果见图3所示，制动噪音发生的比例略高，其中大于70dB占比约5.0%、大于80dB占比约3.7%、大于90dB占比约0.1%、暂无100dB以上的噪音发生。台架噪音测试结果显示该制动角模块已经不满足其在原型车上规定的大于70dB≤5%、大于80dB≤3%、大于90dB≤0.8%、大于100dB≤0.2%的设计要求，需要在本次新开发车型上进行匹配优化。

另外，台架测试结果显示，噪音的频率主要在3200Hz和10500Hz两个频率范围，在实车路试时未复现10500Hz左右频率的噪音，但实车上有发生频率在3000-4000Hz范围的制动噪音，这与台架上出现3200Hz的制动噪音是吻合的。噪音频率略有偏移的原因，主要是因为台架试验时尽管装配了制动角模块及部分悬架零部件（如减震器、弹簧、转向拉杆等），但与实际车辆还是存在一定的差异，试验结果已经说明了台架与实车路试两者之间具有较好的相关性。同时，台架试验的制动速度在30km/h、5km/h，制动压力分布在5bar-15bar时有噪音表现，这也与实际路试时低速行驶轻踩踏板制动时有噪音发生的工况是一致的。

4.4   优化方案分析

综合考虑悬架及制动卡钳、制动盘、摩擦片等多個零部件的开发周期、变更成本、项目预算等多方面的因素，决定优先重点从摩擦片入手，改善该制动噪音问题。

优化设计时，考虑到当前的低金属摩擦片的名义摩擦系数偏高，决定选用对制动盘攻击性更低、噪音表现更好的NAO材质的摩擦片，并适当降低摩擦系数、同时提高摩擦片的压缩率，优化制动噪音的性能表现。结合以往项目经验，对NAO摩擦片也提出了更高的NVH台架噪音性能要求，从当前低金属摩擦片的噪音发生比例要求大于70dB≤5%、大于80dB≤3%、大于90dB≤0.8%、大于100dB≤0.2%，提高到要求大于70dB≤3%、大于80dB≤1.22%、大于90dB≤0.1%、大于100dB≤0%的台架噪音发生比例，以便尽可能降低在整车上的制动噪音发生机率。

综合对比候选摩擦片供应商的样件在台架性能（如噪音、摩擦系数、DTV增长、BTV力矩波动、磨耗、MPU金属转移等）及整车制动性能（如制动距离、F-S-G踏板感、AMS热衰退等）上的表现，最终决定选择其中某厂家的NAO材质配方的摩擦片作为优化方案，基于选定的某型号配方材质进行多轮NVH性能优化，冻结摩擦片的设计方案，随后再开展整车路试验证，确认台架优化的效果。变更前后的摩擦片主要理化参数对比见表6所示：

在本次案例NAO摩擦片的噪音优化过程中，基于每轮台架的噪音表现，共计实施了三轮NVH台架噪音性能优化。基于第1轮变更NAO材质的噪音表现，第2轮、第3轮分别变更了摩擦片的倒角形状及消音片型号，最终有效地改善了台架噪音的发生比例。过程措施见表7及图4所示：

第1轮台架试验时，相比原车的低金属摩擦片的噪音表现，结果显示未发生原低金属摩擦片的3200Hz及10500Hz两个频率区间的制动噪音。这说明降低摩擦系数、变更摩擦材料后性能有了一定的改善。但由于配方及消音片型号与低金属材质不同，摩擦片共振频率也不相同，在冷态工况下（低温-10℃环境、低速5km/h、低制动压力3-7bar）新增了2次5200Hz及2次7400Hz的噪音，声压值高达75-80dB。台架试验结果见图5所示：

尽管第1轮优化的噪音整体发生次数相比低金属摩擦片已经有了较大的改善，但考虑到冷态噪音的工況比较常见，因此决定继续对第1轮的噪音表现进行优化。在第2轮优化时，对摩擦片的倒角形状进行了变更，从J-Cut 15mm扇形斜倒角变更为J-Cut 15mm直倒角，试验结果见图6所示：

相比第1轮的台架噪音表现，第2轮优化方案的台架试验结果显示未发生在冷态工况下的噪音表现，这说明变更摩擦片倒角后，摩擦片的压力分布、共振频率也随着倒角形状的不同而有变化，冷态噪音表现有较大改善，消除了频率为7400Hz的噪音。但同时在热态工况下（常温、低速3-10km/h及中速50km/h、制动压力15bar-30bar）新增了9次频率为5200Hz的噪音，声压值高达75dB-85dB，因此还需要持续进行优化。

基于第2轮摩擦片倒角形状及噪音表现，在第3轮优化时，变更了消音片的型号，重新选择了减震橡胶层更厚的消音片，将橡胶层厚度由第1轮及第2轮的150μmX2层的厚度调整为200μmX2层的厚度，消音片总成的压缩率随之也加大，从而提升消音片的减震能力，抑制制动噪音的表现。最终显示无热态及冷态噪音发生，台架表现优秀。试验结果见图7所示：

总之，本案例实施的优化措施包括以下几个方面：（1）变更摩擦材料，由当前的低金属材质变更为NAO材质，略微降低摩擦片的名义摩擦系数，同时提高了摩擦片材料的压缩率。（2）变更摩擦衬片的倒角形状。（3）根据多轮台架验证情况，匹配选择噪音表现优异的消音片型号。最终本次新开发的摩擦片在新片状态和半片厚度状态下的台架测试结果均比较理想，相比旧方案，制动噪音水平得到了较大的提升，未出现大于70dB至大于100dB声压强度的制动噪音，台架试验结果表现相当优秀。

5    整车路试验证

基于台架试验结果，将改进后的摩擦片装车，开展实车制动耐久路试，试验结果见图8所示。试验人员反馈，原来问题的对应工况下的80-90dB的制动噪音消失，也未发生大于70dB的制动噪音。并且整个耐久路试里程内，制动噪音发生的概率大幅降低，其中左前轮偶发噪音频率降低到0.34%，噪音声压值<40dB，噪音频率3500Hz及4000Hz。右前轮偶发噪音频率降低为0.31%，分贝值<40dB，噪音频率为12000Hz。整车路试结果满足设计要求。通过主观评价及打分，整车的制动噪音表现相比优化前有较大提升，路试结果可以接受。

通过整车制动耐久路试，验证了优化方案的有效性。本次新开发项目车型从搭载了优化后的摩擦片后，上市两年来，尚未发生制动噪音问题的市场抱怨，获得了市场用户的一致认可。

6    结语

制动噪音问题是行业内的重难点课题之一，本次案例基于摩擦片的多轮台架试验的优化过程，从摩擦片角度来看，充分说明了摩擦片的材质、摩擦系数、固有频率、压缩率、开槽及倒角形状，以及消音片的阻尼、结构形式等，与制动系统的噪音表现息息相关。在匹配优化时，需要综合摩擦片在系统及整车上的性能表现，基于噪音性能的开发目标，逐步实施对策优化及试验验证，最终冻结摩擦片的设计方案。

本文结合实际项目经验，针对制动噪音问题，在分析制动噪音发生原理的基础上，综合考虑各方面因素，重点从摩擦片方面着手进行对策改善，包括变更摩擦片材质、降低摩擦系数、变更倒角形状、消音片重新选型等多措施。积极运用SAE J2521的制动台架测试方法，开展多轮台架试验匹配优化，并结合整车制动耐久试验进行实车验证，最终有效地降低了制动噪音发生的机率，达成了设计开发目标。该案例的对策方法对后续的制动NVH性能开发提供了一定的参考作用。

参考文献：

[1]中国汽车工业协会. T/CAAMTB 17-2019乘用车制动噪声及抖动整车道路试验方法及评价，2019-05：1-10.

[2]侯俊. 基于阻尼衬垫的汽车盘式制动器噪声机理研究. （博士学位论文）. 武汉理工大学出版社，2009.

[3]代立宏，李虎本 等.特定工况固定频率制动噪音解决方案研究[J]. 智能制造，2019，6：57-61.

[4]美国机动车工程师学会. SAE J2521盘式片和鼓式片尖叫噪音矩阵[S].华盛顿：SAE出版社，2013-04：1-24.

[5]周伟. SAE J2521在轻型车盘式制动器噪声分析中的应用[J].装备制造技术，2013，11：193-213.

[6]夏祖国，龚洪等.制动噪声改善方法分析研究[J]. 汽车技术，2015，9：9-12.

[7]吴帅，王德宸 等.复模态分析在盘式制动器制动异响抑制上的应用[J].噪声与振动控制，2017，2：40-43.

专家推荐语

陈  赣

东风汽车公司技术中心先行技术研究部

首席总工程师  研究员级高级工程师

论文阐述了对汽车产品出现制动噪声后的处理方法。对可能导致噪声发生的关键零件进行测量，试图找出导致噪声发生的具体零件。当所有相关零件的参数都在正常范围的情况下，则需要对关键零件（特别是摩擦片材料）进行试错更换试验，从试验结果中确定可以接受的修改方案。当试验结果能满足产品开发要求时，则所更换零件的方案可行。这种方法应用很广，也为提升产品性能、解决产品中出现的技术问题、降低产品开发周期做出了贡献。

作者在这篇论文中，完整地阐述整个过程。把最可能导致噪声发生的摩擦片进行更换试验，并对摩擦片导致制动噪声发生的概率和发生时的噪声强度做了一些探讨。通过这种探讨，可以帮助论文的读者更好地理解制动噪声发生的机理，降低制动噪声发生概率和发生时的噪声强度的可能的技术措施。