刹车盘啸叫的一个可能的原因机理

本篇CAE从业者讲一个刹车盘啸叫产生的一个可能的原因机理。

汽车制动性能是影响安全性和驾驶舒适性的一个重要方面，以往关于制动器的研究一直集中于制动性能和可靠性的提高。随着汽车设计的声学和舒适性等技术的进步，制动噪声问题日益突出，噪声的产生和抑制已经成为制动器设计和制造中非常重要的考虑因素。汽车刹车盘通过按压刹车片动作进行制动减速，在这个按压刹车片的过程中，刹车片和盘体之间的摩擦力是主要的作用力。但是在刹车的同时也可能会产生一个动态的不稳定状态，被称为制动啸叫。

有车的朋友也可能遇到过这样的问题：冬天冷车启动后刹车时，制动会有尖锐的叫声，但车开了几个小时热起来以后，由于刹车也频繁使用，刹车盘的温度也升高了，再踩刹车时，反而尖锐的叫声消失了，这种现象背后应该与摩擦状态的改变有一定的关系。

制动啸叫的产生机理是非常复杂的，一个可能的解释是：当摩擦力增加时，制动系统的两阶非常接近的具有相似振型的模态可能合并成一个模态，原来的两阶非常接近的固有频率合并成同一个耦合的固有频率。对于制动系统的特征方程来讲，就是系统特征根集里存在一对共轭复根，这对共轭复根的实部有一个是正的，正是这个正实部的特征根导致了这阶模态的不稳定性。通过改变制动系统零部件的几何形状和材料选型，可以抑制制动啸叫的产生，从系统特征根上来说就是消除具有正实部的复根，让系统回归稳定状态。

下面是天合汽车的Dr. Li Jun Zeng提供给Simulia的一个制动盘系统模型。

可以通过提取复值特征根把系统的有效阻尼比dampratio提取出来。在Abaqus中，dampratio=-2Re(λ)/Im(λ)，λ是一个复值特征根。如果有一个频率点的有效阻尼比是负值，那么系统在该频率下的动力学行为将是不稳定的，系统将不断从外界吸收能量，振动加剧且可能产生极大的啸叫。

当刹车盘体的转动角速度是5rad/s，刹车片与盘体间的摩擦系数μ=0.3时，制动系统的dampratio随频率的变化关系如下图所示。

从图中可以看出，在接近2KHz的时候，系统产生了一个负值阻尼比，此时对应的制动系统振型图如下图所示。

当刹车片与盘体间的摩擦系数增加到μ=0.5时，制动系统的dampratio随频率的变化关系如下图所示。从图中可以看出，在关心的频段内，系统的不稳定点由1个增加到4个，也就是说，对于上面所示的制动结构来讲，增加制动摩擦系数会加剧系统的啸叫。虽然制动刹车会更灵敏，但是伴随而来的缺点也是显而易见的。

工业设计中往往就是这样，你改好了一个性能，另一个性能反而会伴随着变差，此消彼长，系统是一个综合的矛盾体，只能抓主要矛盾，而忽略次要矛盾，往往不得兼顾，兼顾的后果只能是成本和系统复杂度的大幅增加，是有得有失还是得不偿失，取决于选择。