何俊艺 何家盼

摘 要：本文主要分析了基于ALGOR的盘式制动器振动噪声模态相关问题，在分析盘式制动器前12阶振型和固有频率的基础上，得出了可以在高阶固有频率提高的基础上降低制动盘共振，进而促使制动噪声降低。

关键词：盘式制动器 模态分析 振型 固有频率 ALGOR

制动噪声问题是车辆行驶中最为明显的问题，现阶段伴随人们私家车辆的不断增多，该问题也引起了人们的广泛关注。制动噪声常常会促使人们的注意力分散，加剧心情紧张程度，并促使人们产生一定程度的烦躁情绪，直接威胁人们的身体健康。因此加强对制动噪声的研究具有非常大的现实价值[1-2]。

1 制动噪声的分类

制动噪声的类型是多样的，通常情况下常见的制动噪声主要有以下几类，分别是制动开始时产生的噪声、制动过程中产生的噪声以及停车时产生的噪声。制动噪声的主要来源就是制动过程中的尖叫声，制动尖叫声是在制动盘共振的情况下引起的，此时高频噪声的频率在1-6KHz[3-4]。以下是本文对盘式制动器结构的分析，并采用了模态分析法，在提高固有频率的基础上，尽可能增加超过6KHz的高阶频率，以此实现减少制动盘共振降低噪声的目的。

2 盘式制动器的工作原理

制动盘是制动摩擦副中间的旋转元件。半轴带动制动盘沿着车辆前进的方向呈现出绕半轴做旋转运动和直线运动的特点。盘式制动器制动过程中油缸液压力会作用在活塞上，促使制动摩擦片沿着轴向进行移动。此时制动盘会受到一定压力的影响。反作用作用在制动钳体上，促使制动钳体呈现出向右移动的趋势，此时制动盘与制动摩擦片是相互靠近的。制动盘两侧的摩擦块会受到两个不同压力的影响，进而夹紧制动盘，制动盘在夹紧状态下会产生一个制动力矩，该力矩的方向与运动方向相反，从而促使汽车制动[5-6]。

3 盘式制动器的有限元模型构建

盘式制动器的有限元模型在构建时需要借助Catia软件，在该软件的支持下形成三维实体的制动器模型。因为制动盘是铸造成形的结构，因此受其自身结构的影响，可以简化甚至是忽略。其中制动盘的材料属性见表1。制动器仿真模型图见图1。

三维实体制动器模型在Catia软件下构建好之后，将其导入到ALGOR中，在ALGOR中将材料的属性分别赋予上，并划分成相应的网格。结合制动盘的受力情况可以知道，制定盘在通常情况下是绕半轴作旋转运动的，因此制动盘内径表面各个节点x、y、z方向上的平动和围绕x、y轴的转动都受边界条件的制约。且系统的固有特性直接决定模态，模态与外载荷联系性不大，因此不需要额外对外载荷的边界条件进行设计[7-8]。

4 模态的分析与求解

4.1 构建运动微分方程

结构振动特性的确定离不开模态分析，所谓模态分析就是对无阻尼系统的自由振动情况进行研究，在此基础下得出振动系统的振型和固有频率。其中动态分析是模态分析中最常用的分析方法，同样该方法也是其他动态分析的条件和基础。其中无阻尼模态分析带有较大的代表性和特征性，它的动力学问题运动方程为：总质量矩阵×结构加速度向量+阻尼矩阵×速度向量+刚度矩阵×位移向量=激振力向量。阻尼对自由振动的振型和固有频率影响较小，可以忽略不计，因此无阻尼自由振动的运动方程为：总质量矩阵×结构加速度向量刚度矩阵×位移向量=0。自由振动时各个节点所呈现出来的运动方式为简谐振动。其中结构的模态就是在一个振动系统中当存在多个主振型和多个固有频率时，其中任何一对振型和固有频率均表示一个单自由度系统的自由振动。其中结构在自由振动时呈现出来的基本振动特性就为结构的模态[9]。

4.2 分析制动器有限元模态结果

1-6KHz是制动器噪声主要集中的区域，因此在分析模态时，选取的为小于6500Hz的模态，前12阶模态中的部分振型如图2所示。其中固有频率见表2。

分析模态结果可以发现，改进前圆周振动和扭动是制动盘的主要振型，1-6KHz是前10阶固有频率主要集中的频段，该频段位于制动盘共振所致的噪声范围内。11阶和12阶振动盘共振引起的噪声超出了6KHz。从振型的分析模态振动变形较明显的为2、5、7、8阶。其中圆周运动的为2阶，圆周扭动并且径向和轴向位移均较大的为5、7、8阶。由此可见该阶是制动器产生噪声的主要部位。

对制动器结构进一步改造，保障各阶固有频率在6KHz之外，为了实现上述目标可以采用固有频率提高的方法。固有频率降低法会导致各阶的固有频率均降低，对于低阶来说固有频率可能降到1KHz以内，高阶可能降到1-6KHz以内，此时制动噪声也会产生，达不到消除噪声的目的。因此就需要提高固有频率让9、10阶固有频率大于6KHz，促使各阶振动变形减小达到制动盘共振减少，进而降低噪声的目的。基于此就需要将制动盘的厚度增大，并适当增加制动盘上的通气道数量。其中改进后的部分振型如图3所示，固有频率见表3。

分析改进后的模态，可以得出如下结果。制动器的结构改进后，1-6KHz范围内是制动器前8阶固有频率主要集中的频段，该频段位于制动盘共振所致的噪声范围内。9阶和10阶振动盘的固有频率已经远远超出了引起造成的频率范围，因此9阶和10阶振动引起的噪声得到了明显的减弱。改进前10阶固有频率处在1-6KHz范围之内，结构改进后减少了9阶和10阶在1-6KHz范围，由此减少了9阶和10阶共振引起的制动噪声。由此说明在制动盘结构改进之后，制动盘自身的共振减少，在共振减少的情况下，制动盘产生的噪声也就随之减少。可见结构改进对于制动盘共振和噪声的减小均具有一定作用，因此可以借助固有频率提高的方法达到减轻制动盘噪声的目的[10]。

5 结语

综上所述，基于ALGOR的盘式制动器振动噪声模态相关问题，在分析盘式制动器前12阶振型和固有频率的基础上，得出了可以在高阶固有频率提高的基础上降低制动盘共振，进而促使制动噪声降低。本次有限元分析结果可以发现在模态分析方法下可以对制动器的结构进一步改进，结构改进后可以有效降低噪声，这对减少制动器产生的噪声是很有帮助的。

基金：湖南省教育厅科学研究项目：“基于CAE技术的汽车制动器NVH分析研究”（18C1460）。

参考文献：

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[2]施佳辉，王东方，缪小东.基于Workbench的盘式制动器振动噪声分析与优化[J].轻工学报，2019，34（1）：79-86.

[3]施佳辉，王东方，缪小冬， 等.复模态盘式制动器NVH性能分析与改进[J].河南科技大学学报（自然科学版），2018，39（4）：22-27.

[4]吴奕东，詹斌，陶政， 等.制动方向振动影响下汽车盘式制动器颤振模型的研究[J].时代汽车，2019，（18）：100-104.

[5]胡洪洋，文豪，雷克平.基于ANSYS工业盘式制动器制动尖叫研究[J].太原科技大学学报，2018，39（3）：234-237.

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[7]吕红明，钱坤才.基于模态频率特征的浮钳盘式制动器盘块间法向接触刚度辨识方法[J].工程设计学报，2018，25（4）：388-393.

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[9]WABCO unveils new range of MAXX single-piston air disc brakes[J].Bulk transporter，2019，81（7）：43.

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