盘式制动器制动异响的解析

盘式制动器制动异响的解析

吉胜聪

东风柳州汽车有限公司广西柳州545005

摘要：随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，顾客对汽车产品的质量、乘坐舒适性的要求也越来越高。因此，提升汽车产品的质量，提高客户的满意度，势在必行。文章下面以某车型后盘式制动器制动异响的分析与整改为例进行阐述。

关键词：盘式制动器；制动异响；分析

引言

为了解决某盘式制动器项目在台架噪声测试中发现的叫噪声，采用了锤击法结合有限元计算对主要零部件进行了频率匹配，在ABAQUS中模拟出了相同频率段的噪声。通过分析计算发现针对性地修改制动钳支架的结构能够避免制动器与其他周边零部件之间发生模态耦合，直接有效地降低制动异响的发生率。

1制动器噪音类型

制动器噪音可以分为行车噪音和制动噪音两种类型：行车噪音为制动器安装在车辆上后，零部件松动、变形、装配干涉及破坏等原因，出现振动、接触摩擦而导致的噪音。制动噪音是指车辆在制动过程中，制动块与制动盘、制动蹄与制动鼓对偶摩擦产生的尖叫、异响等。通常制动噪音又称为制动异响。目前，国家对制动器制动噪音笼统的要求为不允许出现，汽车行业标准QC/T564-1999进行台架试验时，制动噪音要求应小于76dB。

2制动异响产生的机理

声音的产生是由物体振动或往复运动引起的，将振动所产生的能量以声波的方式释放出去。汽车制动异响产生的机理，主要是由于汽车在行驶过程中减速或停车，踩下制动踏板，真空助力器推动制动主缸工作，建立制动系统油压，通过管路系统将压力传递给制动器，制动分泵推动摩擦块夹紧转动中的制动盘，摩擦块与制动盘发生摩擦振动，并通过制动钳总成、制动钳安装法兰、轴、稳定杆及悬架等零部件将振动所产生的能量释放出去。汽车制动引起的噪音是一个系统性的过程，噪音的声压级的大小不仅与摩擦振动密切相关，还受自身结构（制动系统、悬架系统、传动系统等零部件）及各种工况（制动速度、环境温度、湿度条件）影响。根据制动尖叫统一理论的观点，制动盘、摩擦块接触表面的瞬时结合-分离过程，或不光滑的摩擦、滑动过程，会产生冲击激励。如果冲击激励较弱而模态耦合较强、冲击激励较强而模态耦合较弱，盘式制动器都有可能产生尖叫。由于摩擦过程中瞬时动态载荷作用，制动器模态耦合后，其振动频率、振动形态都会发生变化而具有新的振动特征，形成运动条件下的变形分布特征，也会产生瞬时尖叫。

3盘式制动器几何模型及有限元模型的建立

3.1盘式制动器几何模型的建立

本课题所研究的某盘式制动器为浮动钳式结构。主要由制动盘、制动钳壳体、制动钳支架、摩擦片、制动钳活塞、轮毂轴承以及转向节组成。该制动器总成模型如图1所示。

图1盘式制动器总成几何模型

3.2盘式制动器总成有限元模型的建立

在建立了盘式制动器总成几何模型后，对制动器各个零部件进行了网格划分，建立了各自的有限元模型。随后按照制动器几何模型的装配位置定义了各零部件之间的联接，建立了完整的盘式制动器总成有限元模型，如图2所示。

图2盘式制动器总成有限元模型

4盘式制动器制动噪声试验结果分析与优化

为了验证本课题所研究的盘式制动器的实际噪声表现，在大型惯量测功机上进行了制动噪声测试，测试标准为GMW14591。

4.1制动噪声试验中的低频尖叫现象

试验结果如图3所示。可以看到，制动器在热态工况下出现了2.4kHz的低频尖叫噪声和5.5~6.5kHz的高频尖叫噪声。表1显示了不同声压级范围下的噪声发生几率。本文将主要针对试验中发现的低频尖叫噪声展开分析和优化。

图3基础状态摩擦片配合制动器总成的台架测试结果

表1噪声发生率一览

4.2制动器零部件固有频率分析

为了使有限元计算的固有频率结果能与实际试验的测量结果相匹配，采用锤击法测量了制动器上与噪声发生有直接影响的主要零部件的固有频率，参照测量的结果调整了理论模型的材料参数，缩小了两者的偏差。试验后的制动盘、制动钳壳体、制动钳支架的固有频率测量结果如表2。

表2锤击法测量盘式制动器零部件固有频率

在进行制动器主要零部件固有频率测量的同时，运用ABAQUS的动态应力与位移分析模块提取了这些零部件固有频率的理论值。

4.3制动器主要零部件贡献因素计算

使用ABAQUS中用于制动尖叫分析的插件程序CCF（零部件贡献因素）对盘式制动器总成进行了计算，得出了主要零部件对噪声发生的贡献程度排名。活塞侧的摩擦片和制动钳支架对2.4kHz的低频尖叫噪声贡献值最高。鉴于2.4kHz噪声属于低频范围，修改摩擦片的设计对改善该频率噪声作用不明显。因此，现阶段优先针对制动钳支架展开了进一步分析与优化。

4.4制动钳支架的模态分析

采用ABAQUS中用于制动尖叫分析的另一个插件程序CMCF（零部件模态贡献因素）对支架所有阶的模态进行计算，得出了支架各阶模态对噪声发生的贡献程度排名。噪声优化的重点放在了贡献程度最高的第4阶模态修正上。

4.5制动钳支架的设计优化

为了修正制动钳支架第4阶的模态，调整该阶的固有频率，考虑从结构设计优化上入手。理论上，零件的固有频率主要受到零件质量和零件刚度的影响，与质量成反比，与刚度成正比。考虑到改变刚度对支架的结构变化会比较大，因此决定通过调整质量来达到移频的目的。首先，使用ABAQUS计算出第4阶模态的振型，如图3所示。研究发现，支架上爪部侧的两脚振动时的振幅最大。于是优先考虑在支架的两脚上增加额外的质量。修改后的模型如图4所示，总质量增加了110g，调整后的固有频率对比结果如表3所示。

图3制动钳支架第4阶模态的振型

图4优化后的制动钳支架修改方案示意图

表3优化后的方案与原设计固有频率对比结果

结束语

有限元模拟计算的结果表明，修改制动钳支架外形设计的方案对解决制动器低频尖叫噪声是直接有效的。通过结构修改来调整支架对噪声贡献最大的那一阶模态的固有频率，能够避免制动器与其他周边零部件之间发生模态耦合，达到降低噪声发生几率的目的。

参考文献：

[1]李玉龙.盘式制动器摩擦特性及其热力耦合分析[D].太原理工大学，2017.

[2]陈叶飞.牵引车气压盘式制动器热—结构耦合分析与优化[D].江苏大学，2017.

[3]罗迎.提升机盘式制动器闸瓦摩擦学特性试验与机理分析[D].太原理工大学，2017.

[4]李建熹.盘式制动尖叫噪声及制动片界面修饰降噪研究[D].西南交通大学，2017.