鼓式制動器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2022年4月6日訊 通過改變剎車片鋼背形狀方法來研究汽車制動噪聲,主要分為2階段:1)通過建立實體和運動學(xué)模型進(jìn)行分析和仿真研究;2)采用聲振實驗進(jìn)行驗證.在聲振實驗過程中,采取激光測振儀以及LMS沖擊錘2個實驗,同仿真分析結(jié)果交叉對比以證明仿真分析的準(zhǔn)確性;采用3層結(jié)構(gòu)的剎車片,相比傳統(tǒng)的2層結(jié)構(gòu)剎車片,該剎車片在不改變制動強(qiáng)度、保證安全系數(shù)的基礎(chǔ)上具有更好的阻尼特性,有效地抑制噪聲的發(fā)生.根據(jù)制動器噪聲臺架試驗的結(jié)果,確定了剎車片固有頻率對制動器噪聲的貢獻(xiàn),并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)形狀的鋼背剎車片來改變剎車片固有頻率,利用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析并制作樣品進(jìn)行噪聲實驗.仿真和實驗結(jié)果表明,新設(shè)計的鋼背剎車片能有效地減小汽車制動噪聲的產(chǎn)生.
引言
隨著汽車的普及,人們對汽車舒適性的要求越來越高,汽車NVH性能愈來愈被重視.到目前為止,對主要噪聲源如發(fā)動機(jī)振動產(chǎn)生的噪聲,已部分得到有效解決,而對于次要噪聲源如制動器制動尖叫問題也逐漸成為汽車制造業(yè)的關(guān)注熱點.特別是現(xiàn)在大半部分乘用車都已基本采用前后盤式制動器制動系統(tǒng),因此盤式制動器制動噪聲問題更加突出.對于此類噪聲,隨著眾多學(xué)者的研究深入,制動尖叫產(chǎn)生的原因不斷得到揭示,也取得了較多研究成果.近年來越來越多的學(xué)者紛紛將研究方向轉(zhuǎn)移到研究結(jié)構(gòu)對制動噪聲的影響上,從具體制動系統(tǒng)子結(jié)構(gòu)的變化來研究子結(jié)構(gòu)對制動噪聲的影響,研究結(jié)論證明,不同結(jié)構(gòu)的制動系部件結(jié)構(gòu)變化對于制動噪聲存在不同程度影響.本文將以具體的剎車片鋼背結(jié)構(gòu)為例,探討結(jié)構(gòu)形狀改變對噪聲產(chǎn)生的影響.結(jié)果表明,對剎車片鋼背的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計能夠大大降低噪聲的產(chǎn)生.
1 剎車片在汽車盤式制動器中的作用
盤式制動器分為定鉗式和浮鉗式盤式制動器.以浮鉗式為例(見圖1),當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時,液壓油進(jìn)入活塞缸,推動活塞4,此時固定在活塞上的內(nèi)摩擦片5在活塞的推動下開始接觸并壓緊制動盤,與此同時,制動鉗體也同時在活塞缸反作用力下沿著導(dǎo)向銷向相反方向運動,因此固定在鉗體上的另一塊剎車片(外片)7也接觸并壓緊制動盤,此時汽車將處于制動狀態(tài),在摩擦力的作用下,迫使制動盤停止旋轉(zhuǎn).在此過程中剎車片與制動盤接觸面積較大,故產(chǎn)生制動力也越大,車輛能夠迅速制動,但剎車片尺寸越大,所帶來的制動噪聲也較為嚴(yán)重.
2 制動盤剎車片6自由度運動學(xué)模型
圖2為制動盤制動片6自由度運動學(xué)模型,其中MD表示制動盤,具有x,y 2個方向自由度,MB表示剎車片鋼背,MU表示制動襯塊底料部分,MM表示制動襯塊混料部分,這里將制動襯塊分為2部分是由于剎車片在制造過程中將底料、混合料以及制動鋼背壓制而成,而底料成分較混料成分具有很強(qiáng)的阻尼特性,因此在建立模型和仿真時應(yīng)該區(qū)別對待.μ表示摩擦系數(shù),P表示作用于剎車片上的活塞力,N為作用于制動盤上正向力..由于在初始時刻系統(tǒng)穩(wěn)定,無振動產(chǎn)生,因此可有初始運動方程,同時在制動過程中剎車片與制動盤不分離,得到約束條件yD=yM,..對最后方程分析可知,由于引入了摩擦力的作用,該系統(tǒng)運動方程的質(zhì)量矩陣項與剛度矩陣項都為非對稱矩陣.可以通過模態(tài)分析得到該系統(tǒng)的特征值,特征值虛部代表模態(tài)頻率,實部代表模態(tài)失穩(wěn)的傾向;同時也可分析出摩擦系數(shù)μ的改變以及剎車片底料屬性和形狀將影響剛度矩陣K,從而改變系統(tǒng)特征值和制動器噪聲表現(xiàn).由理論分析,鋼背結(jié)構(gòu)的改變將影響系統(tǒng)剛度,從而影響剎車片制動噪聲,但具體的影響及如何影響還需進(jìn)一步研究.
3 剎車片模型建立及分析
本次研究以采用某車型的剎車片為研究對象.首先在Catia中繪制實體模型,并將剎車片實體模型(見圖3)導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行幾何處理后進(jìn)行模態(tài)分析.剎車片實體結(jié)構(gòu)較為簡單,其形狀較為規(guī)則,因此在劃分單元格時劃分為6面體網(wǎng)格.剎車片主要由3個部分組成:鋼背、底料、摩擦材料(見圖4).在眾多研究中,許多學(xué)者把制動襯塊視作一個整體,在進(jìn)行仿真分析過程中僅將材料特性簡單分為鋼背和摩擦材料2部分.事實上,底料較摩擦材料具有更多的阻尼特性,其成分的80%為鋼纖維和樹脂纖維,因此在設(shè)定約束時應(yīng)區(qū)別對待,其各個組成的材料屬性見表1.ANSYS Workbench模塊中根據(jù)材料不同屬性進(jìn)行設(shè)定后對剎車片實體做模態(tài)分析,從仿真結(jié)果中選取發(fā)生彎曲及扭轉(zhuǎn)較為典型、且固有頻率在10 000 Hz以內(nèi)的5個模態(tài)振型(見圖5),其相應(yīng)的固有頻率值見表2.同時為了驗證虛擬仿真分析準(zhǔn)確性,本文還利用激光、F.R.F錘擊頻率測試儀等實驗手段進(jìn)行交叉對比試驗.激光測振儀利用光學(xué)干涉原理,能夠測量實驗物體微小形變,且剎車片較為簡單,因此能直觀再現(xiàn)物體在自由振動過程中的振動過程.沖擊錘實驗則是通過在剎車片一點處敲擊,測得設(shè)定點處的振動之后通過分析儀進(jìn)行頻率響應(yīng)函數(shù)計算得出剎車片實體的固有頻率.剎車片通過激光測量儀測得結(jié)果如圖6所示,其測得固有頻率如表2所示,經(jīng)過對比交叉分析,仿真分析與實驗結(jié)果誤差在2%以內(nèi),且振型較仿真分析相比較幾乎一致,因此ANSYS可以作為有效模擬分析手段來研究剎車片振動而引起的噪聲問題.汽車盤式制動器作為一個整體由多個部分組成,且各部分對于制動噪聲的貢獻(xiàn)是存在差異的.因此,為了具體研究剎車片對于制動噪聲的貢獻(xiàn),需模擬再現(xiàn)車輛在行駛工況中的噪聲表現(xiàn),并根據(jù)模型制作實體(見圖7)并進(jìn)行制動噪聲測試.本次實驗的臺架為LINK3900型噪聲慣性測試臺.LINK3900型噪聲測試臺架具有雙層艙體結(jié)構(gòu),能夠模擬車輛在路面行駛過程中的行駛噪聲環(huán)境,因此得出實驗結(jié)果與真實行駛過程噪聲分布接近.本次實驗麥克風(fēng)拾取超過為70 dB噪聲點,實驗制動盤采用美聯(lián)制動盤,卡鉗使用Conti制動卡鉗.制動盤噪聲采用的實驗標(biāo)準(zhǔn)為美國工程學(xué)會制動器NVH實驗標(biāo)準(zhǔn),即SAE J2521實驗標(biāo)準(zhǔn),麥克風(fēng)放置在制動系統(tǒng)水平方向出處10 cm,垂直距離50 cm(見圖8).噪聲臺架測試實驗結(jié)果如圖9所示,對實驗結(jié)果進(jìn)行分析,噪聲點主要集中分布在4 KHz,7 KHz,12.5 KHz頻率附近.將實驗結(jié)果與之前剎車片的固有頻率結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)剎車片的固有頻率在第2、4階分別為4 KHz和7 KHz,這說明在此2個頻率下剎車片與其他部件模態(tài)耦合,發(fā)生共振,從而導(dǎo)致噪聲的發(fā)生.因此,為了降低整個制動系統(tǒng)的噪聲,本文著重從改變鋼背形狀方面進(jìn)一步分析剎車片對車輛制動噪聲的影響.
4 鋼背結(jié)構(gòu)改變研究
改變鋼背結(jié)構(gòu),目的在于改變剎車片實體的固有頻率.根據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計理論,增加或減小系統(tǒng)的質(zhì)量,改變其結(jié)構(gòu)的形狀,會導(dǎo)致系統(tǒng)剛度和阻尼的變化,從而會增加或減小系統(tǒng)的固有頻率.一般來說,為了避免部件與其他部件發(fā)生共振現(xiàn)象,通常采用增加關(guān)鍵頻率和減少關(guān)鍵頻率2種方法,根據(jù)鋼背加工難度以及剎車片制造工藝,本文設(shè)計出5種不同開槽方式進(jìn)行定量分析,以便比較研究結(jié)構(gòu)尺寸的改變對剎車片固有頻率及振型影響,從而進(jìn)一步影響制動噪聲.鋼背有效總面積為4 615 mm2,橫槽設(shè)計尺寸為長60 mm,寬5 mm,分別在鋼背設(shè)計1條橫槽、2條橫槽、3條橫槽,開槽面積占鋼背總表面積比例為6.5%、13.0%、19.5%.豎槽設(shè)計尺寸為長45 mm,寬5 mm,分別在鋼背上設(shè)計4條、6條,開槽面積占鋼背總表面積比例為19.5%、29.3%.從理論上分析,開槽尺寸越大,剎車片固有頻率改變越明顯,但過大的開槽尺寸將導(dǎo)致系統(tǒng)剛度急劇降低,同時在剎車片壓制工藝中容易出現(xiàn)問題,因此開槽面積占鋼背總表面積的比例應(yīng)控制在15%~30%以內(nèi).對以上各試樣分別進(jìn)行有限元模態(tài)分析,結(jié)果見表3.表3 5種鋼背結(jié)構(gòu)試樣仿真分析設(shè)計有3條橫槽鋼背的剎車片較其余2試樣固有頻率改變較為明顯,關(guān)鍵頻率4 KHz與7 KHz得到改善,因此選取試樣3進(jìn)一步實驗分析,而具有6條豎槽結(jié)構(gòu)的剎車片頻率改變幅度較大,易與高頻制動盤模態(tài)耦合,且開槽尺寸面積過大,系統(tǒng)剛度低,因此選取試樣4進(jìn)一步實驗研究.這里為了與未改動之前做對比分析,故將改動后模型制作實體后進(jìn)行錘擊(F.R.F)實驗.對應(yīng)的ANSYS分析和頻響結(jié)果如表4所示.表4 增加、降低頻率后仿真與實驗結(jié)果 Hz通過與未改動前剎車片固有頻率對比分析,試樣3,4頻率變化分別為Δ1=112 Hz,124 Hz;Δ2=-328 Hz,-430 Hz.將這2種改動后的剎車片鋼背制作樣本(見圖10)分別進(jìn)行噪聲實驗,實驗采用的制動盤、卡鉗、實驗標(biāo)準(zhǔn)和程序等均不改變,實驗獲得結(jié)果如圖11~圖12所示.從實驗結(jié)果來看,鋼背開有3條橫槽的剎車片能夠有效降低汽車制動噪聲的發(fā)生,剎車片與其他部件在制動過程中未發(fā)生耦合,此時噪聲的發(fā)生由外界因素,如溫度、濕度或者DTV的變化而產(chǎn)生.而相對另一種鋼背改動的剎車片則仍在4 KHz,7 KHz附近噪聲點較為集中,這說明該結(jié)構(gòu)未能避免與其他部件發(fā)生耦合.因此,不同鋼背形狀對于汽車制動噪聲的產(chǎn)生存在不同程度影響.
5 結(jié)論
對剎車片的仿真分析和試驗研究結(jié)果表明:剎車片鋼背結(jié)構(gòu)的改變會較大地影響制動器噪聲的產(chǎn)生.通過本文所提出的方法,改變和優(yōu)化剎車片鋼背結(jié)構(gòu),增加和降低關(guān)鍵頻率,可有效減小尖叫的發(fā)生.本文對鋼背進(jìn)行改動在實際應(yīng)用中還需作進(jìn)一步改進(jìn),因為從剎車片的總體強(qiáng)度來說,改動之后的剎車片鋼背強(qiáng)度降低,在實際使用中可能帶來某些風(fēng)險,但從本文所提出方法的有效性來看,該方法為制動系統(tǒng)設(shè)計提供了一個可靠的理論基礎(chǔ).當(dāng)然,對于如何根據(jù)仿真分析和實驗結(jié)果準(zhǔn)確確定開槽尺寸和開槽位置,還需進(jìn)一步進(jìn)行研究.除了改變鋼背結(jié)構(gòu)以外,在鋼背表面貼上一層阻尼材料等手段也能解決部分噪聲問題.
作者:潘公宇1,姜中望1,王憲錳1,李 東1,孫 磊2
1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院
2.埃梯梯精密制造(無錫)有限公司