張興林

（上海大陸汽車制動系統(tǒng)銷售有限公司研發(fā)中心，上海 201821）

前言

盤式制動器以其優(yōu)異的性能，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。但是偶爾出現(xiàn)的汽車制動噪音問題也引起了廣泛關(guān)注。制動噪音不僅損害駕乘人員的身心健康，還會在售后市場中出現(xiàn)抱怨從而降低汽車產(chǎn)品的競爭力。制動噪音是非常復(fù)雜的問題，制動器在工作過程中出現(xiàn)制動噪音往往是由很多因素疊加造成的，并不能簡單的說出現(xiàn)噪音就是摩擦片的原因，或者某個部件的原因。實踐表明，相同的制動器產(chǎn)品用在A車上沒有制動噪音，而用在B 車上反而有一點噪音，因此，解決制動噪音必須將制動器及其有關(guān)部件作為一個整體系統(tǒng)來考慮[1]。

羅明軍等[2]通過振動測試方法對盤式制動器進行了振動噪聲測試，獲得了制動器及其主要部件的振動和噪聲信號，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。Antti［3］根據(jù)對制動尖叫信號間歇性特征的分析，認為主要由于制動盤不平度、支架剛度等因素的影響，使得制動盤/摩擦片之間的摩擦力動態(tài)變化，觸發(fā)系統(tǒng)振動而產(chǎn)生尖叫。卓繼志等[4]在參考了大量國內(nèi)外的文獻資料基礎(chǔ)上,總結(jié)了盤式制動器發(fā)生振動噪聲的機理,分析了振動噪聲的振動模型, 闡述了制動振動與噪聲的理論分析方法以及試驗方法,并提出了如何尋找解決該問題的最佳方法和解決該問題的最終目標。李小珊等[5]通過有限元模型進行負模態(tài)分析，得出系統(tǒng)摩擦系數(shù)、摩擦塊的彈性模量、制動盤剛度對制動尖叫噪聲有重要影響。

本文針對某轎車盤式制動器的倒車制動噪聲問題進行了深入分析和研究，利用Polytec 激光測振儀捕捉采集了制動器在特定工況下產(chǎn)生制動噪音的振型，并利用振動形態(tài)指出可以增加質(zhì)量的位置，然后利用有限元分析得出了增加質(zhì)量的大小，最后利用臺架對最終樣件進行了驗證，證明了解決方案的有效性。

1 倒車制動噪音分析

1.1 問題描述

根據(jù)主機廠在路試中的反饋，某橋車前軸盤式制動器在倒車工況下出現(xiàn)制動噪音，頻率在2200Hz 左右，需要針對這一問題對產(chǎn)品進行優(yōu)化。

1.2 臺架復(fù)現(xiàn)

將抱怨樣件在HORIBA Giant 8600 慣量試驗臺上進行Continental TEVES ATE 噪音搜索程序（包含3 輪GSP 程序），試驗結(jié)果可以復(fù)現(xiàn)出倒車噪音，如圖1 所示，為了進一步驗證復(fù)現(xiàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，增加重復(fù)程序中的循環(huán)數(shù)量到8 輪GSP 程序，可以看出倒車制動噪音會穩(wěn)定出現(xiàn)，見圖2，噪音工況可以通過臺架證實，為后續(xù)優(yōu)化提供了試驗保證。

圖1 運行3 輪GSP 程序后的噪音結(jié)果

圖2 運行8 輪GSP 程序后的噪音結(jié)果

2 倒車制動噪音的優(yōu)化改進

2.1 優(yōu)化改進的流程

當制動器出現(xiàn)制動噪音時則需要進行產(chǎn)品的優(yōu)化改進，根據(jù)經(jīng)驗首先會從摩擦片的形狀優(yōu)化和選擇不同消音片的類型開始，如果上述兩個方法無法解決，則需要對產(chǎn)品的形狀進行優(yōu)化，詳細的優(yōu)化流程圖見圖3。流程圖中“原因分析*”一欄不在本文的具體討論范圍之內(nèi)。

2.2 Polytec 激光測振儀的應(yīng)用

2.2.1 Polytec 激光測振儀簡介

本文采用的是德國Polytec GmbH 公司的PSV-500-3D 三維掃描式激光測振儀，利用激光多普勒干涉技術(shù)測量振動。Polytec 掃描式測振儀的基本構(gòu)成有：光學(xué)部分（掃描頭），電子部分（前端）和控制部分（數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）。掃描頭內(nèi)部包含高精度干涉儀、一對將激光束偏轉(zhuǎn)到需要測試的位置高速搖擺鏡和用于可視化測量的高清彩色攝像機。掃描頭內(nèi)還可包含形貌掃描單元和優(yōu)化耦合（增強激光穩(wěn)定性）。

激光干涉儀將一束激光投射到測量目標表面上，通過收集散射回的微弱激光，利用多普勒效應(yīng)，經(jīng)干涉產(chǎn)生一個正比于測量目標表面速度的頻移信號。通過使用從不同角度入射在探測表面上的三個激光振動計，解決振動的x，y 和z分量。信號處理器將頻移信號解調(diào)轉(zhuǎn)換為振動速度、位移等信號，實現(xiàn)物體表面振動的非接觸精密測量，測量精度可達到納米級。在產(chǎn)品研究和開發(fā)過程中，Polytec 的 3D 掃描式激光測振儀 (PSV-3D) 能可靠、精確地完成振動測量任務(wù)。振型和本征模式檢測有助于解決從 NVH、聲學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)到超聲波分析、FEM 驗證和無損測試的一切問題。

圖3 制動器優(yōu)化改進流程圖

2.2.2 Polytec 激光測振儀在臺架上的應(yīng)用

要獲取到制動器在噪音發(fā)生時的各個部件的振動形態(tài)，就需要Polytec 激光測振儀在臺架上復(fù)現(xiàn)出噪聲時根據(jù)有限元提供的坐標點進行振型的掃描和數(shù)據(jù)采集，并最終根據(jù)采集的數(shù)據(jù)生成振動圖像。Polytec 激光測振儀在噪音臺架上應(yīng)用的示例見圖4，因為激光測振儀所處位置相對于制動器的位置是其正面，為了能夠捕捉到制動器側(cè)面（浮動鉗的拳側(cè)），需要加裝特制的鏡面來進行輔助，鏡子的安裝見圖5。

圖4 激光測振儀在噪音臺架上的應(yīng)用

圖5 輔助鏡面的安裝

圖6 激發(fā)門單元設(shè)置對應(yīng)的噪音頻率

安裝完成后參照ODS (Operation Deflection Shape)試驗操作流程，在Polytec 控制軟件中分別建立2D 校準(建立掃描平面)和3D 校準(根據(jù)車輛實際坐標，建立三維掃描坐標系)，完成測振儀對測試制動器的掃描條件，然后導(dǎo)入有限元中定義的測量點（這里也可以自定義測量點，但是為了后期與有限元分析的對比以及為有限元提供真實振型，選擇導(dǎo)入有限元提供的定義點），在前面定義完成的校準條件下對導(dǎo)入的有限元測試點進行掃描，并修正掃描質(zhì)量不佳的點，這些準備工作完成后，為激光測振儀連接并設(shè)置自動掃描的激發(fā)門單元，將激發(fā)頻率設(shè)為噪音對應(yīng)的頻率2.2kHz，如圖6 所示。

上述工作全部完成后，在臺架上復(fù)現(xiàn)噪音出現(xiàn)的條件，比如特定制動壓力，制動盤溫度，轉(zhuǎn)速等，當噪音穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)后，激發(fā)門單元通過麥克風采集到噪音，若噪音頻率與設(shè)置的激發(fā)頻率一致，則控制Polytec 激光測振儀掃描噪音出現(xiàn)時制動器上定義的測量點的振動情況，并生成可以導(dǎo)入有限元的文件。

2.3 有限元分析的應(yīng)用

2.3.1 有限元模型構(gòu)建及MCA 值匹配

在有限元軟件中建立噪音分析模型，如圖7 所示，結(jié)合ODS 試驗獲得的噪音工況下振動形態(tài)，并在實際噪音頻率附近比對有限元分析獲得的振型數(shù)據(jù)與實際臺架試驗獲得數(shù)據(jù)，即MCA 值匹配，大量實際分析經(jīng)驗表明，MCA 值大于60%時，才可以認為此時的分析模型與實際試驗樣件有可匹配性，后續(xù)優(yōu)化分析可以繼續(xù)使用此模型，否則有限元模型與實際測試樣件的振型差異過大，不能反應(yīng)實際。分析各個部件以及整體MCA 值在頻率范圍內(nèi)的分布如圖8 所示，可以看出此時模型在2200Hz 附近整體匹配度為70.6%，滿足經(jīng)驗要求。

圖7 有限元噪音分析模型

圖8 有限元分析與ODS 試驗的MCA 值

2.3.2 雙態(tài)分叉點計算及對策方案的提出

基于上述模型，在噪音頻率附近找到耦合的模態(tài)，如圖9 所示，可以看出這兩階模態(tài)在摩擦系數(shù)為0.63 時會產(chǎn)生耦合，即雙態(tài)分叉點為0.63，解決方案的方向就是將這兩階模態(tài)盡可能的拉開，并使得雙態(tài)分叉點盡可能的大（越大表明實際情況下更不可能出現(xiàn)），通過對比兩階模態(tài)的振型，可以看出殼體和支架振動形態(tài)都比較大，但是支架振動位移較大的區(qū)域已經(jīng)因為其他原因增加了優(yōu)化質(zhì)量，再進一步優(yōu)化的空間受限，所以轉(zhuǎn)向優(yōu)化殼體上振動位移較大的區(qū)域，通過振型圖比較，發(fā)現(xiàn)殼體在導(dǎo)向銷緩沖套筒安裝孔位置振動位移較大，且有增加質(zhì)量的空間。在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上，在導(dǎo)向銷孔位置增加不同質(zhì)量的質(zhì)量塊，如圖10 所示，然后進行雙態(tài)分岔點計算，從結(jié)果中可以看出，CMT028（質(zhì)量+146g）和CMT0287（質(zhì)量+192g）在模擬壓力3bar-30bar 時，雙態(tài)分岔點都接近1，抑制效果相當，但是從減重的角度考慮，選擇CMT028 模型為優(yōu)化后的方案，并根據(jù)此模型在現(xiàn)有樣件的基礎(chǔ)上更新手工件，增加兩個質(zhì)量塊的大小和尺寸來自有限元的推薦值，長38mm，橫截面為14.8mm×18mm，如圖11 所示。

圖9 噪音頻率附近的雙態(tài)分叉點計算

圖10 不同質(zhì)量塊的方案

圖11 最終優(yōu)化方案質(zhì)量塊位置和尺寸

3 解決方案的驗證

圖12 根據(jù)優(yōu)化方案改制的手工件

根據(jù)有限元提供的優(yōu)化方案以及本文中提及的優(yōu)化流程，改制出對應(yīng)的手工件，如圖12，用此件進行臺架驗證，試驗程序為SAE J2521 帶可選冷態(tài)和衰退部分，試驗結(jié)果非 常好，倒車制動噪音完全消失，臺架結(jié)果見圖13。后續(xù)完成了工裝件的臺架驗證以及實車驗證，結(jié)果都非常好，消除了初始存在的2200Hz 的倒車制動噪音，驗證了本文方法的有效性。

圖13 優(yōu)化樣件的臺架試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文以實際工作中某轎車盤式制動器的倒車制動噪聲為研究課題，對問題進行了深入分析和研究，詳細闡述了如何利用Polytec 激光測振儀捕捉采集了制動器在特定工況下產(chǎn)生制動噪音的振型，并利用振動形態(tài)結(jié)合有限元分析找出可以增加質(zhì)量塊的位置，然后利用有限元分析得出了增加質(zhì)量的大小，最后利用臺架和實車對最終樣件進行了驗證，證明了解決方案的有效性，為解決類似問題提供了有價值的方法參考。