制动尖叫通常由制动盘的 Out-of-Plane 模态与 In-Plane 模态耦合引起，两者的频率往往仅相差几十 Hertz：麦克风和单轴传感器只能测得一个合并的峰值。3D 扫描测振可采集每个网格测点的完整振动矢量，分离轴向、径向和切向分量，从而明确判定每个模态的类型。
据欧盟委员会介绍，Euro 7 首次将制动颗粒物纳入排放标准的限值范围。制动盘、制动片及涂层的更新速度，已超出 Noise, Vibration and Harshness (NVH)，即噪声、振动与声振粗糙度相关经验的积累速度。因此， 可靠识别 In-Plane 模态 成为新型摩擦副通过认可且不引入新尖叫问题的前提。
Euro 7 推动制动盘、制动片及涂层的变革
据欧盟委员会介绍，Euro 7 是首个对制动颗粒物设定限值的排放标准。该标准自 2026 年 11 月 29 日起适用于乘用车和轻型商用车的新车型，自 2027 年 11 月 29 日起适用于这两类车辆的所有新车。
主要改进方向包括新型摩擦材料配方、带涂层的灰铸铁制动盘以及新型制动盘材料。这些变化都会影响制动系统的刚度、阻尼和摩擦耦合。
因此，消除制动尖叫的措施已无法仅靠反复试错来优化。工程师必须准确掌握哪些制动盘模态参与了尖叫的产生，其中也包括传统测试方法经常遗漏的 In-Plane 模态。
为什么制动盘的 In-Plane 模态对尖叫分析至关重要
制动盘有三类模态，高频尖叫通常涉及其中至少两类。每类模态均以其节径数量 (n) 表征；对于弯曲模态，还需以节圆数量 (m) 进一步表征。
| 主要运动方向 | 激励 | 在制动尖叫中的典型作用 | |
|---|---|---|---|
| Out-of-Plane (OOP)，面外弯曲模态 | 轴向，垂直于摩擦表面 | 制动衬片法向力的波动 | 高效辐射声能，是耦合模态中产生可听噪声的一方 |
| In-Plane tangential (IPT)，面内切向模态 | 沿圆周方向，位于制动盘平面内 | 由摩擦力直接激励 | 向系统输入能量，通常是耦合模态中起驱动作用的一方 |
| In-Plane radial (IPR)，面内径向模态 | 径向，位于制动盘平面内 | 通过制动衬片的几何形状及与制动盘帽部的耦合间接激励 | 可能发生频率偏移，或与相邻模态耦合 |
以下动画分别展示了三类模态中的一个代表性模态，均根据实测频率响应函数（FRF）生成。
Out-of-Plane（面外）
2.626 Hz
In-Plane radial（面内径向）
5.989 Hz
In-Plane tangential（面内切向）
12.448 Hz
模态耦合：尖叫的成因
关键机制是 模态耦合。在摩擦作用下，具有相同节径数的 OOP 模态与面内模态可能发生频率合并，并变得不稳定。这是高频制动尖叫的典型成因。
参与耦合的面内模态很少在噪声频谱中显现，但抑制尖叫的措施仍须针对这一模态展开。
为什么面内（In-Plane）模态难以识别
- 频率间隔很小： 在乘用车制动盘中，阶次相近的面内（In-Plane）模态与面外（OOP）模态之间的频率差往往只有几十 Hertz，有时甚至更小。
- 附加轴向运动： 制动盘的帽部与摩擦环之间存在轴向偏置。因此，面内（In-Plane）模态也会在摩擦面上产生轴向运动，在单轴测量中看起来就像另一个弯曲模态。
- 成对模态： 每个 n > 0 的模态都以振型相同的模态对形式存在。散热筋、孔洞以及材料的不均匀性会使这些模态对的频率分裂，产生几 Hertz 的频差，从而成倍增加相邻谱峰的数量。
为什么传统传感器会遇到瓶颈
当两个模态的频率各自落在对方的带宽内时，仅凭频谱很难将它们区分开来。不过，它们的运动方向和空间振型仍可用于区分。传统传感器无法完整获取这两类信息。
| 测量内容 | 测量面内（In-Plane）模态时的局限 | |
|---|---|---|
| 传声器 | 某一位置的辐射声压 | 面外（OOP）振动的声辐射占主导，面内（In-Plane）模态的声辐射很弱。由于缺少空间和方向信息，无法分离相互重叠的谱峰。 |
| 单轴或三轴加速度传感器 | 少数测点的加速度 | 仅几克的附加质量就会使制动盘的固有频率发生偏移，并增加阻尼。少量测点既无法分辨成对模态，也无法解析具有较多节径的振型。若无遥测系统，则无法用于旋转制动盘的测量。 |
| 单轴扫描式激光多普勒测振仪（SLDV） | 沿激光束方向的速度 | 可通过密集测点网格进行非接触测量，但只能获取一个方向上的投影。当激光束垂直入射时，测得的是轴向运动。面内（In-Plane）模态只能通过其伴随的轴向运动显现，因此很容易与弯曲模态混淆。 |
制动尖叫还带来另一个问题：持续时间短，且无法重复。较短的时域记录会限制频率分辨率，因此无法仅凭频谱可靠地区分频率相近的模态。
可靠的方法是直接测量能够区分模态的物理量：制动盘上每个测点的三维振动矢量。
3D 扫描式激光多普勒测振的测量原理
3D 扫描式测振仪将三束同步激光从不同方向聚焦到同一个测点。每束激光测量局部速度矢量在自身轴线方向上的投影。将三路测量结果结合，即可在不接触制动盘的情况下获得完整的速度矢量。
制动盘的轴线是其天然的参考基准。以该轴线为基准分解各测点的矢量，即可得到用于制动盘模态分类的三个分量：
- 轴向： 垂直于制动盘平面的弯曲运动。
- 径向： 在制动盘平面内朝向或远离轴线的运动。
- 切向： 在盘面内沿圆周方向的运动。
静止制动盘的测量流程
对乘用车制动盘面内模态的完整研究包括对静止制动盘进行一次测量，随后在装配好的车轮制动总成（Corner）上或制动试验台上开展针对性测试。
安装制动盘
采用柔性悬挂使制动盘处于自由—自由边界条件，或将其安装在轮毂上。
导入 CAD 或 FE 网格
在 SMART Lab 中，直接根据导入的 CAD 或 FE 几何模型生成测量网格。
3D 校准
对三个测量头进行自动三维校准。
激励与扫描
扫描时，使用激振器或力锤在制动盘外缘沿切向或斜向施加激励。
从 UVW 到 XYZ 的坐标变换
将沿三个测量头光束方向测得的三个速度分量（UVW）转换为笛卡尔坐标系中的速度分量（XYZ）。
识别模态并与 FE 模型进行相关性分析
针对每个峰值，比较响应分布图、统计节径数量，并将测得的模态与 FE 固有振型进行相关性分析。
测量面内模态的六个要点
- 边界条件
- 首先采用柔性悬挂，使制动盘处于自由—自由边界条件，以获得清晰的制动盘模态，用于 FE 相关性分析。随后将制动盘安装到轮毂上或装配好的车轮制动总成中，重复测量，以识别安装引起的频率偏移和模态分裂。
- 激励方向
- 轴向激励很难激发面内模态。应使用激振器或力锤在制动盘外缘沿切向或斜向施加激励，使三类模态均产生响应。
- 网格密度
- 沿圆周布置足够多的测点，以分辨所关注的最高节径数。测点应覆盖外缘，以便直接观察径向运动。
- 频率范围与分辨率
- 覆盖整个啸叫频段。选择足够精细的频率分辨率，使分裂的双重模态以及频率相近的 OOP-/In-Plane 模态对呈现为独立的峰值。
- 光束几何布局
- 布置三个测量头，使其光束与制动盘法线形成较大的夹角。In-Plane 分量由斜入射光束推算得出，因此较大的夹角有助于获得更清晰的 In-Plane 测量结果。
- 数据分析
- 针对每个峰值，比较轴向、径向和切向的响应分布图。统计节径数，并将实测模态与 FE 固有振型进行相关性分析。
3D 扫描能揭示制动盘的哪些振动特征
3D 扫描的关键结果是揭示每个模态的运动在轴向、径向和切向上的分布。对于典型的乘用车内通风制动盘，这能呈现仅凭频谱无法分辨的三种情况：
- 隐藏的耦合模态对： 当频谱仅显示一个宽峰时，3D 数据往往能分辨出两个模态：一个 Out-of-Plane 弯曲模态，以及一个节径数相同的切向 In-Plane 模态。这是模态耦合引发啸叫的典型模态对。抑制措施必须针对其中的 In-Plane 模态。
- 外观类似弯曲模态的 In-Plane 模态： 由于盘帽与摩擦环之间存在偏置，In-Plane 模态也会表现出明显的轴向运动。在单轴测量中，它们看起来像是另一种弯曲模态。只有识别出占主导的 In-Plane 分量，才能确定其真实的模态类型。
- 分裂的双重模态： 两个振型相同、频率略有差异的模态会呈现为独立的峰值。两者的频率间隔可直接反映制动盘的不对称程度，适用于评估散热筋布局或铸造差异。
模态识别如何改变研发工作
明确与啸叫模态耦合的 In-Plane 模态后，就能有针对性地制定抑制措施，减少反复试错。
| 未采用 3D 模态识别 | 采用 3D 模态识别 | |
|---|---|---|
| FE 模型验证 | 仅对弯曲模态进行相关性分析，In-Plane 模态未得到验证。 | 采用用于评估固有振型一致性的 Modal Assurance Criterion (MAC)，对全部三类模态进行相关性分析，并将双重模态分裂纳入验证。 |
| 啸叫抑制措施 | 针对产生可听噪声的模态，尝试采用消音垫片、倒角和阻尼措施。 | 通过调整几何结构或材料，使实际发生耦合的模态对在频率上分离。 |
| 面向 Euro 7 的摩擦副 | 每种新涂层或制动衬片配方都需要进行完整的噪声矩阵测试，以发现潜在问题。 | 在台架试验前，测量并比较不同制动盘方案的模态频率偏移。 |
| 制动盘方案与供应商 | 差异往往直到出现质保索赔时才被发现。 | 模态双峰间距和 In-Plane 频率可作为质量指标。 |
在 Euro-7 开发项目的早期阶段，这一方法最能发挥价值。引入低排放涂层或新的制动盘材料时，对新旧制动盘进行 3D-Scan，即可在 一天内判断某个 In-Plane 模态的频率是否已接近相邻的弯曲模态。在制动台架上开展首轮噪声矩阵测试之前，就可以通过设计调整消除这一风险。
制动盘测量推荐系统
资料来源与参考文献
Euro 7 对制动排放的测试引用了联合国第 179 号法规（UN R179）规定的测试方法，该法规是在联合国第 24 号全球技术法规（UN GTR Nr. 24）基础上的进一步发展。这一调整通过授权法规 (EU) 2026/1214 实施，该法规自 2026 年 9 月 23 日起生效。
- EUR-Lex 上的法规 (EU) 2024/1257（Euro 7）
- HELLA：Euro 7 排放标准给制动器制造商带来的挑战。该文章介绍了制动器产生的直径小于 10 微米的颗粒物（PM10）的排放限值，以及改用 UN R179 之前的 GTR 24 测试方法。
参考文献
Kinkaid, N. M., O'Reilly, O. M., Papadopoulos, P.: Automotive disc brake squeal. Journal of Sound and Vibration 267(1), 105–166 (2003). 综述了包括模态耦合在内的制动尖叫机理。
Chen, F., Tan, C. A., Quaglia, R. L.（编）: Disc Brake Squeal: Mechanism, Analysis, Evaluation, and Reduction/Prevention. SAE International, 2006.