汽车制动尖叫的稳健性设计综述

摘 要：制动尖叫是全球范围内的汽车制动器的技术难题，如何通过稳健性设计有效控制制动尖叫成为制动器的研发重点。在系统分析盘式制动器的制动盘、制动块、制动钳和保持架的关键结构参数因素对制动尖叫影响的基础上，对制动尖叫稳健性设计的研究现状与未来趋势进行了综述。同时，为了方便读者理解和开展相关研究，对稳健性设计方法的研究进展也进行了综述。

关键词：制动尖叫；稳健设计；影响因素；综述

中图分类号：U463.51+文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.03.01

制动尖叫频率高（1～16 kHz），强度大[超过70 dB（A）]，不仅严重影响车辆的乘坐舒适性和行驶安全性，而且会造成严重的噪声污染[1-2]。因此，研究制动尖叫的发生机理，确定制动尖叫的关键因素，寻求制动尖叫的有效控制措施一直在汽车业界倍受关注。

前期研究表明，制动尖叫会受到制动器材料、结构、制动工况和环境等因素的显著影响[3]。从是否可控的角度，可以将这些因素分为可控因素和不可控因素。可控因素是指能被设计者控制的因素，例如摩擦材料的配方与选型，制动器零部件的结构与形状尺寸，以及制动器的系统装配方式等；不可控因素又称噪声因素，是指不能被设计者控制的影响因素，例如多变的制动工况和环境因素等。事实上，由于受到制动器的生产制造过程、多变的运行条件和人类认知能力等的影响，即使是可控因素也并非完全理想可控。例如，很多因素是不均一的、随机的和时变的，具有不确定性和统计性特点。考虑这些因素的多变性，从系统性能稳健性的角度出发，必须降低制动尖叫对这些设计因素的敏感度[4]。因此，借鉴质量工程学领域中的稳健性设计方法，合理进行制动器的参数设计，提高制动器尖叫的稳健性，成为重要的研究方向之一。

稳健性设计方法最早由田口玄一博士于20世纪70年代提出，其目标是通过可控设计变量的最佳组合，使产品具有对不可控因素干扰的抵抗能力，从而实现高度稳定的产品性能，提高质量[5-6]。与一般的优化设计相比，稳健性设计方法更有助于获得质量稳定、高性能、低成本的产品，并已在电子、机械、化工等诸多领域得到广泛应用[7-9]。但迄今为止，有关制动尖叫稳健性设计的研究工作开展得还比较少，更没有针对性的综述性论文发表。在此背景下，本文将在深入分析制动尖叫结构影响因素的基础上，对全球范围内有关制动尖叫稳健性设计的研究进展进行综述，并提出未来的研究方向。为了方便感兴趣的读者开展研究，对稳健性设计的各种方法及其最新进展进行简要评述。

1 影响制动尖叫的制动器结构参数

制动器结构参数无疑是汽车制动器设计的最重要内容之一，也是改善制动器尖叫性能时需要重点考虑的控制要素。图1所示为典型的盘式制动器及其主要部件[10]。作为重要的可控设计参数，制动器各个构件的结构参数必然成为制动尖叫稳健性设计的重点。下面以日益广泛应用的盘式制动器为例，按照其主要组成构件，从制动盘、制动块、制动钳和保持架依次进行有关盘式制动器制动尖叫结构影响因素的综合分析，为稳健性设计评述奠定基础。

1.1 制动盘结构参数的影响

制动盘是制动器重要的摩擦副组成部件之一，一般采用灰铸铁铸造而成，由制动盘面、帽部和通风散热筋构成，具有回转对称的结构特点，如图1所示。近年来，为了达到更好的散热性能，逐渐由实心盘向通风盘转变。制动盘的结构参数对于制动尖叫具有重要影响，一方面是因为其表面积大，是主要的声辐射源；另一方面，在1～16 kHz的频率范围内，制动盘具有几十阶面内模态和面外模态，模态密度较大，成为制动器产生模态耦合的重要来源。

国内外有关制动盘结构参数对制动尖叫的影响研究主要集中在制动盘结构尺寸、材料属性和表面形貌的影响（表1）。通过表1可以看出：

（1）从研究方法来看，包括了部件模态试验与实模态有限元计算、制动器复模态计算以及制动器尖叫的台架和道路试验方法。

（2）从研究发现来看，改变制动盘盘面、帽部以及通风散热筋的结构尺寸都会产生结构模态频率的移频，从而对特定的结构模态频率产生影响，进而改变尖叫性能；不同的盘面开槽方式或者不同的表面形貌，则会同时对摩擦系数、接触压力以及制动尖叫性能产生影响。

1.2 制动块结构参数的影响

制动块是制动器另一重要摩擦副部件，工作时与制动盘面直接接触，产生摩擦力作用。制动块分为活塞侧和钳指侧制动块，一般由金属制动背板、石棉/半金属基摩擦衬片和消音片构成，如图1所示。

在1～16 kHz的频带内，制动块的模态密度不高，且其结构形状以及模态振型对接触状态具有重要影响，是制动器模态耦合产生尖叫的关键因素，因此历来是制动器尖叫设计的关注重点。针对制动块多样化的结构形式及不同的材料属性对制动尖叫的影响，广大学者开展了大量的研究（表2）。通过表2可以看出：

（1）从研究方法来看，涵盖了部件模态试验与实模态有限元计算、制动器复模态的计算、制动器多柔体动力学计算方法，以及接触压力测量试验、制动器尖叫的台架和道路试验方法。

（2）从研究发现来看，改变制动背板的结构尺寸和材料属性主要会产生结构模态移频，影响制动尖叫；摩擦衬片的总体尺寸变化、开槽、倒角以及材料属性的变化则会产生模态频率与模态振型变化、接触压力分布变化等综合效应，进而全面影响制动尖叫倾向性的变化；消音片的不同结构型式、尺寸以及材料属性会对阻尼效应以及接触压力分布都产生重要影响，进而影响制动尖叫的强度与特性。

1.3 制动钳结构参数的影响

作为制动块的压紧装置（图1），制动钳本身具有较大的质量和刚度，其结构参数的改变会引起制动器尖叫性能发生变化，但由于制动钳的结构复杂不规则，前期研究开展较少（表3）。由表3可知：研究主要集中在部件刚度参数以及接触刚度的影响方面，研究方法也以有限元计算和台架试验为主。连接刚度与接触刚度的改变会产生移频效应和接触压力变化效应，进而影响制动尖叫。

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