基于復(fù)模態(tài)分析法的盤式制動器NVH性能研究

蔡睿

摘? 要：由于車輛制動器產(chǎn)生的尖叫噪音會給人們帶來多方面影響，因此，正確分析基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH特性與優(yōu)化也成為領(lǐng)域內(nèi)的研究方向之一。本文簡要闡述基于復(fù)特征值法盤式制動器NVH特性的主要內(nèi)容和如何通過制動背板開槽、消音片、卡鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理研究基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH的優(yōu)化策略，以期能在降低盤式制動器NVH方面具備參考價值。

關(guān)鍵詞：盤式制動器;NVH特性;制動器優(yōu)化;NVH控制

引言：

車輛制動過程中產(chǎn)生的尖叫噪音會嚴(yán)重降低駕駛過程的舒適感，若不能予以有效控制，也會引發(fā)質(zhì)量問題。然而，雖然針對制動器NVH的研究已經(jīng)得到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，但是，仍然存在著較大提升空間，導(dǎo)致制動器尖叫噪音始終難以得到有效抑制。由此可見，重視基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH特性研究顯得尤為重要。如何正確認(rèn)知基于復(fù)特征值法盤式制動器NVH的優(yōu)化策略也成為必須解決的問題。

一、基于復(fù)特征值法盤式制動器NVH特性的主要內(nèi)容

車輛制動過程中會產(chǎn)生尖叫噪音是比較常見的問題之一，主要源頭是車輛的盤式制動器存在設(shè)計不合理、質(zhì)量降低等問題。如果未能進(jìn)行合理控制，不僅會給周圍環(huán)境帶來嚴(yán)重影響，也會成為引起質(zhì)量問題的重要誘因。盤式制動器產(chǎn)生尖叫噪音的原因包含多個方面，例如，因原制動盤與新安裝的剎車盤邊沿存在間隙，促使活塞卡鉗作用時兩者接觸不良，從而產(chǎn)生明顯的尖叫噪聲。或者，制動盤與剎車片在長時間接觸時，由于遭遇環(huán)境溫度升高的同時又產(chǎn)生快速冷卻的情況，期間，短暫的溫度變化會快速產(chǎn)生顆粒物質(zhì)并轉(zhuǎn)移至剎車盤上，而且剎車盤在不斷接觸過程中也會引起相同的問題，從而出現(xiàn)顆粒相互轉(zhuǎn)移、摩擦的現(xiàn)象。此時，也會產(chǎn)生大量的制動尖叫噪音。結(jié)合這些內(nèi)容，可以通過設(shè)計制動系統(tǒng)動力學(xué)模型開展針對基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH特性的研究，例如，對制動系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究時，可通過六自由度動力模型來實現(xiàn)。經(jīng)過對動力學(xué)方程的計算可以得知制動初期系統(tǒng)為未產(chǎn)生振動的狀態(tài)，從而能夠獲得相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)方程。再將假設(shè)、約束條件等分別帶入其中，即可得到盤式制動器的運動方程。然而，通過仔細(xì)分析可知曉該方程中涉及到的矩陣均為非對稱矩陣，主要包括剛度矩陣、質(zhì)量矩陣，而且還存在特性值為復(fù)數(shù)的可能性。至于決定方程矩陣均為非對稱矩陣的主要因素也比較多，比如，制動背板剛度、消音片剛度、摩擦材料質(zhì)量以及摩擦系數(shù)等[1]。

二、基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH的優(yōu)化策略

（一）制動背板開槽

雖然通過對盤式制動器NVH特性的研究中可以明確剛度矩陣為非對稱矩陣，但是，由盤式制動器的制動盤、制動塊以及消音片的結(jié)構(gòu)中可以知曉剛度的變化也會對制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此，可以通過提高質(zhì)量的方式增加剛度。以制動背板為例，利用調(diào)整制動背板表面結(jié)構(gòu)對制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行合理提升，具體方案包括于背板表面設(shè)置扇形和條形凹槽、橢圓凹槽、橫向槽、豎向槽四種。其中，不同方案對于凹槽的設(shè)計也存在著差異化的要求，比如，條形凹槽應(yīng)當(dāng)做好角度和數(shù)量的控制，橢圓凹槽也要保持合適角度且數(shù)量不超過兩個等。只有能夠達(dá)到以上要求，才能確保可以通過復(fù)模態(tài)與初始狀態(tài)間的對比，分析出不同制動背板開槽方案所帶來的影響。至于經(jīng)過對幾種方案的分析和對比后可知，設(shè)置橫向槽的方案在提升制動系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具備良好的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)不僅對2000Hz、3100Hz、9500Hz頻率不穩(wěn)定模態(tài)的影響不突出，也促使其他頻率的不穩(wěn)定模態(tài)消失，比如，11224.8Hz、12502.5Hz等。由此可見，設(shè)置橫向槽的方案的確能夠在優(yōu)化盤式制動器NVH方面發(fā)揮良好作用，可將其運用于實際中。然而，只是在實際運用時，應(yīng)當(dāng)做好多方面設(shè)計，例如，從整體角度來看，橫向槽面積不應(yīng)超過4615mm2且低于總表面積25%。若從詳細(xì)尺寸方面出發(fā)，橫向槽規(guī)格長、寬、高應(yīng)當(dāng)分別為80mm、4mm和1mm。

另外，盡管盤式制動器的制動盤、制動塊和消音片結(jié)構(gòu)能夠在降低NVH方面取得較好的效果，但是，這種結(jié)構(gòu)還存在較多明顯不足，比如，當(dāng)不穩(wěn)定模態(tài)頻率達(dá)到12700Hz以上時，盤式制動器仍然會產(chǎn)生明顯的尖叫噪音。主要原因是當(dāng)達(dá)到12700Hz附近時，模態(tài)耦合產(chǎn)生的振動無法在制動背板與制動盤間得到釋放。還會出現(xiàn)相同情況的模態(tài)頻率還包括4100Hz、7500Hz等。因此，為了能夠有效降低共振帶來的噪音問題，可以通過設(shè)置橫向槽的方式來實現(xiàn)。

（二）消音片

針對盤式制動器NVH進(jìn)行優(yōu)化過程中，消音片也是不可忽視的材料之一。主要原因是通過利用消音片能夠增加制動系統(tǒng)剛性，促使剛性矩陣發(fā)生變化，降低產(chǎn)生尖叫噪音的概率。因此，消音片可以在抑制制動系統(tǒng)尖叫噪音方面發(fā)揮良好作用。具體原理是于內(nèi)外摩擦片背板表面處粘貼合適的消音片，確保能夠大幅減少鉗指、卡鉗活塞等部分相接觸時產(chǎn)生的大量振動。詳細(xì)使用方法是先將表面襯紙撕下，再經(jīng)保壓處理后才能使用。至于保壓處理必須對溫度和壓力提出明確要求，比如，保壓時間不得低于10s，壓強(qiáng)可以保持在5MPa左右。值得注意的是，實際使用過程中，通常以大量使用為主，也就是通過多個消音片共同使用，形成多層消音片結(jié)構(gòu)。然而，多層消音片結(jié)構(gòu)在具體用量方面應(yīng)當(dāng)以材料布置順序和厚度為準(zhǔn)，比如，在不同材料厚度均相同的情況下，材料布置順序、材料厚度等決定著消音片的實際效果，也就是雖然由熱壓膠、鋼片、橡膠組成的雙層消音片只能在不穩(wěn)定模態(tài)頻率為2000Hz左右時發(fā)揮作用，但是，取得的降噪效果比僅由熱壓膠、鋼片組成的單層消音片更高。如果是在上述類型的基礎(chǔ)上再增加一層橡膠層，消音片的抗振能力便能夠從2000Hz增加至12500Hz左右。由此可見，根據(jù)材料的類型差異不斷增加消音片的層數(shù)可以有效提升抗振降噪能力，畢竟，消音片層數(shù)不斷增加時，也會提升阻尼系數(shù)，消音片的性能自然能夠得到顯著提升[2]。消音片也存在明顯短板，即材料經(jīng)過長時間摩擦、振動后會受到腐蝕問題的影響，由多層變?yōu)閱螌印?/p>

（三）卡鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除了運用上述兩種方式外，卡鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是實現(xiàn)目標(biāo)不可缺少的方式。主要原因是盤式制動器因結(jié)構(gòu)設(shè)計問題極易產(chǎn)生受力不均問題，從而引起尖叫噪音，詳細(xì)內(nèi)容為盤式制動器的內(nèi)側(cè)與外側(cè)制動塊受力存在明顯差異，也就是外側(cè)制動塊主要承受來自導(dǎo)向銷作用卡鉗的力，呈現(xiàn)不規(guī)則受力區(qū)域。內(nèi)側(cè)制動塊承受的力主要源自液壓油，受力區(qū)域為規(guī)則的環(huán)形。此時，在慣性和力的作用下，盤式制動器的受力自然無法保持平衡狀態(tài)，尖叫噪聲自然無法得到有效抑制。針對此類情況，調(diào)整外側(cè)制動塊的受力點是非常有效的解決方法，比如，將外側(cè)制動塊的受力區(qū)域也修改為環(huán)形，即在外側(cè)制動塊處進(jìn)行增加接觸面積、開孔等處理，從而形成新的自由模態(tài)。然而，改變外側(cè)制動塊受力區(qū)域時，也需要注意多個方面，例如，為了實現(xiàn)可以改變卡鉗頻率的目的，開孔直徑必須嚴(yán)格遵守設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，避免存在誤差。或者，從整體角度出發(fā)，卡鉗結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化后不能引起質(zhì)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及可靠性等方面的變化。

結(jié)論：綜上所述，盡管針對盤式制動器NVH的研究越來越多，但是，在實際應(yīng)用過程中仍然存在較大提升空間。所以，應(yīng)當(dāng)提高對基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH特性的研究，并能夠?qū)⒅苿颖嘲彘_槽、消音片、卡鉗結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面有機(jī)應(yīng)用于實際中，合理改善盤式制動器噪音帶來的影響，真正達(dá)到提升盤式制動器NVH優(yōu)化力度的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]詹斌，孫濤，沈炎武，等.基于復(fù)特征值分析的某盤式制動器制動尖叫問題改進(jìn)[J].振動與沖擊，2021，40（5）：6.

[2]陳磊.基于復(fù)特征值法的盤式制動器NVH特性研究與優(yōu)化[D].江蘇大學(xué)，2019.E8783FAC-404F-4C25-BD25-730475807DD4