牛彩云　李建松　曾清德

摘 要：多数盘式制动器，制动时会发出让人不舒服的刺耳响声，特别在涉水之后更甚。本设计将改变消音片构造，通过试验选定材料附在刹车片背面。并利用三维仿真软件制作出制动块模型，对其不同厚度的的消音片减振效果进行有限元模态分析，而后对三个不同设计接触面的消音片比实验数据，分析得出最优选方案。

关键词：盘式制动片；消音片构造；阻尼材料；减振降噪；优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.011

0 研究背景

今天汽车工业的快速的发展，给我们的现代生活带来了便利，另一方面，它给我们带来了很多伤害。其中，噪音污染是现代城市生活中最重要的公害之一。据统计，在都市里的噪声中，交通工具产生的噪声就占有其中的三分之一，汽车产生的噪声则又其中的五分之四。现今噪音被确认是首要的污染之一，人们越来越重视噪音对人体的危害。

1 汽车消音片简述

减少盘式制动器噪声的措施之一是安装阻尼材料，以吸收刹车块的非制动一侧的振动和噪音。大多数的消音片合适于附有金属底层的基体，或是在上边涂上橡胶的涂层，因为橡胶模量比较小，所以不能直接用作为工程材料，金属基体通常是冷轧薄板和薄钢板。之所以粘弹性材料不可以单独用作制动体系中的材料，是因为粘弹性阻尼材料的弹性模量很小，蠕变阻力也很差，它一般都是与金属组合成新结构的阻尼材料才有作用，消音片亦是如此，通过它们组合出的新结构层数，可划分为自由阻尼加工结构还有约束阻尼加工结构两种。

从图1可以看出结构a中是用两层较薄的橡胶阻尼层与一层较厚的金属层相结合的，两层橡胶阻尼层覆盖着金属层，当有机械振动传递时，橡胶阻尼层会产生形变，但又由于粘性作用存在，机械振动能会转变为热能耗散。而图中结构b则有三种材料组合而成，一层金属层、一层橡胶阻尼层与一层约束层。当有机械振动传递时，橡胶阻尼层同样会发生形变，而后约束层制约了阻尼层的形变，这样也可以大大提高能量耗散效果。

2 理论计算模型与参数化设计

2.1 消音片工作原理

在系统内的能量之所以降低，阻尼振动不全是因为“阻力”造成的，在机械振动方面，一个是由于摩擦热产生，摩擦会产生热，热量又会在空气中传递消散，这就是让机械能转化成为热能，这样的阻尼体系就是摩擦阻尼。另一个是体系中的能量引起身边粒子的振动，让能量从粒子中传递后逐渐消散，也就是所谓的辐射阻尼。阻尼是指一种可以自由振动的固体，就算它的力学性质与外界全部隔离，也可转化为热能。从应用技术的角度出发，从能量耗散、转换、传输的角度出发，从宏观层面出发，从能量耗散的角度出发，将机械能转化为能量耗散，进而形成体系阻尼效应，适当的增加阻尼是减少振动共振反应最达标最有效的方法。振动能量变出成热消散，这就是阻尼效应，从而抑制结构振动，达到减少噪声的目的。汽车盘式制动器的设计是通过阻尼效果来减少噪音。

3 消音片结构仿真数据

3.1 使用ANSYS软件求解不同厚度消音片的位移变量

使用UG软件构建好制动块结构，然后使用ANSYS软件导入制动块模型，采用ANSYS结构仿真处理，计算模态数据。步骤如下：首先建立好网格结构，其次给制动块模型指派材料，然后定义支撑在制动块背部，也就是在消音片处，最后求解物理场中的位移变量获得以下数据。制动块网格如下图2所示。

（1）采用0.8毫米的消音片计算模态位移变量如图3。计算结果为小面积出现位移变量，最高变量值为11 223.4毫米。

（2）采用1.0毫米的消音片计算模态位移变量见图4。计算结果为大面积出现位移变量，最高变量值为5523.0毫米。

（3）采用1.2毫米的消音片计算模态位移变量如图5。计算结果为小面积出现位移变量，最高变量值为818.1毫米。

（4）采用1.4毫米的消音片计算模态位移变量如图6。计算结果为大面积出现位移变量，最高变量值為130.3毫米。

从实验数据中可知，安装0.8毫米厚度消音片的制动块变量面积较大，而且最高变量值达到11 223.4毫米。而安装1.0毫米厚度消音片的制动块变量面积较小，最高变量值只为前者的一半，也就是5523.0毫米。安装1.2毫米厚度消音片的制动块，变量面积极小，最高变量值也只有818.1毫米。安装1.4毫米厚度消音片的制动块，变量面积最大，最高变量值为130.3毫米。

也就是说，无限增大消音片厚度是不可取的，虽然变量值有所减小，但是变量面积也在随之增大，厚度太小的消音片，又会引起巨大的变量值，从结果分析，安装1.2毫米厚度的消音片效果最佳。

3.2 使用ANSYS软件求解不同结构消音片的模态形变模量

从改变消音片构造来解决制动时振动传递所造成的噪声，首先暂时不考虑制作工艺的成本，在此前提下，设计三个消音片结构并计算是否能有效减少振动与降低噪音。在初步设想里，想同时解决遇水退水的情况，所以把消音片结构设计成三种样式的规则波面，设计思路为是：规则型波面与往常的平面不同，与制动卡钳的接触面会有一定的空隙，在遇水之后，这些空隙会加速水份的流失，增加空气的流入，这样就可以增强一定的退水能力，并且空气的流入也可带走一部分的热量，也就是说在增强退水功能的同时也一并增强了散热性能。

（1）首先是第一个设想的制动块消音片结构，结构如图7。

该设计是将原本平面的消音片制作成不为平面的矩形矩阵排列的样式，每个矩形面都为1平方毫米，每个长方体相互之间的间隔为1毫米。设计完成后再次计算模态形变模量。结果如图8所示。

从图中可知设计的制动块最高位移形变量只有122.0毫米

（2）接着是第二个设想的制动块消音片结构，结构如图9。

该设计是将原本平面的消音片制作成不为平面的半圆形矩阵排列的样式，每个半圆形面积都为6.28平方毫米，每个半圆柱体相互之间的间隔为2毫米。设计完成后再次计算模态形变模量。结果如图10所示。

从图中可知设计的制动块最高位移形变量只有130.6毫米，与方案一的形变量相差不大。

（3）最后是第三个设想的制动块消音片结构，结构如图11。

该设计是将原本平面的消音片制作成不为平面的半圆形矩阵排列的样式，每个半圆形都为6.28平方毫米，每个半圆柱体相互之间的无间隔。设计完成后再次计算模态形变模量。结果如图12所示。

从图中可知设计的制动块最高位移形变量有583.5毫米，比前两个方案都要高，但是位移变量面积极小。

由以上数据可知，三个设计方案中，第一个方案设计的位移最高变量最小，第三个方案设计的位移变量面积最小，而第二个两个数据都处于中等水平，则说明三个设计各有优处，在选用上则需要具体计算使用车辆的数据。