鼓式制動(dòng)器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2022年4月6日訊 通過改變剎車片鋼背形狀方法來研究汽車制動(dòng)噪聲，主要分為2階段：1)通過建立實(shí)體和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行分析和仿真研究；2)采用聲振實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.在聲振實(shí)驗(yàn)過程中，采取激光測(cè)振儀以及LMS沖擊錘2個(gè)實(shí)驗(yàn)，同仿真分析結(jié)果交叉對(duì)比以證明仿真分析的準(zhǔn)確性；采用3層結(jié)構(gòu)的剎車片，相比傳統(tǒng)的2層結(jié)構(gòu)剎車片，該剎車片在不改變制動(dòng)強(qiáng)度、保證安全系數(shù)的基礎(chǔ)上具有更好的阻尼特性，有效地抑制噪聲的發(fā)生.根據(jù)制動(dòng)器噪聲臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，確定了剎車片固有頻率對(duì)制動(dòng)器噪聲的貢獻(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)形狀的鋼背剎車片來改變剎車片固有頻率，利用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析并制作樣品進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn).仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的鋼背剎車片能有效地減小汽車制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生.
引言
隨著汽車的普及，人們對(duì)汽車舒適性的要求越來越高，汽車NVH性能愈來愈被重視.到目前為止，對(duì)主要噪聲源如發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，已部分得到有效解決，而對(duì)于次要噪聲源如制動(dòng)器制動(dòng)尖叫問題也逐漸成為汽車制造業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn).特別是現(xiàn)在大半部分乘用車都已基本采用前后盤式制動(dòng)器制動(dòng)系統(tǒng)，因此盤式制動(dòng)器制動(dòng)噪聲問題更加突出.對(duì)于此類噪聲，隨著眾多學(xué)者的研究深入，制動(dòng)尖叫產(chǎn)生的原因不斷得到揭示，也取得了較多研究成果.近年來越來越多的學(xué)者紛紛將研究方向轉(zhuǎn)移到研究結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)噪聲的影響上，從具體制動(dòng)系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)的變化來研究子結(jié)構(gòu)對(duì)制動(dòng)噪聲的影響，研究結(jié)論證明，不同結(jié)構(gòu)的制動(dòng)系部件結(jié)構(gòu)變化對(duì)于制動(dòng)噪聲存在不同程度影響.本文將以具體的剎車片鋼背結(jié)構(gòu)為例，探討結(jié)構(gòu)形狀改變對(duì)噪聲產(chǎn)生的影響.結(jié)果表明，對(duì)剎車片鋼背的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠大大降低噪聲的產(chǎn)生.
1 剎車片在汽車盤式制動(dòng)器中的作用
盤式制動(dòng)器分為定鉗式和浮鉗式盤式制動(dòng)器.以浮鉗式為例(見圖1)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，液壓油進(jìn)入活塞缸，推動(dòng)活塞4，此時(shí)固定在活塞上的內(nèi)摩擦片5在活塞的推動(dòng)下開始接觸并壓緊制動(dòng)盤，與此同時(shí)，制動(dòng)鉗體也同時(shí)在活塞缸反作用力下沿著導(dǎo)向銷向相反方向運(yùn)動(dòng)，因此固定在鉗體上的另一塊剎車片(外片)7也接觸并壓緊制動(dòng)盤，此時(shí)汽車將處于制動(dòng)狀態(tài)，在摩擦力的作用下，迫使制動(dòng)盤停止旋轉(zhuǎn).在此過程中剎車片與制動(dòng)盤接觸面積較大，故產(chǎn)生制動(dòng)力也越大，車輛能夠迅速制動(dòng)，但剎車片尺寸越大，所帶來的制動(dòng)噪聲也較為嚴(yán)重.
2 制動(dòng)盤剎車片6自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
圖2為制動(dòng)盤制動(dòng)片6自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，其中MD表示制動(dòng)盤，具有x，y 2個(gè)方向自由度，MB表示剎車片鋼背，MU表示制動(dòng)襯塊底料部分，MM表示制動(dòng)襯塊混料部分，這里將制動(dòng)襯塊分為2部分是由于剎車片在制造過程中將底料、混合料以及制動(dòng)鋼背壓制而成，而底料成分較混料成分具有很強(qiáng)的阻尼特性，因此在建立模型和仿真時(shí)應(yīng)該區(qū)別對(duì)待.μ表示摩擦系數(shù)，P表示作用于剎車片上的活塞力，N為作用于制動(dòng)盤上正向力.圖2 制動(dòng)盤制動(dòng)片6自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由圖2可以得到其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為
.由于在初始時(shí)刻系統(tǒng)穩(wěn)定，無振動(dòng)產(chǎn)生，因此可有初始運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)在制動(dòng)過程中剎車片與制動(dòng)盤不分離，得到約束條件yD=yM，
.
.對(duì)最后方程分析可知，由于引入了摩擦力的作用，該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的質(zhì)量矩陣項(xiàng)與剛度矩陣項(xiàng)都為非對(duì)稱矩陣.可以通過模態(tài)分析得到該系統(tǒng)的特征值，特征值虛部代表模態(tài)頻率，實(shí)部代表模態(tài)失穩(wěn)的傾向；同時(shí)也可分析出摩擦系數(shù)μ的改變以及剎車片底料屬性和形狀將影響剛度矩陣K，從而改變系統(tǒng)特征值和制動(dòng)器噪聲表現(xiàn).由理論分析，鋼背結(jié)構(gòu)的改變將影響系統(tǒng)剛度，從而影響剎車片制動(dòng)噪聲，但具體的影響及如何影響還需進(jìn)一步研究.
3 剎車片模型建立及分析
本次研究以采用某車型的剎車片為研究對(duì)象.首先在Catia中繪制實(shí)體模型，并將剎車片實(shí)體模型(見圖3)導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行幾何處理后進(jìn)行模態(tài)分析.剎車片實(shí)體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，其形狀較為規(guī)則，因此在劃分單元格時(shí)劃分為6面體網(wǎng)格.剎車片主要由3個(gè)部分組成：鋼背、底料、摩擦材料(見圖4).在眾多研究中，許多學(xué)者把制動(dòng)襯塊視作一個(gè)整體，在進(jìn)行仿真分析過程中僅將材料特性簡(jiǎn)單分為鋼背和摩擦材料2部分.事實(shí)上，底料較摩擦材料具有更多的阻尼特性，其成分的80%為鋼纖維和樹脂纖維，因此在設(shè)定約束時(shí)應(yīng)區(qū)別對(duì)待，其各個(gè)組成的材料屬性見表1.ANSYS Workbench模塊中根據(jù)材料不同屬性進(jìn)行設(shè)定后對(duì)剎車片實(shí)體做模態(tài)分析，從仿真結(jié)果中選取發(fā)生彎曲及扭轉(zhuǎn)較為典型、且固有頻率在10 000 Hz以內(nèi)的5個(gè)模態(tài)振型(見圖5)，其相應(yīng)的固有頻率值見表2.表2 仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果固有頻率同時(shí)為了驗(yàn)證虛擬仿真分析準(zhǔn)確性，本文還利用激光、F.R.F錘擊頻率測(cè)試儀等實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行交叉對(duì)比試驗(yàn).激光測(cè)振儀利用光學(xué)干涉原理，能夠測(cè)量實(shí)驗(yàn)物體微小形變，且剎車片較為簡(jiǎn)單，因此能直觀再現(xiàn)物體在自由振動(dòng)過程中的振動(dòng)過程.沖擊錘實(shí)驗(yàn)則是通過在剎車片一點(diǎn)處敲擊，測(cè)得設(shè)定點(diǎn)處的振動(dòng)之后通過分析儀進(jìn)行頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算得出剎車片實(shí)體的固有頻率.剎車片通過激光測(cè)量?jī)x測(cè)得結(jié)果如圖6所示，其測(cè)得固有頻率如表2所示，經(jīng)過對(duì)比交叉分析，仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在2%以內(nèi)，且振型較仿真分析相比較幾乎一致，因此ANSYS可以作為有效模擬分析手段來研究剎車片振動(dòng)而引起的噪聲問題.圖6 激光測(cè)振儀振型實(shí)驗(yàn)結(jié)果汽車盤式制動(dòng)器作為一個(gè)整體由多個(gè)部分組成，且各部分對(duì)于制動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)是存在差異的.因此，為了具體研究剎車片對(duì)于制動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)，需模擬再現(xiàn)車輛在行駛工況中的噪聲表現(xiàn)，并根據(jù)模型制作實(shí)體(見圖7)并進(jìn)行制動(dòng)噪聲測(cè)試.本次實(shí)驗(yàn)的臺(tái)架為LINK3900型噪聲慣性測(cè)試臺(tái).LINK3900型噪聲測(cè)試臺(tái)架具有雙層艙體結(jié)構(gòu)，能夠模擬車輛在路面行駛過程中的行駛噪聲環(huán)境，因此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)行駛過程噪聲分布接近.本次實(shí)驗(yàn)麥克風(fēng)拾取超過為70 dB噪聲點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)制動(dòng)盤采用美聯(lián)制動(dòng)盤，卡鉗使用Conti制動(dòng)卡鉗.制動(dòng)盤噪聲采用的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)工程學(xué)會(huì)制動(dòng)器NVH實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即SAE J2521實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，麥克風(fēng)放置在制動(dòng)系統(tǒng)水平方向出處10 cm，垂直距離50 cm(見圖8).噪聲臺(tái)架測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，噪聲點(diǎn)主要集中分布在4 KHz，7 KHz，12.5 KHz頻率附近.圖9 噪聲臺(tái)架測(cè)試結(jié)果將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前剎車片的固有頻率結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)剎車片的固有頻率在第2、4階分別為4 KHz和7 KHz，這說明在此2個(gè)頻率下剎車片與其他部件模態(tài)耦合，發(fā)生共振，從而導(dǎo)致噪聲的發(fā)生.因此，為了降低整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的噪聲，本文著重從改變鋼背形狀方面進(jìn)一步分析剎車片對(duì)車輛制動(dòng)噪聲的影響.
4 鋼背結(jié)構(gòu)改變研究
改變鋼背結(jié)構(gòu)，目的在于改變剎車片實(shí)體的固有頻率.根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理論，增加或減小系統(tǒng)的質(zhì)量，改變其結(jié)構(gòu)的形狀，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)剛度和阻尼的變化，從而會(huì)增加或減小系統(tǒng)的固有頻率.一般來說，為了避免部件與其他部件發(fā)生共振現(xiàn)象，通常采用增加關(guān)鍵頻率和減少關(guān)鍵頻率2種方法，根據(jù)鋼背加工難度以及剎車片制造工藝，本文設(shè)計(jì)出5種不同開槽方式進(jìn)行定量分析，以便比較研究結(jié)構(gòu)尺寸的改變對(duì)剎車片固有頻率及振型影響，從而進(jìn)一步影響制動(dòng)噪聲.鋼背有效總面積為4 615 mm2，橫槽設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)60 mm，寬5 mm，分別在鋼背設(shè)計(jì)1條橫槽、2條橫槽、3條橫槽，開槽面積占鋼背總表面積比例為6.5%、13.0%、19.5%.豎槽設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)45 mm，寬5 mm，分別在鋼背上設(shè)計(jì)4條、6條，開槽面積占鋼背總表面積比例為19.5%、29.3%.從理論上分析，開槽尺寸越大，剎車片固有頻率改變?cè)矫黠@，但過大的開槽尺寸將導(dǎo)致系統(tǒng)剛度急劇降低，同時(shí)在剎車片壓制工藝中容易出現(xiàn)問題，因此開槽面積占鋼背總表面積的比例應(yīng)控制在15%～30%以內(nèi).對(duì)以上各試樣分別進(jìn)行有限元模態(tài)分析，結(jié)果見表3.表3 5種鋼背結(jié)構(gòu)試樣仿真分析設(shè)計(jì)有3條橫槽鋼背的剎車片較其余2試樣固有頻率改變較為明顯，關(guān)鍵頻率4 KHz與7 KHz得到改善，因此選取試樣3進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析，而具有6條豎槽結(jié)構(gòu)的剎車片頻率改變幅度較大，易與高頻制動(dòng)盤模態(tài)耦合，且開槽尺寸面積過大，系統(tǒng)剛度低，因此選取試樣4進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究.這里為了與未改動(dòng)之前做對(duì)比分析，故將改動(dòng)后模型制作實(shí)體后進(jìn)行錘擊(F.R.F)實(shí)驗(yàn).對(duì)應(yīng)的ANSYS分析和頻響結(jié)果如表4所示.表4 增加、降低頻率后仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Hz通過與未改動(dòng)前剎車片固有頻率對(duì)比分析，試樣3，4頻率變化分別為Δ1=112 Hz，124 Hz；Δ2=-328 Hz，-430 Hz.將這2種改動(dòng)后的剎車片鋼背制作樣本(見圖10)分別進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的制動(dòng)盤、卡鉗、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和程序等均不改變，實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)果如圖11～圖12所示.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，鋼背開有3條橫槽的剎車片能夠有效降低汽車制動(dòng)噪聲的發(fā)生，剎車片與其他部件在制動(dòng)過程中未發(fā)生耦合，此時(shí)噪聲的發(fā)生由外界因素，如溫度、濕度或者DTV的變化而產(chǎn)生.而相對(duì)另一種鋼背改動(dòng)的剎車片則仍在4 KHz，7 KHz附近噪聲點(diǎn)較為集中，這說明該結(jié)構(gòu)未能避免與其他部件發(fā)生耦合.因此，不同鋼背形狀對(duì)于汽車制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生存在不同程度影響.圖11 噪聲測(cè)試結(jié)果(4條豎槽)圖12 噪聲測(cè)試結(jié)果(3條橫槽)
5 結(jié)論
對(duì)剎車片的仿真分析和試驗(yàn)研究結(jié)果表明：剎車片鋼背結(jié)構(gòu)的改變會(huì)較大地影響制動(dòng)器噪聲的產(chǎn)生.通過本文所提出的方法，改變和優(yōu)化剎車片鋼背結(jié)構(gòu)，增加和降低關(guān)鍵頻率，可有效減小尖叫的發(fā)生.本文對(duì)鋼背進(jìn)行改動(dòng)在實(shí)際應(yīng)用中還需作進(jìn)一步改進(jìn)，因?yàn)閺膭x車片的總體強(qiáng)度來說，改動(dòng)之后的剎車片鋼背強(qiáng)度降低，在實(shí)際使用中可能帶來某些風(fēng)險(xiǎn)，但從本文所提出方法的有效性來看，該方法為制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可靠的理論基礎(chǔ).當(dāng)然，對(duì)于如何根據(jù)仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確確定開槽尺寸和開槽位置，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究.除了改變鋼背結(jié)構(gòu)以外，在鋼背表面貼上一層阻尼材料等手段也能解決部分噪聲問題.
作者：潘公宇1，姜中望1，王憲錳1，李 東1，孫 磊2
1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院
2.埃梯梯精密制造(無錫)有限公司
