鼓式制動器的噪聲原因及模態分析

王飛

摘 要：由鼓式制動器關鍵部件的實際工況，對鼓式制動器的制動底板、制動蹄等構件實現了對應的模態分析，分別抽選了后八階的模態并歸納了對應的振型情況，由振型圖和總結的分析列表，得到了鼓式制動器主要零部件的模態分析結果與達到固有頻率的共振評價，為鼓式制動器設計階段的結構強度分析提供了一定的側面參考，具有實際的工程意義。

關鍵詞：制動器 噪聲 模態分析

1 鼓式制動器的噪聲原因分析

鼓式制動器噪聲來源于結構的共振，而這些結構的共振是由于鼓式制動器摩擦引起的自激振動導致的。結構共振的產生觸發了制動器與空氣介質振動從而產生了向外部輻射的疏密波，最后產生了制動尖叫噪音。一般研究認為鼓式制動器的噪聲是因為由摩擦導致的振動致使制動蹄與制動鼓相應發生振動，同時引發了制動底板的振動。分析鼓式制動器的噪聲原因，就是分析噪聲與振動之間的聯系問題。

由S.Yang、Fosberry等研究制動器中制動鼓的噪聲來源為振動，還發現了阻尼減振和增加制動器制動鼓剛度同時降低制動蹄剛度的方法來減少整個制動系統的噪聲。Gieck研究顯示制動器制動底板與制動蹄在整個制動系統發出噪聲的同時伴隨有相應的振動。英國南安普敦大學聲和振動研究所（ISVR）研究得出的推論是：振動表面輻射噪聲的聲功率正比于振動表面法向速度均方值。數學表達式如下：

W（f）=σ（f）*ρc*<ν2>*<S>

式中：W（f）：表面輻射聲功率（Sound Power）

σ（f）：聲輻射率（Sound Radiation Efficiency）

ρ：空氣密度（Density of Air）

c：聲速（Speed of Sound）

ρc：輻射聲阻（Radiation Sound Resistance）

<ν2>：振動表面法向速度均方值空間平均（Space Average of the Mean-Square Normal Surface Velocity）

<s>：振動體表面積（Area of Vibrating Surface）

2 模態分析介紹

因為機械振動與機械噪聲現象會導致機械構件的磨損現象的加劇，影響整個系統振動、噪聲以及平順性的表現，造成機械構件整體性能的不穩定性，嚴重情況下甚至會影響使用安全性。模態分析是分析構件結構疲勞耐久的側面憑證，屬于有限元分析在結構強度分析中的側面應用。所以，對鼓式制動器關鍵部件的有限元模態分析處理迫在眉睫。

模態分析實質上就是變相求特征值與特征向量的過程，特征值即為相關構件振動的某些基本振型相對應的頻率。在具體試驗中，某些情況下要繞開這些基本頻率，阻止共振情況的發生，而有時又要激發振動，加強共振的現象。從實際應用的價值上來看，振型從各階振態的形狀上能夠獲得在某個自由共振頻率下，構件的變形總趨勢。如果要加強構件的剛性，可以從低頻也就是振動較弱的部分來加強。假設經過模態分析后得出，最低頻的振態是處于整個構件的扭轉方向，那么證明這個方向的剛度是首先要加強的部位。通過對鼓式制動關鍵部件進行自由模態的有限元分析，輸出各階模態下鼓式制動關鍵部件的結構變形方式以及對應的共振安全評價，為制動器安全設計提供一定的側面參考。

3 鼓式制動器的模態分析

3.1 0527前制動底板模態分析

對0527前制動底板設置14階擴展模態，取后8階模態振型分析，見圖1。

綜合八階模態頻率與振型，模態分析結果如下表1所示。

模態分析取后8階模態，通過振型圖以及對應分析列表可以分析：對于該分析對象，在固有頻率下，允許的最大位移尺寸低于其實際振幅，由此引起的后果是構件的損壞，因此，在該結構的實際生產中應該有效避免共振現象的出現，從而避免破壞。

3.2 470/510后制動蹄模態分析

對470/510后制動蹄設置14階擴展模態，取后8階模態振型分析，見圖2。

綜合八階模態頻率與振型，模態分析結果如下表2所示。

模態分析取后8階模態，通過振型圖以及對應分析列表可以分析：對于該分析對象，在固有頻率下，允許的最大位移尺寸低于其實際振幅，由此引起的后果是構件的損壞，因此，在該結構的實際生產中應該有效避免共振現象的出現，從而避免破壞。

3.3 0523前制動蹄模態分析

對0523前制動蹄設置14階擴展模態，取后8階模態振型分析，見圖3。

綜合八階模態頻率與振型，模態分析結果如下表3所示。

模態分析取后8階模態，通過振型圖以及對應分析列表可以分析：對于該分析對象，在固有頻率下，允許的最大位移尺寸低于其實際振幅，由此引起的后果是構件的損壞，因此，在該結構的實際生產中應該有效避免共振現象的出現，從而避免破壞。

4 總結

通過對鼓式制動器關鍵部件前、后制動蹄和制動底板等進行了有限元模態分析處理，分別提取了模態分析的后八階模態振型，由此獲得了鼓式制動器關鍵部件的固有頻率下疲勞易損情況，為避免共振保護零部件壽命做出了客觀評價。

基金項目：本文系江蘇聯合職業技術學院2020立項重點課題（課題編號A/ 2020 /10/ 005）——三全育人視角下《汽車維護與保養》“課程思政”教學設計研究之階段研究成果。

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