（车辆工程专业论文）盘式制动器制动噪声的计算机辅助分析.pdf

摘要 本文首先介绍了国内外关于制动器振动和噪声的研究概况，包括 五种不同的分析制动噪声的原因的理论和今年来c a e 技术在制动噪声 分析领域的应用情况，探讨了国内在制动噪声研究方面的不足，提出 了应用有限元法对零部件和总成分别进行实模态和复模态分析，以研 究盘式制动器产生制动噪声的原因的构想。 接下来介绍了盘式制动器的结构特点及工作原理，总结了制动噪 声的特点和规律，从理论上分析了振动和制动噪声之间的关系，并详 细介绍了某典型盘式制动器的结构及其制动噪声的频率分布和产生制 动噪声的概率。 随后，分别阐述了实模态和复模态分析的基本理论，并进步论 述了盘式制动器制动噪声的动力学理论，分析了不稳定模态和制动噪 声之间的关系，以及判定不稳定模态的方法。接着介绍了a n s y s 中提 取实模态和复模态的两种求解器的特点和理论基础，讨论了如何根据 本课题的特点设置求解参数，以得到更高的求解精度和求解效率。 在上述理论和方法的基础上，本文分别建立了典型盘式制动器零 部件的实模态有限元模型和制动器总成的复模态有限元模型，包括： 根据反向测绘的结构参数，在通用c a d 系统p r o e n g i n e e r 中建立了制 动器的c a d 模型，通过专用数据接口将之导入到a n s y s 并进行相应 的特殊处理得到所需的几何模型；借助于约束方程、耦合以及用a p d l 语言自行编写的宏命令，在制动盘和制动块之间引入自定义的不对称 的单元，并将其它零部件组装起来构成一个完整的系统级的有限元模 型。 通过求解零部件的实模态，得到了各个部件的动态性能，并将计 算结果与噪声试验结果进行对比分析，找到了各个零部件对制动噪声 影响最大的几阶模态；通过求解制动器总成的复模态，判定了制动器 的不稳定模态，分析了各阶不稳定模态与制动噪声之间的关系。综合 实模态和复模态的分析结果，对现有典型制动器的结构进行了分析， 找出了现有设计中的不合理之处，并提出了相应的改进意见供项目委 托方参考。 根据s a ej 2 5 2 1 的噪声试验结果和有限元模态分析结果之间的对 比分析可以看出，利用有限元模态分析技术分别对零部件和制动器总 成进行实模态和复模态分析，以研究盘式制动器产生制动噪声的原因 是可行的，能够得到具有工程参考价值的结果。这种方法有利于提高 我国制动器供应商的现有设计水平，在一定程度上满足了日益苛刻的 环保法规对制动噪声的要求。 关键词：盘式制动器制动噪声模态有限元 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st of i n do u tt h er e a s o n sf o rd i s cb r a k en o i s e b ya n a l y z i n gt h er e a lm o d e so fd i s cb r a k ep a r t sa n dt h ec o m p l e xm o d e so f t h ew h o l ed i s cb r a k e t h ep a p e rh a sb e e nd i v i d e di n t os i xs e c t i o n s i nt h e f i r s ts e c t i o nf i v ed i f f e r e n tt h e o r i e su s e di na n a l y z i n gt h er e a s o n sf o ra n d t h ea p p l i c a t i o no fc a e t e c h n o l o g i e si nb r a k en o i s eh a v eb e e nr e f e r r e dt o ， d o m e s t i ca n do v e r s e a sl i t e r a t u r er e g a r d i n gb r a k ev i b r a t i o na n dn o i s eh a s b e e nr e v i e w e d 。a n df l a w si nd o m e s t i cr e s e a r c hh a v eb e e np o i n t e do u t s u b s e q u e n t l yi nt h es e c o n ds e c t i o n ，t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so f d i s cb r a k ea r ei n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr u l e so fb r a k en o i s ea r e s u m m a r i z e d ，t h et h e o r e t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i b r a t i o na n db r a k e n o i s ei sa n a l y z e d ，a n d ，t h es t r u c t u r e ，f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o na n dn o i s e o c c u r e n c ep r o b a b i l i t yo fat y p i c a ld i s cb r a k ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e n ，t h eb a s i ct h e o r i e so fr e a lm o d a la n a l y s i sa n dc o m p l e xm o d a l a n a l y s i sa r ed i s c u s s e di nt h et h i r ds e c t i o n o nt h eb a s i so ft h e s et h e o r i e s ， t h ed i s cb r a k en o i s ed y n a m i c si s o u t l i n e d ，d e f i n i n gt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nu n s t a b l em o d e sa n db r a k en o i s e ，a n dh o wt od i s t i n g u i s hu n s t a b l e m o d e s a f t e rd e s c r i b i n gt w os o l v e r su s e dt oe x t r a c tr e a la n dc o m p l e x m o d e si nf e a s o f t w a r e - a n s y s ，t h em e t h o dt os e ts o l v i n gp a r a m e t e r si n o r d e rt oi m p r o v es o l v i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h e d e m a n d so ft h i ss u b j e c ta r ed i s c u s s e d w i t hr e f e r e n c et ot h et h e o r i e sa n dm e t h o d sm e n t i o n e da b o v e ，t h e r e a lm o d a lf e am o d e lo tb r a k ep a r t sa n dt h ec o m p l e xm o d a lf e am o d e l o faw h o l ed i s cb r a k eh a v eb e e nc o n s t r u c t e d ，a n dr e f e r r e dt oi nt h ef o u r t h s e c t i o n t h em o d e ld e v e l o p m e n tp r o c e s si n c l u d e s ：b u i l d i n gt h ec a d m o d e li np r o e n g i n e e rs o f t w a r ew i t hs t r u c t u r ep a r a m e t e r sf r o mr e v e r s e e n g i n e e r i n g ；a c h i e v i n gt h eg e o m e t r ym o d e ln e e d e db yt r a n s f e r r i n gt h e c a dm o d e lf r o mp r o e n g i n e e rt oa n s y sa n dp r o c e s s i n gi t s p e c i f i c a l l y ； c o n n e c t i n gt h ep a da n dd i s co ft h eb r a k ew i t hc u s t o m i z e du n s y m m e t r i e e l e m e n t sa n da s s e m b l i n ga l lt h ep a r t si n t oa ni n t e g r a t e df e am o d e li n v i r t u eo fc o n s t r a i ne q u a t i o n s ，c o u p l i n ga n dc u s t o m i z e dm a c r o sc o d e di n a p d ll a n g u a g e i nt h ef i f t hs e c t i o n ，t h er e a lm o d a la n d c o m p l e xm o d a la r i a l y s i sh a s b e e nc a r r i e do u t i ni n d i v i d u a lr e a lm o d a la n a l y s i so ft h ed i s kb r a k ep a r t s ， t h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fe v e r yp a r ta r eo b t a i n e da n db yc o m p a r i n gt h e v i b r a t i o nf r e q u e n c yo fe a c hr e a lm o d ew i t ht h er e s u l t so fb r a k en o i s e e x p e r i m e n tt h em o d e sr e s p o n s i b l ef o rb r a k en o i s ea r ei d e n t i f i e d i n c o m p l e xm o d a la n a l y s i so ft h ew h o l ed i s cb r a k e ，t h eu n s t a b l em o d e sa r e d i s t i n g u i s h e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hu n s t a b l em o d ea n db r a k e n o i s ei sa l s oa n a l y z e d t h es t r u c t u r eo ft h ed i s cb r a k ei sa n a l y z e db y e o l l i g a t i n gt h er e s u l t so fr e a la n dc o m p l e xm o d a la n a l y s i s f r o mt h i s a n a l y s i s ，t h ed e f i c i e n c i e so fc u r r e n td e s i g na r ee x p o s e d ，a n dr e l e v a n t r e c o m m e n d a t i o n sh a v eb e e nm a d e ， l a s t l y ，b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ff e am o d a la n a l y s i sw i t ht h a to f b r a k en o i s ee x p e r i m e n tc o n d u c t e di na c c o r d a n c ew i t h 鲥e 3 2 5 2 1 s t a n d a r d , i th a sb e e np r o v e dt h a t ：r e s e a r c h i n gt h er e a s o no fd i s cb r a k e n o i s eb ya n a l y z i n gt h er e a lm o d e so fd i s kb r a k ep a r t sa n dc o m p l e xm o d e s o ft h ew h o l ed i s cb r a k ew i t hf e mi sv i a b l e ；t h i sm e t h o di sh e l p f u lt o i m p r o v et h ed e s i g nt e c h n o l o g yo fd o m e s t i cb r a k em a n u f a c t u r e r s ，a n d ， r e l i e v et h ep r e s s u r eo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nl a w st h a ta r eb e c o m i n g m o r ea n dm o r es t r i n g e n tt or e d u c et h eb r a k en o i s e k e y w o r d s ：d i s cb r a k e ，b r a k en o i s e ，m o d e ，f i n i t ee l e m e n t 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为 获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：葬驻日期：丑笸。童 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部内容，可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 虢她燧名务吼一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 问题的提出 迄今为止，绝大部分汽车制动器都是依靠机械摩擦将车辆行驶时的动能 转化为热能散发掉而获得制动效果。若制动器设计不合理、摩擦材料老化、 磨擦副表面损伤或制动工况改变等，则部分动能转变成制动器的振动动能， 导致制动器自激振动。 制动器的振动和制动噪声是密切相关的。如果制动器部件以2 0 h z 2 0 k h z 的频率振动，将导致部件表面附近的空气以相同的频率反复压缩和扩张，辐 射出疏密相问的声波而产生制动噪声。制动器的低频振动会恶化汽车的平顺 性和制动平稳性，降低相关零部件的疲劳寿命制动器的高频振动有时会导 致高达l l o d b 的高频制动噪声，造成严重的噪声污染，而且，由于人耳对高 频噪声很敏感，容易引起驾驶员疲劳和降低乘员的乘坐舒适性。 近年来，低阻尼高摩擦系数的无石棉新材料取代石棉作为摩擦衬片使用 日趋广泛，逐步提高的车速导致了制动强度的增大，日益提高的经济性要求 带来了汽车结构的轻量化，这些都使得制动噪声问题更加突出。如此同时， 消费者对汽车品质的要求越来越高，市场竞争日趋白热化，环保法规日益苛 刻，使得制动器的振动和噪声给制造商造成了强大的压力，尤其是在技术上 处于劣势地位的国内制造商。 某型量产轿车所使用的盘式制动器在使用过程中存在着制动噪声，按s a e j 2 5 2 1 盘式制动器噪声实验标准实验后，发现在0 9 1 7 9 h z 频段内制动噪声 大于7 0 d b 的概率为5 7 ，超过了不大于2 的一般要求。生产厂商鉴于自身 研发能力有限，决定委托武汉理工大学汽车学院对该型制动器产生制动噪声 的原因进行分析，并提出消除制动噪声的措施和改进方案以供参考。本文的 主要任务即根据该委托协议，综合运用有限元、机械振动、模态分析和噪声 控制学等知识，利用c a d c a e 技术建立适用于盘式制动器的有限元计算模型， 从结构上分析影响制动噪声的关键因素和产生制动噪声的原因。 1 2 国内外研究概况 1 2 1有关制动器振动和噪声的五种不同理论 人们对制动器的振动和噪声已经研究5 0 多年了，但由于问题的复杂性， 武汉理工大学硕士学位论文 产生制动噪声的原因理论上至今没有形成统一的共识，成了一个悬而未决的 世界性难题。在研究的过程中共形成了五种不同的理论，分别为：摩擦特性 理论、s p r a g - s l i p 理论、几何特性耦合理论( g e o m e t r i cc o u p l i n gt h e o r y ) 、热 点理论( h o ts p o tt h e o r y ) 和摩擦学理论。 摩擦特性理论： 1 9 5 0 1 9 7 0 年代，普遍认为摩擦材料本身的特性是产生制动尖叫的根本 原因。当时的研究发现，摩擦材料的摩擦系数与摩擦面的相对滑动速度有两 个明显的特征，一是静摩擦系数大于滑动摩擦系数，二是当摩擦面的相对滑 动速度达到一定程度时摩擦系数随相对速度的增大而减小前者导致了所谓 的s t i c k s l i p 现象，后者导致了系统的负阻尼效应，即当系统阻尼较小时，系 统的振动可能发散而引起制动噪声1 4 7 d 引 摩擦特性理论能够解释某些制动尖叫现象，并解决了一批制动器的制 动噪声问题，但也发现该理论与许多试验结果并不一致。s p u rr t 的研究l 】 表明：有时摩擦系数与摩擦面的相对滑动速度无关，也会产生制动噪声；而 且即使摩擦系数随相对速度的增大而显著减小，也不一定产生制动噪声。 m i l l n e r l 6 4 1 1 6 5 1 也证明了对于鼓式和盘式制动器，即使摩擦系数为常数，也可 能产生制动噪声。可见，上述两个特性并非产生制动噪声的必要条件。 s p r a g - s l i p 理论： 基于这些原因，同期b a s f o r d p 、s p u r r r t 、f o s b e r r y r a c 等人【晰卜【7 0 l 又用s p r a g s 1 i t , 现象来解释制动尖叫的形成。该理论将摩擦系数简化为常数， 制动块简化为弹性杆，弹性杆一端与摩擦面接触，另一端通过弹性支座和其 它部件连接。研究发现，弹性杆和摩擦面之间的接触角选择不当就会导致制 动时弹性杆反复的“摩擦自锁附着运动解除自锁”，进而产生振动， 其振动和支座的连接弹性有关。这说明仅因摩擦副的几何耦合特性( 接触角) 不当，就可能导致系统自激振动，引起制动噪声 虽然该模型很简单，无法直接用于制动噪声的分析，但给出了一个重要 启示，即制动器的结构因素可能是产生制动噪声的关键因素。在此基础上发 展出了几何特性耦合理论。 几何特性耦合理论： 1 9 8 0 年代中期以后，人们逐渐从结构设计的角度来探讨制动器振动和 噪声的产生机理。1 9 8 9 年l i l e s t 7 l l 将制动器摩擦副之间的摩擦力作为外力引 入到振动微分方程的右端，再将之与方程左端的刚度项合并，使得原本对称 的刚度项变成非对称项，进而使得该微分方程的特征矩阵由对称变成非对称， 最后借助李雅普诺夫法和特征值分析法( 即复模态理论) 考察系统的运动稳 2 武汉理工大学硕士学位论文 定性，来判定制动器有无产生制动噪声的趋势以及趋势的大小。研究表明制 动系统的稳定性不仅取决于制动器各部件的结构固有特性，还取决于各部件 之间的耦合关系，包括摩擦表面的摩擦耦合以及各部件之间的弹性耦合。 该理论既简化了实际问题中难以把握的因素，如摩擦系数随温度、压力、 湿度、粉尘等因素的变化，又把握住了系统在静态平衡点附近的变化趋势， 反映了摩擦系数、各部件的固有特性和部件之间的耦合特性对制动噪声的影 响，便于提出相应的抑制振动和噪声的方案，因而极大地促进了人们对制动 器( 尤其是盘式制动器) 的振动和噪声的认识，成为近年来分析制动噪声的 主流方法【2 l 】 1 2 6 1 5 0 1 5 4 5 5 】【5 7 】【5 3 】。 热点理论： 与此同时，有学者认为是制动时制动盘表面产生的热点导致了制动噪声。 k r e i t l o w l 6 0 1 通过试验发现颤振频率与车辆速度和热点数目相关，a b d e l h a m i d 6 1 】 进一步说明冷颤振是由制动盘厚度变化引起，而热颤振则由热点引起。 热点理论通过分析与盘式制动器结构相近的理论模型，可计算出对应不 同阶次热点分布的临界车速，并说明不同阶次有不同的临界车速。但该模型 不能解释通常制动过程中制动噪声频率较单一，且在一定的车速范围内频率 不变这一现象；此外，理论计算出的临界车速通常很高，这与中低车速产生 制动噪声的概率较大的实际情况也不相符。现有模型m 7 3 1 只讨论了盘的厚度 对临界车速的影响，还不能用于解决实际问题。到目前为止，无论是热点理 论的解析模型还是有限元模型对实际制动噪声的分析都还不完善，更没有见 到有关实际问题解决的报道 2 7 1 。 摩擦学理论： 、 研究摩擦学的学者【3 9 】认为，研究摩擦噪声不能仅局限于动力学分析，也 要从摩擦界面出发，系统而深入地研究摩擦表层的变形、接触表面的形貌、 第三体( 含磨屑或其它外来介质等) 的动态特性、频率、滑移速度及摩擦系数等 与摩擦噪声的内在联系，借以揭示各类摩擦噪声的机理，并通过摩擦学设计 和表面工程设计等手段来降低摩擦噪声目前虽说这类研究属于刚起步阶段， 但也得到了些成果【4 0 l 】。 1 2 2制动噪声的计算机辅助分析 近年来，世界范围内关于制动噪声仿真分析的文献逐渐增多，所采用的 理论基础和方法也各不相同。具体的方法有复模态分析、瞬态动力学分析、 参数分析( p a r a m e t r i c a la n a l y s i s ) 、操作模拟( o p e r a t i o n a ls i m u l a t i o n ) 等，各种方 法都有自身的优缺点和一定的适用范围。其中最主要、最成熟的方法是动力 3 武汉理工大学硕士学位论文 学分析中的频域复模态分析( 基于几何特性耦合理论) 和时域瞬态动力学分 析。复模态法能充分考虑各部件间的几何特性耦合，在一般情况下得到符合 工程精度要求的计算结果，成为发达国家学术界和工业界广泛采用的分析手 段。瞬态动力学法相对于复模态法能更充分地考虑模型的非线性摩擦特征、 运动特征和制动油压变化，成为新的研究热点。但是由于高频振动的重要性， 求解时的积分时间步长必须足够小，高频信息才能显现出来，加之引入了非 线性特性，导致时域求解需要大量的计算资源，不利于一般企业的设计研究。 国外对制动噪声的研究起步早、范围广、方法多、程度深，很多优秀 且实用的文献都发表在s a e 的相关刊物上，今年来有代表性的有以下几篇。 1 9 9 9 年j o h ndf i e l d h o u s e l 4 9 j j 通过激光全息摄影实验和理论分析提出了一 种独特的预测盘式制动器制动噪声的方法。他认为产生制动噪声的制动盘其 噪声模态总是径向弯曲模态( d i a m e t r a lm o d e ) ，这种模态的弯曲振型沿制动盘 的周向是循环对称的；而噪声频率总是稍小于制动盘对应模态的固有频率， 该频率和制动盘的转速无关而和制动压力有关随着制动压力的增大在一 定范围内增大。研究指出，盘式制动器系统的噪声和制动盘的自由模态直接 相关；此外，制动块摩擦面的几何特性、制动盘的有效摩擦半径和制动块的 有效工作长度也是影响制动噪声频率的重要因素。 同年th a m a b e 和iy a m a z a k i 等五人【5 s j 通过复特征值分析和试验分析发 现，尽管鼓式制动器的模态比盘式制动器更密集，确定其制动尖叫的成因也 更困难，但是普遍应用于分析盘式制动器制动尖q 的有限元复模态分析法也 能应用于鼓式制动器的制动尖叫分析。 2 0 0 2 年y i t o n g ( j i m ) c h e m 、f r a n kc h e n 和j a m e sls w a y z e ! ”1 利用非线性 瞬态分析方法建立了包含制动盘、制动块、减振垫片、制动钳和活塞的制动 噪声数值仿真模型，通过将计算得到的时域结果转换到频域，确定了制动噪 声的频率，同时得刭了制动时制动盘和制动块的变形及各阶噪声频率对应的 制动盘径向弯曲模态，对照实验结果讨论了各噪声频率下内外侧制动块的相 对位移。该项研究相对于一般的复模态分析法而言考虑了更多的因素，所得 的结果具有很高的参考价值。 a n d r z e jb a j e r 、v l a d i m i rb e l s k y 和l ij u nz e n g t s 3 1 毛e2 0 0 3 年指出摩擦导致 的制动系统动力学不稳定性的主要原因是两个相邻模态的耦合和摩擦系数随 相对滑动速度的增大而减小。作者利用有限元软件a b a q u s s t a n d a r d 建立了 一个仅包含制动盘和制动块的简化模型，并对其制动噪声进行了分析。在用 复模态分析制动系统的稳定性之前对制动系统进行了非线性分析，同时考虑 了线性和非线性两种因素。该项研究既保留了复模态分析法的所有优点又适 4 武汉理工大学硕士学位论文 当包含了一些非线性特性，是制动噪声的仿真研究中的一个亮点。 同年，c h i h - h u n gj e r r yc h u n g 和m a r kd o n l e y s q 指出，被普遍接受的复模 态分析法有许多缺陷，一是这种分析不能明确地指出产生制动尖叫的机理， 二个是这种噪声预测方法对系统模型的微小改动很敏感。因此，他们对通常 的复模态分析法做了改进，使用了一种新的方法来确定各种不同类型的耦合 机理，并指出了能够导致制动尖叫的模态振型所具有的三种主要特征：首先， 至少有两阶模态发生耦合；其次，在发生耦合的各阶临界模态( c r i t i c a lm o d e ) 中，一般至少有一个是制动盘的弯曲模态；最后，在制动盘和制动块之间， 若某阶模态的法向力振型和另阶模态的切向位移振型相对应，就会造成强 模态稻合。尽管还可能存在着其它的耦合特征，但这三种特征造成的制动系 统不稳定是最常见的。 除此之外，c h i h - h u n gj e r r yc h u n g 和w i l l i a ms t e e d 等五人瞰1 针对盘式制 动器制动尖叫的有限元复模态分析法，在传统的盘式制动器设计研究流程和 方法的基础上，提出了一种新的设计研究流程和方法，和传统流程和方法相 比，新方法的计算效率得到了显著提高。在模态坐标下，复特征值的特征方 程能够表达成作者推荐的符号形式，模态的集聚速度也能够在一种封闭形式 的求解过程中计算出来。由于系统的复特征值是不考虑摩擦时各零部件的固 有频率和摩擦耦合矩阵的函数，从而使得可以利用临界固有频率和摩擦耦合 矩阵的改变来衡量设计时系统性能的改进。按照新的方法，当在抑制制动尖 叫的设计过程中得到了满意的系统性能时，各部件的结构设计目标也就确定 了，从而使设计人员可以专注于部件的有效设计和修改。 为了帮助分析人员选择正确的分析方法和确定各种方法的发展方向，利 物浦大学的h u a j i a n go u y a n g 、通用汽车公司的w a y n en a c k 和f r a n kc h e n 、 t r w 汽车公司的y o n g b i ny u a n 四人联合在文献【57 1 中对2 0 0 3 年以前的盘式制 动器制动尖叫的c a e 仿真和分析方法做了回顾，较详细地介绍了复模态分析 ( c o m p l e xm o d e sa n a l y s i s ) 、瞬态分析( t a n s i e n ta n a l y s i s ) 、参数分析( p a r a m e t r i c a l a n a l y s i s ) 和操作模拟( o p e r a t i o n a ls i m u l a t i o n ) 四种方法，讨论了各种分析法的优 点和局限性。 2 0 0 4 年s q i a o 、d m b e l o i u 和r a i b r a h i m l 6 2 1 研究了常摩擦系数和随机摩 擦系数产生的摩擦力对盘式制动器动力学特性的影响，发现在不交的摩擦载 荷作用下，周向运动表现为准周期运动，而横向运动为周期运动，周向振动 的响应幅值比横向振动的大；在随机的摩擦载荷作用下，横向和周向位移都 表现为非高斯( n o n g a u s s i a n ) 、非固定( n o n s t a t i o n a r y ) 的窄带过程( n a r r o w - b a n d p r o c e s s e s ) ，横向运动的能量明显地集中在一个频率上，而周向运动的功率谱 5 武汉理工大学硕士学位论文 密度主要分布在两个不同的频率上。 和国外相比，国内对制动噪声的研究落后很多，主要采用流行的模态分 析法，很多还都基于实模态分析，仅有少量学者采用瞬态动力学法分析法， 在工程中的应用也很少。 1 9 9 4 年朱新潮、管迪华在文献【2 1 】中建立了一个双领蹄型鼓式制动器高 频噪声问题的结构闭环耦合模型，运用h a m i l t o n 变分原理推导出了该问题的 结构闭环耦合动力学方程，并通过改变制动底板的结构参数，利用此模型进 行了计算分析，研究了制动器结构参数对制动噪声的影响。理论分析与实验 结果在一定程度上定量一致。虽然该模型是针对双领蹄型鼓式制动器建立的， 但可在改变局部结构和边界条件的情况下适应于任何形式的鼓式制动器。 同年，上文作者【2 2 】在建立鼓式制动器高频噪声问题的结构闭环耦合模型 的基础上，对某国产车的高频噪声问题进行了计算分析。分析中所用的制动 底板、制动鼓和制动蹄的结构参数均取自实际结构。计算结果表明，制动器 所有部件的结构参数对高频制动噪声均有重要影响，其中鼓子结构和包含有 底板、蹄、分泵及油路操纵系统在内的p s p o 予结构的参数匹配或极点配置起 着决定性作用，过去仅把产生高频噪声的原因归结为蹄与鼓问的参数匹配是 不正确的。 三年后，管迪华教授又与蒋东鹰】借助于有限元和模态综合技术，建立 了盘式制动器制动尖叫的摩擦耦合模型，通过复模态分析得到了对应于各阶 振动模态的阻尼与频率。其中模态阻尼揭示了各阶模态的稳定性和产生制动 尖叫的倾向大小。最后运用耦合模型研究了摩擦系数和子结构模态对制动尖 叫的影响，并得到了三个结论：第一，制动盘与制动片通过摩擦耦合表现出 不稳定倾向，并可能产生制动尖叫；第二，随着摩擦系数的增大，制动尖叫 的倾向增大；第三，有尖叫倾向的不稳定模态来源于子结构未耦合时的多阶 振动模态，而菲单一的来源于子结构的某一阶振动模态。 1 9 9 8 年蒋伟康、西择男和高田博【2 卅提出了鼓式制动器制动啸叫时的振动 特性取决于制动鼓和蹄片的观点，建立了一种引入了摩擦耦合的三维解析模 型，通过求解方程的特征值和特征向量分析制动鼓的固有模态及其稳定性， 判断制动器是否发生啸叫。理论分析和试验结果吻合良好，表明该三维解析 模型精度良好，具有工程实用性。 2 0 0 1 年，管迪华教授和黄锦春在前述工作1 2 1 卜【2 3 1 的基础上独辟蹊径地从 能量馈入的角度探讨对了制动尖叫的分析方法【2 4 j 。在考虑制动器的摩擦耦合 的情况下，推导了系统尖叫模态的馈入能量计算方法。基于馈入能量的分析 较直观地看出了摩擦系数、制动块形状、刚度及子结构模态振型等参数对制 6 武汉理工大学硕士学位论文 动噪声的影响。该方法对盘式制动器的结构振动和噪声分析具有指导意义， 有助与提出抑制噪声的结构修改方案。 蔡旭东、蒋伟剧2 9 i 于2 0 0 2 年通过台架试验分析了某型鼓式制动器制动噪 声频率特性以及制动噪声不同频率成分的发生概率，并用有限元模态分析及 试验模态分析，研究了制动噪声与制动器零部件固有频率之间的关系。发现 5 0 0 1 0 0 0 h z 范围的制动噪声可能与制动鼓、制动蹄及制动底板的相互作用有 关，提出了两种降噪方案，第一方案在制动底板上加质量块以降低其l 、2 阶 模态频率使之与制动鼓的l 、2 阶频率分开，第二方案在底板的制动蹄支撑面 上加阻尼垫片以增大阻尼。采用第一种方案后，5 0 0 1 0 0 0 h z 频段内的噪声发 生概率从1 7 i 降到了2 ，取得了良好的效果。 2 0 0 3 年宿新东、管迪华脚j 用子结构动态特性修改和优化设计的方法抑制 了某型制动器的制动噪声。在对该型制动器进行建模分析并确定其关键子结 构动态特性修改方向的基础上，在部件子结构中引入设计参数，用最优化的 方法按照设定的目标函数对结构动态特性进行了修改，最后的模型验证表明 修改后的制动器对应于原来尖叫频率的不稳定模态不再出现。 鉴于以前的工作都没有考虑材料的阻尼特性，同年管迪华教授又与合作 者张芳针对在盘式制动器制动块底板上粘贴阻尼层的阻尼处理方法，在文献 【2 6 】中首先指出该阻尼层的减振机制在于粘弹性材料在接触面间表现出的摩 擦作用，尤其取决于材料本身的迟滞效应；然后定量的分析了阻尼层对制动 器噪声的抑制效果；最后利用能量等效原理将接触摩擦转换成系统中的粘性 阻尼，并通过特征值分析考察了系统稳定性。所得结论如下；第一，在制动 块底板上粘贴阻尼材料层能在定程度上抑制制动器的不稳定模态，但并非 总是有明显的改善效果；第二，阻尼层在结合面间的摩擦效能越高，抑制结 构中不稳定模态的效果越好；第三，加入阻尼后系统可能引入新的不稳定模 态，因而在制动块底板加阻尼层的方法不能适用于所有的制动器。 宁晓斌、张文明和王国彪p 研于2 0 0 3 年采用虚拟样机技术和多刚体动力学 理论在m s c a d a m s 软件建中建立了鼓式制动器的三维非线性动力学模型， 综合考虑了非线性的法向载荷、粘滑作用、结构耦会等因素，分析了铡动鼓 和制动蹄在不同工况时的时域瞬态动力学响应情况。制动时假设制动鼓角速 度呈阶梯状减小，角加速度震荡变化。计算结果显示：无论是高速紧急制动 还是低速行车制动，制动蹄角速度和角加速度都呈振荡变化：摩擦系数取0 4 时，制动鼓和制动蹄角加速度变化幅值均大于摩擦系数为0 2 5 时的幅值。 次年，宁晓斌和张文明阱l 又用类似的方法首先用有限元软件a n s y s 生成 盘式制动器的柔性体模型，然后将之导入多体动力学软件m s c a d a m s 中， 7 武汉理工大学硕士学位论文 通过施加约束、力以及摩擦片和制动盘之间的滑动接触，综合考虑模型的非 线性摩擦特征、模态耦合和运动特征，计算盘式制动器在制动时的时域瞬态 动力学响应。研究结果表明，增加摩擦片的阻尼可以抑制制动盘的振动。 2 0 0 6 年文献【4 5 】在粘着滑动理论以及耦合刚度的基础上，讨论了盘 式制动器制动时径向和周向的振动情况，并研究了制动器各参数对制动噪声 的影响。此外基于声固耦合方法建立了盘式制动器声固耦合分析的 有限元模型，研究了在一定激励下不同频率的声场分布云图，以及吸声材料 对声场分布的影响。得到了一些对制动器噪声控制有意义的结果和结论。 同年文献1 4 6 以振动力学和有限元理论为基础，针对国内某款具有制动噪 声的盘式制动器，应用模态综合法在有限元软件a n s y s 中建立了包括制动 盘、内外制动块、制动钳和制动支架的闭环耦合有限元模型，对该模型进行 了有限元分析。通过分析寻找影响制动尖叫的各种因素，并对各种影响因素 作了详细的探讨。 由上述国内外研究概况可知，为了更好的解决我国企业在设计生产中遇 到的实际问题，迎头赶上发达国家的技术水平，国内需要加强制动器噪声的 相关研究。 1 3 研究方法和研究内容 1 3 1研究方法 采用有限元模态分析法计算结构的实模态和复模态，并将结构的固有频 率与实验中出现的噪声频率进行对比，以查找产生制动噪声的原因。考虑到 建模的效率和数据的可交换性，选用通用c a d 软件p r o e 建立制动器各零部 件和总成的三维c a d 模型，再通过该软件与通用有限元软件a n s y s 之间的专 用数据接口将几何模型导入到a n s y s 中，并划分有限元网格，然后借助于用 a p d l 语言自行开发的专用程序将各个部件耦合成一个整体，最后利用a n s y s 的动力学分析模块进行实复模态分析。 1 3 2研究内容 根据项目和课题的要求，结合国内外的研究发展现状和本课题的研究目 标，本文的主要研究内容包括： ( 1 )在理论分析的基础上制定总体的研究方案，包括采用的理论基础、 仿真方法和软硬件平台等； ( 2 )盘式制动器的几何建模研究，探索方便、快捷和实用的建模方法， 8 武汉理工大学硕士学位论文 要求选用的建模方法既要满足有限元模态分析对几何模型的要求，又要有足 够的建模效率和体现现代计算机辅助技术对c a d c a e 一体化的要求； ( 3 )a n s y s 软件的二次开发研究，利用a p d l 语言编写相应的程序， 完成复模态分析时各个零部件之间的装配和耦合，实现部分建模过程的自动 化，提高建模的效率，以利于模型的反复修改和试算； ( 4 )对典型制动器的零部件进行实模态分析，研究零部件实模态与制 动噪声之间的关系，为后续的复模态分析和设计修改做准备；对典型制动器 总成进行复模态分析，寻找系统的不稳定模态，研究零部件实模态与制动噪 声之间的关系； ( 5 )结合实模态和复模态的分析结果和实际情况，针对典型盘式制动 器提出改进设计方案以降低制动噪声。 1 4 研究意义 本课题的意义在于解决制动噪声带来的产品质量下降和环境污染问题， 加深入们对盘式制动器制动噪声的规律的认识，探索针对盘式制动器制动噪 声的计算机辅助设计方法，为企业的实际设计和生产提供参考，提高民族汽 车产业的设计研发能力。 9 式殁理工大学埂士掌经论文 第2 章盘式制动器的结构及噪声 盘式制动器主要有镧动盘、制动钳、翻动块和铜动液压缸等几个部分组 成，依靠制动液压缸产生的推力将制动块紧压在制动盘上而产生制动力矩 制动过程中，制动器部件与空气的接触面将机械部件的振动传递给空气，从 而导致了制动噪声。 某典型制动器为浮钳盘式制动器，其在工作中很容易产生制动噪声，经 实验发现其主要的噪声集中在1 2 1 d z 和1 3 3 k h z 左右 2 1 盘式制动器的结构及工作原理 盘式钊动器属于摩擦制动器的一种，被广泛应用在各种乘用车上，依靠 旋转元件与固定元件工作表面的摩擦而产生制动力矩摩擦副中的旋转元件 是以端面工作的金属圆盘，诧圄盘称之为铡动盘；其固定元俘则有多种结构 形式，大体上可以分为两类。一类是固定元件的金属背扳和摩擦片也呈圆盘 形，作为旋转元件的制动盘的全部工作面可以同时与摩擦片接触。因此，这 种制动器被称为全盘式制动器。另一类固定元件是工作面积不大的摩擦块与 其金属背板组成的制动块这些制动块及其促动装置都装在横跨制动盘两侧 的夹锚形支架中，总称为翻动钳。这种由制动盘和锅动错组成的稍动器称为 钳盘式制动器。 钳盘式制动器又分为定钳盘式和浮钳盘式两类 定钳盘式制动器的制动钳固 定安装在车桥上，既不能旋转， 也不能沿制动盘轴线方向移动， 因此其中必须在制动盘两侧都安 装制动块促动装置液压缸。 这种制动器的制动钳结构复杂， 尺寸较大，难于安装，热负荷大 时液压缸和油道内的铡动渡容易 受热汽化，需要安装额外的驻车 制动钳这些缺点使得定钳盘式 制动器难以适应现代汽车的要 图2 - 1 浮钳盘式制动器的结构原理 求，逐渐让位于浮钳盘式铡动器 武汉理工大学硕士学位论文 浮钳盘式制动器的制动钳一般可以相对制动盘轴向滑动。其中，只在制 动盘的内侧安装液压缸，而外侧的制动块则附装在钳体上。其结构如图2 - l 所示。制动时，高压制动液从迸油口进入液压缸，推动活塞和左侧制动块向 右运动；与此同时，制动钳体和右侧制动块在制动液反作用力的拉动下沿导 向销向左运动，于是两个制动块夹紧制动盘，产生一个与制动盘旋转方向相 反的制动力矩，促使汽车制动。 2 2 盘式制动器的噪声 制动器在制动过程中会产生各种问题，其中之一就是制动噪声汽车的 动能在制动过程中绝大部分都在制动器固定元件和旋转元件之间的滑动摩擦 中转换为热能，但也有很小一部分转换为声能，这就产生了制动噪声。 制动噪声的频率范围非常广，可以从几十到上万赫兹。在一次制动中， 制动噪声在多数情况下只有一种特别突出的频率成分，偶尔同时包含有两三 种能量都很高的频率成分。根据频率范围制动噪声大致可以分为两类。即频 率低于l k h z 的颤振声( g r o a n ) 和频率高于l k h z 的尖叫声( s q u e a l ) 。 影响制动噪声的因素比较复杂，大致有摩擦副特性、制动器结构、环境 和制动工况