陸方舟 ，葉 斌

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310018）

車(chē)輛行駛制動(dòng)時(shí)一般會(huì)不定期、不規(guī)律、不穩(wěn)定地發(fā)出振動(dòng)噪聲，輕微噪聲對(duì)于車(chē)輛制動(dòng)效能影響微乎其微，但是噪聲水平是車(chē)輛駕駛舒適度和行駛質(zhì)感重要體現(xiàn)。汽車(chē)制動(dòng)噪聲對(duì)車(chē)主用車(chē)滿(mǎn)意度大打折扣，對(duì)車(chē)輛行駛質(zhì)感的認(rèn)可度有所下降。憑著對(duì)車(chē)輛行駛時(shí)制動(dòng)性能的高標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)駕駛質(zhì)感的高要求，研究者們針對(duì)汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)噪聲問(wèn)題提出諸多有效降低噪聲觸發(fā)的解決方案。

研究著力于通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)錘擊脈沖激勵(lì)試驗(yàn)，提取給定合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的自然頻率（5000HZ以下）以及其對(duì)應(yīng)模態(tài)特性。根據(jù)給定制動(dòng)盤(pán)可能存在部件間模態(tài)偶合，且要滿(mǎn)足避免有相鄰模態(tài)干涉問(wèn)題，為進(jìn)一步通過(guò)有限元法分析改變?cè)瓗缀涡螤顓?shù)、安裝緊固方式、材料選取替換等方式并有效改變制動(dòng)噪聲觸發(fā)傾向性創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)條件。

1 汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)振動(dòng)與噪聲分析

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)會(huì)受到規(guī)律性的摩擦力、機(jī)械慣性力、空氣阻力等外界激勵(lì)，從而產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。制動(dòng)噪聲源比較復(fù)雜，其中以機(jī)械噪聲、空氣動(dòng)力噪聲為主要源。

（1）機(jī)械噪聲

制動(dòng)盤(pán)機(jī)械噪聲產(chǎn)生的主要原因制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)片表面接觸的摩擦力、盤(pán)體高速旋轉(zhuǎn)的慣性力、路面回饋的沖擊力、車(chē)體懸架剛性彈簧的阻尼減振力，綜合構(gòu)成外界激勵(lì)環(huán)境致使制動(dòng)盤(pán)運(yùn)動(dòng)不平衡產(chǎn)生振動(dòng)噪聲。

（2）空氣動(dòng)力噪聲

車(chē)輛高速制動(dòng)過(guò)程中，氣流在制動(dòng)盤(pán)的通風(fēng)口流動(dòng)，主要用于制動(dòng)盤(pán)的散熱以減緩制動(dòng)盤(pán)的熱衰退性，然而氣流壓力脈動(dòng)是引起空氣噪聲的主要原因。

制動(dòng)盤(pán)在汽車(chē)底盤(pán)制動(dòng)系統(tǒng)中的重要零部件，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下由于外界激勵(lì)局部吸收不均衡能量而易于產(chǎn)生微形變，致使制動(dòng)盤(pán)與制動(dòng)片配合間隙偏差，局部摩擦產(chǎn)生振動(dòng)并向外界環(huán)境輻射噪聲。制動(dòng)盤(pán)模態(tài)研究目的是改善車(chē)輛駕乘舒適性、提高安全性和疲勞強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，研究制動(dòng)盤(pán)振動(dòng)特性以及其模態(tài)振型有著重要意義。

2 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

研究車(chē)輛制動(dòng)盤(pán)的振動(dòng)特性需以類(lèi)殼體模型并借助模態(tài)分析技術(shù)完成。在振動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)振型分析中，可采用頻響函數(shù)以加速度導(dǎo)納測(cè)量模型[1]。

對(duì)于多自由度阻尼系統(tǒng)，頻響函數(shù)的模態(tài)展開(kāi)式為[2]，

3 制動(dòng)盤(pán)模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

3.1 制動(dòng)盤(pán)類(lèi)殼體結(jié)構(gòu)

合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)作為類(lèi)殼體模型，主要由上端面固定殼體、上摩擦表面殼體，下摩擦表面殼體、內(nèi)部通風(fēng)片四部分構(gòu)成。由于制動(dòng)盤(pán)比較輕薄，質(zhì)量分布均勻且呈現(xiàn)圓形態(tài)，故將制動(dòng)盤(pán)作為殼體模型分析。

3.2 制動(dòng)盤(pán)自由模態(tài)實(shí)驗(yàn)方案

（1）制動(dòng)盤(pán)模態(tài)實(shí)驗(yàn)懸掛方式。建立頻率脈沖激勵(lì)模型中，選擇被測(cè)試件制動(dòng)盤(pán)支撐固定方式是確定邊界條件的關(guān)鍵步驟。制動(dòng)盤(pán)在不同邊界條件下，會(huì)呈現(xiàn)不同的模態(tài)振型特征。制動(dòng)盤(pán)的剛體模態(tài)頻率遠(yuǎn)低于彈性模態(tài)頻率，故采用自由懸掛（圖1），用彈性繩吊起近似得到有效自由懸浮的邊界條件[3]。

圖 1 制動(dòng)盤(pán)懸吊方式

（2）激勵(lì)點(diǎn)及拾振點(diǎn)選擇。車(chē)用合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，以對(duì)稱(chēng)方式排布激勵(lì)點(diǎn)較為合理。根據(jù)制動(dòng)盤(pán)工作運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境，一是小端蓋四螺栓孔固定端面可能吸能形變，二是制動(dòng)盤(pán)摩擦端面易與其他部件發(fā)生模態(tài)耦合干涉。建立制動(dòng)盤(pán)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵孕《松w突出側(cè)為測(cè)試面，以該面圓心為激勵(lì)點(diǎn)輻射中心，分別用黃、紅、藍(lán)、綠4條不同顏色的環(huán)線輻射且對(duì)稱(chēng)分布，測(cè)試面共56個(gè)激勵(lì)點(diǎn)。

表1 制動(dòng)盤(pán)模態(tài)固有頻率

表2 制動(dòng)盤(pán)模態(tài)實(shí)驗(yàn)振型（第1階至第7階）

利用單點(diǎn)拾振、多點(diǎn)激勵(lì)的方法，考慮便于力信號(hào)采集工作，采用加速度傳感器緊貼和在第一個(gè)激勵(lì)點(diǎn)的后表面，如圖2所示。

圖2 輻射型激勵(lì)點(diǎn)分布

3.3 制動(dòng)盤(pán)模態(tài)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用錘擊法對(duì)制動(dòng)盤(pán)施加外力信號(hào)，按順時(shí)針順序逐個(gè)錘擊56個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)單次快速且獨(dú)立不干涉地錘擊4次，經(jīng)過(guò)采集分析儀（ LMS Frontend PIMETO）和計(jì)算機(jī)軟件（LMS Test Xpress）的數(shù)據(jù)處理，得出每個(gè)點(diǎn)的頻響函數(shù)，本實(shí)驗(yàn)完成后提取了車(chē)輛合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)0-5000 Hz頻域范圍內(nèi)的固有頻率（表1），和相對(duì)應(yīng)的各階自由模態(tài)特征（表2）。

通過(guò)分析該合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)的固有頻率和各階模態(tài)振型，在所有振型中都表現(xiàn)出了制動(dòng)盤(pán)類(lèi)殼體邊緣的上下振動(dòng)和制動(dòng)盤(pán)類(lèi)殼體的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)。由表3.2可看出第2階模態(tài)是一個(gè)尚不明確的模態(tài)結(jié)構(gòu)，振動(dòng)表現(xiàn)異常，其固有頻率非常接近第3階模態(tài)。

第2階模態(tài)情況比較復(fù)雜且不穩(wěn)定，其阻尼比略高于其他各階模態(tài)，推測(cè)一是兩種模態(tài)干涉疊加影響了運(yùn)動(dòng)軌跡，推測(cè)二是制動(dòng)盤(pán)的幾何測(cè)量誤差和本身復(fù)雜的通風(fēng)盤(pán)結(jié)構(gòu)，推測(cè)三是本實(shí)驗(yàn)采用彈性繩吊起部件，無(wú)法處于完全自由邊界狀態(tài)。綜上考慮，第2階模態(tài)屬于1-節(jié)圓型振型，但仍需進(jìn)一步有限元法分析，證明第2階模態(tài)振型的存在并核實(shí)該模態(tài)振型軌跡。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)LMS信號(hào)采集分析設(shè)備對(duì)合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，使用彈性繩懸吊方式，建立制動(dòng)盤(pán)類(lèi)殼體模態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，提取給定制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)的固有頻率分布以及相應(yīng)各階模態(tài)振型，并對(duì)各階振型進(jìn)行歸納分類(lèi)。

（2）模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)布置和錘擊力度控制對(duì)于整個(gè)模態(tài)實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要，采用單點(diǎn)拾振、多點(diǎn)激勵(lì)方式，快速且獨(dú)立不干涉的錘擊，能夠獲得更加準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)。

（3）分析合金鑄鐵制動(dòng)盤(pán)模態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)，各階模態(tài)振型比較清晰，初步掌握該制動(dòng)盤(pán)的固有動(dòng)態(tài)特性；為進(jìn)一步驗(yàn)證三維建?？煽啃杂辛撕芎脤?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；為有限元法分析提供研究條件；為進(jìn)一步優(yōu)化降噪提供設(shè)計(jì)思路。