基于ALGOR的盤式制動器振動噪聲模態(tài)分析

何俊藝 何家盼

摘 要：本文主要分析了基于ALGOR的盤式制動器振動噪聲模態(tài)相關問題，在分析盤式制動器前12階振型和固有頻率的基礎上，得出了可以在高階固有頻率提高的基礎上降低制動盤共振，進而促使制動噪聲降低。

關鍵詞：盤式制動器 模態(tài)分析 振型 固有頻率 ALGOR

制動噪聲問題是車輛行駛中最為明顯的問題，現(xiàn)階段伴隨人們私家車輛的不斷增多，該問題也引起了人們的廣泛關注。制動噪聲常常會促使人們的注意力分散，加劇心情緊張程度，并促使人們產(chǎn)生一定程度的煩躁情緒，直接威脅人們的身體健康。因此加強對制動噪聲的研究具有非常大的現(xiàn)實價值[1-2]。

1 制動噪聲的分類

制動噪聲的類型是多樣的，通常情況下常見的制動噪聲主要有以下幾類，分別是制動開始時產(chǎn)生的噪聲、制動過程中產(chǎn)生的噪聲以及停車時產(chǎn)生的噪聲。制動噪聲的主要來源就是制動過程中的尖叫聲，制動尖叫聲是在制動盤共振的情況下引起的，此時高頻噪聲的頻率在1-6KHz[3-4]。以下是本文對盤式制動器結構的分析，并采用了模態(tài)分析法，在提高固有頻率的基礎上，盡可能增加超過6KHz的高階頻率，以此實現(xiàn)減少制動盤共振降低噪聲的目的。

2 盤式制動器的工作原理

制動盤是制動摩擦副中間的旋轉元件。半軸帶動制動盤沿著車輛前進的方向呈現(xiàn)出繞半軸做旋轉運動和直線運動的特點。盤式制動器制動過程中油缸液壓力會作用在活塞上，促使制動摩擦片沿著軸向進行移動。此時制動盤會受到一定壓力的影響。反作用作用在制動鉗體上，促使制動鉗體呈現(xiàn)出向右移動的趨勢，此時制動盤與制動摩擦片是相互靠近的。制動盤兩側的摩擦塊會受到兩個不同壓力的影響，進而夾緊制動盤，制動盤在夾緊狀態(tài)下會產(chǎn)生一個制動力矩，該力矩的方向與運動方向相反，從而促使汽車制動[5-6]。

3 盤式制動器的有限元模型構建

盤式制動器的有限元模型在構建時需要借助Catia軟件，在該軟件的支持下形成三維實體的制動器模型。因為制動盤是鑄造成形的結構，因此受其自身結構的影響，可以簡化甚至是忽略。其中制動盤的材料屬性見表1。制動器仿真模型圖見圖1。

三維實體制動器模型在Catia軟件下構建好之后，將其導入到ALGOR中，在ALGOR中將材料的屬性分別賦予上，并劃分成相應的網(wǎng)格。結合制動盤的受力情況可以知道，制定盤在通常情況下是繞半軸作旋轉運動的，因此制動盤內徑表面各個節(jié)點x、y、z方向上的平動和圍繞x、y軸的轉動都受邊界條件的制約。且系統(tǒng)的固有特性直接決定模態(tài)，模態(tài)與外載荷聯(lián)系性不大，因此不需要額外對外載荷的邊界條件進行設計[7-8]。

4 模態(tài)的分析與求解

4.1 構建運動微分方程

結構振動特性的確定離不開模態(tài)分析，所謂模態(tài)分析就是對無阻尼系統(tǒng)的自由振動情況進行研究，在此基礎下得出振動系統(tǒng)的振型和固有頻率。其中動態(tài)分析是模態(tài)分析中最常用的分析方法，同樣該方法也是其他動態(tài)分析的條件和基礎。其中無阻尼模態(tài)分析帶有較大的代表性和特征性，它的動力學問題運動方程為：總質量矩陣×結構加速度向量+阻尼矩陣×速度向量+剛度矩陣×位移向量=激振力向量。阻尼對自由振動的振型和固有頻率影響較小，可以忽略不計，因此無阻尼自由振動的運動方程為：總質量矩陣×結構加速度向量剛度矩陣×位移向量=0。自由振動時各個節(jié)點所呈現(xiàn)出來的運動方式為簡諧振動。其中結構的模態(tài)就是在一個振動系統(tǒng)中當存在多個主振型和多個固有頻率時，其中任何一對振型和固有頻率均表示一個單自由度系統(tǒng)的自由振動。其中結構在自由振動時呈現(xiàn)出來的基本振動特性就為結構的模態(tài)[9]。

4.2 分析制動器有限元模態(tài)結果

1-6KHz是制動器噪聲主要集中的區(qū)域，因此在分析模態(tài)時，選取的為小于6500Hz的模態(tài)，前12階模態(tài)中的部分振型如圖2所示。其中固有頻率見表2。

分析模態(tài)結果可以發(fā)現(xiàn)，改進前圓周振動和扭動是制動盤的主要振型，1-6KHz是前10階固有頻率主要集中的頻段，該頻段位于制動盤共振所致的噪聲范圍內。11階和12階振動盤共振引起的噪聲超出了6KHz。從振型的分析模態(tài)振動變形較明顯的為2、5、7、8階。其中圓周運動的為2階，圓周扭動并且徑向和軸向位移均較大的為5、7、8階。由此可見該階是制動器產(chǎn)生噪聲的主要部位。

對制動器結構進一步改造，保障各階固有頻率在6KHz之外，為了實現(xiàn)上述目標可以采用固有頻率提高的方法。固有頻率降低法會導致各階的固有頻率均降低，對于低階來說固有頻率可能降到1KHz以內，高階可能降到1-6KHz以內，此時制動噪聲也會產(chǎn)生，達不到消除噪聲的目的。因此就需要提高固有頻率讓9、10階固有頻率大于6KHz，促使各階振動變形減小達到制動盤共振減少，進而降低噪聲的目的。基于此就需要將制動盤的厚度增大，并適當增加制動盤上的通氣道數(shù)量。其中改進后的部分振型如圖3所示，固有頻率見表3。

分析改進后的模態(tài)，可以得出如下結果。制動器的結構改進后，1-6KHz范圍內是制動器前8階固有頻率主要集中的頻段，該頻段位于制動盤共振所致的噪聲范圍內。9階和10階振動盤的固有頻率已經(jīng)遠遠超出了引起造成的頻率范圍，因此9階和10階振動引起的噪聲得到了明顯的減弱。改進前10階固有頻率處在1-6KHz范圍之內，結構改進后減少了9階和10階在1-6KHz范圍，由此減少了9階和10階共振引起的制動噪聲。由此說明在制動盤結構改進之后，制動盤自身的共振減少，在共振減少的情況下，制動盤產(chǎn)生的噪聲也就隨之減少。可見結構改進對于制動盤共振和噪聲的減小均具有一定作用，因此可以借助固有頻率提高的方法達到減輕制動盤噪聲的目的[10]。

5 結語

綜上所述，基于ALGOR的盤式制動器振動噪聲模態(tài)相關問題，在分析盤式制動器前12階振型和固有頻率的基礎上，得出了可以在高階固有頻率提高的基礎上降低制動盤共振，進而促使制動噪聲降低。本次有限元分析結果可以發(fā)現(xiàn)在模態(tài)分析方法下可以對制動器的結構進一步改進，結構改進后可以有效降低噪聲，這對減少制動器產(chǎn)生的噪聲是很有幫助的。

基金：湖南省教育廳科學研究項目：“基于CAE技術的汽車制動器NVH分析研究”（18C1460）。

參考文獻：

[1]施佳輝，王東方，繆小冬.簡諧載荷下的盤式制動器振動噪聲分析及試驗[J].西華大學學報（自然科學版），2019，38（5）：36-42.

[2]施佳輝，王東方，繆小東.基于Workbench的盤式制動器振動噪聲分析與優(yōu)化[J].輕工學報，2019，34（1）：79-86.

[3]施佳輝，王東方，繆小冬， 等.復模態(tài)盤式制動器NVH性能分析與改進[J].河南科技大學學報（自然科學版），2018，39（4）：22-27.

[4]吳奕東，詹斌，陶政， 等.制動方向振動影響下汽車盤式制動器顫振模型的研究[J].時代汽車，2019，（18）：100-104.

[5]胡洪洋，文豪，雷克平.基于ANSYS工業(yè)盤式制動器制動尖叫研究[J].太原科技大學學報，2018，39（3）：234-237.

[6]黃澤好，劉通，雷偉， 等.盤式制動器噪聲、振動與聲振粗糙度特性的復模態(tài)評價[J].兵工學報，2016，37（7）：1275-1281.

[7]呂紅明，錢坤才.基于模態(tài)頻率特征的浮鉗盤式制動器盤塊間法向接觸剛度辨識方法[J].工程設計學報，2018，25（4）：388-393.

[8]章偉堅.盤式制動器消音片減振降噪性能的研究[D].浙江：浙江大學，2018.

[9]WABCO unveils new range of MAXX single-piston air disc brakes[J].Bulk transporter，2019，81（7）：43.

[10]JurajJablonick?，MirkoSimiki?，JurajTulík，et al.Monitoring of Selected Physical and Chemical Parameters of Test Oil in the Wet Disc Brake System[J].ActaTechnologica Agriculturae，2020，23（1）：46-52.