基于ABAQUS的制動盤周期結構金屬材料變化對制動噪聲的影響分析

余亞敏　陸晶晶

摘 要：盡管在汽車行業中盤式制動器的技術較為成熟，但由于制動噪聲的復雜性和不確定性，仍需不斷改進優化。論文通過多種周期結構的對比，采用了比強度高、比剛度大的金字塔型點陣周期結構金屬材料對鉗浮式制動器的重要組成部分——制動盤進行了改進設計。其中新型結構包括HT250、合金鍛鋼、QT600-3以及RuT380四種材料下的三角形截面、圓形截面、正方形帶圓角8x8、正方形無圓角8x8以及正方形無圓角10x10四種單胞桿件截面，從而獲得實心制動盤和改進制動盤的復特征值的實數部分的數值。建立了模糊綜合評價模型，25種改進設計結構中有17種表現出降噪效果，該結果論證了新型周期結構材料的變化在合理的設計下能夠達到制動降噪的效果，對新型周期結構制動盤的降噪效果分析和其在航空航天領域以外的汽車領域的應用具有重要意義。關鍵詞：制動盤;金字塔型點陣周期結構;模糊綜合評價模型;復特征值;制動噪聲中圖分類號：U445? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）01-134-04

Abstract： Although the technology of disc brake is mature in automobile industry， it still needs to be improved and optimized because of the complexity and uncertainty of braking noise.Through the comparison of various periodic structures， this paper improves the design of the brake disc， which is an important part of the clamp floating brake， by using the metal material of pyramid lattice periodic structure with high specific strength and stiffness. The new structure includes HT250， alloy forged steel， QT600-3 and RuT380 with triangular section， circular section， square with round angle 8x8， square without round angle 8x8 and square without circle. The cross sections of four kinds of single-cell rods with angle 10x10 can obtain the real values of the complex eigenvalues of solid brake disc and improved brake disc.This paper establishes a fuzzy comprehensive evaluation model.Seventeen kinds of structures show noise reduction effect. The results demonstrate that the change of new periodic structural materials can achieve the effect of braking noise reduction under reasonable design. It is of great significance to the analysis of noise reduction effect of new periodic structural brake discs and their application in automobile field outside aerospace field.Keywords： Pyramid Lattice Periodic Structure; Fuzzy Comprehensive Evaluation Model; Complex Eigenvalue; Brake NoiseCLC NO.： U445 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）01-134-04

前言

隨著互聯網公司等造車新勢力的加入，使汽車行業的競爭壓力逐年提升，與此同時，汽車的普及率也隨之提高，方便了人們的日常出行。但它也是一把雙刃劍，即使在千人保有量不到兩百的中國也存在噪音污染問題，尤其是制動器在連續制動時發出的高頻噪音。目前汽車廠商普遍青睞于盤式制動器，也有小部分車型使用鼓式制動器。盤式制動器之所以被廣泛使用，是因為它與鼓式制動器相比有以下幾個突出的優點：熱穩定性能好;浸水后效能降低較少;維修方便等。雖然盤式制動器的技術較為成熟，性能較好，但由于噪聲機理的復雜性、出現頻段的不確定性、系統性改進方案的缺乏以及汽車消費者的高要求，制動噪聲問題有待進一步解決。

1 研究現狀

1.1 制動噪聲研究現狀

早期研究者通常從自激振動的角度進行制動噪聲的研究，很自然地從摩擦副入手，Millner[1]證明了對于盤式制動器即使摩擦系數為常數，制動噪聲仍可發生。Sprag-Slip理論[2]解釋了當摩擦系數為常數時，僅因摩擦副的幾何特性選擇不當，便會導致系統自激振動的產生。Hany A.Sherif[3]認為自激振動依賴于兩滑移面的接觸特性——接觸面的摩擦系數和接觸剛度。另一個解釋制動振動噪聲機理的分支是熱點理論，Kreitlow通過試驗發現顫抖頻率與車輛速度和熱點數目相關。

劉宇澄[4]圍繞制動襯塊結構優化，引入了壓縮應變作為調整變量，解決了不同結構參數之間缺乏統一參照的問題，實現了調整襯塊輪廓、修改襯塊寬度以及在襯塊兩端開設倒角三種技術手段在降噪效果方面的對比。

曾康等[5]使用MOPA激光器在制動盤表面加工出4種不同數量及深度的M型溝槽并在LINK3900臺架實驗設備上進行NVH臺架實驗，對比分析不同空曠下M型溝槽對制動噪聲的影響。

1.2 新型周期結構材料研究現狀

聲學超材料是人工周期復合材料，因其所具備的超常特性，近年來受到國內外學者的廣泛關注。FokL[6]等人在其綜述性文章中明確指出，目前聲學超材料的兩大突出應用方向為：高效降噪材料和高性能聲學透鏡。其中，在降噪應用探索方面，最近香港科技大學研究小組取得了重要進展。2010年，他們設計、制備出一種輕質薄膜構型的局域共振型聲學超材料，可以在低頻寬帶（50Hz～1000Hz）范圍內實現高效隔聲。

三聚氰胺泡沫材料是一種具有高開孔率的多孔材料，具備優良的吸音、防火隔熱及環保性能，可以作為吸聲材料與彈性板、空腔介質形成復合結構，在建筑、航空、交通工具等工程領域有廣泛的應用。白聰[7]等詳細分析了多孔材料布局對復合結構吸聲特性的影響。他們研究的結果表明：在多孔材料前面增加空氣層可以改善高頻吸聲特性;在多孔材料后面增加空氣層可以改善復合結構低頻吸聲特性。雖然該復合結構對高頻吸聲有效，但是建模時有一定的難度。

點陣材料[8]是一種新型的胞狀有序多孔材料，其單胞為桿單元組成的空間網架類結構。金屬基點陣材料具有良好的力學性能和功能特性，在航空航天、交通運輸、武器裝備、電子器件等領域有著廣泛的應用前景。陳婷婷[9]等人基于直接聲振耦合理論，用數值分析較為系統地研究了金字塔型空心點陣地隔聲特性并分析了空心桿件的仰俯角、面內尺寸等重要結構參數對金字塔型空心點陣結構隔聲特性的影響。

點陣結構因其比強度高、比剛度大等優良力學性能被廣泛用作航天器、汽車等的外殼結構。由于點陣結構所處的部位和工況環境經常承受聲壓載荷激勵，故研究其隔聲特性具有重要意義，在航空航天、高速列車、汽車、船舶、潛艇等領域具有十分廣闊的應用前景。

2 周期結構設計

在實際情況中，金字塔點陣結構內充滿著空氣，聲波可以通過空氣腔和聲橋連接結構兩種媒介傳播。CHENG[10]等研究表明：當聲橋連接結構剛度與空氣腔的空氣靜力剛度之比大于10時，可以不考慮聲波經過空氣傳播的途徑而忽略空氣腔與結構面板之間的流固耦合作用。本文研究的模型符合上述條件，所以計算時均忽略金字塔型點陣結構中空氣的影響。

陳婷婷等建立了金字塔型空心點陣結構單胞結構（圖1）并進行隔聲量的對比分析，文中指出空心點陣結構有利于輕量化且隔聲性能相對較好，所以我從一開始建模就從空心點陣結構入手，但由于跟我同一小組做強度分析的同學因空心結構的壁過薄無法對其進行網格劃分，所以我的單胞結構確定為實心點陣結構。

金字塔型點陣單胞結構的主要參數有桿件長度L，桿件與面板的方位角α，仰俯角β，桿件截面為正方形的實心桿件邊長或桿件截面為正方形管的空心桿件外壁邊長為w，內壁邊長為s。

3 有限元模型及振動模態特性分析

3.1 有限元模型

將有限元法把離散的概念運用到整個連續物體從而使整體解析變成分段解析，將解析法與數值法完美結合，形成一種全新的數值計算方法。有限元分析法的核心內容是“分與合”，分是為了獲得有限個單元，從而對單元進行分析，合是為了集合劃分的單元，對整個物體進行綜合分析。完成網格劃分的模型如圖2所示。整個盤式制動器模型被劃分為56477個單元，節點總數為100593。

3.2 制動盤模態分析

模態分析是結構設計中的常規方法。因為制動器也是一個振動系統，在其結構的設計和優化中引入模態分析，有利于結果的分析。

模態分析[11]可以用來確定結構的自振頻率和相應振型，避免在動載荷作用下發生共振現象，從而提高系統的振動性能。本文利用有限元分析軟件ABAQUS，對改進制動盤有限元模型進行模態分析，發現制動器制動過程中發生共振的原因，為制動器的結構優化提供重要的模態參數。制動過程主要是把制動力加載到制動器的對偶盤上，運動中的摩擦片受到對偶盤擠壓產生摩擦力，從而實現車輛的制動減速。隨著摩擦的增加，兩種相鄰的模態會相互融合起來。當其達到相同頻率時，就會出現其中一個不穩定的現象。由于特征值的實部值與不穩定模態直接相對應，可以提取復合特征值，從而確定其中的不穩定模態。當一個有限元運動學系統有n個節點自由度時，就會有n個特征矢量和特征值與其對應。而每個特征值又與系統某階的固有頻率相對應，相應的特征矢量同樣與固有頻率下的振型相對應。當實部特征值大于零時，系統就會運動不穩定。在微小的干擾下，系統的振幅會越來越大，隨即就會產生摩擦噪聲。

4 評價模型

由于散點圖只能通過大概地比較得出結論，無法將25種改進結構都進行詳細地描述，所以需要建立評價模型使得改進制動盤的降噪效果的好壞更加直觀。

4.1 根據評價目的確定評價指標集合

當評價指標集合為={實部值的最大值，頻率為1～16kHz的個數，頻率在1～16kHz且實部值小于380的個數，頻率在1～16kHz且實部值大于380的個數}

之所以將頻率選擇在1～16kHz之間是因為本設計主要研究高頻噪聲且該頻段內的噪聲往往是由于制動盤所引起。實部值的最大值出現的原因是制動盤的共振現象，所以該指標尤為重要。

4.2 根據評價目的確定評價指標集合

評價等級[12]集合為={很好，好，一般，差}

評價等級一般分為四等，但是由于評價等級受到個人感受的影響，有的評價模型種的評價就采用幾個專家的評價。

4.3 確定各評價指標的權重

評價指標權重為={0.4，0.2，0.2，0.2}

4.4 確定評價基準

以HT250實心制動盤的數值作為評價基準，由于頻率在1～16kHz的個數無法準確表達實部值的大小，所以添加了另外兩個指標，即頻率在1～16kHz且實部值小于380的個數和頻率在1～16kHz且實部值大于380的個數。380這個數據為HT250實心制動盤的實部值最大值的一半，這樣選擇是因為380將作為評價基準的制動盤數據分為兩大類，既考慮頻率的范圍又考慮了實部值的數值同時又不至于設置過多的指標。評價結果：

式（1）中，a0是HT250實心制動盤實部值的最大值;a是改進制動盤實部值的最大值;b0是HT250實心制動盤頻率在1～16kHz的個數;b是改進制動盤頻率在1～16kHz的個數;c0是HT250實心制動盤頻率在1～16kHz且實部值小于380的個數;c是改進制動盤頻率在1～16kHz且實部值小于380的個數;d0是HT250實心制動盤頻率在1～16kHz且實部值大于380的個數;d是改進制動盤頻率在1～16kHz且實部值大于380的個數。得到最終評價結果，如表2所示。

5 結論

25種改進結構中有19種表現出良好的降噪效果，其中降噪效果最好的是三角形截面合金鍛鋼制動盤，與上一章通過數據分析的結論相一致，進而證明了該評價模型具有一定的可靠性。

參考文獻

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[2] Spurr R T.Brake squeal[J].I Mech E，1971，95/71：13-15.

[3] Hany A Sherif， “On the design og Anti-Squeal Friction Pads for Disc Brake”，SAE paper 910575.

[4] 劉宇澄.乘用車盤式制動器制動嗓聲影響因素分析及參數優化方法研究[D].浙江大學，2017.

[5] 曾康，張雪剛，王書文.M型溝槽仿生制動盤的減振降噪性能研究[J].噪聲與振動控制，2018，38（S1）：292-295.[1]唐宗賢，朱賦主編.高等數學：上冊.第2版.北京：機械工業出版社，1996.

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