基于Workbench的盤式制動(dòng)器振動(dòng)噪聲分析與優(yōu)化

施佳輝 王東方 繆小東

摘要：針對(duì)汽車制動(dòng)噪聲較大的問題，以某電動(dòng)汽車盤式制動(dòng)器為研究對(duì)象，用Soildworks軟件建立制動(dòng)器的三維模型，在Workbench平臺(tái)對(duì)該模型進(jìn)行復(fù)模態(tài)分析，得出制動(dòng)時(shí)振動(dòng)與噪音的分布情況，并通過制動(dòng)塊切斜倒角、中間挖凹槽、在鋼背面鉚接消音片等措施對(duì)剎車片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后使用Dynamometer＼|GIANT 8600慣性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)改進(jìn)前后的制動(dòng)器進(jìn)行NVH性能測(cè)試.結(jié)果表明：摩擦因數(shù)越低，制動(dòng)器復(fù)特征值實(shí)部值越小，系統(tǒng)越穩(wěn)定;改進(jìn)后的制動(dòng)器可以有效地減少系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)的頻率，使得汽車在低速時(shí)制動(dòng)噪音明顯減少，制動(dòng)器NVH性能得到顯著改善.

關(guān)鍵詞：盤式制動(dòng)器;Workbench平臺(tái);復(fù)模態(tài)分析;摩擦因數(shù);NVH試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U463.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.011

文章編號(hào)：2096-1553（2019）01-0079-08

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展與新能源汽車的逐漸普及，人們對(duì)汽車的舒適性和環(huán)境的友好性要求越來越高，因此，汽車的制動(dòng)噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（簡(jiǎn)稱NVH）成為亟待改善的問題.制動(dòng)NVH性能的研究非常復(fù)雜，不僅涉及摩擦學(xué)、聲學(xué)、振動(dòng)學(xué)，還與熱力學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科密切相關(guān).國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)NVH性能的改善做了非常深入的研究.S.W.Kung[1]等利用有限元方法分析了制動(dòng)器各部件的自由模態(tài)，通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模態(tài)分析的準(zhǔn)確性，并找出了影響制動(dòng)穩(wěn)定性的最大部件為制動(dòng)塊.A.Bajer[2]研究了摩擦阻尼存在時(shí)的制動(dòng)尖叫問題，指出忽略摩擦阻尼得到的不穩(wěn)定模態(tài)大于實(shí)際的不穩(wěn)定模態(tài).黃俍[3]通過整車道路制動(dòng)抖動(dòng)試驗(yàn)，分析了制動(dòng)盤制動(dòng)面厚度波動(dòng)與力矩波動(dòng)及振動(dòng)加速度的關(guān)系，并通過多輪臺(tái)架試驗(yàn)和多項(xiàng)卡鉗系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)解決了車輛制動(dòng)器制動(dòng)抖動(dòng)問題.姜中望[4]基于逆向工程技術(shù)，采用3D激光掃描儀完成了制動(dòng)器的建模，通過優(yōu)化剎車片底料的成分比例，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)噪音的優(yōu)化，并在LINK3900噪聲試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證.

目前，業(yè)界大部分學(xué)者將研究重點(diǎn)放在了制動(dòng)盤、制動(dòng)卡鉗等制動(dòng)器部件上，對(duì)于剎車片的研究多是基于簡(jiǎn)化模型的分析.另外，由于專業(yè)試驗(yàn)設(shè)備的欠缺，多數(shù)學(xué)者的研究工作一般停留在軟件模擬與小樣試驗(yàn)階段，很少通過專業(yè)的試驗(yàn)對(duì)其研究成果進(jìn)行驗(yàn)證.鑒于此，本文以電動(dòng)汽車盤式制動(dòng)器為研究對(duì)象，用Soildworks軟件建立制動(dòng)器簡(jiǎn)化模型，并運(yùn)用Workbench平臺(tái)對(duì)模型進(jìn)行復(fù)模態(tài)分析，由此找出制動(dòng)噪音出現(xiàn)不穩(wěn)定模態(tài)的頻率及分布情況，以便對(duì)剎車片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后用Dynamometer＼|GIANT 8600慣性試驗(yàn)臺(tái)基于SAE J2521標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該制動(dòng)器改進(jìn)前后的模型進(jìn)行試驗(yàn)分析驗(yàn)證，以期為汽車工程領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考.

1.3 盤式制動(dòng)器的復(fù)模態(tài)分析

制動(dòng)過程中摩擦因數(shù)會(huì)隨著溫度、速度、壓力的改變而變化[9]，相應(yīng)的制動(dòng)系統(tǒng)的NVH性能也會(huì)隨之改變.改變制動(dòng)器的摩擦因數(shù)，依次分析μ=0.3～0.6之間4組摩擦因數(shù)（0.3，0.4，0.5，0.6）的系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)，得到制動(dòng)器在不同摩擦因數(shù)下系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)的實(shí)部與虛部值，將其結(jié)果整理成散點(diǎn)圖，如圖3所示.復(fù)模態(tài)特征值虛部代表固有頻率，實(shí)部代表系統(tǒng)的穩(wěn)定因數(shù)，實(shí)部值大于零表示系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài).

由圖3可看出，隨著制動(dòng)器摩擦因數(shù)的增加，同頻率下系統(tǒng)的實(shí)部值也依次增大，即不穩(wěn)定因數(shù)增大.系統(tǒng)不穩(wěn)定程度越高，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生噪音的概率也就越大.2000～12 000 Hz各個(gè)頻率段都存在不穩(wěn)定模態(tài)，尤其是2000～4000 Hz和10 000 Hz左右的頻率處，不穩(wěn)定模態(tài)頻率更為集中，且對(duì)應(yīng)的復(fù)模態(tài)實(shí)部值較大，說明此頻率下制動(dòng)NVH發(fā)生的概率較大.由于系統(tǒng)固有頻率是由制動(dòng)器結(jié)構(gòu)本身決定，因此摩擦因數(shù)的改變對(duì)虛部影響很小.

2 制動(dòng)器的改進(jìn)與復(fù)模態(tài)分析

對(duì)制動(dòng)器振動(dòng)噪聲影響最大的部件是剎車片[10]，改進(jìn)剎車片是有效減少制動(dòng)器振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵.對(duì)剎車片的改進(jìn)主要有兩大方向：材料和結(jié)構(gòu).材料的組成配方之方案頗多，且長(zhǎng)期以來各剎車片的供應(yīng)商都在研發(fā)新型的高性能剎車片，但一直沒有顯著成效.然而，對(duì)剎車片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)同樣能有效地減少制動(dòng)器部件之間的共振，從而降低系統(tǒng)的不穩(wěn)定性.因此，本文從結(jié)構(gòu)方面對(duì)剎車片進(jìn)行改進(jìn)，以提高制動(dòng)器的穩(wěn)定性.

2.1 剎車片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)制動(dòng)NVH的特點(diǎn)與分布規(guī)律，對(duì)剎車片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下優(yōu)化.

1）在摩擦塊的兩側(cè)切斜倒角.這是由于原摩擦塊直角邊緣在與制動(dòng)盤接觸時(shí)容易產(chǎn)生劇烈摩擦，且直角容易磨掉，產(chǎn)生摩擦碎屑，碎屑的增加一方面會(huì)加速制動(dòng)盤和摩擦塊的磨損，另一方面也更容易產(chǎn)生振動(dòng)與噪音.

2）在摩擦塊的中間開寬2 mm，深4 mm的凹槽.凹槽可將摩擦碎屑暫時(shí)堆積于此，而后在重力作用下自動(dòng)從凹槽中排除.

3）在鋼背的后面鉚接金屬消音片，以有效減少部件之間的共振，降低噪音的頻率.

改進(jìn)前后剎車片的實(shí)物如圖4所示.

2.2 改進(jìn)后制動(dòng)器的復(fù)模態(tài)分析

將改進(jìn)后的制動(dòng)器進(jìn)行復(fù)模態(tài)分析，其不穩(wěn)定模態(tài)散點(diǎn)圖如圖5所示.將圖5與圖3對(duì)比可以看出：改進(jìn)后不穩(wěn)定模態(tài)頻率主要分布在2500～4000 Hz與6000～8000 Hz之間;改進(jìn)前后模態(tài)虛部的值相差不多，但實(shí)部的值有了明顯降低，最大值在10左右.因此，本文進(jìn)行的剎車片結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)制動(dòng)器模態(tài)的穩(wěn)定性有明顯的改善.

3 盤式制動(dòng)器NVH臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與分析

制動(dòng)器NVH性能試驗(yàn)采用Dynamometer＼|GIANT 8600慣性制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)具有密閉雙層艙結(jié)構(gòu)，可測(cè)量制動(dòng)器在不同速度、溫度和壓力下的制動(dòng)性能[11].通過改變?cè)囼?yàn)艙內(nèi)溫度、濕度及風(fēng)數(shù)等參數(shù)，來模擬汽車在實(shí)際路面行駛過程中的噪音環(huán)境，因此試驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果很接近.本試驗(yàn)以國(guó)際通用的SAE J2521標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)主要分3個(gè)基本工況（前進(jìn)/倒車制動(dòng)工況、制動(dòng)拖磨工況和減速制動(dòng)工況），共分18個(gè)階段.按權(quán)重確定不同階段的試驗(yàn)次數(shù)，其中前進(jìn)/倒車制動(dòng)工況150次，制動(dòng)拖磨工況482次，減速制動(dòng)工況798次，總制動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為1430次.試驗(yàn)臺(tái)架噪聲采集器置于制動(dòng)盤中心水平方向10 cm，垂直方向50 cm處.

3.1 噪音發(fā)生度

噪音發(fā)生度即聲壓級(jí)SPL大于70 dB出現(xiàn)的次數(shù)與總制動(dòng)次數(shù)的比值[12]，用于反映噪聲出現(xiàn)的頻率.基本工況下，改進(jìn)前后制動(dòng)器的噪音發(fā)生度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.由表2可知，在基本工況下，制動(dòng)器振動(dòng)的頻率范圍主要在 2～10 kHz之間，制動(dòng)聲壓大于70 dB的總次數(shù)為114次，占總試驗(yàn)次數(shù)的8%，而國(guó)內(nèi)外汽車主機(jī)廠商對(duì)噪音發(fā)生度的要求是不大于5%[13]，試驗(yàn)值在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外.其中，制動(dòng)拖磨工況下出現(xiàn)噪音的頻率最高，在482次試驗(yàn)中，有94次出現(xiàn)高于70 dB的噪音，占總比的11.8%;前進(jìn)/倒車制動(dòng)工況和制動(dòng)減速工況主要在2～4 kHz 振頻下出現(xiàn)噪音.

由表2可看出，改進(jìn)后制動(dòng)噪音總次數(shù)為68次，占總試驗(yàn)的4.8%，比改進(jìn)前的8%有明顯改善，且符合國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)制動(dòng)噪音5%的規(guī)定.其中，制動(dòng)噪音主要出現(xiàn)在頻率2～4 kHz和6～10 kHz之間，2～4 kHz出現(xiàn)噪音的工況仍主要是制動(dòng)拖磨工況.

3.2 噪音與頻率和溫度的關(guān)系

基本工況下，改進(jìn)前制動(dòng)器的噪音與頻率和溫度的關(guān)系如圖6所示.由圖6a）可看出，在基本工況下，制動(dòng)噪音主要分布在振動(dòng)頻率2500～4000 Hz之間，這與復(fù)特征值模態(tài)分析中不穩(wěn)定模態(tài)出現(xiàn)的頻率范圍基本一致.制動(dòng)拖磨工況下出現(xiàn)的制動(dòng)噪音頻率最高，且噪音最大，聲壓級(jí)約達(dá)95 dB;制動(dòng)減速工況下，噪音主要出現(xiàn)在振動(dòng)頻率4000 Hz左右;前進(jìn)/倒車出現(xiàn)噪音的頻率較低.由圖6b）可知，在特定的初始轉(zhuǎn)速溫度下（50～300 ℃），制動(dòng)噪聲主要分布在100～300次、570～750次和1000～1200次這3個(gè)制動(dòng)的區(qū)間，且大部分為制動(dòng)拖磨噪音.

基本工況下，改進(jìn)后制動(dòng)器的噪音與頻率、溫度的關(guān)系如圖7所示.由圖7a）可看出，出現(xiàn)制動(dòng)噪音的頻率主要分布在2800 Hz左右和6500～8000 Hz，雖然最大的噪聲聲壓級(jí)仍約有95 dB 左右，但噪音出現(xiàn)的頻率有了明顯的降低.由圖7b）可知，出現(xiàn)噪音的頻次在整個(gè)制動(dòng)循環(huán)中較為分散，相對(duì)于改進(jìn)前有了很好的改善.

3.3 制動(dòng)器的初始溫度、速度與噪音發(fā)生度的關(guān)系

表3為改進(jìn)前后制動(dòng)器噪音發(fā)生度與制動(dòng)初始溫度、速度的關(guān)系表.由表3可看出，制動(dòng)噪音隨制動(dòng)器初始溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，初始溫度在100～200 ℃之間時(shí)，出現(xiàn)噪音的頻率較大，其中150 ℃時(shí)制動(dòng)出現(xiàn)噪音的頻率最高;制動(dòng)初始速度在10 km/h時(shí)出現(xiàn)噪音的頻率最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他制動(dòng)速度下出現(xiàn)噪音的頻率，表明汽車在低速時(shí)制動(dòng)，噪聲發(fā)生的可能性較高.另外，由表3可看出，改進(jìn)后的制動(dòng)器在初始溫度時(shí)對(duì)制動(dòng)噪音出現(xiàn)的頻率也有改善，由最高的4%降到了1.5%;制動(dòng)速度對(duì)噪聲發(fā)生度的影響也由原來的最高7.1% 減少到了3.7%，相對(duì)于改進(jìn)前改善了約50%.

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)盤式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)振動(dòng)噪聲大的性能缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，通過Workbench的復(fù)模態(tài)分析得到系統(tǒng)不穩(wěn)定主要集中的頻率范圍，然后對(duì)剎車片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最后在Dynamometer＼|GIANT 8600慣性試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證.主要得到以下結(jié)論：

1）汽車盤式制動(dòng)器摩擦因數(shù)的改變對(duì)復(fù)特征值虛部影響較小，而對(duì)實(shí)部的影響很大;摩擦因數(shù)越大，系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)的實(shí)數(shù)值越大，從而噪音出現(xiàn)的頻率也就越高，適當(dāng)?shù)亟档湍Σ烈驍?shù)能改善制動(dòng)器NVH的性能.另外，制動(dòng)器在低頻振動(dòng)時(shí)制動(dòng)噪聲較為集中，尤其是制動(dòng)拖磨工況.

2）在對(duì)剎車片結(jié)構(gòu)進(jìn)行切斜倒角、開凹槽，并在鋼背上鉚接消音片后，制動(dòng)器不穩(wěn)定模態(tài)的實(shí)部值相比原制動(dòng)器有了明顯降低，其噪音在各頻段下的發(fā)生度也都明顯下降，且低于國(guó)內(nèi)外廠商對(duì)制動(dòng)噪音的規(guī)定，制動(dòng)器NVH性能有了顯著改善.

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