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[摘 要]本文以某型盘式制动器为研究对象，采用仿真分析与实验相结合的方法对汽车盘式制动器噪声问题进行研究。实验结果表明，优化后刹车片能够提高汽车盘式制动器NVH性能，制动噪声得到降低。
[关键词]制动噪声;逆向工程;有限元;模态分析
中图分类号：TP995 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0245-01
Study and Optimization of NVH characteristics of Disc Brake
Wang Zhaokun
Shanghai 201800
[Absrtact]In this paper， the noise problem of disc brake is studied by means of simulation analysis and experiment. The experimental results show that the optimized brake pad can improve the NVH performance of the disc brake and reduce the braking noise.
[Key words]brake noise; reverse engineering; finite element method; modal analysis
1引言
随着汽车工业的快速发展以及制造技术的不断提高，人们对于乘用车的舒适性要求越来越高，因此，乘用车的NVH性受到极大的关注，盘式制动器NVH性能作为整车NVH特性中的一部分，也自然成为众多学者及汽车厂商的研究对象，尤是其模态分析法和有限元的方法等应用，极大推进了盘式制动器NVH研究特性的进展。
2制动器模态分析基础
模态分析是一种将系统在各种激励下的响应通过线性变换转换成系统各阶模态的线性组合，实质上是一种坐标变换，其目的是为了解除方程之间的耦合。模态分析的关键在于得到振动系统的模态坐标系统，这一坐标系统中的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。
3盘式制动器三维模型的建立
为了避免手工测绘建模所产生的仿真误差，最大程度还原实体，基于逆向工程技术，使用Handyscan设备对制动器卡钳体及卡钳支架进行扫描。手持式设备对待测物体发射出激光光点或线性激光光束，以两个或两个以上的侦测器通过测量物体表面反射回来的光学信息确定待测物的表面到手持激扫描仪的距离，为了测量准确，通常还需要借助特定参考点，具有黏性、可反射的贴片通常用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。通过扫描可获得卡钳体及卡钳支架点云数据，并将数据导入Catia中利用DigitalShapeeditor、创成式外形设计、零件设计等模块对点云数据进行处理，删去密集噪点，拟合关键曲面尺寸，其他零部件由于尺寸易获得且由于solidworks实体建模的快速性，因此直接在solidworks建立其实体模型，在对卡钳和卡钳体拟合之后，由于制动器的装配尺寸关系也会影响汽车制动噪声表现，因此使用三坐标测量仪对装配尺寸进行测量及尺寸复核。
4盘式制动器子结构模态分析
刹车片一般分为两个部分，制动背板和制动衬块。制动衬块中粘弹性成分越多，制动噪声率发生就会越低，但同时也会带来摩擦系数低，制动强度弱的风险。因此，刹車片采用三层结构设计，分别为制动背板，摩擦料，底料。这种结构使得刹车片不仅能够在保证强度及制动效能不变的情况下具有更大的阻尼特性，而且能减少制动噪声的发生。大量研究和实验证明，汽车制动噪声多发生在1000Hz以上，因此在取模态截断集时仅取高于1000Hz且低于15000Hz模态。将建立的三维模型导入Ansys/workbench平台中对制动器中主要零部件进行网格划分以及材料特性设置，制动钳体、支架以及制动盘的材料为铸铁，泊松比为0.25，密度为7g/cm3，杨氏模量为110GPa。Ansys/workbench平台具有良好的人机交互界面，参数设置较为快捷，因此能够节省大量底层操作时间。在Workbench中分别对刹车片、制动盘、卡钳体等做自由模态和约束模态分析。
5盘式制动器NVH台架试验和优化
为了验证模态分析所得出结论的正确性，进行NVH台架试验，实验所采用设备为美国LINK3900型噪声惯性测试台，其具有双层舱体结构，能够有效模拟车辆在车辆运行过程中的环境噪声，且能够模拟零下（40～60）℃环境。实验过程中对制动盘温度，刹车片摩擦系数，制动尖叫声压级等数据进行采集，实验按照SAEJ2521实验流程进行，麦克风拾取分贝超过70dB的噪声点，设备频带宽（500～20）kHz，分辨率25Hz，因此实验条件满足。
6盘式制动器NVH性能优化
系统发生模态耦合时主要有刹车片、制动盘以及卡钳支架等模态参与，而刹车片作为与制动盘和支架同时接触的部件，是制动器部件耦合的媒介，其阻尼特性的改变将直接影响汽车制动噪声表现。因此，利用刹车片材料特性和形状的改变来提高制动器NVH性能的思路是有效可行的。改变刹车片中粘弹性成分比例可以降低制动噪声的发生，因此对刹车片三层结构中的底料层的粘弹性材料成分含量进行更改，在保持其他材料含量不变的基础上提高酚醛树脂成分比例，同时减小增强钢纤维含量比例，从而改变损耗因子，进而改变刹车片模态频率与振幅，但同时仍能保持同样的制动强度。
从实验结果看，高频制动噪声得到有效的解决和抑制，这说明改变刹车片阻尼特性是能够有效影响盘式制动器尖叫。但由于仍存在6kHz高声压级噪声，因此NVH性能还需进一步优化，通过与仿真分析对比发现，6kHz为刹车片固有频率，因此可以通过改变刹车片形状的方法实现固有频率的改变。对刹车片仿真分析得出的振型进行分析，在刹车片内外片两侧设计不对称倒角，从而改变刹车片固有频率及振型，将其从模态耦合中解耦。实验结果证明，这种方法是可行有效的。
7结论
对盘式制动器各部件仿真分析和NVH台架试验结果表明：采用逆向工程所建立的三维模型的方法能为后续有限元模态分析提供准确的模型数据，因此各部件模态分析所得的模态参数结果较为准确、可靠，误差小，并根据各部件实模态分析结果，能够准确地推测出汽车制动噪声的发生以及与各子结构模态的关系，为后续噪声优化提供理论依据，从而减小对系统总成进行复模态分析预测制动噪声及台架试验等工作所耗费的大量时间，有效缩短产品研发设计周期。在制动器NVH性能优化方面，所提出的三层结构刹车片方案，不仅能够满足正常制动强度要求，而且具有更有的阻尼特性，高阻尼的刹车片能够消耗振动能量，减小制动噪声的产生。研究表明，改变刹车片底料粘弹性成分比例的优化方法，能够有效抑制高频噪声，而改变刹车片形状参数的方法，能够避免刹车片与制动盘发生耦合共振，从而避免汽车制动尖叫的发生。
参考文献
[1]管迪华，宿新东.利用子结构动态特性优化设计抑制制动器尖叫[J].汽车工程，2003，25（2）：167-170.
[2]贾宏禹.材料的粘弹性对摩擦片振动与制动噪声的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，2003.
[关键词]制动噪声;逆向工程;有限元;模态分析
中图分类号：TP995 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0245-01
Study and Optimization of NVH characteristics of Disc Brake
Wang Zhaokun
Shanghai 201800
[Absrtact]In this paper， the noise problem of disc brake is studied by means of simulation analysis and experiment. The experimental results show that the optimized brake pad can improve the NVH performance of the disc brake and reduce the braking noise.
[Key words]brake noise; reverse engineering; finite element method; modal analysis
1引言
随着汽车工业的快速发展以及制造技术的不断提高，人们对于乘用车的舒适性要求越来越高，因此，乘用车的NVH性受到极大的关注，盘式制动器NVH性能作为整车NVH特性中的一部分，也自然成为众多学者及汽车厂商的研究对象，尤是其模态分析法和有限元的方法等应用，极大推进了盘式制动器NVH研究特性的进展。
2制动器模态分析基础
模态分析是一种将系统在各种激励下的响应通过线性变换转换成系统各阶模态的线性组合，实质上是一种坐标变换，其目的是为了解除方程之间的耦合。模态分析的关键在于得到振动系统的模态坐标系统，这一坐标系统中的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。
3盘式制动器三维模型的建立
为了避免手工测绘建模所产生的仿真误差，最大程度还原实体，基于逆向工程技术，使用Handyscan设备对制动器卡钳体及卡钳支架进行扫描。手持式设备对待测物体发射出激光光点或线性激光光束，以两个或两个以上的侦测器通过测量物体表面反射回来的光学信息确定待测物的表面到手持激扫描仪的距离，为了测量准确，通常还需要借助特定参考点，具有黏性、可反射的贴片通常用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。通过扫描可获得卡钳体及卡钳支架点云数据，并将数据导入Catia中利用DigitalShapeeditor、创成式外形设计、零件设计等模块对点云数据进行处理，删去密集噪点，拟合关键曲面尺寸，其他零部件由于尺寸易获得且由于solidworks实体建模的快速性，因此直接在solidworks建立其实体模型，在对卡钳和卡钳体拟合之后，由于制动器的装配尺寸关系也会影响汽车制动噪声表现，因此使用三坐标测量仪对装配尺寸进行测量及尺寸复核。
4盘式制动器子结构模态分析
刹车片一般分为两个部分，制动背板和制动衬块。制动衬块中粘弹性成分越多，制动噪声率发生就会越低，但同时也会带来摩擦系数低，制动强度弱的风险。因此，刹車片采用三层结构设计，分别为制动背板，摩擦料，底料。这种结构使得刹车片不仅能够在保证强度及制动效能不变的情况下具有更大的阻尼特性，而且能减少制动噪声的发生。大量研究和实验证明，汽车制动噪声多发生在1000Hz以上，因此在取模态截断集时仅取高于1000Hz且低于15000Hz模态。将建立的三维模型导入Ansys/workbench平台中对制动器中主要零部件进行网格划分以及材料特性设置，制动钳体、支架以及制动盘的材料为铸铁，泊松比为0.25，密度为7g/cm3，杨氏模量为110GPa。Ansys/workbench平台具有良好的人机交互界面，参数设置较为快捷，因此能够节省大量底层操作时间。在Workbench中分别对刹车片、制动盘、卡钳体等做自由模态和约束模态分析。
5盘式制动器NVH台架试验和优化
为了验证模态分析所得出结论的正确性，进行NVH台架试验，实验所采用设备为美国LINK3900型噪声惯性测试台，其具有双层舱体结构，能够有效模拟车辆在车辆运行过程中的环境噪声，且能够模拟零下（40～60）℃环境。实验过程中对制动盘温度，刹车片摩擦系数，制动尖叫声压级等数据进行采集，实验按照SAEJ2521实验流程进行，麦克风拾取分贝超过70dB的噪声点，设备频带宽（500～20）kHz，分辨率25Hz，因此实验条件满足。
6盘式制动器NVH性能优化
系统发生模态耦合时主要有刹车片、制动盘以及卡钳支架等模态参与，而刹车片作为与制动盘和支架同时接触的部件，是制动器部件耦合的媒介，其阻尼特性的改变将直接影响汽车制动噪声表现。因此，利用刹车片材料特性和形状的改变来提高制动器NVH性能的思路是有效可行的。改变刹车片中粘弹性成分比例可以降低制动噪声的发生，因此对刹车片三层结构中的底料层的粘弹性材料成分含量进行更改，在保持其他材料含量不变的基础上提高酚醛树脂成分比例，同时减小增强钢纤维含量比例，从而改变损耗因子，进而改变刹车片模态频率与振幅，但同时仍能保持同样的制动强度。
从实验结果看，高频制动噪声得到有效的解决和抑制，这说明改变刹车片阻尼特性是能够有效影响盘式制动器尖叫。但由于仍存在6kHz高声压级噪声，因此NVH性能还需进一步优化，通过与仿真分析对比发现，6kHz为刹车片固有频率，因此可以通过改变刹车片形状的方法实现固有频率的改变。对刹车片仿真分析得出的振型进行分析，在刹车片内外片两侧设计不对称倒角，从而改变刹车片固有频率及振型，将其从模态耦合中解耦。实验结果证明，这种方法是可行有效的。
7结论
对盘式制动器各部件仿真分析和NVH台架试验结果表明：采用逆向工程所建立的三维模型的方法能为后续有限元模态分析提供准确的模型数据，因此各部件模态分析所得的模态参数结果较为准确、可靠，误差小，并根据各部件实模态分析结果，能够准确地推测出汽车制动噪声的发生以及与各子结构模态的关系，为后续噪声优化提供理论依据，从而减小对系统总成进行复模态分析预测制动噪声及台架试验等工作所耗费的大量时间，有效缩短产品研发设计周期。在制动器NVH性能优化方面，所提出的三层结构刹车片方案，不仅能够满足正常制动强度要求，而且具有更有的阻尼特性，高阻尼的刹车片能够消耗振动能量，减小制动噪声的产生。研究表明，改变刹车片底料粘弹性成分比例的优化方法，能够有效抑制高频噪声，而改变刹车片形状参数的方法，能够避免刹车片与制动盘发生耦合共振，从而避免汽车制动尖叫的发生。
参考文献
[1]管迪华，宿新东.利用子结构动态特性优化设计抑制制动器尖叫[J].汽车工程，2003，25（2）：167-170.
[2]贾宏禹.材料的粘弹性对摩擦片振动与制动噪声的影响研究[D].武汉：武汉理工大学，2003.