制动方向振动影响下汽车盘式制动器颤振模型的研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
要进一步分析汽车制动器颤振噪声的粘 滑效应机理，关键在于建立合理的制动器运 动模型。对于摩擦系统，目前已经有一些研 究使用不同的模型来研究其颤振机理，如单 自由度的质量块 - 传送带模型 、 [11,12] 含干摩 擦的二自由度模型 [13,14] 和多自由度颤振机理 模型 。 [2,15,16] 张立军等建立了考虑悬架系统
在该自激振动机理模型中，制动块与制
动盘之间摩擦副的摩擦因数为 μ，μ 随着摩
擦副相对速度的增大而减小，其范围在动摩 擦因数 μd 和静摩擦因数 μs 之间，μ 的表达 式如下：
（1） 式中，μd 和 μs 分别为动摩擦因数和静 摩擦因数，λ 为衰减系数，vr 为摩擦副间的 相对速度。摩擦因数 μ 随相对速度 vr 的变化
如图 2 所示，
，
。
，
，
参数的取值均参考文献 。 [10]
，上述
建立系统的运动学方程如下：
（2）
其中， 、 和 分 别 为 制 动 块 在 制 动 盘
旋 转 方 向 的 位 移、 速 度 和 加 速 度。 摩 擦 力
。引入阻尼比 ，则系统的运动方程
式（2）可改写成：
（3）
式中，
，
。制动器自
激振动模型的材料参数如下：
，
，
。取速度
，制动力 分别取 100N、200N、
400N 和 600N，并画出其相平面图如图 3（a）
～（d）所示。从相平面图可以发现，对于恒
定的制动力 ，其大小并不会导致制动块在
运动过程中产生粘滑现象。因此，除了考虑
制动压力的影响外，要进一步分析制动器制
动颤振机理还必须同时考虑其他因素的影响。
3 制动器颤振的粘滑现象分析
为了探究汽车制动器系统制动颤振粘滑 效应的影响因素，本文建立了在恒定制动压 力下以制动块 - 制动盘为系统的单自由度颤
振模型，同时引入制动方向的振动，探究制 动方向振动的初始振幅和频率等对系统粘滑 效应的影响，最后开展汽车盘式制动盘制动 工况的有限元仿真进行验证。
2 汽车盘式制动器的单自由度振动系统
制动器自激振动原理图如图 1（a）所示。 卡钳、卡钳支架和摩擦片等结构共同组成了制 动块，当制动盘以角速度 转动时，在系统摩 擦力 的作用下制动块产生了运动，再加上前 悬架的支撑作用使得制动器形成自激振动。针 对制动器的振动激励机制，基于汽车盘式制动 器建立其单自由度自激振动机理模型如图 1（b） 所示，k 和 c 分别为连接刚度和阻尼。制动力
变形的“弓形效应”机理模型，全面地探究 动力驱动和悬架系统参数对汽车制动颤振模 式的影响 [2]，但该模型不能很好地解释制动 器运动过程中的粘滑现象。吴光强等基于制 动盘和摩擦块之间的粘滑运动分别建立了单 自由度制动颤鸣模型 [12] 和六自由度的摩擦片 - 制动盘机理模型 [15]，但他们只是提出了一 种求解非线性系统的可行方法，没有深入分 析制动器粘滑运动的影响因素。一般来说， 在运动模型中引入的自由度越多，计算结果 越与实际相近，但某个自由度上的研究对象 或参数设置不合理也会影响整个系统的计算 结果。
关键词：盘式制动器；制动颤振；自激振动；粘滑运动
1 前言
近年来，汽车静止起步或低速制动情况 下出现的颤振噪音日益被消费者所注意和抱 怨。制动颤振噪音均发生在较低振动频率下， 通常为 50Hz ～ 500Hz，这是一种由制动器摩 擦振动所激发的非线性振动噪声问题 [1]。
目前认为制动器产生颤振噪音的原因有 很多，如汽车悬架系统的传递方式 [2-4]、制动 器的等效刚度与等效阻尼 [5-7] 和制动器工作时 的粘滑效应等 [8-10]。低速运动的、静摩擦因数 明显大于滑动摩擦因数的系统很容易出现粘 滑现象，这与汽车盘式制动器制动颤振模式 十分相似。在汽车静止起步或低速制动的过 程中，作用在制动块上的制动压力始终存在， 为摩擦片和制动盘提供了一个变化的摩擦力， 从而导致了两者的反复粘合，造成了汽车的 制动颤振噪声现象。因此，制动盘与摩擦块 间的粘滑自激振动是引起制动颤振的重要原 因之一。
0.4 0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2 -0.3
0.000ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0.004
0.008
0.012
位移（m）
0.016
(c) 0.020
速度（m/s）
0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3
AUTO PARTS | 汽车零部件
制动方向振动影响下汽车盘式制动器颤振模型的研究
吴奕东 詹斌 陶政 熊威 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434
摘 要：制动器的粘滑运动是产生汽车制动颤振噪声的原因之一。基于汽车盘式制动器建立其自激振动机理模型， 同时考虑制动方向的振动幅值和振动频率对制动器制动颤振的影响，并建立汽车盘式制动器制动工况的有 限元仿真进行验证。结果表明，制动方向的振动会使制动器从纯滑动运动状态变为粘滑运动状态，制动方 向的初始振幅过大会导致制动器产生粘滑运动。此外，当制动方向的振动频率达到系统的固有频率时，系 统更容易产生粘滑运动，从而更容易产生制动颤振噪音。
作用在质量为 m 的制动块上，制动盘可视 为以恒定速度 v0 运动的传送带。
图 1 制动器振动系统
k
制动块
c
ω
f
k
Nf
x
m
制动盘
c v0
(a)
(b)
（a）制动器自激振动原理 （b）单自由度自激振动模型
100 AUTO TIME
AUTO PARTS | 汽车零部件
时代汽车
-0.15 0.000
0.001
0.002 0.003 0.004 0.005 位移（m）
(a) -0.3 0.006 0.007 0.000
0.002
0.004 0.006 0.008 位移（m）
0.010
(b) 0.012 0.014
（a）制动压力 100N （b）制动压力 200N
3.1 制动块制动方向振动对制动器系统 粘滑运动的影响
在图 1 的制动器自激振动模型中，制
图 2 摩擦因数随相对速度的变化曲线
μs μd
O
vr
图 3 不同制动压力下制动块的相平面图
速度（m/s）
0.15
0.3
0.10
0.2
速度（m/s）
0.05
0.1
0.00
0.0
-0.05
-0.1
-0.10
-0.2
在该自激振动机理模型中，制动块与制
动盘之间摩擦副的摩擦因数为 μ，μ 随着摩
擦副相对速度的增大而减小，其范围在动摩 擦因数 μd 和静摩擦因数 μs 之间，μ 的表达 式如下：
（1） 式中，μd 和 μs 分别为动摩擦因数和静 摩擦因数，λ 为衰减系数，vr 为摩擦副间的 相对速度。摩擦因数 μ 随相对速度 vr 的变化
如图 2 所示，
，
。
，
，
参数的取值均参考文献 。 [10]
，上述
建立系统的运动学方程如下：
（2）
其中， 、 和 分 别 为 制 动 块 在 制 动 盘
旋 转 方 向 的 位 移、 速 度 和 加 速 度。 摩 擦 力
。引入阻尼比 ，则系统的运动方程
式（2）可改写成：
（3）
式中，
，
。制动器自
激振动模型的材料参数如下：
，
，
。取速度
，制动力 分别取 100N、200N、
400N 和 600N，并画出其相平面图如图 3（a）
～（d）所示。从相平面图可以发现，对于恒
定的制动力 ，其大小并不会导致制动块在
运动过程中产生粘滑现象。因此，除了考虑
制动压力的影响外，要进一步分析制动器制
动颤振机理还必须同时考虑其他因素的影响。
3 制动器颤振的粘滑现象分析
为了探究汽车制动器系统制动颤振粘滑 效应的影响因素，本文建立了在恒定制动压 力下以制动块 - 制动盘为系统的单自由度颤
振模型，同时引入制动方向的振动，探究制 动方向振动的初始振幅和频率等对系统粘滑 效应的影响，最后开展汽车盘式制动盘制动 工况的有限元仿真进行验证。
2 汽车盘式制动器的单自由度振动系统
制动器自激振动原理图如图 1（a）所示。 卡钳、卡钳支架和摩擦片等结构共同组成了制 动块，当制动盘以角速度 转动时，在系统摩 擦力 的作用下制动块产生了运动，再加上前 悬架的支撑作用使得制动器形成自激振动。针 对制动器的振动激励机制，基于汽车盘式制动 器建立其单自由度自激振动机理模型如图 1（b） 所示，k 和 c 分别为连接刚度和阻尼。制动力
变形的“弓形效应”机理模型，全面地探究 动力驱动和悬架系统参数对汽车制动颤振模 式的影响 [2]，但该模型不能很好地解释制动 器运动过程中的粘滑现象。吴光强等基于制 动盘和摩擦块之间的粘滑运动分别建立了单 自由度制动颤鸣模型 [12] 和六自由度的摩擦片 - 制动盘机理模型 [15]，但他们只是提出了一 种求解非线性系统的可行方法，没有深入分 析制动器粘滑运动的影响因素。一般来说， 在运动模型中引入的自由度越多，计算结果 越与实际相近，但某个自由度上的研究对象 或参数设置不合理也会影响整个系统的计算 结果。
关键词：盘式制动器；制动颤振；自激振动；粘滑运动
1 前言
近年来，汽车静止起步或低速制动情况 下出现的颤振噪音日益被消费者所注意和抱 怨。制动颤振噪音均发生在较低振动频率下， 通常为 50Hz ～ 500Hz，这是一种由制动器摩 擦振动所激发的非线性振动噪声问题 [1]。
目前认为制动器产生颤振噪音的原因有 很多，如汽车悬架系统的传递方式 [2-4]、制动 器的等效刚度与等效阻尼 [5-7] 和制动器工作时 的粘滑效应等 [8-10]。低速运动的、静摩擦因数 明显大于滑动摩擦因数的系统很容易出现粘 滑现象，这与汽车盘式制动器制动颤振模式 十分相似。在汽车静止起步或低速制动的过 程中，作用在制动块上的制动压力始终存在， 为摩擦片和制动盘提供了一个变化的摩擦力， 从而导致了两者的反复粘合，造成了汽车的 制动颤振噪声现象。因此，制动盘与摩擦块 间的粘滑自激振动是引起制动颤振的重要原 因之一。
0.4 0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
-0.2 -0.3
0.000ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
0.004
0.008
0.012
位移（m）
0.016
(c) 0.020
速度（m/s）
0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -0.1 -0.2 -0.3
AUTO PARTS | 汽车零部件
制动方向振动影响下汽车盘式制动器颤振模型的研究
吴奕东 詹斌 陶政 熊威 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434
摘 要：制动器的粘滑运动是产生汽车制动颤振噪声的原因之一。基于汽车盘式制动器建立其自激振动机理模型， 同时考虑制动方向的振动幅值和振动频率对制动器制动颤振的影响，并建立汽车盘式制动器制动工况的有 限元仿真进行验证。结果表明，制动方向的振动会使制动器从纯滑动运动状态变为粘滑运动状态，制动方 向的初始振幅过大会导致制动器产生粘滑运动。此外，当制动方向的振动频率达到系统的固有频率时，系 统更容易产生粘滑运动，从而更容易产生制动颤振噪音。
作用在质量为 m 的制动块上，制动盘可视 为以恒定速度 v0 运动的传送带。
图 1 制动器振动系统
k
制动块
c
ω
f
k
Nf
x
m
制动盘
c v0
(a)
(b)
（a）制动器自激振动原理 （b）单自由度自激振动模型
100 AUTO TIME
AUTO PARTS | 汽车零部件
时代汽车
-0.15 0.000
0.001
0.002 0.003 0.004 0.005 位移（m）
(a) -0.3 0.006 0.007 0.000
0.002
0.004 0.006 0.008 位移（m）
0.010
(b) 0.012 0.014
（a）制动压力 100N （b）制动压力 200N
3.1 制动块制动方向振动对制动器系统 粘滑运动的影响
在图 1 的制动器自激振动模型中，制
图 2 摩擦因数随相对速度的变化曲线
μs μd
O
vr
图 3 不同制动压力下制动块的相平面图
速度（m/s）
0.15
0.3
0.10
0.2
速度（m/s）
0.05
0.1
0.00
0.0
-0.05
-0.1
-0.10
-0.2