基于逆向工程建模技术和有限元法的汽车盘式制动器NVH特性研究与优化

基于逆向工程建模技术和有限元法的汽车盘式制动器NVH特性研究与优化
潘公宇1，姜中望1，朱 琦1，杨秋成2
（1.江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013；2.柏海（无锡）精密制造有限公司，江苏 无锡 214028）

摘 要：以某型盘式制动器为研究对象，采用仿真分析与实验相结合的研究方法针对汽车盘式制动器噪声问题进行研究。基于三维扫描技术，通过利用handyscan设备，获得制动器卡钳体点云数据，并在Catia及Solidworks中进行拟合处理建立准确的盘式制动器三维模型。在对盘式制动器NVH特性研究分析过程中，采用具有三层结构设计的刹车片，通过改变刹车片材料中粘弹性成分及刹车片参数的方法进行盘式制动器NVH性能优化。首先针对制动器各子结构的三维模型进行模态分析，获得可能发生制动尖叫的模态频率及振型，并通过F.R.F共振频率测试仪和激光测振仪等实验，验证了有限元模态分析所得结果的正确性，Dyno台架试验结果以用来验证仿真结果预测的准确性与可信度。实验结果证明，优化后刹车片能够提高汽车盘式制动器NVH性能，制动噪声得到降低。

关键词：制动噪声；逆向工程；有限元；模态分析；激光测振仪

1 引言

随着汽车工业的快速发展以及制造技术的不断提高，人们对于乘用车的舒适性要求越来越高，因此，乘用车的NVH性能得到极大的关注，盘式制动器NVH性能作为整车NVH特性中的一部分，也自然成为众多学者及汽车厂商的研究对象。对于盘式制动器NVH特性的研究，目前已取得较多的研究成果，尤其模态分析法和有限元的方法等应用，极大推进了盘式制动器NVH特性研究的进展[1]。文献[2]中通过对子结构优化进行制动噪声研究，得出子结构改变能够有效抑制制动尖叫的发生的结论，文献[3]中通过改变制动器刹车片中粘弹性成分来研究制动噪声问题，进一步验证了刹车片材料的改变能够影响制动器制动噪声表现。文献[4]中通过对制动器各子结构进行模态分析并通过振动测试实验验证尖叫产生的频率和原因，但由于建模原因，实验结果的精度方面存在些许偏差。近年来，随着材料科学的发展，许多学者则从摩擦材料等角度对制动噪声问题等也进行了广泛研究[2-5]。

基于上述及其他学者大量研究工作，针对建立制动器模型问题，采用三维扫描逆向建模技术，建立制动器三维实体模型，并基于子结构耦合理论，预测分析出可能发生制动尖叫的各子结构模态及频率，并进行NVH台架试验验证。在此基础上依照改变刹车片结构和材料特性思路进一步进行NVH性能优化。

2 制动器模态分析基础

模态分析是一种将系统在各种激励下的响应通过线性变换转换成系统各阶模态的线性组合，实质上是一种坐标变换，其目的是为了解除方程之间的耦合。模态分析的关键在于得到振动系统的模态坐标系统，这一坐标系统中的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。制动器模型可以简化为制动盘与刹车片振动系统，如图1所示。该系统振动方程为，如式（1）所示。



图1 制动盘刹车片振动系统

Fig.1 Rotor and Brake Pad Vibration System



由式（5）可知，当振动频率ω一定时，振动的速度幅值V＝x A·ω，与振动的位移幅值x A（以下简称振幅）成正比。所以只要减小振幅x A，就可以减小振动的速度幅值y，从而降低振动速度级和噪声级。

3 盘式制动器三维模型的建立

为了避免手工测绘建模所产生的仿真误差，最大程度还原实体，基于逆向工程技术，使用Handyscan设备对制动器卡钳体及卡钳支架进行扫描，如图2所示。手持式设备对待测物体发射出激光光点或线性激光光束，以两个或两个以上的侦测器通过测量物体表面反射回来的光学信息确定待测物的表面到手持激光扫描仪的距离，为了测量准确，通常还需要借助特定参考点，具有黏性、可反射的贴片通常用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。通过扫描可获得卡钳体及卡钳支架点云数据，并将数据导入Catia中利用Digital Shape editor、创成式外形设计、零件设计等模块对点云数据进行处理，删去密集噪点，拟合关键曲面尺寸，其他零部件由于尺寸易获得且由于solidworks实体建模的快速性，因此直接在solidworks建立其实体模型，在对卡钳和卡钳体拟合之后，由于制动器的装配尺寸关系也会影响汽车制动噪声表现，因此使用三坐标测量仪对装配尺寸进行测量及尺寸复核，如图3所示。最终建立制动器实体模型[6]，如图4所示。



图2 非接触式三维扫描仪
Fig.2 Non-Contact 3D Scanning Equipment



图3 Catia逆向建模
Fig.3 Reverse Reconstructed Model



图4 盘式制动器三维实体图
Fig.4 Disc Brake System 3D Model

4 盘式制动器子结构模态分析

刹车片一般分为两个部分，制动背板和制动衬块。大量研究文献表明，制动衬块中粘弹性成分越多，制动噪声率发生就会越低，但同时也会带来摩擦系数低，制动强度弱的风险。因此，刹车片采用三层结构设计，分别为制动背板，摩擦料，底料。这种结构使得刹车片不仅能够在保证强度及制动效能不变的情况下具有更大的阻尼特性，而且能减少制动噪声的发生，如图5所示。大量研究和实验证明，汽车制动噪声多发生在1000Hz以上，因此在取模态截断集时仅取高于1000Hz且低于15000Hz模态。将建立的三维模型导入Ansys/workbench平台中对制动器中主要零部件进行网格划分以及材料特性设置，制动钳体、支架以及制动盘的材料为铸铁，泊松比为0.25，密度为7g/cm3，杨氏模量为110GPa，如表1所示。



图5 刹车片结构
Fig.5 Brake Pad Structure



图8 制动钳体支架振型图
Fig.8 Caliper Support Shape

表1 刹车片材料特性
Tab.1 Brake Pad Characteristic



组成 密度（g/cm3） 杨氏模量（Gpa） 泊松比钢背 7.8 197 0.3底料 2.62 3.35 0.35摩擦材料 2.2 4.707 0.32
Ansys/workbench平台具有良好的人机交互界面，参数设置较为快捷，因此能够节省大量底层操作时间。在Workbench中分别对刹车片、制动盘、卡钳体等做自由模态和约束模态分析。对各子结构模态分析获得的振型和频率结果进行分析，将可能发生耦合的模态振型剥离，最终各子结构零件模态分析振型结果[7-8]，如图6～图9和表2所示。



图6 刹车片振型图
Fig.6 Brake Pad Modal Shape



图9 制动盘振型图
Fig.9 Rotor Modal Shape



图7 制动钳体振型图
Fig.7 Caliper Modal Shape

表2 制动器零部件频率
Tab.2 Nature Frequency of Brake System Components



从模态振型结果看，刹车片主要振型为弯曲振型与扭转振型，7、10阶主要为长度方向的弯曲振动，8，9则为宽度方向的扭转振动，12、16则为两个方向混合扭转振动，制动钳体主要振动集中于两个钳指弯曲振动，这一形式振动所造成的后果为刹车片受力不均匀，从而导致系统不稳定，产生噪声。卡钳支架6，19阶为弯曲振动，这一振型是由于钳指处等较为单薄，刚度不足导致，但由于在实际过程中，由于刹车片装配关系，因此这两个振动模态对制动噪声影响并不大，而9、11、16、28阶为扭转振动。制动盘振动分为面内模态和面外模态，12、17、28阶为面内模态，主要是盘面在面内振动，42、50、55为面外模态，表现为制动盘盘面周向振动。

对上述模态分析的结果进行数据分析发现，在频率为6kHz，9kHz，11kHz以及12.5kHz时系统可能会发生模态耦合，分别为支架、刹车片与制动盘的耦合，刹车片与制动盘的耦合，以及钳体与制动盘的耦合。但由于实际情况中，钳体与制动盘互不接触，相距较远，因此即便出现模态耦合也不会产生噪声，因此推测可能发生噪声的频率为6kHz，9kHz以及11kHz。

对于上述分析所得出结论是否正确，还需进行噪声台架试验，在进一步台架验证之前，由于刹车片摩擦材料成分复杂，为验证此模型模态分析结果的准确性，进行了LMS锤击（Impacting）实验以及激光测振仪（Laser Vibrometer）实验进行交叉对比，实验所得模态振型和模态频率[9-10]。

表3 刹车片仿真频率与实验频率比较
Tab.3 Comparison Between Simulation Frequency and Experimental Frequency



从实验结果看，激光测振仪所测得刹车片振型与模型有限元仿真分析所得结果一致，且同F.R.F所测得固有频率相比较，误差范围基本在5%内，因此仿真得到的模态参数结果准确，可以用来分析与研究。

5 盘式制动器NVH台架试验和优化

为了验证模态分析所得出结论的正确性，进行NVH台架试验，实验所采用设备为美国link3900型噪声惯性测试台，其具有双层舱体结构，能够有效模拟车辆在车辆运行过程中的环境噪声，且能够模拟零下（40～60）℃环境。实验过程中对制动盘温度，刹车片摩擦系数，制动尖叫声压级等数据进行采集，实验按照SAEJ2521实验流程进行，麦克风拾取分贝超过70dB的噪声点，设备频带宽（500～20）kHz，分辨率 25Hz，因此实验条件满足。实验参数，如图10所示。将实验用的制动器置于台架进行实验。



图10 实验参数
Fig.10 Experiment Setting

SAEJ2521实验流程共包括拖曳实验、减速实验、摩擦材料特性、冷噪声及热褪变恢复等31个实验环节，共计2321次制动实验。使用全悬架模型进行实验时，台架频率测量范围为（0.9-17）kHz，未使用全悬架则测量范围为（2-17）kHz，实验采用全悬架台架。实验结果可知，制动器尖叫发生在6kHz，9kHz，12.5kHz.且声压级较高，制动尖叫发生时多处于冷态状态，温度为0℃左右。这说明仿真分析所预测的结果是正确的，基于逆向工程技术所建立的模型是准确的，此方法能够有效避免建模误差所带来的分析误差。

6 盘式制动器NVH性能优化

由前面分析可知，系统发生模态耦合时主要有刹车片、制动盘以及卡钳支架等模态参与，而刹车片作为与制动盘和支架同时接触的部件，是制动器部件耦合的媒介，其阻尼特性的改变将直接影响汽车制动噪声表现[11]。因此，利用刹车片材料特性和形状的改变来提高制动器NVH性能的思路是有效可行。

前面提到，改变刹车片中粘弹性成分比例可以降低制动噪声的发生，因此对刹车片三层结构中的底料层的粘弹性材料成分含量进行更改，在保持其他材料含量不变的基础上提高酚醛树脂成分比例，同时减小增强钢纤维含量比例，从而改变损耗因子，进而改变刹车片模态频率与振幅，但同时仍能保持同样的制动强度。更改前后的材料特性，如表4所示。将新制的刹车片再次重复以上仿真分析和台架试验，由于篇幅限制，此处仿真分析结果不在列出，NVH台架试验结果，如图11所示。

表4 更改前后刹车片底料材料特性
Tab.4 Brake Pad Under Layer Characteristic After Modification



改变前 泊松比 密度（g/cm3） 杨氏模量（GPa）0.35 2.62 3.35改变后 泊松比 密度（g/cm3） 杨氏模量（GPa）0.36 2.58 3.15



图11 Dyno台架实验结果
Fig.11 Dyno Bench Test Result

从实验结果看，高频制动噪声得到有效的解决和抑制，这说明改变刹车片阻尼特性是能够有效影响盘式制动器尖叫。但由于仍存在6kHz高声压级噪声，因此NVH性能还需进一步优化，通过与仿真分析对比发现，6kHz为刹车片固有频率，因此可以通过改变刹车片形状的方法实现固有频率的改变。对刹车片仿真分析得出的振型进行分析，在刹车片内外片两侧设计不对称倒角，从而改变刹车片固有频率及振型，将其从模态耦合中解耦。实验结果证明，这种方法是可行且有效的。

7 结论

对盘式制动器各部件仿真分析和NVH台架试验结果表明：采用逆向工程所建立的三维模型的方法能为后续有限元模态分析提供准确的模型数据，因此各部件模态分析所得的模态参数结果较为准确、可靠，误差小，并根据各部件实模态分析结果，能够准确地推测出汽车制动噪声的发生以及与各子结构模态的关系，为后续噪声优化提供理论依据，从而减小对系统总成进行复模态分析预测制动噪声及台架试验等工作所耗费的大量时间，有效缩短产品研发设计周期。在制动器NVH性能优化方面，所提出的三层结构刹车片方案，不仅能够满足正常制动强度要求，而且具有更有的阻尼特性，高阻尼的刹车片能够消耗振动能量，减小制动噪声的产生。研究表明，改变刹车片底料粘弹性成分比例的优化方法，能够有效抑制高频噪声，而改变刹车片形状参数的方法，能够避免刹车片与制动盘发生耦合共振，从而避免汽车制动尖叫的发生。

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Study and Optimization on NVH Attribute of Disc Brake System with Reverse Engineering Technology and Finite Element Method
PAN Gong-yu1，JIANGZhong-wang1，ZHU Qi1，YANGQiu-cheng2
（1.School of Vehicle and Transformation Engineering of Jiangsu University，Jiangsu Zhenjiang 213013，C hina；2.Bonsea（Wuxi）High Precision Machinery Co.Ltd.，Jiangsu Wuxi 214028，C hina）
Abstract：This paper focuses on disc brake system，finite element simulation combining with experiment have been studied on disc brake noise.based on 3D scan technology，point cloud data of brake system components is achieved with handyscan equipment，highly precision 3D models are built in Catia and Solidworks with these point cloud data.During the research of brake system NVH attribute，new design brake pad with three layers is selected，NVH attribute of disc brake system is optimized by changing the percent of rubber in under layer material and the shape of brake pad.Firstly，modal analysis by using finite element is carried on brake system components to achieve the modal shape and frequency，F.R.F impacting experiment and laser vibrometer experiment are applied to verify the accuracy of finite element simulation，Dyno bench test is used to verify the forecast result which is obtained from the simulation.The experiment result appears that optimized brake pad can improve the performance of disc brake system and decrease the occurrence of brake noise.
Key Words：Brake Noise；Reverse Engineering；Finite Element；Modal Analysis；Laser Vibrometer
中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）12-0094-04
来稿日期：2017-06-18
基金项目：国家自然基金项目（51375212）；江苏省道路载运工具应用新技术重点实验室开放基金（201509）
作者简介：潘公宇，（1965-），男，江苏镇江人，博士研究生，教授，硕士生导师，主要研究方向：汽车系统动力学、汽车振动与噪声姜中望，（1991-），男，江苏灌南人，硕士研究生，主要研究方向：汽车NVH特性