王登峰 吉林大学
王玉伟 吉林大学
陈晓春 四平技术市场管理办公室
赵继业 泛太汽车技术(中国)有限责任公司

摘要 针对钳盘式制动器产生的制动尖叫声问题，对制动盘模态进行分析可知，即使制动盘纵波压缩模态频率在两个相邻模态频率中间，纵波压缩模态也可能被激发而产生制动尖叫声。提出了改变制动盘摩擦部分和帽子部分模态动态耦合的措施，并对改进后制动器进行了有限元分析和台架试验，结果表明，改进后制动器尖叫声的声压级和发生制动尖叫的次数都比改进前显著降低。

主题词 钳盘式制动器 制动尖叫 纵波模态 模态分析

1 前言

随着科学技术的发展，现代汽车的设计和生产越来越细化，乘坐舒适性越来越高。尽管通过整车振动和噪声的优化使得车内、车外噪声越来越低，然而对汽车制动系统引起振动噪声进行分析与控制的研究与发展却相对缓慢，这是由于迄今为止对制动系统产生噪声的机理还没有完全弄清楚，制动系统噪声的控制方法往往没有统一性，从而占有很长的产品开发时间。5kHz以上的制动尖叫声通常与制动盘在旋转方向上的纵波模态有关。常规制动噪声控制方法如加装减振片、改进钳体和支架结构等对高频制动尖叫声作用不大。本文通过对一个配有通风制动盘的制动系统进行研究，阐明制动盘的纵波模态和制动尖叫声的关系，提出解决高频制动尖叫声的方法，并通过试验验证所提出方法的有效性。

2 制动尖叫声的试验结果分析

本文所研究的钳盘式制动器如图1所示，在制动过程中，由于制动器摩擦副的摩擦作用，在一定条件下会产生噪声。

占的百分比，图中2条虚线表示的是制动噪声能否接受的边界线。

通常，在低温情况下制动器产生的制动噪声频率较高，这是因为低温时摩擦系数较高，更容易激发制动尖叫声。从图2c中可见，在低温状态下，约有30％的制动次数产生了大于70dB(A)噪声；而在高温状态下，只有10％的制动次数产生了大于70dB(A)噪声。同时，从图2a和图2b中也可以看到，制动尖叫声发生在9.4kHz处，在2kHz附近的噪声是由台架本身产生的噪声而不是制动尖叫声。

3 制动盘的模态分析

实芯制动盘的模态主要是由横波组成。为了改善制动盘的振动模态，加强制动盘的通风散热，目前多采用通风式制动盘。图3是通风式制动盘的结构，在两片制动板间有通风槽和加强筋，有的制动盘在盘面上还有通风孔。

图4是制动盘自由状态下有限元模态分析的结果。制动盘的横波模态主要体现在它的模态是在径向或横向的，这种模态可以用两个数字描述，第1个数字表示横向模态的数量，第2个数字表示径向模态的数量。

图5所示的纵波模态主要有旋转方向和径向方向2种。一般径向方向的模态很难被激发并产生制动尖叫声，而旋转方向纵波模态却很容易被摩擦力激发并产生制动尖叫声。如图5b和图5c所示，旋转方向纵波模态有压缩和剪切2种形状。分析和试验表明，所有由制动盘纵波振动引起的尖叫声都是与旋转方向压缩纵波模态有关的。

图6是所研究制动盘在自由状态下的传递函数，曲线1是垂直于摩擦表面方向(横波振动)的传递函数，曲线2是平行于摩擦表面方向(纵波振动)的传递函数。图中所示的横波振动峰值代表有明显横向结点的模态(图4a)，而纵波振动峰值代表旋转方向压缩波的模态。这些模态是由有限元分析和试验模态分析得到的。以往的研究表明，当某一压缩纵波模态的频率和某一横波模态的频率接近时，有可能产生模态耦合，从而引起制动尖叫，并且尖叫声的频率往往非常接近制动盘在自由状态下旋转方向纵波压缩模态的频率。试验测试得到的产生制动尖叫时制动器的振动模态也证实了这一结论。如果纵波压缩模态的频率在2个横波模态的频率中间，产生模态耦合比较困难，发生制动尖叫的可能性也比较小，这一结论已成为一些盘式制动器公司设计制动盘时遵循的原则。

如图6所示，旋转方向的第2个纵波压缩模态频率9.4kHz位于2个相邻横波模态频率中间，但是在这个频率产生的尖叫声还是非常严重的。这一结果表明，即使纵波压缩模态频率在2个相邻横波模态频率中间，纵波压缩模态也可能被激发而产生制动尖叫声。

4 降低制动尖叫声的措施

为了抑制制动尖叫声，对制动盘实施改进，并对改进后的制动盘进行有限元分析。改进的目标是避免制动盘纵波和横波模态耦合在一起。

具体改进措施：

在制动盘帽子部分增加了几条均匀分布的加强筋；

改变帽子部分形状。

改进措施主要是改变制动盘的摩擦部分和帽子部分模态的动态耦合。由于制动盘的模态频率主要和盘的直径和厚度有关，这种改进对盘的模态分布影响不大。

分析结果表明，如图7所示的2种制动盘结构改进方案都使该制动器的工作稳定性明显改善。图8表示纵波模态趋于耦合的趋势，其结果表明，即使摩擦系数增加到了0.6，这2个模态也不会发生耦合，也不会产生制动尖叫声。

基于上述有限元分析结果，按改进后的制动盘加工样件并进行了制动器台架试验，试验结果如图9和图10所示。从图中可以看到，改进后的2个制动盘都没有产生9.4kHz尖叫声，与改进前的试验结果(图2)相比，尽管改进后的制动盘产生了其它频率的尖叫声，但是尖叫声的声压级和发生制动尖叫的次数都比改进前显著降低。对这2个制动盘又进行了其它机械和热强度的试验，证明改进后的制动盘满足使用要求，已投入正常生产。

5 结束语

对一个产生9.4kHz制动尖叫声的制动器进行了有限元分析和试验研究。结果表明，虽然该制动器制动盘的纵波和横波的模态频率分布较好，但该制动器仍然产生了不可接受的与旋转方向第2阶纵波压缩模态有关的制动尖叫声；当摩擦系数的增长到临界值时，第2阶纵波压缩模态发生动态耦合是产生这一制动尖叫声的主要原因。为了避免这一模态对的耦合，本文对制动盘实施了在其上增加加强筋和修改其帽子部分形状2种改进措施，有限元分析和试验研究表明，这两种改进都能有效的避免这一模态对的耦合，从而消除了9.4kHz频率处的制动尖叫声，其中一个修改方案已经投入了生产，并得到非常好的市场反馈。