結構改進降低制動噪聲：數值和試驗的性能鑒定（二）

Francesco Massi Laurent Baillet Antonio Culla

另一方面，質量分離噪聲繼續變化（6.5秒后對10 g質量測量示于圖7），并且噪聲再開始在其初始的振幅和頻率。

5.3 盤速度的影響

質量值增加的影響涉及頻率范圍增大，用盤模塊在相同周期結果鎖止時間縮短。另一方面，在鎖止時（用集總塊改進）對增加振動減少時間，增加盤的轉動速度，即減小頻率波動周期（Td/2m）。

圖8（a）示在噪聲階段當盤附加5g質量時摩擦襯板的速度，盤速度由6r/m（盤速度A）增加到12 r/m（盤速度B）而最后到50r/m（盤速度C）。圖示由速度A到速度B時，鎖止/脫開周期降低；此外，注意到噪聲振動振幅降低。當盤在高速轉動時，發出的噪聲幾乎消失，并且摩擦襯板得到速度較低（圖8（a），21s＜t＜27s）。當質量脫開時（圖8箭頭所指），噪聲振動回到初始振幅和頻率。

圖8（b）示用附加質量7.5g的相同的試驗，顯然特征相同，但對于盤的速度值為c的噪聲完全消失（圖8（b），13s＜t＜20s）。事實上，在這種情況鎖止時間內由于增加盤速和增大頻率變化的幅度使增加的振動降低。

圖7 當分別附加于盤圓周上的質量為1g（黑線），2.5g（藍線），5g（綠線）和10g時摩擦襯板的切向速度曲線，取下質量6.5g后對于10g的測量Ⅱ摩擦襯板模塊和模塊（0，7＋）之間的不穩定聯接Fig.7 Tangential velocity of the pad when 1g（black），2.5g（blue），5g（green）and 10g are attached to the disk periphery.The mass is detached after 6.5g for the measurement with 10g unstable coupling between theⅡpad mode and the mode（0，7＋ ）（see online version for colours）

作者們意見是，這就是為什么汽車噪聲特征發生在低速的原因。數值計算（Baille等2006）和實驗研究（Giannini等2006）已經表明噪聲幅值隨盤速線性增加到一最大值然后當盤速增加時停留于一固定值。事實上，設計一簡單的設備有一恒定的邊界條件，即在制動階段的恒定的動力學。實際制動應用非恒定的動力學來說明實際工作狀況的特征。特別制動盤不完全平衡，在盤轉動時可連續改變鎖止狀況。因此，對于高速由于系統的自然頻率很快變換使噪聲消失，而在較少時間振動可能增加。

5.4 模塊狀態的影響

本節說明對由于Ⅱ摩擦襯板模塊和（0，7＋）模塊組合發生噪聲（噪聲在8730Hz），同時還對其他獲得的噪聲頻率包括盤彎曲模塊的結果。圖9示盤圓周附加5g質量時的噪聲振動，黑線繪出上述（0，7＋）模塊和摩擦襯板模塊聯接時所述情況的摩擦襯板的速度曲線，灰線繪出當盤和在3.24kHz提供的彎曲模塊聯接，（0，4＋）模塊時噪聲情況下測出的切向加速度曲線。在鎖止/脫開循環變化和模塊m的周期內，附加質量的影響是相同的，如圖9所示。因為聯接狀況完全不同，不能進行噪聲幅值之間的比較。

6 數值結果

6.1 理論分析

圖8 對盤轉速三不同值的摩擦襯板切向速度（A＝6r/m，B＝12r/m，C＝50r/m）當附加盤圓周質量為（a）5g和（b）7.5g時，箭頭指明質量分開時Fig.8 Tangential pad velocity for three different values of the disk rotational velocity（A＝6rpm，B＝12rpm，C＝50 rpm），when masses of（a）5g and（b）7.5g are added to the disk periphery.The arrows indicate when the mass is detached（see online version for colours）

圖9 對噪聲在8.7kHz和附加質量5g的摩擦襯板速度曲線（黑色）；對噪聲在3.25kHz和附加質量5g提供的切向加速度曲線（成比例的）Fig.9 Pad velocity for squeal at 8.7kHz and 5g of added mass（black）；support tangential acceleration（scaled）for squeal at 3.25kHz and 5g of added mass

相對于預測和優化兩方面集成塊改進問題是完全可以解決的，預測問題許可估價新系統的響應，一方面原始系統的動力學和改進后的動力學是已知的（sestieri和D’Ambrogio，1989；Rivin和D’Ambrogio，1990；D’Ambrogio和Sestieri，2001），相反（優化）問題許可計算改進關于所述系統的動力學特性。

如初始結構已知，用其模型數據（自然和模塊形狀）或者用其在一組點測出的FRF矩陣，可寫成該關系描述的新改進系統的動力學方程式。

初始結構有以下典型的運動方程式

讓ΔM和ΔK是質量和剛度的改進的矩陣，該改進結構運動方程式有如下形式：

其模擬座標為

用解新的固有值問題，計算一組新的模塊參數：ΦN和ΛN，方程式（4）可重寫如下：

用ΛN可計算改進結構的自然頻率，新結構的固有矢量為：Ψ＝ΦΦN（Sestieri和D’Ambrogio，1989）。事實上，因為物理座標矢量為＝ΨN。

一般系統的質量和剛度矩陣是不知道的，而結構的動力學是用FRF矩陣用測量可達到知道。令H是初始系統的FRF矩陣，即＝H，ΔB為改進的矩陣（D’Ambrogio和Sestieri，2001），即 ΔB＝－ω2ΔM＋jω（αΔM＋βΔK）＋ΔK。

關系式（5）和（6）許可直接解問題，換言之，它們采用初始系統和動力學改進提供的信息給出改進結構的動力學（模塊參數或FRF矩陣）。

本文研究的目標是（n，m＋）模塊為避免鎖止共振的變化，這是完成考慮集成塊結構改進和用式（3）驗證改進的效率的一種方法。在實驗室試驗中再現附加質量的影響，表明以上一集成塊改進與提出的質量－阻尼－彈簧系統一致。實際上，因為實驗對加速計和有限空間的附加質量是否薄片蜂蠟附于盤上，它相對模型的集成塊質量是不精確的。

可以研究在盤上進行一組測量和未改進結構的FRF矩陣。因改進只包含結構的一點，改進矩陣ΔB各處為零，除對于符合集成質量－阻尼－彈簧系統的元件外。此外，驅動點選擇在附加系統一個自由度位置，所以用所謂驅動點1，對新系統FRF矩陣元件HN11可按一簡單的關系式計算：

式中m，c，k是集成質量－阻尼－彈簧的系數。

圖10 初始系統（實驗的）和用附加集成塊質量－阻尼－彈簧（10g質量）改進結構的FRFs之間的比較，改進采用在模塊（n，m＋）的反節點Fig.10 Comparision between the FRFs of the original system（experimental）and the modified structure by the addition of a lumped mass－dampling－spring modification（mass of 10g）the modification is introduced at the anti－node of modes（n，m＋ ）

圖11 初始系統（實驗的）和被采用集成塊質量－阻尼－彈簧（10g質量）改進結構的FRFs間的比較，在模塊（0，4）位置BFig.11 Comparision between the FRFs of the original system（experimental）and the modified structure by the introduction of the lumped mass－dampling－spring modification（mass of 10g）at position B of mode（0，4）

黑線繪制的圖10和圖11是初始FRFs在實驗設備上未附加質量測量得出的，用式（7）計算的改進系統的相應FRFs如圖中灰線所示。圖10（a）和（b）示分別在模塊（0，4＋）和（0，7＋）位置C測得的曲線。除由實驗室試驗（圖5）模塊（0，4＋）頻率減小外，在模塊（0，7＋）頻率增加（10g質量大約為30Hz）。圖11示當改進加于模塊（0，4）位置B時測量（黑線）和改進（灰線）FRFs，在這種情況，測量的FRFs表示兩個模塊（0，4＋）和（0，4－）；在B位置改進提出許可變更兩模塊的頻率，如試驗圖4（a）所示。當引用集成塊改進，如試驗測出，模塊響應幅值減小（圖4）。

本文該情況研究目標是為避免鎖止變更盤的共振，上述解預測問題得出與由試驗求得的相同特征。相反的問題為了獲得所述轉子模塊頻率變化可重新闡述優化該結構改進。對分析和預測集成塊改進的影響的這個方法是特別有用的，因為它可以把對制動系統的實驗（FRFs）值和數據兩者公式化。

6.2 復雜的固有值分析

復雜的固有值分析為繪系統不穩定區的跡線提供了一種工具。采用QR Damped方法分析和重復作為驅動參數的函數進行求出數值的固有值。在Massi等（2007）著作內，摩擦襯板材料的楊氏模量和彈簧剛度仍保持選擇作為驅動參數，許可再現該實驗設備作為法向負荷的動力學特性。因此，系統的固有值作為該兩參量的函數進行求出，作參量的分析和證實噪聲的不穩定性，用系統兩固有值之間鎖止說明噪聲特性（圖12（a）），開始有相同的虛數部分（頻率），然而關于初始值（結構阻尼）它們有相反的實數部分。而且其中之一隨后有一正實數部分（圖12（b），即它是不穩定的。對于1kHz和20kHz之間的噪聲預測 Massi等（2007）和Massi等（2006b）已經介紹了一完全的參數分析法。本節分析了由于模塊（0，4＋）和支撐的第三切向模塊之間的聯接（鎖止）的不穩定性，相同的鎖止已經實驗獲得和在3240Hz噪聲起因（圖9）。圖12示支撐模塊頻率增加直到模塊（0，4＋），當它們聯接和模塊之一成為不穩定時。反之，因為和摩擦襯板在其節點直徑接觸和其不受參數選擇變化的影響，故模塊（0，4－）停留于常數頻率。為分析采用摩擦系數等于0.4，Massi等（2007）介紹了摩擦系數和噪聲預測之間關系的詳細分析。

圖12 模塊（0，4＋）和支撐模塊之間鎖止：（a）固有值作為系統參數的函數；黑點線是正實數部分固有值（不穩定）和（b）繪出兩模塊達到正實數中間平面和變成不穩定的軌跡Fig.12 Lock－in between mode（0，4＋ ）and the mode of the support：（a）eigen values as a function of the system parameters；the black dots are the eigen values with a positive real part（unstable）and（b）in the locus plot one of the two modes reaches the positive real semiplane and becomes unstable（see online version for colours）

這里用在模型圓周附加一集成塊研究集成塊改進的影響。特別采用在實驗設備中用直徑（5×5×5 mm）元件貼附于盤的周邊再現這種改進，其厚度改進完成該復雜的固有值和噪聲鎖止的靈敏度分析。

已經對關于模塊（0，4＋）的三位置進行分析：位置A落在模塊（0，4＋）的振動節點；位置C落在模塊（0，4＋）振動的反節點；位置B在A和C之間（圖4（a））。

圖13示當附加質量值改變時固有值的特性，系統的其他參數固定有不穩定性（E＝4200MPa和K＝3.85×107N/m圖12內）。當無質量附加時，系統在3410Hz不穩定，其中模塊（0，4＋）和支撐模塊聯接，模塊（0，4－）在3340Hz。

圖13（a）示質量附加于位置 C，模塊（0，4＋）受質量影響，使它變動到較低頻率。因為脫開故系統變成穩定。這就是為什么當質量通過振動和噪聲的反節點時，較大的質量發生振動降低（圖9），模塊穩態聯接間頻率間隔較大（圖13）。

在圖13（c），質量附加于位置 A，模塊（0，4－）變動到一較低的頻率，而模塊（0，4＋）停留于和支撐模塊一致的頻率。該系統是不穩定的，質量值單獨的。這就是為什么當質量通過振動和噪聲節點時發生振動增加（圖9）。

圖14示相同的分析當系統參數固定不存在不穩定性時（E＝4010MPa和K＝3.66×107N/m圖12內），系統沒有附加質量是穩定的。采用在位置C增加附加質量，模塊（0，4＋）頻率減小直達到支撐模塊頻率并出現不穩定性。事實上，集成塊改進的目的在于不是避免不穩定聯接，而是定期改進系統動力學避免鎖止，從而避免噪聲振動增加。

7 最后評論

目前對噪聲預測復雜的模擬分析是為降低不穩定狀態最通常采用的方法之一。然而該高模擬強度特征的商業制動器以及由于大量生產對其動力學的不確定性，不可能開發設計制動器沒有噪聲的預報工具。

采用對鎖止不穩定性的理解，本文提出方法的目標用在轉子結構改進以免除噪聲振動。目的是按增加不同的噪聲頻率（包括盤彎曲模塊所有噪聲）用一簡單的和化費不大的解防止振動。事實上，轉子內導入不對稱質量（本文中附加質量）造成盤彎曲模塊自然頻率向后和向前變動，從而結構連續鎖止和脫開。實驗試驗表明，引用一足夠大的改進，可以完全免除噪聲振動。

圖13 附加質量對固有值的影響當無質量安置系統參數獲得噪聲時：（a）當質量附加于位置 C（模塊（0，4＋）的反節點）；（b）質量附加于位置B和（c）質量附加于位置AFig.13 Effect of the addition of mass on the eigen values when the system parameters are set to obtain squeal without mass：（a）when the mass is added in position c（antinode of mode（0，4＋ ）；（b）the mass is added in position B and（c）the mass is added in position A.In this last case squeal is not affected because the mass is at the mode of mode（0，4＋ ）

圖14 附加質量對固有值的影響當系統質量設定無質量沒有噪聲時（圖12對X軸首次解）：（a）質量附于位置C；（b）質量附加于位置B和（c）質量附加于位置AFig.14 Effect of the addition of mass on the eigen values when the system parameters are set to obtain no squeal without mass（First solution on the x axis of Figure（2）：（a）the mass is added in position c；（b）the mass is added in position B and（c）the mass is added in position A

模塊頻率波動周期是盤轉動速度和節點數的函數。頻率波動的幅值是集成塊改進值的函數。它已表明增加盤速度或改進值可縮短噪聲振動增加的時間（縮短鎖止時間）和允許消除噪聲。在高速實際制動器中沒有噪聲的原因是系統動力學的快速變化，由于隨盤轉動沒有常態動力學，它防止振動增大。這可能說明為什么噪聲只發生于低轉速。

任何集成塊改進都可用來實現上述相同的結果。例如，很好安排盤穿孔的分布，常可設計用以降低發熱量。特別應注意給出的集成塊改進的分布，以便避免導致盤的偏心度，正確的確定所有的彎曲模塊假定包含噪聲。

進一步的研究計劃恢復改進塊的最佳分布，用非線性數值模型用集成塊改進抑制噪聲。（谷雨譯自Int.J.Vehicle Design，Vol.51，Nos.1/2，2009）

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