汽车盘式制动器低频尖叫初探

张维

(三环集团有限公司,湖北武汉 430000)

随着汽车工业不断地发展,消费者对于出行的舒适性正在提出越来越高地要求,汽车制动过程中地噪声控制正在越来越受到用户及生产商地重视。目前国内外学者将噪声根据频率划分为低频振动(10-3000Hz)和高频噪声(3000-20000Hz)。近几年来,随着国内外研究者不断地进行探索和研究,在车辆制动和尖叫控制方面已经取得了不错的效果,虽然在这些方面已经取得了一定的进展,但是很多汽车在运行的过程中依然会产生制动器低频尖叫的现象。本文主要对汽车盘式制动器进行全方位的研究,然后再对降低尖叫的措施作出详细的研究。

1 制动噪声的分类

制动噪声本身的频率范围非常的宽,可以从几十赫兹到上万赫兹不等。通常制动噪声的主频率比较单一,但同时还伴有幅度非常低的谐波成分。[1]不同研究者对于制动噪声的分类是不同的,但是一般都可以被分为低频振动噪声、中高频振动噪声和其他几种类型的噪声。整体制动噪声的频率虽然一直都在不断地变化,但是其振动地路径都是由底盘直接传递到车身,因此在车辆制动过程中,乘务员有时能明显感受到车身的振动。

2 制动系统的整体组成部分

汽车制动系统的总体组成部分主要包括供能装置、控制装置、传动装置和制动器。供能装置主要负责通过更好地调节供给的能量来改善传能介质的状态,其中又将产生制动能量的部分被称为制动能源;控制装置主要包括产生制动动作和制动效果的部件,制动踏板就是最常用的一种装置。将制动的能量更好地传输到各个制动器的部件被称之为传动装置,负责这一环节的主要是制动主缸和制动轮缸。[2]又把产生阻碍车辆运行或者驱动能力的部件被称之为制动器。

图1 盘式制动器总成几何模型

图2 盘式制动器总成有限元模型

3 盘式制动器几何模型和有限元模型的建立

3.1 盘式制动器几何模型的建立

在本课题研究的过程中,主要用到的是盘式制动器几何模型的建立。主要的结构由制动盘、制动钳壳体、制动钳支架、摩擦片和其他结构共同组成,主要的结构如图1所示。

3.2 盘式制动器有限元模型的建立

在建立起盘式制动器总成的几何模型之后,需要对各个零件进行网格式的划分,之后才能够更好地建立起属于自己的有限元模型。制动器的有限元模型还需根据制动器总成中各零部件的实际装配情况进行相应的约束,以尽可能接近制动器的实际工况。其主要的结构模型如图2所示。

4 非线性静力分析法

制动系统中产生尖叫的主要原因就是制动盘和制动的衬片在相互运动的过程中会产生摩擦,从而使得系统在制动的过程中产生了不稳定的现象,因此在解决汽车盘式制动器低频尖叫的过程中,尤其要注意分析制动盘和制动衬片之间的摩擦关系。[3]然后才能更好的进行非线性静力分析,在分析的过程中尤其要重视对接触对和定义边界的概念进行定义,然后再在适当的情况下通过施加转速来进行全面的分析。在整体分析的过程中我们可以看出,由于还没有对制动盘施加一定的转速,因此制动衬片接触面上的接触应力呈对称分布的模式。而在进行到第二个步骤时,制动衬片已经施加了相应的转速,因此整体制动衬片上的接触应力呈现的是不对称分布的模式,由此可以推断出转速对于制动衬片表面的应力分布的影响是非常大的。

5 特征值分析法

盘式制动器在制动的过程中最容易出现频率不稳定的现象。上文中提到的非线性静力分析法就是为了让整体的盘式制动系统在模拟分析的过程中,能够更好地体现初始预应力和刚度的作用。只有在进行过非线性静力分析之后,其特征值的最终分析情况才会真正符合实际的情况。在给制动盘施加一定的转速之后,那么上面接触的点会发生相对滑动,这样才能够使得整体制动盘和制动衬片在摩擦的过程中更好地进行耦合。[4]而这个摩擦耦合的情况会产生不对称的效果,而这个不对称就是盘式制动器系统产生复特征值的根本原因,也会最终引起汽车盘式制动器的低频尖叫。

6 抑制汽车盘式制动器低频尖叫的主要方法

6.1 按照汽车使用手册来进行维修

当发现汽车盘式制动器发生低频尖叫的情况时,那么就要严格按照使用手册进行检查维修,比如制动盘、摩擦衬片钢背是否发生了变形;减振垫片是否安装到位;橡胶层是否脱落;制动钳支架或壳体是否发生刚性形变等,在确认产生低频噪声的原因后,需严格按照使用手册来进行修复或更换。

6.2 新摩擦材料的应用

在有效降低制动尖叫噪声的过程中,添加新摩擦材料是最常见的方法。可以在制动系统中埋入并联式的电陶瓷来有效减少尖叫。这个嵌入的系统可以有效地抓住制动尖叫系统的本质特征,最终使得噪声得以最有效地遏制。目前使用的最广泛地摩擦衬片地材料为硼酸和酚醛树脂,不仅非常的廉价而且还能够有效地保护环境。

6.3 要注意制动器摩擦衬片的质量

尤其要选择正规厂家生产的摩擦衬片和制动盘,只有选择正规厂家生产的产品,才能保证制动器系统在制动过程中既不会出现制动疲软现象,也不会出现因为零件的耦合不当而产生异常的噪音现象。[5]如果需要更换的新摩擦衬片,那么最好在安装新的制动衬片后,进行数次的点刹以保证新制动衬片与制动盘能充分均匀地磨合;如果在磨合均匀前就进行频繁紧急刹车或长距离的制动极易使耦合件局部摩擦过度而产生高温,这种局部摩擦面过热会产生制动器抖动或尖叫噪音。

6.4 要注意结构的优化和设计

另外一种减小制动低频尖叫的方式就是提升制动器系统中各个耦合件的刚度,减小其在制动过程中的形变量;如提升制动钳壳体、制动钳支架、摩擦片钢背的刚度;又或者对制动盘及摩擦衬片的边缘进行倒角,在制动盘及摩擦衬片上打孔等等;这些优化方案均有减少制动过程中低频尖叫的效果。

7 结语

综上所述,为了更好地抑制盘式制动器产生低频尖叫的现象,我们一方面要在使用的过程中充分注意制动器摩擦衬片的质量,同时注意优化结构的设计;另外一方面也要通过在制造汽车盘式制动器的过程中运用新式的摩擦材料来有效减少和避免低频尖叫的现象。此外,在汽车遭遇故障时,更加要注意按照汽车使用手册来针对性地维修汽车,这样才能够有效延长汽车的使用寿命。

[1] 蒋东鹰,管迪华.用闭环耦合模型对盘式制动器制动尖叫的研究.清华大学学报(自然科学版),2014,(8)：88-92.

[2] 陈孟华.基于虚拟样机的轿车盘式制动器噪声的研究.武汉：武汉理工大学,2013,(5)：68-72.

[3] 田志宇.钳盘式制动器制动噪声分析与控制[D].长春：吉林大学,2013,(5)：57-59

[4] 宿新东,管迪华.利用子结构动态特性优化设计抑制制动尖叫.北京：清华大学,2013,(5)：28-32.

[5] 张建伟.ABAQUS 6.12有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2015,(3)：58-62.