盘式制动器制动噪声的研究

盘式制动器制动噪声的研究

摘要随着科学技术的发展，噪声污染日益严重，控制噪声污染已成为环境保护的重要内容。而机动车辆向快速和大功率方面的发展，使得道路交通噪声已成为城市的主要噪声源。本文针对盘式制动器的工作原理，对现有行业阻尼降噪进行分析研究，提出了阻尼降噪的理论依据。

关键词:盘式制动器；制动噪声；阻尼降噪

前言

制动系统是汽车的一个重要组成部分，他直接影响汽车的安全性。伴随汽车制动产生的制动噪声长期以来一直困扰着汽车制造商们。当前汽车广泛采用盘式和鼓式制动器来实现停车和减速，但鼓式制动器一般比盘式制动器更易产生制动尖叫。如果制动器设计不合理、摩擦材料的老化或制动工况的改变，制动时就可能引起强烈的振动，并伴随着噪声。高频制动噪声往往非常刺耳，通常高达110dB，为城市主要噪声污染。

1盘式制动器

盘式制动器具有散热性好、制动效能稳定、抗水衰退能力强、易于保养和维修等优点,可广泛应用于飞机、铁路、车辆和工程机械。对盘式制动器的早期研究侧重于试验研究其摩擦特性,随着用户对其制动性能和使用寿命要求的不断提高,有关其基础理论与应用方面的研究也在深入进行。

盘式制动器是通过制动钳体从两侧夹紧与车轮共同旋转的制动盘来产生制动的（如图1）。盘式制动器又称轴向加载制动器，其摩擦副中的旋转组件是圆盘形的制动盘，当摩擦块沿轴向移动，并以一定的压力压向制动盘时，在制动盘与金属盘之间会产生相应的摩擦阻力矩，即制动力矩。

图1 盘式制动器

1．制动盘 2.制动钳体 3.摩擦块 4.活塞 5.进油口 6. 导向销7.车桥

2 制动噪音的产生

制动摩擦噪声的产生不仅与经典的摩擦振动理论有关,还受到制动系统自身结构和复杂的工况条件的强烈影响,是目前摩擦振动和噪声控制研究领域的重点、热点和难点。如果制动器设计不合理、摩擦材料的老化或制动工况的改变,制动时就可能引起强烈的振动,向环境中辐射制动噪声。制动器的振动不仅包括摩擦材料特性引起的摩擦振动,还包括机械部件振动特性引起的部件振动摩擦振动与摩擦材料的硬度、表面处理、压缩弹性率、拉伸强度、气孔率、黏弹性、摩擦因数-温度关系曲线、摩擦因数-速度关系曲线等参数有关。摩擦振动的趋势随着表面接触压力的增加而增加,也随着摩擦材料表面温度的升高而加强。

相对滑动速度增加时,摩擦因数也随着变化,因而出现振动噪声的可能性也会增加。摩擦因数-速度曲线的负斜率是产生制动噪声的重要因素之一。制动器部件的摩擦振动是由于作为相对速度函数的摩擦因数变化的结果,而相对速度又产生于制动衬片、摩擦表面(制动盘或制动鼓)和机械系统的阻尼器之间,当两摩擦表面的相对速度增加时,若摩擦因数减少,则产生摩擦振动,引起部件的振动而发出噪声。当接触的部件由于摩擦而发生磨损后,其间隙增大也会引起部件振动。通过高速电子光斑干涉仪与近场声压测量方法发现制动部件的振动与噪声有很

好的一致性。

3 盘式制动器的阻尼降噪

20世纪70年代初,工厂采用在盘式制动器中制动块的底板上粘贴一层阻尼层的做法实现制动器结构减振降噪的目的。这种阻尼粘贴层通常采用ARS复合层结构,如图2。制动器生产厂家从20世纪80年代就开始为汽车制造商提供带有阻尼层结构的制动器产品。但是,有关制动器阻尼降噪方法的理论研究很少,大多停留在试验研究基础上的实践。

图2 阻尼粘贴层ARS结构

阻尼层在制动器结构中的真实效能一般要靠反复的尝试性试验来把握,这不仅耗时、耗资,而且依赖于设计者的经验,因而缺乏普遍指导意义。更值得注意的是,这种处理方法并非总是有效的,阻尼层对某类制动器的噪声起作用,而对于另外的制动器则完全不起作用的现象广泛存在。但由于没有有效的定量估计和预测的方法,往往使制动器噪声阻尼控制方法实践起来事倍功半。

4 有阻尼层的制动器系统的建模

要分析制动块与制动钳(或分泵活塞)之间的阻尼层的摩擦作用对整个制动器稳定性的影响,就需要将其引入到整个制动器的闭环耦合模型中。为了便于进行特征分析,不引入滑动摩擦系数的描述方式,而是通过能量等效的转换方法将该接合面间的动摩擦引入到制动器的整体结构模型中,主要基于以下两点考虑。

(1)建立制动器的闭环耦合模型时,认为分泵作用在模型上的正压力始终保

持不变,忽略制动块弯曲振动导致的微小的压力波动,因而内制动块和分泵活塞之间以及外制动块与制动钳接触表面之间的接合面上作用的动摩擦力大小可表示为

PA F c μ= (1) 式中μ为表面间的平均滑动摩擦系数,P 为作用在分泵活塞上的压力,A 为分泵活塞的有效作用面积,该力的方向与其所施加的对象的相对运动速度方向相反。

(2)接合面间接合阻尼作用后的制动器振动模型(式(2))是在原制动器线性闭环耦合振动方程式(3)的右边添加一个常力项得到。

（2）

（3）

式中M 和K 分别是按有限元方法得到的制动器各组成子部件的质量和刚度矩阵;Kf 是由子结构部件之间的安装和联接关系确定的界面联接刚度矩阵;位移向量U 由所有子部件各节点的平移自由度组成。上述模型中略去了结构材料本身的小阻尼。当

在制动块的底板上粘贴阻尼层后,接合阻尼作用的结果使制动器原振动模型中增加了常力摩擦力项{Fc}。式(2)右侧的常数项的出现破坏了原制动器振动方程易于直接进行特征分析求解系统不稳定特征解的优点。因此,利用能量等效将阻尼层在接合面间的摩擦作用转化为系统中的粘性阻尼,即按条件

（4） 给出阻尼矩阵[β],使下式成立。

（5）

则式(3)被转化为

（6）

只考虑一种最简单的情况,即阻尼矩阵[β]中所有的非零元素都是常数β0,非零元素的位置由存在接触面间相互作用的节点的位置确定,用只含0、1元素的一指示矩阵[P]指示。

(7)

利用式(6)分析接触面动摩擦对系统稳定性影响比较方便、直观。

5 结论

本文首先概述了制动器的工作原理，并对现有行业内制动器的降噪方法进行分析，通过对阻尼层的系统建模，探讨此理论分析方法能够预测并一定程度定量地估计阻尼控制手法对特定类型制动器的有效性,因而避免了目前仅依据经验以及通过对大量不同阻尼材料进行试验确定阻尼降噪方案的做法。在此基础上,还可以进一步研究包含约束阻尼的多层ASR结构对抑制制动器振动噪声的作用。

参考文献

[1] Anti Papinniemi,et al.Brake Squeal:a Literature Review.Applied Acoustics,2002,63

[2] 蒋东鹰.盘式制动器制动尖叫的研究[D].北京:清华大学,1998.

[3] 陈光雄,周仲荣,谢友柏.摩擦噪声研究的现状和进展[J].摩擦学学报, 2000, 20(6): 478-481.

[4] Bui Q V, Ponthot J P.Estimation of Rubber Sliding Friction FromAsperity Interaction Modeling.Wear 2002,252

[5] 管迪华,黄锦春.盘式制动器尖叫的馈入能量分析[J].清华大学学报(自然科学版),2001,41(8).

[6] 蒋东鹰,管迪华.盘式制动器制动尖叫计算模型的建立[J].汽车科技,1997(7).

[7] 张芳,管迪华.抑制制动器振动噪声的阻尼方法的探讨[J].汽车工程, 2003, 25(3): 264-268.