李锦 罗方 徐兆坤
上海工程技术大学 武汉元丰汽车零部件有限公司
为了有效降低城市车辆制动噪声，北京公交和上海公交引入了盘式制动器，并取得了良好的社会效益。在北京和上海的示范作用下，国内各大中城市也认识到了盘式制动器在公交车上应用的优势，目前气压盘式制动器在我国公交车上的应用正得到迅速发展。
由于气压盘式制动器进入我国时间较短，目前对制动器的研究还处于结构设计阶段，相关法规还不健全。作为盘式制动器，从结构上是能够降低制动噪声的，但是在实际的应用过程中，受设计、制造方面的影响，城市公交虽然已经引入气压盘式制动器，但是没有根本解决公交车制动噪声问题。
制动噪声分类及产生的原因
• 制动噪声的分类
按照不同的振动频率范围，制动噪声可以分为Hum（嗡嗡叫声）、Moan（呼啸声）、Groan（嘎吱声）、Judder（颤动声）、Roughness（摩擦声），大体上可归入低频振动噪声，振动的频率在200～400Hz。低频振动产生的主要原因与摩擦系数μ的速度稳定性有关。
Squeal（长时间尖叫）、Squeak（尖叫），可归入中高频振动噪声，实际中发生较多制动噪声问题为Squeal，其频率范围为1～16kHz或上限到人耳听力的极限。Squeal又可分为低频尖叫（1～3kHz）和高频尖叫（5～15kHz）。高频振动与制动盘、制动鼓的固有频率有很大的关系。
• 制动噪声产生的原因
制动时，摩擦片与制动盘相对运动过程中，两者之间摩擦力变化过大、过快，就会导致制动盘和摩擦片产生振动，当振动的频率达到一定的范围时，就会产生不同的制动噪声。而且有些振动容易引起车辆上其它部件共振，产生制动异响，影响车辆的乘坐舒适性。导致摩擦力变化的因素有很多，其中主要因素有如下几点：
1．摩擦材料的硬度、表面处理、压缩弹性率、拉伸强度、气孔率、黏弹性。
2．摩擦系数-温度关系曲线、摩擦系数-速度关系曲线等参数。
3．制动过程中摩擦副接触面实际接触面积的变化率、变化幅度。
摩擦振动的趋势随着表面接触压力的增加而增加，也随着摩擦材料表面温度的升高而加强。相对滑动速度增加时，摩擦系数也随着变化，因而出现振动噪声的可能性也会增加，摩擦系数μ-速度曲线的负斜率是产生制动噪声的重要因素之一。制动器部件的摩擦振动是由于作为相对速度函数的摩擦系数变化的结果，而相对速度又产生于制动衬片、制动盘摩擦表面和机械系统的阻尼器之间，当两摩擦表面的相对速度增加时，若摩擦系数减少，则产生摩擦振动，引起部件的振动而发出噪声。当接触的部件由于摩擦而发生磨损后，其间隙增大也会引起部件振动。
制动力矩变化的原因
制动过程中，制动盘与摩擦衬片之间摩擦力发生变化，导致制动力矩出现波动，这种现象称为BTV（brake torque variation）。BTV是产生制动振动、制动噪声的主要原因，而导致BTV出现主要有如下几个方面问题：
• 制动盘厚度发生变化
制动盘厚度变化DTV（(disc thickness variation)，就是指制动盘的盘面厚度值在与摩擦片接触区域内沿圆周向的变化值。在制动过程中，制动衬片总是与盘面的两端面紧密接触，因此盘面厚度的变化会导致转动到不同位置时摩擦片的位置不断变化，并引起制动压力和制动力矩大小发生变化。当厚度值的变化量超过一定范围时（一般认为是15～20μm时），在某些车速下制动就会出现制动抖动和制动噪声现象。制动盘厚度的变化，主要由于以下原因产生：
1．制造误差。主要指制动盘的工作表面加工误差，包括两工作面的平行度。
2．使用磨损。使用时间较长的制动盘，在不理想的情况下，盘面各处会有不同的磨损量，产生厚度不均匀。
3．制动时热膨胀和热腐蚀。制动过程中，制动盘受热膨胀，受铸造金相影响，出现局部膨胀值不一致，导致制动盘整盘面厚度不均。
• 制动盘工作面跳动
制动盘工作面跳动SRO（sideface run-out）是指制动盘的盘面沿圆周方向有轴向的高低变化。当转动到不同位置时，摩擦垫的左右两端的位置发生变化，会引起制动时制动压力和制动力矩的波动。制动盘工作面跳动量太大的制动盘，由于不均匀制动磨损原因，还会造成制动盘厚度变化。对盘式制动器制动盘的工作表面跳动量，在国标《GB/T18343-2001》里面有规定，在消除系统全跳动误差的情况下，制动盘工作表面的全跳动不超过0.15mm。端面跳动的形成有以下几种情况：
1．制造误差。除制动盘工作面跳动太大之外，轮毂与制动盘连接表面加工误差，通过这些误差的累积，会进一步放大DTV（见图1）。
2．安装误差。安装制动盘的轮毂端面的不平整会造成制动盘有一定的倾斜，产生端面偏移。安装螺栓的松紧也有可能产生端面偏移。轴承在装配过程中因为装配间隙产生的跳动误差。制动器装配在车桥上，工作表面与制动盘工作面的平行度误差（见图2）。
• 发热状态下的制动抖动现象
虽然制动盘厚度变化和制动盘工作端面跳动是引起制动抖动主要因素，但是在静态下厚度变化量和制动盘端面跳动量都符合要求的制动盘，仍有可能在制动时发生制动抖动现象。这是因为制动过程是一个产生热量的过程，随着制动盘温度的升高，会引起盘面的热膨胀和热变形。各处温度差异所产生的热膨胀与热变形程度的不同，会产生新的制动盘厚度变化和制动盘端面偏移，或是对已有的厚度变化量和端面跳动产生一个放大作用，从而引起制动抖动甚至是制动噪声。
• 摩擦系数μ的速度稳定性差
摩擦系数μ-速度曲线的负斜率是产生制动噪声的重要因素之一。制动器部件的摩擦振动是由于作为相对速度函数的摩擦系数变化的结果，当两摩擦表面的相对速度增加时，若摩擦系数减少，产生的制动力会在一个旋转周期内变化加剧，产生摩擦振动，引起部件的振动而发出噪声。
解决制动噪声的方法和途径
依据分析，对控制制动噪声现象提出了一些措施与建议：
1．采用更为精确的制造和安装要求，降低初始的制动盘厚度变化量和端面跳动量，减少由于原始几何尺寸引起抖动的可能性；
2．采用散热性能好，热弹性变形小，热衰退性能好的材料来制造制动盘或摩擦衬片，减小温度变化产生的变形和制动力矩的波动；
3．采用合适的摩擦片，在保证制动力矩的情况下，适当降低摩擦系数μ。控制摩擦衬片的摩擦系数μ的速度稳定性与温度稳定性。
解决制动噪声是一个重要难题，采用盘式制动器也不能完全解决制动噪声问题。气压盘式制动器在我国城市公交应用已经出现了制动噪声问题，在此问题的解决方法，不能仅停留在被动更换摩擦衬片，应该主动从设计入手，包括制动器的结构设计，制动摩擦偶件的选择等，尽量减少制动噪声，在保障制动安全的基础上，缓解城市噪声污染。
