張興林

（上海大陸汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)銷(xiāo)售有限公司研發(fā)中心，上海 201821）

前言

盤(pán)式制動(dòng)器以其優(yōu)異的性能，在汽車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。但是偶爾出現(xiàn)的汽車(chē)制動(dòng)噪音問(wèn)題也引起了廣泛關(guān)注。制動(dòng)噪音不僅損害駕乘人員的身心健康，還會(huì)在售后市場(chǎng)中出現(xiàn)抱怨從而降低汽車(chē)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。制動(dòng)噪音是非常復(fù)雜的問(wèn)題，制動(dòng)器在工作過(guò)程中出現(xiàn)制動(dòng)噪音往往是由很多因素疊加造成的，并不能簡(jiǎn)單的說(shuō)出現(xiàn)噪音就是摩擦片的原因，或者某個(gè)部件的原因。實(shí)踐表明，相同的制動(dòng)器產(chǎn)品用在A車(chē)上沒(méi)有制動(dòng)噪音，而用在B 車(chē)上反而有一點(diǎn)噪音，因此，解決制動(dòng)噪音必須將制動(dòng)器及其有關(guān)部件作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)考慮[1]。

羅明軍等[2]通過(guò)振動(dòng)測(cè)試方法對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)行了振動(dòng)噪聲測(cè)試，獲得了制動(dòng)器及其主要部件的振動(dòng)和噪聲信號(hào)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Antti［3］根據(jù)對(duì)制動(dòng)尖叫信號(hào)間歇性特征的分析，認(rèn)為主要由于制動(dòng)盤(pán)不平度、支架剛度等因素的影響，使得制動(dòng)盤(pán)/摩擦片之間的摩擦力動(dòng)態(tài)變化，觸發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)而產(chǎn)生尖叫。卓繼志等[4]在參考了大量國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上,總結(jié)了盤(pán)式制動(dòng)器發(fā)生振動(dòng)噪聲的機(jī)理,分析了振動(dòng)噪聲的振動(dòng)模型, 闡述了制動(dòng)振動(dòng)與噪聲的理論分析方法以及試驗(yàn)方法,并提出了如何尋找解決該問(wèn)題的最佳方法和解決該問(wèn)題的最終目標(biāo)。李小珊等[5]通過(guò)有限元模型進(jìn)行負(fù)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(dòng)盤(pán)剛度對(duì)制動(dòng)尖叫噪聲有重要影響。

本文針對(duì)某轎車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的倒車(chē)制動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究，利用Polytec 激光測(cè)振儀捕捉采集了制動(dòng)器在特定工況下產(chǎn)生制動(dòng)噪音的振型，并利用振動(dòng)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(tái)架對(duì)最終樣件進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了解決方案的有效性。

1 倒車(chē)制動(dòng)噪音分析

1.1 問(wèn)題描述

根據(jù)主機(jī)廠在路試中的反饋，某橋車(chē)前軸盤(pán)式制動(dòng)器在倒車(chē)工況下出現(xiàn)制動(dòng)噪音，頻率在2200Hz 左右，需要針對(duì)這一問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 臺(tái)架復(fù)現(xiàn)

將抱怨樣件在HORIBA Giant 8600 慣量試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行Continental TEVES ATE 噪音搜索程序（包含3 輪GSP 程序），試驗(yàn)結(jié)果可以復(fù)現(xiàn)出倒車(chē)噪音，如圖1 所示，為了進(jìn)一步驗(yàn)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(chē)制動(dòng)噪音會(huì)穩(wěn)定出現(xiàn)，見(jiàn)圖2，噪音工況可以通過(guò)臺(tái)架證實(shí)，為后續(xù)優(yōu)化提供了試驗(yàn)保證。

圖1 運(yùn)行3 輪GSP 程序后的噪音結(jié)果

圖2 運(yùn)行8 輪GSP 程序后的噪音結(jié)果

2 倒車(chē)制動(dòng)噪音的優(yōu)化改進(jìn)

2.1 優(yōu)化改進(jìn)的流程

當(dāng)制動(dòng)器出現(xiàn)制動(dòng)噪音時(shí)則需要進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化改進(jìn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)首先會(huì)從摩擦片的形狀優(yōu)化和選擇不同消音片的類(lèi)型開(kāi)始，如果上述兩個(gè)方法無(wú)法解決，則需要對(duì)產(chǎn)品的形狀進(jìn)行優(yōu)化，詳細(xì)的優(yōu)化流程圖見(jiàn)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(cè)振儀的應(yīng)用

2.2.1 Polytec 激光測(cè)振儀簡(jiǎn)介

本文采用的是德國(guó)Polytec GmbH 公司的PSV-500-3D 三維掃描式激光測(cè)振儀，利用激光多普勒干涉技術(shù)測(cè)量振動(dòng)。Polytec 掃描式測(cè)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(duì)將激光束偏轉(zhuǎn)到需要測(cè)試的位置高速搖擺鏡和用于可視化測(cè)量的高清彩色攝像機(jī)。掃描頭內(nèi)還可包含形貌掃描單元和優(yōu)化耦合（增強(qiáng)激光穩(wěn)定性）。

激光干涉儀將一束激光投射到測(cè)量目標(biāo)表面上，通過(guò)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(gè)正比于測(cè)量目標(biāo)表面速度的頻移信號(hào)。通過(guò)使用從不同角度入射在探測(cè)表面上的三個(gè)激光振動(dòng)計(jì)，解決振動(dòng)的x，y 和z分量。信號(hào)處理器將頻移信號(hào)解調(diào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)速度、位移等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)物體表面振動(dòng)的非接觸精密測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)到納米級(jí)。在產(chǎn)品研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，Polytec 的 3D 掃描式激光測(cè)振儀 (PSV-3D) 能可靠、精確地完成振動(dòng)測(cè)量任務(wù)。振型和本征模式檢測(cè)有助于解決從 NVH、聲學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)到超聲波分析、FEM 驗(yàn)證和無(wú)損測(cè)試的一切問(wèn)題。

圖3 制動(dòng)器優(yōu)化改進(jìn)流程圖

2.2.2 Polytec 激光測(cè)振儀在臺(tái)架上的應(yīng)用

要獲取到制動(dòng)器在噪音發(fā)生時(shí)的各個(gè)部件的振動(dòng)形態(tài)，就需要Polytec 激光測(cè)振儀在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)出噪聲時(shí)根據(jù)有限元提供的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)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(dòng)圖像。Polytec 激光測(cè)振儀在噪音臺(tái)架上應(yīng)用的示例見(jiàn)圖4，因?yàn)榧す鉁y(cè)振儀所處位置相對(duì)于制動(dòng)器的位置是其正面，為了能夠捕捉到制動(dòng)器側(cè)面（浮動(dòng)鉗的拳側(cè)），需要加裝特制的鏡面來(lái)進(jìn)行輔助，鏡子的安裝見(jiàn)圖5。

圖4 激光測(cè)振儀在噪音臺(tái)架上的應(yīng)用

圖5 輔助鏡面的安裝

圖6 激發(fā)門(mén)單元設(shè)置對(duì)應(yīng)的噪音頻率

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

上述工作全部完成后，在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)噪音出現(xiàn)的條件，比如特定制動(dòng)壓力，制動(dòng)盤(pán)溫度，轉(zhuǎn)速等，當(dāng)噪音穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)后，激發(fā)門(mén)單元通過(guò)麥克風(fēng)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(cè)振儀掃描噪音出現(xiàn)時(shí)制動(dòng)器上定義的測(cè)量點(diǎn)的振動(dòng)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(yàn)獲得的噪音工況下振動(dòng)形態(tài)，并在實(shí)際噪音頻率附近比對(duì)有限元分析獲得的振型數(shù)據(jù)與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，即MCA 值匹配，大量實(shí)際分析經(jīng)驗(yàn)表明，MCA 值大于60%時(shí)，才可以認(rèn)為此時(shí)的分析模型與實(shí)際試驗(yàn)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(shí)際測(cè)試樣件的振型差異過(guò)大，不能反應(yīng)實(shí)際。分析各個(gè)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(shí)模型在2200Hz 附近整體匹配度為70.6%，滿足經(jīng)驗(yàn)要求。

圖7 有限元噪音分析模型

圖8 有限元分析與ODS 試驗(yàn)的MCA 值

2.3.2 雙態(tài)分叉點(diǎn)計(jì)算及對(duì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生耦合，即雙態(tài)分叉點(diǎn)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(kāi)，并使得雙態(tài)分叉點(diǎn)盡可能的大（越大表明實(shí)際情況下更不可能出現(xiàn)），通過(guò)對(duì)比兩階模態(tài)的振型，可以看出殼體和支架振動(dòng)形態(tài)都比較大，但是支架振動(dòng)位移較大的區(qū)域已經(jīng)因?yàn)槠渌蛟黾恿藘?yōu)化質(zhì)量，再進(jìn)一步優(yōu)化的空間受限，所以轉(zhuǎn)向優(yōu)化殼體上振動(dòng)位移較大的區(qū)域，通過(guò)振型圖比較，發(fā)現(xiàn)殼體在導(dǎo)向銷(xiāo)緩沖套筒安裝孔位置振動(dòng)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(xiāo)孔位置增加不同質(zhì)量的質(zhì)量塊，如圖10 所示，然后進(jìn)行雙態(tài)分岔點(diǎn)計(jì)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(shí)，雙態(tài)分岔點(diǎn)都接近1，抑制效果相當(dāng)，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(gè)質(zhì)量塊的大小和尺寸來(lái)自有限元的推薦值，長(zhǎng)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(diǎn)計(jì)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(yàn)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(duì)應(yīng)的手工件，如圖12，用此件進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，試驗(yàn)程序?yàn)镾AE J2521 帶可選冷態(tài)和衰退部分，試驗(yàn)結(jié)果非 常好，倒車(chē)制動(dòng)噪音完全消失，臺(tái)架結(jié)果見(jiàn)圖13。后續(xù)完成了工裝件的臺(tái)架驗(yàn)證以及實(shí)車(chē)驗(yàn)證，結(jié)果都非常好，消除了初始存在的2200Hz 的倒車(chē)制動(dòng)噪音，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

圖13 優(yōu)化樣件的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文以實(shí)際工作中某轎車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的倒車(chē)制動(dòng)噪聲為研究課題，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究，詳細(xì)闡述了如何利用Polytec 激光測(cè)振儀捕捉采集了制動(dòng)器在特定工況下產(chǎn)生制動(dòng)噪音的振型，并利用振動(dòng)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(tái)架和實(shí)車(chē)對(duì)最終樣件進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了解決方案的有效性，為解決類(lèi)似問(wèn)題提供了有價(jià)值的方法參考。