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专利∣基于径向优先振动的无噪音制动盘设计
作者: 邓爽 邓学军 来源: 汽车制动网 日期: 2022年4月26日

摘要:通过制动盘形制设计,使之径向优先振动,并将径向振动基频设计在16000Hz及以上,超出大多数人听觉范围,达到“消除”制动噪音的目的。

 
消除汽车制动噪音是世界性难题,至今仍未完全解决。长期以来,各大厂商试图通过改进摩擦材料配方来达到消除噪音的目的,效果明显但无法根治。
 
本文只讨论目前汽车使用最多的轴装礼帽型制动盘,从另一个角度阐述制动噪音的成因和消除。
 
一般认为,人耳听觉范围为20Hz-20000Hz。这是个理论值,实际听觉范围受听者个体差异、听音环境影响而不同。汽车制动业界普遍认为,噪音频率处于16000Hz及以上,超出绝大多数人在行车环境下的听觉范围,即可认为无噪音。
 
本文所指的无噪音,实际上是将制动噪音频率设计在16000Hz及以上,并非物理意义上的不振动。
 
1,摩擦是振动的触发方式之一
 
1.1 振动的触发方式
任何一个振动体,如果不首先以外力进行触发,它自己是不会响的。振动的触发方式多种多样,如敲打、弹拨、还有摩擦等等。所有的触发方式都有一个共同点,那就是首先使用外力迫使振动体产生弹性形变,弹性形变是产生振动的先决条件。
 
1.2 摩擦触发振动的特殊性
摩擦在迫使振动体产生弹性形变的同时,也抑制了振动体的回弹。至于在何种状态下会产生振动发出噪音,因其机理极其复杂,也因本文写作的侧重点,此处不予讨论。
 
小结:摩擦可能触发振动是必然的
 
2,制动噪音振动体的认定实验
除了低频嚎叫制动噪音是由于制动片在制动盘上蠕动、有关悬架结构产生振动导致外,产生中高频(特指制动盘轴向振动基频及以上频率)制动噪音的振动体主要为制动盘。
 
低频嚎叫噪音很好解决,此处不予讨论。
 
本实验设计是,改变相关零部件形制尺寸,通过噪音频率的改变来认定发声部件。
 
实验1:分别减小制动片摩擦块和背钢板的长度、宽度和厚度,制动噪音频率不变;
实验2:更换不同品牌不同材质的制动片,制动噪音频率不变;
实验3:更换不同批次、不同厂家的同型号制动盘,制动噪音频率略有改变;
实验4:对制动盘进行加工改造,制动噪音频率有改变。
 
小结:通过排除法,证明制动噪音主要是由制动盘发出的,制动片本身不发声。
 
3,制动盘振动模式及影响固有频率的因素
 
3.1 轴向振动
轴向振动是制动盘沿轴线方向的振动。由于受材质和尺寸限制,铸铁制动盘轴向振动基频一般为800Hz-1500Hz(因盘而异),远远达不到16000Hz。因此,本文认为,制动盘设计应避免轴向振动。
 
3.2 径向振动
径向振动是制动盘沿直径方向的振动。就目前普遍使用的汽车轴装礼帽型制动盘尺寸而言,很容易将径向振动基频设计在16000Hz及以上。
 
3.3 要想听不见制动噪音,最简单的办法是将制动盘轴向振动基频设计在16000Hz以上。
不过,在实际情况下,以直径260mm制动盘为例,粗略估算其实心盘的厚度将超过60mm,通风盘则更厚,没有任何实用价值。
 
3.4 影响径向振动基频的因素
振动体的材质、形制、尺寸及张力等共同影响固有频率(固有频率包括但不限于基频)。对制动盘而言,摩擦环宽度及通风道空占比是影响径向振动基频的主要因素。另外,折环形制尺寸(注:制动盘有关部位名称如附图所示)也是影响径向振动基频的重要因素。
 
小结:使径向振动优先于轴向振动而发音,是实现无噪音制动盘设计的关键。
 
4,实现无噪音制动盘设计的技术要点
 
4.1 径向振动基频的选择范围
在制动盘外轮廓形制尺寸基本确定的前提下,径向振动基频越高就越难以触发,会导致轴向振动优先发音。因此,本文认为,径向振动基频的设计,最佳为16000Hz,上限为18000Hz。又由于稍低于16000Hz、最低不低于15000Hz的噪音,对听觉影响不大,具备一定的实用价值。因此,径向振动基频设计下限为15000Hz。
 
4.2 实现径向振动优先发音的原理和表达式
由于径向振动触发力在1/2盘厚平面径向方向,与制动盘固定平面、也就是制动盘帽底平面不在一个平面上,因此必然会使制动盘产生翘曲、即产生轴向压力分量,这是触发轴向振动的主要诱因之一。由于这两个平面的距离直接影响轴向压力分量的大小,进而影响轴向振动的灵敏度,又由于径向振动基频的高低影响径向振动的灵敏度,因此,轴向振动和径向振动发音的优先性,是由这两个平面的距离大小和径向振动基频高低共同决定的。
 
径向振动优先发音的表达式为:kdf\r1+r2-2r3<16000Hz,其中,k为常数,不同摩擦条件取值不同,一般取值4-6为宜;d为1/2盘厚平面至盘帽底平面的距离,简称偏心距离,单位毫米;f为径向振动基频,单位Hz,取值范围15000Hz-18000Hz,最佳频率16000Hz;r1为摩擦环外半径,r2为摩擦环内半径,r3为制动盘内半径,单位均为毫米(表达式字母、名称及制动盘有关部位名称如附图所示) 。
 
附图:(1为固定端,2为折环,3为摩擦环,r1为摩擦环外半径,r2为摩擦环内半径,r3为制动盘内半径 )
 

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应当说明的是,由于两个制动片与摩擦环两边的摩擦状态(瞬间粘滑状态、瞬间摩擦系数等)并非完全一致,又由于折环形制尺寸对制动盘受力的影响,导致径向振动触发力并非一直保持在1/2盘厚平面上。因此,即便设计偏心距离d=0,实际制动时,其等效偏心距离d≠0,如径向振动基频设计过高导致难以触发振动,此时仍有可能触发频率较低轴向振动而优先发音。
 
4.3 摩擦条件对触发振动频率的倾向性
摩擦条件对触发频率有明显的倾向性。实验证明,高速摩擦更容易触发高频振动,低速摩擦更容易触发低频振动。同时,触发频率还受振动体本身的各固有频率的振动灵敏度影响。设计的目的,是在各种极端摩擦条件下(如摩擦系数、制动片材质、高温、低温、过水、刹停等),总能使频率更高的径向振动优先发音
 
小结:表达式kdf\r1+r2-2r3<16000Hz虽不能准确表达各物理量之间的关系,也不能涵盖所有设计条件,但作为一种无噪音制动盘设计方法,在设计实践中是比较稳妥可靠的。
 
5,制动盘设计制作实例
我的某品牌爱车制动噪音困扰了我多年,在研究中积累了一定的经验教训后,决定自己设计制作制动盘。
 
5.1 网购了坯料,材质是QT500-7,理应比灰铁硬。但由于材质不达标,加工师傅说与原盘灰铁材质差不多。
 
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由于通风槽机械加工困难,空占比不够,导致制动盘径向振动基率从原装盘的12600Hz,变为新盘的19100Hz,超出f取值范围,在刹停时偶尔有2000Hz的轴向振动噪音,设计不成功。
 
5.2 经过查阅资料对比数据,我购买了两只其他型号的商品制动盘,简单机械加工后试车,噪音频率为16200Hz,完全成功。
 
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小结:将制动噪音频率设计在人耳听觉范围以外是消除制动噪音的最高境界。
 
6,前景展望
 
6.1 业界应开始考虑无噪音制动盘标准化建设,统筹考虑机械配合要求,设计从小到大全系列无噪音汽车制动盘。
 
6.2 无噪音汽车制动盘的设计适合轨道交通列车及其他车辆。
 
6.3 由于新型制动盘无视制动噪音的存在,这将大大开阔制动盘和制动片的材料选择范围,大大提高安全性和寿命,降低成本。



*备注:
此文技术已申请发明专利,发明人之一邓学军微信号为kdf_r1--r2-2r3C16kHz,欢迎交流探讨,添加微信好友时请备注“制动网讨论”

(转载请注明来源: 汽车制动网/chebrake.com 责任编辑:Jack)

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