基于EMA的車用合金鑄鐵構(gòu)架制動盤模態(tài)研究

陸方舟 ，葉 斌

（浙江經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310018）

車輛行駛制動時一般會不定期、不規(guī)律、不穩(wěn)定地發(fā)出振動噪聲，輕微噪聲對于車輛制動效能影響微乎其微，但是噪聲水平是車輛駕駛舒適度和行駛質(zhì)感重要體現(xiàn)。汽車制動噪聲對車主用車滿意度大打折扣，對車輛行駛質(zhì)感的認可度有所下降。憑著對車輛行駛時制動性能的高標(biāo)準(zhǔn)和對駕駛質(zhì)感的高要求，研究者們針對汽車制動盤噪聲問題提出諸多有效降低噪聲觸發(fā)的解決方案。

研究著力于通過模態(tài)實驗錘擊脈沖激勵試驗，提取給定合金鑄鐵制動盤的自然頻率（5000HZ以下）以及其對應(yīng)模態(tài)特性。根據(jù)給定制動盤可能存在部件間模態(tài)偶合，且要滿足避免有相鄰模態(tài)干涉問題，為進一步通過有限元法分析改變原幾何形狀參數(shù)、安裝緊固方式、材料選取替換等方式并有效改變制動噪聲觸發(fā)傾向性創(chuàng)造了實驗條件。

1 汽車制動盤振動與噪聲分析

車輛在行駛過程中，制動盤會受到規(guī)律性的摩擦力、機械慣性力、空氣阻力等外界激勵，從而產(chǎn)生振動噪聲。制動噪聲源比較復(fù)雜，其中以機械噪聲、空氣動力噪聲為主要源。

（1）機械噪聲

制動盤機械噪聲產(chǎn)生的主要原因制動盤與制動片表面接觸的摩擦力、盤體高速旋轉(zhuǎn)的慣性力、路面回饋的沖擊力、車體懸架剛性彈簧的阻尼減振力，綜合構(gòu)成外界激勵環(huán)境致使制動盤運動不平衡產(chǎn)生振動噪聲。

（2）空氣動力噪聲

車輛高速制動過程中，氣流在制動盤的通風(fēng)口流動，主要用于制動盤的散熱以減緩制動盤的熱衰退性，然而氣流壓力脈動是引起空氣噪聲的主要原因。

制動盤在汽車底盤制動系統(tǒng)中的重要零部件，在高速運轉(zhuǎn)下由于外界激勵局部吸收不均衡能量而易于產(chǎn)生微形變，致使制動盤與制動片配合間隙偏差，局部摩擦產(chǎn)生振動并向外界環(huán)境輻射噪聲。制動盤模態(tài)研究目的是改善車輛駕乘舒適性、提高安全性和疲勞強度。由此可見，研究制動盤振動特性以及其模態(tài)振型有著重要意義。

2 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

研究車輛制動盤的振動特性需以類殼體模型并借助模態(tài)分析技術(shù)完成。在振動系統(tǒng)模態(tài)振型分析中，可采用頻響函數(shù)以加速度導(dǎo)納測量模型[1]。

對于多自由度阻尼系統(tǒng)，頻響函數(shù)的模態(tài)展開式為[2]，

3 制動盤模態(tài)實驗分析

3.1 制動盤類殼體結(jié)構(gòu)

合金鑄鐵制動盤作為類殼體模型，主要由上端面固定殼體、上摩擦表面殼體，下摩擦表面殼體、內(nèi)部通風(fēng)片四部分構(gòu)成。由于制動盤比較輕薄，質(zhì)量分布均勻且呈現(xiàn)圓形態(tài)，故將制動盤作為殼體模型分析。

3.2 制動盤自由模態(tài)實驗方案

（1）制動盤模態(tài)實驗懸掛方式。建立頻率脈沖激勵模型中，選擇被測試件制動盤支撐固定方式是確定邊界條件的關(guān)鍵步驟。制動盤在不同邊界條件下，會呈現(xiàn)不同的模態(tài)振型特征。制動盤的剛體模態(tài)頻率遠低于彈性模態(tài)頻率，故采用自由懸掛（圖1），用彈性繩吊起近似得到有效自由懸浮的邊界條件[3]。

圖 1 制動盤懸吊方式

（2）激勵點及拾振點選擇。車用合金鑄鐵制動盤的結(jié)構(gòu)屬于對稱結(jié)構(gòu)，以對稱方式排布激勵點較為合理。根據(jù)制動盤工作運轉(zhuǎn)環(huán)境，一是小端蓋四螺栓孔固定端面可能吸能形變，二是制動盤摩擦端面易與其他部件發(fā)生模態(tài)耦合干涉。建立制動盤實驗?zāi)Ｐ鸵孕《松w突出側(cè)為測試面，以該面圓心為激勵點輻射中心，分別用黃、紅、藍、綠4條不同顏色的環(huán)線輻射且對稱分布，測試面共56個激勵點。

表1 制動盤模態(tài)固有頻率

表2 制動盤模態(tài)實驗振型（第1階至第7階）

利用單點拾振、多點激勵的方法，考慮便于力信號采集工作，采用加速度傳感器緊貼和在第一個激勵點的后表面，如圖2所示。

圖2 輻射型激勵點分布

3.3 制動盤模態(tài)實驗過程及結(jié)果

本實驗采用錘擊法對制動盤施加外力信號，按順時針順序逐個錘擊56個激勵點，每個點單次快速且獨立不干涉地錘擊4次，經(jīng)過采集分析儀（ LMS Frontend PIMETO）和計算機軟件（LMS Test Xpress）的數(shù)據(jù)處理，得出每個點的頻響函數(shù)，本實驗完成后提取了車輛合金鑄鐵制動盤0-5000 Hz頻域范圍內(nèi)的固有頻率（表1），和相對應(yīng)的各階自由模態(tài)特征（表2）。

通過分析該合金鑄鐵制動盤的固有頻率和各階模態(tài)振型，在所有振型中都表現(xiàn)出了制動盤類殼體邊緣的上下振動和制動盤類殼體的擴張運動。由表3.2可看出第2階模態(tài)是一個尚不明確的模態(tài)結(jié)構(gòu)，振動表現(xiàn)異常，其固有頻率非常接近第3階模態(tài)。

第2階模態(tài)情況比較復(fù)雜且不穩(wěn)定，其阻尼比略高于其他各階模態(tài)，推測一是兩種模態(tài)干涉疊加影響了運動軌跡，推測二是制動盤的幾何測量誤差和本身復(fù)雜的通風(fēng)盤結(jié)構(gòu)，推測三是本實驗采用彈性繩吊起部件，無法處于完全自由邊界狀態(tài)。綜上考慮，第2階模態(tài)屬于1-節(jié)圓型振型，但仍需進一步有限元法分析，證明第2階模態(tài)振型的存在并核實該模態(tài)振型軌跡。

4 結(jié)束語

（1）通過LMS信號采集分析設(shè)備對合金鑄鐵制動盤進行自由狀態(tài)下的模態(tài)實驗，使用彈性繩懸吊方式，建立制動盤類殼體模態(tài)實驗?zāi)Ｐ停崛〗o定制動盤結(jié)構(gòu)的固有頻率分布以及相應(yīng)各階模態(tài)振型，并對各階振型進行歸納分類。

（2）模態(tài)實驗中，測點布置和錘擊力度控制對于整個模態(tài)實驗至關(guān)重要，采用單點拾振、多點激勵方式，快速且獨立不干涉的錘擊，能夠獲得更加準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)。

（3）分析合金鑄鐵制動盤模態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)，各階模態(tài)振型比較清晰，初步掌握該制動盤的固有動態(tài)特性；為進一步驗證三維建模可靠性有了很好實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；為有限元法分析提供研究條件；為進一步優(yōu)化降噪提供設(shè)計思路。