基于复模态分析法的盘式制动器NVH性能研究

蔡睿

摘  要：由于车辆制动器产生的尖叫噪音会给人们带来多方面影响，因此，正确分析基于复特征值法的盘式制动器NVH特性与优化也成为领域内的研究方向之一。本文简要阐述基于复特征值法盘式制动器NVH特性的主要内容和如何通过制动背板开槽、消音片、卡钳结构优化合理研究基于复特征值法的盘式制动器NVH的优化策略，以期能在降低盘式制动器NVH方面具备参考价值。

关键词：盘式制动器;NVH特性;制动器优化;NVH控制

引言：

车辆制动过程中产生的尖叫噪音会严重降低驾驶过程的舒适感，若不能予以有效控制，也会引发质量问题。然而，虽然针对制动器NVH的研究已经得到行业内的广泛关注，但是，仍然存在着较大提升空间，导致制动器尖叫噪音始终难以得到有效抑制。由此可见，重视基于复特征值法的盘式制动器NVH特性研究显得尤为重要。如何正确认知基于复特征值法盘式制动器NVH的优化策略也成为必须解决的问题。

一、基于复特征值法盘式制动器NVH特性的主要内容

车辆制动过程中会产生尖叫噪音是比较常见的问题之一，主要源头是车辆的盘式制动器存在设计不合理、质量降低等问题。如果未能进行合理控制，不仅会给周围环境带来严重影响，也会成为引起质量问题的重要诱因。盘式制动器产生尖叫噪音的原因包含多个方面，例如，因原制动盘与新安装的刹车盘边沿存在间隙，促使活塞卡钳作用时两者接触不良，从而产生明显的尖叫噪声。或者，制动盘与刹车片在长时间接触时，由于遭遇环境温度升高的同时又产生快速冷却的情况，期间，短暂的温度变化会快速产生颗粒物质并转移至刹车盘上，而且刹车盘在不断接触过程中也会引起相同的问题，从而出现颗粒相互转移、摩擦的现象。此时，也会产生大量的制动尖叫噪音。结合这些内容，可以通过设计制动系统动力学模型开展针对基于复特征值法的盘式制动器NVH特性的研究，例如，对制动系统稳定性进行研究时，可通过六自由度动力模型来实现。经过对动力学方程的计算可以得知制动初期系统为未产生振动的状态，从而能够获得相应的稳态方程。再将假设、约束条件等分别带入其中，即可得到盘式制动器的运动方程。然而，通过仔细分析可知晓该方程中涉及到的矩阵均为非对称矩阵，主要包括刚度矩阵、质量矩阵，而且还存在特性值为复数的可能性。至于决定方程矩阵均为非对称矩阵的主要因素也比较多，比如，制动背板刚度、消音片刚度、摩擦材料质量以及摩擦系数等[1]。

二、基于复特征值法的盤式制动器NVH的优化策略

（一）制动背板开槽

虽然通过对盘式制动器NVH特性的研究中可以明确刚度矩阵为非对称矩阵，但是，由盘式制动器的制动盘、制动块以及消音片的结构中可以知晓刚度的变化也会对制动系统的稳定性产生影响，因此，可以通过提高质量的方式增加刚度。以制动背板为例，利用调整制动背板表面结构对制动系统的稳定性进行合理提升，具体方案包括于背板表面设置扇形和条形凹槽、椭圆凹槽、横向槽、竖向槽四种。其中，不同方案对于凹槽的设计也存在着差异化的要求，比如，条形凹槽应当做好角度和数量的控制，椭圆凹槽也要保持合适角度且数量不超过两个等。只有能够达到以上要求，才能确保可以通过复模态与初始状态间的对比，分析出不同制动背板开槽方案所带来的影响。至于经过对几种方案的分析和对比后可知，设置横向槽的方案在提升制动系统稳定性方面具备良好的优势，具体表现不仅对2000Hz、3100Hz、9500Hz频率不稳定模态的影响不突出，也促使其他频率的不稳定模态消失，比如，11224.8Hz、12502.5Hz等。由此可见，设置横向槽的方案的确能够在优化盘式制动器NVH方面发挥良好作用，可将其运用于实际中。然而，只是在实际运用时，应当做好多方面设计，例如，从整体角度来看，横向槽面积不应超过4615mm2且低于总表面积25%。若从详细尺寸方面出发，横向槽规格长、宽、高应当分别为80mm、4mm和1mm。

另外，尽管盘式制动器的制动盘、制动块和消音片结构能够在降低NVH方面取得较好的效果，但是，这种结构还存在较多明显不足，比如，当不稳定模态频率达到12700Hz以上时，盘式制动器仍然会产生明显的尖叫噪音。主要原因是当达到12700Hz附近时，模态耦合产生的振动无法在制动背板与制动盘间得到释放。还会出现相同情况的模态频率还包括4100Hz、7500Hz等。因此，为了能够有效降低共振带来的噪音问题，可以通过设置横向槽的方式来实现。

（二）消音片

针对盘式制动器NVH进行优化过程中，消音片也是不可忽视的材料之一。主要原因是通过利用消音片能够增加制动系统刚性，促使刚性矩阵发生变化，降低产生尖叫噪音的概率。因此，消音片可以在抑制制动系统尖叫噪音方面发挥良好作用。具体原理是于内外摩擦片背板表面处粘贴合适的消音片，确保能够大幅减少钳指、卡钳活塞等部分相接触时产生的大量振动。详细使用方法是先将表面衬纸撕下，再经保压处理后才能使用。至于保压处理必须对温度和压力提出明确要求，比如，保压时间不得低于10s，压强可以保持在5MPa左右。值得注意的是，实际使用过程中，通常以大量使用为主，也就是通过多个消音片共同使用，形成多层消音片结构。然而，多层消音片结构在具体用量方面应当以材料布置顺序和厚度为准，比如，在不同材料厚度均相同的情况下，材料布置顺序、材料厚度等决定着消音片的实际效果，也就是虽然由热压胶、钢片、橡胶组成的双层消音片只能在不稳定模态频率为2000Hz左右时发挥作用，但是，取得的降噪效果比仅由热压胶、钢片组成的单层消音片更高。如果是在上述类型的基础上再增加一层橡胶层，消音片的抗振能力便能够从2000Hz增加至12500Hz左右。由此可见，根据材料的类型差异不断增加消音片的层数可以有效提升抗振降噪能力，毕竟，消音片层数不断增加时，也会提升阻尼系数，消音片的性能自然能够得到显著提升[2]。消音片也存在明显短板，即材料经过长时间摩擦、振动后会受到腐蚀问题的影响，由多层变为单层。

（三）卡钳结构优化

除了运用上述两种方式外，卡钳结构优化也是实现目标不可缺少的方式。主要原因是盘式制动器因结构设计问题极易产生受力不均问题，从而引起尖叫噪音，详细内容为盘式制动器的内侧与外侧制动块受力存在明显差异，也就是外侧制动块主要承受来自导向销作用卡钳的力，呈现不规则受力区域。内侧制动块承受的力主要源自液压油，受力区域为规则的环形。此时，在惯性和力的作用下，盘式制动器的受力自然无法保持平衡状态，尖叫噪声自然无法得到有效抑制。针对此类情况，调整外侧制动块的受力点是非常有效的解决方法，比如，将外侧制动块的受力区域也修改为环形，即在外侧制动块处进行增加接触面积、开孔等处理，从而形成新的自由模态。然而，改变外侧制动块受力区域时，也需要注意多个方面，例如，为了实现可以改变卡钳频率的目的，开孔直径必须严格遵守设计标准，避免存在误差。或者，从整体角度出发，卡钳结构得到优化后不能引起质量、结构强度以及可靠性等方面的变化。

结论：综上所述，尽管针对盘式制动器NVH的研究越来越多，但是，在实际应用过程中仍然存在较大提升空间。所以，应当提高对基于复特征值法的盘式制动器NVH特性的研究，并能够将制动背板开槽、消音片、卡钳结构优化等方面有机应用于实际中，合理改善盘式制动器噪音带来的影响，真正达到提升盘式制动器NVH优化力度的目的。

参考文献：

[1]詹斌，孙涛，沈炎武，等.基于复特征值分析的某盘式制动器制动尖叫问题改进[J].振动与冲击，2021，40（5）：6.

[2]陈磊.基于复特征值法的盘式制动器NVH特性研究与优化[D].江苏大学，2019.E8783FAC-404F-4C25-BD25-730475807DD4