盤式制動器新型消音片設計

牛彩云　李建松　曾清德

摘 要：多數盤式制動器，制動時會發出讓人不舒服的刺耳響聲，特別在涉水之后更甚。本設計將改變消音片構造，通過試驗選定材料附在剎車片背面。并利用三維仿真軟件制作出制動塊模型，對其不同厚度的的消音片減振效果進行有限元模態分析，而后對三個不同設計接觸面的消音片比實驗數據，分析得出最優選方案。

關鍵詞：盤式制動片；消音片構造；阻尼材料；減振降噪；優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.011

0 研究背景

今天汽車工業的快速的發展，給我們的現代生活帶來了便利，另一方面，它給我們帶來了很多傷害。其中，噪音污染是現代城市生活中最重要的公害之一。據統計，在都市里的噪聲中，交通工具產生的噪聲就占有其中的三分之一，汽車產生的噪聲則又其中的五分之四。現今噪音被確認是首要的污染之一，人們越來越重視噪音對人體的危害。

1 汽車消音片簡述

減少盤式制動器噪聲的措施之一是安裝阻尼材料，以吸收剎車塊的非制動一側的振動和噪音。大多數的消音片合適于附有金屬底層的基體，或是在上邊涂上橡膠的涂層，因為橡膠模量比較小，所以不能直接用作為工程材料，金屬基體通常是冷軋薄板和薄鋼板。之所以粘彈性材料不可以單獨用作制動體系中的材料，是因為粘彈性阻尼材料的彈性模量很小，蠕變阻力也很差，它一般都是與金屬組合成新結構的阻尼材料才有作用，消音片亦是如此，通過它們組合出的新結構層數，可劃分為自由阻尼加工結構還有約束阻尼加工結構兩種。

從圖1可以看出結構a中是用兩層較薄的橡膠阻尼層與一層較厚的金屬層相結合的，兩層橡膠阻尼層覆蓋著金屬層，當有機械振動傳遞時，橡膠阻尼層會產生形變，但又由于粘性作用存在，機械振動能會轉變為熱能耗散。而圖中結構b則有三種材料組合而成，一層金屬層、一層橡膠阻尼層與一層約束層。當有機械振動傳遞時，橡膠阻尼層同樣會發生形變，而后約束層制約了阻尼層的形變，這樣也可以大大提高能量耗散效果。

2 理論計算模型與參數化設計

2.1 消音片工作原理

在系統內的能量之所以降低，阻尼振動不全是因為“阻力”造成的，在機械振動方面，一個是由于摩擦熱產生，摩擦會產生熱，熱量又會在空氣中傳遞消散，這就是讓機械能轉化成為熱能，這樣的阻尼體系就是摩擦阻尼。另一個是體系中的能量引起身邊粒子的振動，讓能量從粒子中傳遞后逐漸消散，也就是所謂的輻射阻尼。阻尼是指一種可以自由振動的固體，就算它的力學性質與外界全部隔離，也可轉化為熱能。從應用技術的角度出發，從能量耗散、轉換、傳輸的角度出發，從宏觀層面出發，從能量耗散的角度出發，將機械能轉化為能量耗散，進而形成體系阻尼效應，適當的增加阻尼是減少振動共振反應最達標最有效的方法。振動能量變出成熱消散，這就是阻尼效應，從而抑制結構振動，達到減少噪聲的目的。汽車盤式制動器的設計是通過阻尼效果來減少噪音。

3 消音片結構仿真數據

3.1 使用ANSYS軟件求解不同厚度消音片的位移變量

使用UG軟件構建好制動塊結構，然后使用ANSYS軟件導入制動塊模型，采用ANSYS結構仿真處理，計算模態數據。步驟如下：首先建立好網格結構，其次給制動塊模型指派材料，然后定義支撐在制動塊背部，也就是在消音片處，最后求解物理場中的位移變量獲得以下數據。制動塊網格如下圖2所示。

（1）采用0.8毫米的消音片計算模態位移變量如圖3。計算結果為小面積出現位移變量，最高變量值為11 223.4毫米。

（2）采用1.0毫米的消音片計算模態位移變量見圖4。計算結果為大面積出現位移變量，最高變量值為5523.0毫米。

（3）采用1.2毫米的消音片計算模態位移變量如圖5。計算結果為小面積出現位移變量，最高變量值為818.1毫米。

（4）采用1.4毫米的消音片計算模態位移變量如圖6。計算結果為大面積出現位移變量，最高變量值為130.3毫米。

從實驗數據中可知，安裝0.8毫米厚度消音片的制動塊變量面積較大，而且最高變量值達到11 223.4毫米。而安裝1.0毫米厚度消音片的制動塊變量面積較小，最高變量值只為前者的一半，也就是5523.0毫米。安裝1.2毫米厚度消音片的制動塊，變量面積極小，最高變量值也只有818.1毫米。安裝1.4毫米厚度消音片的制動塊，變量面積最大，最高變量值為130.3毫米。

也就是說，無限增大消音片厚度是不可取的，雖然變量值有所減小，但是變量面積也在隨之增大，厚度太小的消音片，又會引起巨大的變量值，從結果分析，安裝1.2毫米厚度的消音片效果最佳。

3.2 使用ANSYS軟件求解不同結構消音片的模態形變模量

從改變消音片構造來解決制動時振動傳遞所造成的噪聲，首先暫時不考慮制作工藝的成本，在此前提下，設計三個消音片結構并計算是否能有效減少振動與降低噪音。在初步設想里，想同時解決遇水退水的情況，所以把消音片結構設計成三種樣式的規則波面，設計思路為是：規則型波面與往常的平面不同，與制動卡鉗的接觸面會有一定的空隙，在遇水之后，這些空隙會加速水份的流失，增加空氣的流入，這樣就可以增強一定的退水能力，并且空氣的流入也可帶走一部分的熱量，也就是說在增強退水功能的同時也一并增強了散熱性能。

（1）首先是第一個設想的制動塊消音片結構，結構如圖7。

該設計是將原本平面的消音片制作成不為平面的矩形矩陣排列的樣式，每個矩形面都為1平方毫米，每個長方體相互之間的間隔為1毫米。設計完成后再次計算模態形變模量。結果如圖8所示。

從圖中可知設計的制動塊最高位移形變量只有122.0毫米

（2）接著是第二個設想的制動塊消音片結構，結構如圖9。

該設計是將原本平面的消音片制作成不為平面的半圓形矩陣排列的樣式，每個半圓形面積都為6.28平方毫米，每個半圓柱體相互之間的間隔為2毫米。設計完成后再次計算模態形變模量。結果如圖10所示。

從圖中可知設計的制動塊最高位移形變量只有130.6毫米，與方案一的形變量相差不大。

（3）最后是第三個設想的制動塊消音片結構，結構如圖11。

該設計是將原本平面的消音片制作成不為平面的半圓形矩陣排列的樣式，每個半圓形都為6.28平方毫米，每個半圓柱體相互之間的無間隔。設計完成后再次計算模態形變模量。結果如圖12所示。

從圖中可知設計的制動塊最高位移形變量有583.5毫米，比前兩個方案都要高，但是位移變量面積極小。

由以上數據可知，三個設計方案中，第一個方案設計的位移最高變量最小，第三個方案設計的位移變量面積最小，而第二個兩個數據都處于中等水平，則說明三個設計各有優處，在選用上則需要具體計算使用車輛的數據。