杜鹏
长安大学汽车学院
摘要 采用有限元分析软件ALGOR对盘式制动器的振动噪声进行了模态分析。通过对盘式制动器前12阶的固有频率和振型的分析，提出了通过提高高阶固有频率的方法降低制动盘的共振，从而达到降低制动噪声的目的。
关键词 盘式制动器 模态分析 固有频率 振型 ALGOR
一、前言
车辆的噪声问题，特别是制动噪声问题，已经引起人们的广泛关注。制动噪声通常指的是汽车制动中的制动尖叫、短暂低沉的啁啾声或是整个制动过程的尖叫声，它往往会分散人们的注意力，造成心情紧张和烦躁，严重影响了人们的身心健康。因此，对制动器噪声的研究具有重要意义和实用价值。
制动噪声主要有三种类型：制动开始时的噪声、制动过程中的噪声和停车时的噪声。而制动过程的尖叫声是制动噪声的主要来源，是由制动盘的共振引起的、频率为1～6kHz的高频噪声。本文针对盘式制动器结构，利用模态分析的方法，通过提高高阶固有频率，使高阶频率尽可能多地超过6kHz，以减少制动盘的共振，从而达到降低制动噪声的目的。本文通过有限元分析软件ALGOR对盘式制动器进行模态分析。
二、盘式制动器工作原理
浮钳盘式制动器的受力如图1所示，制动摩擦副中间的旋转元件是制动盘，制动盘在半轴的带动下分别沿车辆行进方向作直线运动和绕半轴作旋转运动。制动时，活塞3受油缸液压力的作用推动制动摩擦片沿轴向移动，以一定的压力P1，压向制动盘。作用在制动钳体上的反作用力P2推动制动钳体向右移动，使制动摩擦片压靠到制动盘上。制动盘两侧的摩擦块在P1和P2的作用下夹紧制动盘，使之在制动盘上产生与运动方向相反的制动力矩，使汽车制动。
盘式制动器
三、盘式制动器的有限元模型
制动器的三维实体建模在Solidworks软件中完成，由于制动盘主要是铸造成型的，在建模过程中可对其进行必要的简化和忽略。
制动盘的材料是Ht250，其弹性模量为1.35×108 MPa，泊松比为0.27，密度为7340kg/m3，拉强度为220MPa。
将Solidworks中建好的模型导入ALGOR中，在ALGOR中赋予材料属性并进行网格划分。
由前面制动盘受力分析可知，制动盘在工作条件下绕半轴旋转，因此边界条件约束制动盘内径表面各节点x、y、z；方向的平动和绕x、y轴转动。模态由系统固有特性决定，与外载荷无关，不需要设置载荷的边界条件。
四、模态求解与分析
4．1 运动微分方程的建立
模态分析是用于确定结构的振动特性的一种分析，即通过研究无阻尼系统的自由振动，得到振动系统的固有频率和振型。模态分析是最基本的动态分析方法，也是其他动态分析的基础。
从模态分析结果可以看出，制动盘的振型主要是圆周振动和扭振。前10阶频率主要集中在l～6kHz以内，处在制动盘共振引起噪声的范围内。11、12阶频率超出6kHz，不在制动盘共振引起噪声的范围内。从振型上看，2、5、7、8阶模态振动变形较大，其中2阶振型为圆周振动，5、7、8阶为圆周扭振且轴向和径向都有比较大的位移，可见，它们是引起制动噪声的主要根源。
现在通过改进制动器的结构，使各阶固有频率尽可能多地处于l～6kHz以外。可以通过提高或者降低固有频率的方法来达到目的。考虑到如果通过降低固有频率的方法虽然可以使各阶固有频率降低，且低阶固有频率有可能会降至1 kHz以下，但高阶如1l、12阶固有频率则可能会降至在1～6kHz范围以内，也会引起制动噪声，不能达到目的。现通过提高固有频率的方法，使9、10阶的固有频率超过6kHz的范围，同时减少各阶的振动变形，从而达到减少制动盘共振，降低噪声的目的。方法为增加制动盘的厚度，并且在制动盘上增加通气道的数量。改进后的前12阶振型和固有频率，如表2所示。
从改进结构后的模态分析结果可以看出，通过结构的改进，此时制动器只有前8阶固有频率处在l～6kHz范围内，9、10阶的固有频率已超出了引起噪声的频率范围，从而减少了9、10阶共振引起的噪声。改进前10阶固有频率处在1～6kFlz范围内，结构改进后，减少了9、10阶在l～6KHz内，从而减少了9、10阶引起的制动噪声。这说明结构的改进对于减少制动盘共振和噪声起到了积极有效的作用，通过提高固有频率的方法达到了目的。
五、结语
通过ALGOR有限元分析软件，对盘式制动器前12阶模态进行了分析。通过改进制动盘的结构提高了各阶固有频率的方法，有效地减少了制动盘的共振，降低了制动盘的噪声。由分析结果可见，运用模态分析的方法，通过改进制动器的结构来降噪是行之有效的，对噪声的减少是有帮助的。
