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淺談汽車盤式制動(dòng)系統(tǒng)噪聲

2021-11-16 17:51:11·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
一 概述汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車底盤系統(tǒng)中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其作用是使汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度降速行駛直至停車；在下坡行駛時(shí)，使汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定速度；使汽車可靠地停在原
一 概述
汽車制動(dòng)系統(tǒng)是汽車底盤系統(tǒng)中關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其作用是使汽車以適當(dāng)?shù)臏p速度降速行駛直至停車；在下坡行駛時(shí)，使汽車保持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定速度；使汽車可靠地停在原地或者坡道上。
現(xiàn)階段伴隨人們私家車輛的不斷增多，制動(dòng)噪聲引起了人們的廣泛關(guān)注，同時(shí)人們對(duì)汽車品質(zhì)要求日益提高，市場(chǎng)對(duì)制動(dòng)噪聲也有了較高的關(guān)注度，優(yōu)秀的噪聲表現(xiàn)可以改善客戶體驗(yàn)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，形成產(chǎn)品核心優(yōu)勢(shì)。所以對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)噪聲研究有很大的必要性。

目前應(yīng)用于汽車上的制動(dòng)器主要有盤式制動(dòng)器和鼓式制動(dòng)器，相對(duì)于鼓式制動(dòng)器來說盤式制動(dòng)器具有水穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、反應(yīng)靈敏、散熱性能好、較大的制動(dòng)力矩與尺寸比以及易于保養(yǎng)和修理的優(yōu)點(diǎn)，因此盤式制動(dòng)器應(yīng)用更加廣泛，本文主要介紹盤式制動(dòng)器噪聲。

二 盤式制動(dòng)噪聲分類及其概述
制動(dòng)噪聲主要根據(jù)頻率大小進(jìn)行劃分，制動(dòng)噪聲的分布頻率很廣，超過人類一般能接收到的赫茲（20Hz-20000Hz），甚至可以從幾十赫茲到幾十萬赫茲。不同的研究人員對(duì)于制動(dòng)噪聲的分類不同，頻率是被公認(rèn)的研究制動(dòng)噪聲的主要特征參數(shù)，制動(dòng)噪聲按頻率大概能分為以下幾類，如圖1.1所示：
圖1.1 噪聲分類示意圖
第一類為低頻噪聲，主要指頻率在100Hz-1000Hz范圍，低頻噪聲有Groan、Moan、Roughness和Howl等，Groan的頻率范圍在100Hz-600Hz，該噪聲是通過懸架傳遞給車體引起車體結(jié)構(gòu)的共振所引起的，通常坐在車內(nèi)的乘客能感覺到。當(dāng)車輛停止并將制動(dòng)壓力釋放到非常低的水平時(shí)，變速器的怠速扭矩將開始以非常低的速度向前移動(dòng)車輛時(shí)容易產(chǎn)生；Moan的頻率范圍在150Hz-500Hz，該噪聲容易出現(xiàn)在扭力梁結(jié)構(gòu)的制動(dòng)器中，通常與制動(dòng)部件、軸以及懸掛系統(tǒng)的剛度有關(guān)；Roughness的頻率在幾十赫茲到一百赫茲左右，通?？梢栽隈{駛?cè)藛T踩剎車的時(shí)候從制動(dòng)盤和方向盤感受到，主要是由于制動(dòng)盤厚薄差（DTV）的變化導(dǎo)致制動(dòng)力矩（BTV）的波動(dòng)引起的?？偟膩碚f低頻噪聲的影響因素有以下幾點(diǎn)，如圖1.2所示：

圖1.2 低頻制動(dòng)噪聲影響因素
第二類為低頻尖叫，主要指頻率在1kHz-4kHz范圍，該噪聲主要是制動(dòng)盤的耦合共振產(chǎn)生的，此外還與制動(dòng)鉗體、支架、轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架有關(guān)聯(lián)性影響。低頻尖叫影響因素如圖1.3。
圖1.3 低頻尖叫影響因素
第三類為高頻尖叫，其頻率范圍在4kHz-15kHz，主要是由摩擦片的彈性振動(dòng)引起的，其發(fā)生的傾向性與制動(dòng)盤剛度有關(guān)，此外摩擦片的形狀和摩擦片與制動(dòng)盤接觸面的壓力分布也會(huì)對(duì)高頻尖叫產(chǎn)生影響。高頻尖叫的主要影響因素如圖1.4。

圖1.4 高頻尖叫影響因素
三 盤式制動(dòng)器噪聲有限元分析
對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)，主要體現(xiàn)在耦合系統(tǒng)負(fù)特征值和自激振動(dòng)等非穩(wěn)定振動(dòng)方面。制動(dòng)盤與摩擦片摩擦副之間的摩擦系數(shù)不是一個(gè)恒定的值，與速度有關(guān)，是一個(gè)隨速度增加而減少的一個(gè)變量。當(dāng)速度發(fā)生變化時(shí)，摩擦力會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化，這種變化會(huì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動(dòng)，當(dāng)自激載荷形成的激勵(lì)頻率與制動(dòng)系統(tǒng)部件固有頻率接近時(shí)，便會(huì)引起系統(tǒng)的共振，容易出現(xiàn)負(fù)阻尼的非穩(wěn)態(tài)共振，將會(huì)產(chǎn)生噪聲。
目前關(guān)于制動(dòng)噪聲有限元分析的方法主要有以下兩種：基于頻域分析的復(fù)模態(tài)法和基于時(shí)域的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。復(fù)模態(tài)法是指采用限元軟件對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行提取復(fù)特征值和模態(tài)，根據(jù)復(fù)特征值求解阻尼比進(jìn)而判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析通過對(duì)整個(gè)制動(dòng)過程進(jìn)行模擬，包括制動(dòng)過程中制動(dòng)壓力、溫度和摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化而變化，獲得各項(xiàng)參數(shù)的時(shí)域特性從而判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；跁r(shí)域的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法比較全面地考慮了制動(dòng)過程中液壓、溫度和摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的影響，但模型比較復(fù)雜，占用計(jì)算資源較多；復(fù)模態(tài)分析方法相比基于時(shí)域的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法占用計(jì)算資源較少，比較方便準(zhǔn)確。本文采用基于頻域分析的復(fù)模態(tài)法分析制動(dòng)噪聲，如圖1.5所示為采用非線性工具Abaqus進(jìn)行復(fù)模態(tài)分析示意圖。


圖1.5 復(fù)模態(tài)分析示意圖
復(fù)模態(tài)阻尼比的表達(dá)式為：


其中,Re_取一個(gè)數(shù)的實(shí)部，Im_取一個(gè)數(shù)的虛部,λ是復(fù)合特征值。圖中顯示阻尼比中的負(fù)值代表的是不穩(wěn)定的模態(tài)，同時(shí)可以看到，當(dāng)頻率值為1990Hz時(shí)，阻尼比為-0.024，即對(duì)應(yīng)的復(fù)合特征求解得到一個(gè)相應(yīng)的不穩(wěn)定模態(tài)，意味著該系統(tǒng)不穩(wěn)定，可能會(huì)存在低頻尖叫噪聲。




圖1.6 不穩(wěn)定模態(tài)云圖
如圖1.6所示為不穩(wěn)定模態(tài)云圖，為發(fā)生低頻尖叫時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)的工作振型，低頻尖叫噪聲主要是由于制動(dòng)盤的模態(tài)耦合產(chǎn)生的，可以通過優(yōu)化制動(dòng)盤、卡鉗、摩擦片和轉(zhuǎn)向節(jié)等部件的結(jié)構(gòu)和彈性模量來改善低頻尖叫。
參考文獻(xiàn)
· [1]何家盼,何俊藝.面向制動(dòng)噪聲的盤式制動(dòng)器有限元復(fù)模態(tài)分析[J].時(shí)代汽車,2020(13):122-123.
· [2]許世堂. 盤式制動(dòng)器的制動(dòng)噪聲分析和試驗(yàn)研究[D].華南理工大學(xué),2019.
· [3]鄭濤. 基于復(fù)模態(tài)分析的盤式制動(dòng)器仿真優(yōu)化[D].浙江大學(xué),2018.
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