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基于逆向工程建模技術(shù)和有限元法的汽車盤式制動(dòng)器NVH特性研究與優(yōu)化
潘公宇1，姜中望1，朱 琦1，楊秋成2
（1.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.柏海（無(wú)錫）精密制造有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028）

摘 要：以某型盤式制動(dòng)器為研究對(duì)象，采用仿真分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法針對(duì)汽車盤式制動(dòng)器噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究。基于三維掃描技術(shù)，通過(guò)利用handyscan設(shè)備，獲得制動(dòng)器卡鉗體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并在Catia及Solidworks中進(jìn)行擬合處理建立準(zhǔn)確的盤式制動(dòng)器三維模型。在對(duì)盤式制動(dòng)器NVH特性研究分析過(guò)程中，采用具有三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剎車片，通過(guò)改變剎車片材料中粘彈性成分及剎車片參數(shù)的方法進(jìn)行盤式制動(dòng)器NVH性能優(yōu)化。首先針對(duì)制動(dòng)器各子結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，獲得可能發(fā)生制動(dòng)尖叫的模態(tài)頻率及振型，并通過(guò)F.R.F共振頻率測(cè)試儀和激光測(cè)振儀等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元模態(tài)分析所得結(jié)果的正確性，Dyno臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果以用來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性與可信度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，優(yōu)化后剎車片能夠提高汽車盤式制動(dòng)器NVH性能，制動(dòng)噪聲得到降低。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)噪聲；逆向工程；有限元；模態(tài)分析；激光測(cè)振儀

1 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展以及制造技術(shù)的不斷提高，人們對(duì)于乘用車的舒適性要求越來(lái)越高，因此，乘用車的NVH性能得到極大的關(guān)注，盤式制動(dòng)器NVH性能作為整車NVH特性中的一部分，也自然成為眾多學(xué)者及汽車廠商的研究對(duì)象。對(duì)于盤式制動(dòng)器NVH特性的研究，目前已取得較多的研究成果，尤其模態(tài)分析法和有限元的方法等應(yīng)用，極大推進(jìn)了盤式制動(dòng)器NVH特性研究的進(jìn)展[1]。文獻(xiàn)[2]中通過(guò)對(duì)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行制動(dòng)噪聲研究，得出子結(jié)構(gòu)改變能夠有效抑制制動(dòng)尖叫的發(fā)生的結(jié)論，文獻(xiàn)[3]中通過(guò)改變制動(dòng)器剎車片中粘彈性成分來(lái)研究制動(dòng)噪聲問(wèn)題，進(jìn)一步驗(yàn)證了剎車片材料的改變能夠影響制動(dòng)器制動(dòng)噪聲表現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)對(duì)制動(dòng)器各子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析并通過(guò)振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證尖叫產(chǎn)生的頻率和原因，但由于建模原因，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度方面存在些許偏差。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，許多學(xué)者則從摩擦材料等角度對(duì)制動(dòng)噪聲問(wèn)題等也進(jìn)行了廣泛研究[2-5]。

基于上述及其他學(xué)者大量研究工作，針對(duì)建立制動(dòng)器模型問(wèn)題，采用三維掃描逆向建模技術(shù)，建立制動(dòng)器三維實(shí)體模型，并基于子結(jié)構(gòu)耦合理論，預(yù)測(cè)分析出可能發(fā)生制動(dòng)尖叫的各子結(jié)構(gòu)模態(tài)及頻率，并進(jìn)行NVH臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上依照改變剎車片結(jié)構(gòu)和材料特性思路進(jìn)一步進(jìn)行NVH性能優(yōu)化。

2 制動(dòng)器模態(tài)分析基礎(chǔ)

模態(tài)分析是一種將系統(tǒng)在各種激勵(lì)下的響應(yīng)通過(guò)線性變換轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各階模態(tài)的線性組合，實(shí)質(zhì)上是一種坐標(biāo)變換，其目的是為了解除方程之間的耦合。模態(tài)分析的關(guān)鍵在于得到振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)，這一坐標(biāo)系統(tǒng)中的每一個(gè)基向量恰是振動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)特征向量。制動(dòng)器模型可以簡(jiǎn)化為制動(dòng)盤與剎車片振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)振動(dòng)方程為，如式（1）所示。



圖1 制動(dòng)盤剎車片振動(dòng)系統(tǒng)

Fig.1 Rotor and Brake Pad Vibration System



由式（5）可知，當(dāng)振動(dòng)頻率ω一定時(shí)，振動(dòng)的速度幅值V＝x A·ω，與振動(dòng)的位移幅值x A（以下簡(jiǎn)稱振幅）成正比。所以只要減小振幅x A，就可以減小振動(dòng)的速度幅值y，從而降低振動(dòng)速度級(jí)和噪聲級(jí)。

3 盤式制動(dòng)器三維模型的建立

為了避免手工測(cè)繪建模所產(chǎn)生的仿真誤差，最大程度還原實(shí)體，基于逆向工程技術(shù)，使用Handyscan設(shè)備對(duì)制動(dòng)器卡鉗體及卡鉗支架進(jìn)行掃描，如圖2所示。手持式設(shè)備對(duì)待測(cè)物體發(fā)射出激光光點(diǎn)或線性激光光束，以兩個(gè)或兩個(gè)以上的偵測(cè)器通過(guò)測(cè)量物體表面反射回來(lái)的光學(xué)信息確定待測(cè)物的表面到手持激光掃描儀的距離，為了測(cè)量準(zhǔn)確，通常還需要借助特定參考點(diǎn)，具有黏性、可反射的貼片通常用來(lái)當(dāng)作掃描儀在空間中定位及校準(zhǔn)使用。通過(guò)掃描可獲得卡鉗體及卡鉗支架點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Catia中利用Digital Shape editor、創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)等模塊對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，刪去密集噪點(diǎn)，擬合關(guān)鍵曲面尺寸，其他零部件由于尺寸易獲得且由于solidworks實(shí)體建模的快速性，因此直接在solidworks建立其實(shí)體模型，在對(duì)卡鉗和卡鉗體擬合之后，由于制動(dòng)器的裝配尺寸關(guān)系也會(huì)影響汽車制動(dòng)噪聲表現(xiàn)，因此使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)裝配尺寸進(jìn)行測(cè)量及尺寸復(fù)核，如圖3所示。最終建立制動(dòng)器實(shí)體模型[6]，如圖4所示。



圖2 非接觸式三維掃描儀
Fig.2 Non-Contact 3D Scanning Equipment



圖3 Catia逆向建模
Fig.3 Reverse Reconstructed Model



圖4 盤式制動(dòng)器三維實(shí)體圖
Fig.4 Disc Brake System 3D Model

4 盤式制動(dòng)器子結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

剎車片一般分為兩個(gè)部分，制動(dòng)背板和制動(dòng)襯塊。大量研究文獻(xiàn)表明，制動(dòng)襯塊中粘彈性成分越多，制動(dòng)噪聲率發(fā)生就會(huì)越低，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)摩擦系數(shù)低，制動(dòng)強(qiáng)度弱的風(fēng)險(xiǎn)。因此，剎車片采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為制動(dòng)背板，摩擦料，底料。這種結(jié)構(gòu)使得剎車片不僅能夠在保證強(qiáng)度及制動(dòng)效能不變的情況下具有更大的阻尼特性，而且能減少制動(dòng)噪聲的發(fā)生，如圖5所示。大量研究和實(shí)驗(yàn)證明，汽車制動(dòng)噪聲多發(fā)生在1000Hz以上，因此在取模態(tài)截?cái)嗉瘯r(shí)僅取高于1000Hz且低于15000Hz模態(tài)。將建立的三維模型導(dǎo)入Ansys/workbench平臺(tái)中對(duì)制動(dòng)器中主要零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及材料特性設(shè)置，制動(dòng)鉗體、支架以及制動(dòng)盤的材料為鑄鐵，泊松比為0.25，密度為7g/cm3，楊氏模量為110GPa，如表1所示。



圖5 剎車片結(jié)構(gòu)
Fig.5 Brake Pad Structure



圖8 制動(dòng)鉗體支架振型圖
Fig.8 Caliper Support Shape

表1 剎車片材料特性
Tab.1 Brake Pad Characteristic



組成 密度（g/cm3） 楊氏模量（Gpa） 泊松比鋼背 7.8 197 0.3底料 2.62 3.35 0.35摩擦材料 2.2 4.707 0.32
Ansys/workbench平臺(tái)具有良好的人機(jī)交互界面，參數(shù)設(shè)置較為快捷，因此能夠節(jié)省大量底層操作時(shí)間。在Workbench中分別對(duì)剎車片、制動(dòng)盤、卡鉗體等做自由模態(tài)和約束模態(tài)分析。對(duì)各子結(jié)構(gòu)模態(tài)分析獲得的振型和頻率結(jié)果進(jìn)行分析，將可能發(fā)生耦合的模態(tài)振型剝離，最終各子結(jié)構(gòu)零件模態(tài)分析振型結(jié)果[7-8]，如圖6～圖9和表2所示。



圖6 剎車片振型圖
Fig.6 Brake Pad Modal Shape



圖9 制動(dòng)盤振型圖
Fig.9 Rotor Modal Shape



圖7 制動(dòng)鉗體振型圖
Fig.7 Caliper Modal Shape

表2 制動(dòng)器零部件頻率
Tab.2 Nature Frequency of Brake System Components



從模態(tài)振型結(jié)果看，剎車片主要振型為彎曲振型與扭轉(zhuǎn)振型，7、10階主要為長(zhǎng)度方向的彎曲振動(dòng)，8，9則為寬度方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，12、16則為兩個(gè)方向混合扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，制動(dòng)鉗體主要振動(dòng)集中于兩個(gè)鉗指彎曲振動(dòng)，這一形式振動(dòng)所造成的后果為剎車片受力不均勻，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生噪聲。卡鉗支架6，19階為彎曲振動(dòng)，這一振型是由于鉗指處等較為單薄，剛度不足導(dǎo)致，但由于在實(shí)際過(guò)程中，由于剎車片裝配關(guān)系，因此這兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)對(duì)制動(dòng)噪聲影響并不大，而9、11、16、28階為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。制動(dòng)盤振動(dòng)分為面內(nèi)模態(tài)和面外模態(tài)，12、17、28階為面內(nèi)模態(tài)，主要是盤面在面內(nèi)振動(dòng)，42、50、55為面外模態(tài)，表現(xiàn)為制動(dòng)盤盤面周向振動(dòng)。

對(duì)上述模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在頻率為6kHz，9kHz，11kHz以及12.5kHz時(shí)系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生模態(tài)耦合，分別為支架、剎車片與制動(dòng)盤的耦合，剎車片與制動(dòng)盤的耦合，以及鉗體與制動(dòng)盤的耦合。但由于實(shí)際情況中，鉗體與制動(dòng)盤互不接觸，相距較遠(yuǎn)，因此即便出現(xiàn)模態(tài)耦合也不會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此推測(cè)可能發(fā)生噪聲的頻率為6kHz，9kHz以及11kHz。

對(duì)于上述分析所得出結(jié)論是否正確，還需進(jìn)行噪聲臺(tái)架試驗(yàn)，在進(jìn)一步臺(tái)架驗(yàn)證之前，由于剎車片摩擦材料成分復(fù)雜，為驗(yàn)證此模型模態(tài)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了LMS錘擊（Impacting）實(shí)驗(yàn)以及激光測(cè)振儀（Laser Vibrometer）實(shí)驗(yàn)進(jìn)行交叉對(duì)比，實(shí)驗(yàn)所得模態(tài)振型和模態(tài)頻率[9-10]。

表3 剎車片仿真頻率與實(shí)驗(yàn)頻率比較
Tab.3 Comparison Between Simulation Frequency and Experimental Frequency



從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，激光測(cè)振儀所測(cè)得剎車片振型與模型有限元仿真分析所得結(jié)果一致，且同F(xiàn).R.F所測(cè)得固有頻率相比較，誤差范圍基本在5%內(nèi)，因此仿真得到的模態(tài)參數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確，可以用來(lái)分析與研究。

5 盤式制動(dòng)器NVH臺(tái)架試驗(yàn)和優(yōu)化

為了驗(yàn)證模態(tài)分析所得出結(jié)論的正確性，進(jìn)行NVH臺(tái)架試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所采用設(shè)備為美國(guó)link3900型噪聲慣性測(cè)試臺(tái)，其具有雙層艙體結(jié)構(gòu)，能夠有效模擬車輛在車輛運(yùn)行過(guò)程中的環(huán)境噪聲，且能夠模擬零下（40～60）℃環(huán)境。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)制動(dòng)盤溫度，剎車片摩擦系數(shù)，制動(dòng)尖叫聲壓級(jí)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)驗(yàn)按照SAEJ2521實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行，麥克風(fēng)拾取分貝超過(guò)70dB的噪聲點(diǎn)，設(shè)備頻帶寬（500～20）kHz，分辨率 25Hz，因此實(shí)驗(yàn)條件滿足。實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如圖10所示。將實(shí)驗(yàn)用的制動(dòng)器置于臺(tái)架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。



圖10 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
Fig.10 Experiment Setting

SAEJ2521實(shí)驗(yàn)流程共包括拖曳實(shí)驗(yàn)、減速實(shí)驗(yàn)、摩擦材料特性、冷噪聲及熱褪變恢復(fù)等31個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，共計(jì)2321次制動(dòng)實(shí)驗(yàn)。使用全懸架模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，臺(tái)架頻率測(cè)量范圍為（0.9-17）kHz，未使用全懸架則測(cè)量范圍為（2-17）kHz，實(shí)驗(yàn)采用全懸架臺(tái)架。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，制動(dòng)器尖叫發(fā)生在6kHz，9kHz，12.5kHz.且聲壓級(jí)較高，制動(dòng)尖叫發(fā)生時(shí)多處于冷態(tài)狀態(tài)，溫度為0℃左右。這說(shuō)明仿真分析所預(yù)測(cè)的結(jié)果是正確的，基于逆向工程技術(shù)所建立的模型是準(zhǔn)確的，此方法能夠有效避免建模誤差所帶來(lái)的分析誤差。

6 盤式制動(dòng)器NVH性能優(yōu)化

由前面分析可知，系統(tǒng)發(fā)生模態(tài)耦合時(shí)主要有剎車片、制動(dòng)盤以及卡鉗支架等模態(tài)參與，而剎車片作為與制動(dòng)盤和支架同時(shí)接觸的部件，是制動(dòng)器部件耦合的媒介，其阻尼特性的改變將直接影響汽車制動(dòng)噪聲表現(xiàn)[11]。因此，利用剎車片材料特性和形狀的改變來(lái)提高制動(dòng)器NVH性能的思路是有效可行。

前面提到，改變剎車片中粘彈性成分比例可以降低制動(dòng)噪聲的發(fā)生，因此對(duì)剎車片三層結(jié)構(gòu)中的底料層的粘彈性材料成分含量進(jìn)行更改，在保持其他材料含量不變的基礎(chǔ)上提高酚醛樹(shù)脂成分比例，同時(shí)減小增強(qiáng)鋼纖維含量比例，從而改變損耗因子，進(jìn)而改變剎車片模態(tài)頻率與振幅，但同時(shí)仍能保持同樣的制動(dòng)強(qiáng)度。更改前后的材料特性，如表4所示。將新制的剎車片再次重復(fù)以上仿真分析和臺(tái)架試驗(yàn)，由于篇幅限制，此處仿真分析結(jié)果不在列出，NVH臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，如圖11所示。

表4 更改前后剎車片底料材料特性
Tab.4 Brake Pad Under Layer Characteristic After Modification



改變前 泊松比 密度（g/cm3） 楊氏模量（GPa）0.35 2.62 3.35改變后 泊松比 密度（g/cm3） 楊氏模量（GPa）0.36 2.58 3.15



圖11 Dyno臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Fig.11 Dyno Bench Test Result

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，高頻制動(dòng)噪聲得到有效的解決和抑制，這說(shuō)明改變剎車片阻尼特性是能夠有效影響盤式制動(dòng)器尖叫。但由于仍存在6kHz高聲壓級(jí)噪聲，因此NVH性能還需進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)與仿真分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，6kHz為剎車片固有頻率，因此可以通過(guò)改變剎車片形狀的方法實(shí)現(xiàn)固有頻率的改變。對(duì)剎車片仿真分析得出的振型進(jìn)行分析，在剎車片內(nèi)外片兩側(cè)設(shè)計(jì)不對(duì)稱倒角，從而改變剎車片固有頻率及振型，將其從模態(tài)耦合中解耦。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這種方法是可行且有效的。

7 結(jié)論

對(duì)盤式制動(dòng)器各部件仿真分析和NVH臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：采用逆向工程所建立的三維模型的方法能為后續(xù)有限元模態(tài)分析提供準(zhǔn)確的模型數(shù)據(jù)，因此各部件模態(tài)分析所得的模態(tài)參數(shù)結(jié)果較為準(zhǔn)確、可靠，誤差小，并根據(jù)各部件實(shí)模態(tài)分析結(jié)果，能夠準(zhǔn)確地推測(cè)出汽車制動(dòng)噪聲的發(fā)生以及與各子結(jié)構(gòu)模態(tài)的關(guān)系，為后續(xù)噪聲優(yōu)化提供理論依據(jù)，從而減小對(duì)系統(tǒng)總成進(jìn)行復(fù)模態(tài)分析預(yù)測(cè)制動(dòng)噪聲及臺(tái)架試驗(yàn)等工作所耗費(fèi)的大量時(shí)間，有效縮短產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)周期。在制動(dòng)器NVH性能優(yōu)化方面，所提出的三層結(jié)構(gòu)剎車片方案，不僅能夠滿足正常制動(dòng)強(qiáng)度要求，而且具有更有的阻尼特性，高阻尼的剎車片能夠消耗振動(dòng)能量，減小制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。研究表明，改變剎車片底料粘彈性成分比例的優(yōu)化方法，能夠有效抑制高頻噪聲，而改變剎車片形狀參數(shù)的方法，能夠避免剎車片與制動(dòng)盤發(fā)生耦合共振，從而避免汽車制動(dòng)尖叫的發(fā)生。

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PAN Gong-yu1，JIANGZhong-wang1，ZHU Qi1，YANGQiu-cheng2
（1.School of Vehicle and Transformation Engineering of Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 213013，C hina；2.Bonsea（Wuxi）High Precision Machinery Co.Ltd.，Jiangsu Wuxi 214028，C hina）
Abstract：This paper focuses on disc brake system，finite element simulation combining with experiment have been studied on disc brake noise.based on 3D scan technology，point cloud data of brake system components is achieved with handyscan equipment，highly precision 3D models are built in Catia and Solidworks with these point cloud data.During the research of brake system NVH attribute，new design brake pad with three layers is selected，NVH attribute of disc brake system is optimized by changing the percent of rubber in under layer material and the shape of brake pad.Firstly，modal analysis by using finite element is carried on brake system components to achieve the modal shape and frequency，F(xiàn).R.F impacting experiment and laser vibrometer experiment are applied to verify the accuracy of finite element simulation，Dyno bench test is used to verify the forecast result which is obtained from the simulation.The experiment result appears that optimized brake pad can improve the performance of disc brake system and decrease the occurrence of brake noise.
Key Words：Brake Noise；Reverse Engineering；Finite Element；Modal Analysis；Laser Vibrometer
中圖分類號(hào)：TH16
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：1001-3997（2017）12-0094-04
來(lái)稿日期：2017-06-18
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51375212）；江蘇省道路載運(yùn)工具應(yīng)用新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（201509）
作者簡(jiǎn)介：潘公宇，（1965-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，博士研究生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、汽車振動(dòng)與噪聲姜中望，（1991-），男，江蘇灌南人，碩士研究生，主要研究方向：汽車NVH特性