基于逆向工程建模技術和有限元法的汽車
盤式制動器NVH特性研究與優化
潘公宇1，姜中望1，朱 琦1，楊秋成2
（1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.柏海（無錫）精密制造有限公司，江蘇 無錫 214028）
摘 要：以某型盤式制動器為研究對象，采用仿真分析與實驗相結合的研究方法針對汽車盤式制動器噪聲問題進行研究。基于三維掃描技術，通過利用handyscan設備，獲得制動器卡鉗體點云數據，并在Catia及Solidworks中進行擬合處理建立準確的
盤式制動器三維模型。在對盤式制動器NVH特性研究分析過程中，采用具有三層結構設計的剎車片，通過改變剎車片材料中粘彈性成分及剎車片參數的方法進行盤式制動器NVH性能優化。首先針對制動器各子結構的三維模型進行模態分析，獲得可能發生制動尖叫的模態頻率及振型，并通過F.R.F共振頻率測試儀和激光測振儀等實驗，驗證了有限元模態分析所得結果的正確性，Dyno臺架試驗結果以用來驗證仿真結果預測的準確性與可信度。實驗結果證明，優化后剎車片能夠提高汽車盤式制動器NVH性能，制動噪聲得到降低。
關鍵詞：制動噪聲；逆向工程；有限元；模態分析；激光測振儀
1 引言
隨著汽車工業的快速發展以及制造技術的不斷提高，人們對于乘用車的舒適性要求越來越高，因此，乘用車的NVH性能得到極大的關注，盤式制動器NVH性能作為整車NVH特性中的一部分，也自然成為眾多學者及汽車廠商的研究對象。對于盤式制動器NVH特性的研究，目前已取得較多的研究成果，尤其模態分析法和有限元的方法等應用，極大推進了
盤式制動器NVH特性研究的進展[1]。文獻[2]中通過對子結構優化進行制動噪聲研究，得出子結構改變能夠有效抑制制動尖叫的發生的結論，文獻[3]中通過改變制動器剎車片中粘彈性成分來研究制動噪聲問題，進一步驗證了剎車片材料的改變能夠影響制動器制動噪聲表現。文獻[4]中通過對制動器各子結構進行模態分析并通過振動測試實驗驗證尖叫產生的頻率和原因，但由于建模原因，實驗結果的精度方面存在些許偏差。近年來，隨著材料科學的發展，許多學者則從摩擦材料等角度對制動噪聲問題等也進行了廣泛研究[2-5]。
基于上述及其他學者大量研究工作，針對建立制動器模型問題，采用三維掃描逆向建模技術，建立制動器三維實體模型，并基于子結構耦合理論，預測分析出可能發生制動尖叫的各子結構模態及頻率，并進行NVH臺架試驗驗證。在此基礎上依照改變剎車片結構和材料特性思路進一步進行NVH性能優化。
2 制動器模態分析基礎
模態分析是一種將系統在各種激勵下的響應通過線性變換轉換成系統各階模態的線性組合，實質上是一種坐標變換，其目的是為了解除方程之間的耦合。模態分析的關鍵在于得到振動系統的模態坐標系統，這一坐標系統中的每一個基向量恰是振動系統的一個特征向量。制動器模型可以簡化為制動盤與剎車片振動系統，如圖1所示。該系統振動方程為，如式（1）所示。
圖1 制動盤剎車片振動系統
Fig.1 Rotor and Brake Pad Vibration System
由式（5）可知，當振動頻率ω一定時，振動的速度幅值V＝x A·ω，與振動的位移幅值x A（以下簡稱振幅）成正比。所以只要減小振幅x A，就可以減小振動的速度幅值y，從而降低振動速度級和噪聲級。
3 盤式制動器三維模型的建立
為了避免手工測繪建模所產生的仿真誤差，最大程度還原實體，基于逆向工程技術，使用Handyscan設備對制動器卡鉗體及卡鉗支架進行掃描，如圖2所示。手持式設備對待測物體發射出激光光點或線性激光光束，以兩個或兩個以上的偵測器通過測量物體表面反射回來的光學信息確定待測物的表面到手持激光掃描儀的距離，為了測量準確，通常還需要借助特定參考點，具有黏性、可反射的貼片通常用來當作掃描儀在空間中定位及校準使用。通過掃描可獲得卡鉗體及卡鉗支架點云數據，并將數據導入Catia中利用Digital Shape editor、創成式外形設計、零件設計等模塊對點云數據進行處理，刪去密集噪點，擬合關鍵曲面尺寸，其他零部件由于尺寸易獲得且由于solidworks實體建模的快速性，因此直接在solidworks建立其實體模型，在對卡鉗和卡鉗體擬合之后，由于制動器的裝配尺寸關系也會影響汽車制動噪聲表現，因此使用
三坐標測量儀對裝配尺寸進行測量及尺寸復核，如圖3所示。最終建立制動器實體模型[6]，如圖4所示。
圖2 非接觸式三維掃描儀
Fig.2 Non-Co
ntact 3D Scanning Equipment
圖3 Catia逆向建模
Fig.3 Reverse Reco
nstructed Model
圖4
盤式制動器三維實體圖
Fig.4 Disc Brake System 3D Model
4 盤式制動器子結構模態分析
剎車片一般分為兩個部分，制動背板和制動襯塊。大量研究文獻表明，制動襯塊中粘彈性成分越多，制動噪聲率發生就會越低，但同時也會帶來摩擦系數低，制動強度弱的風險。因此，剎車片采用三層結構設計，分別為制動背板，摩擦料，底料。這種結構使得剎車片不僅能夠在保證強度及制動效能不變的情況下具有更大的阻尼特性，而且能減少制動噪聲的發生，如圖5所示。大量研究和實驗證明，汽車制動噪聲多發生在1000Hz以上，因此在取模態截斷集時僅取高于1000Hz且低于15000Hz模態。將建立的三維模型導入Ansys/workbench平臺中對制動器中主要零部件進行網格劃分以及材料特性設置，制動鉗體、支架以及制動盤的材料為鑄鐵，泊松比為0.25，密度為7g/cm3，楊氏模量為110GPa，如表1所示。
圖5 剎車片結構
Fig.5 Brake Pad Structure
圖8 制動鉗體支架振型圖
Fig.8 Caliper Support Shape
表1 剎車片材料特性
Tab.1 Brake Pad Characteristic
組成 密度（g/cm3） 楊氏模量（Gpa） 泊松比鋼背 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平臺具有良好的人機交互界面，參數設置較為快捷，因此能夠節省大量底層操作時間。在Workbench中分別對剎車片、制動盤、卡鉗體等做自由模態和約束模態分析。對各子結構模態分析獲得的振型和頻率結果進行分析，將可能發生耦合的模態振型剝離，最終各子結構零件模態分析振型結果[7-8]，如圖6～圖9和表2所示。
圖6 剎車片振型圖
Fig.6 Brake Pad Modal Shape
圖9 制動盤振型圖
Fig.9 Rotor Modal Shape
圖7 制動鉗體振型圖
Fig.7 Caliper Modal Shape
表2 制動器零部件頻率
Tab.2 Nature Frequency of Brake System Components
從模態振型結果看，剎車片主要振型為彎曲振型與扭轉振型，7、10階主要為長度方向的彎曲振動，8，9則為寬度方向的扭轉振動，12、16則為兩個方向混合扭轉振動，制動鉗體主要振動集中于兩個鉗指彎曲振動，這一形式振動所造成的后果為剎車片受力不均勻，從而導致系統不穩定，產生噪聲。卡鉗支架6，19階為彎曲振動，這一振型是由于鉗指處等較為單薄，剛度不足導致，但由于在實際過程中，由于剎車片裝配關系，因此這兩個振動模態對制動噪聲影響并不大，而9、11、16、28階為扭轉振動。制動盤振動分為面內模態和面外模態，12、17、28階為面內模態，主要是盤面在面內振動，42、50、55為面外模態，表現為制動盤盤面周向振動。
對上述模態分析的結果進行數據分析發現，在頻率為6kHz，9kHz，11kHz以及12.5kHz時系統可能會發生模態耦合，分別為支架、剎車片與制動盤的耦合，剎車片與制動盤的耦合，以及鉗體與制動盤的耦合。但由于實際情況中，鉗體與制動盤互不接觸，相距較遠，因此即便出現模態耦合也不會產生噪聲，因此推測可能發生噪聲的頻率為6kHz，9kHz以及11kHz。
對于上述分析所得出結論是否正確，還需進行噪聲臺架試驗，在進一步臺架驗證之前，由于剎車片摩擦材料成分復雜，為驗證此模型模態分析結果的準確性，進行了LMS錘擊（Impacting）實驗以及激光測振儀（Laser Vibrometer）實驗進行交叉對比，實驗所得模態振型和模態頻率[9-10]。
表3 剎車片仿真頻率與實驗頻率比較
Tab.3 Comparison Between Simulation Frequency and Experimental Frequency
從實驗結果看，激光測振儀所測得剎車片振型與模型有限元仿真分析所得結果一致，且同F.R.F所測得固有頻率相比較，誤差范圍基本在5%內，因此仿真得到的模態參數結果準確，可以用來分析與研究。
5
盤式制動器NVH臺架試驗和優化
為了驗證模態分析所得出結論的正確性，進行NVH臺架試驗，實驗所采用設備為美國l
ink3900型噪聲慣性測試臺，其具有雙層艙體結構，能夠有效模擬車輛在車輛運行過程中的環境噪聲，且能夠模擬零下（40～60）℃環境。實驗過程中對制動盤溫度，剎車片摩擦系數，制動尖叫聲壓級等數據進行采集，實驗按照SAEJ2521實驗流程進行，麥克風拾取分貝超過70dB的噪聲點，設備頻帶寬（500～20）kHz，分辨率 25Hz，因此實驗條件滿足。實驗參數，如圖10所示。將實驗用的制動器置于臺架進行實驗。
圖10 實驗參數
Fig.10 Experiment Setting
SAEJ2521實驗流程共包括拖曳實驗、減速實驗、摩擦材料特性、冷噪聲及熱褪變恢復等31個實驗環節，共計2321次制動實驗。使用全懸架模型進行實驗時，臺架頻率測量范圍為（0.9-17）kHz，未使用全懸架則測量范圍為（2-17）kHz，實驗采用全懸架臺架。實驗結果可知，制動器尖叫發生在6kHz，9kHz，12.5kHz.且聲壓級較高，制動尖叫發生時多處于冷態狀態，溫度為0℃左右。這說明仿真分析所預測的結果是正確的，基于逆向工程技術所建立的模型是準確的，此方法能夠有效避免建模誤差所帶來的分析誤差。
6
盤式制動器NVH性能優化
由前面分析可知，系統發生模態耦合時主要有剎車片、制動盤以及卡鉗支架等模態參與，而剎車片作為與制動盤和支架同時接觸的部件，是制動器部件耦合的媒介，其阻尼特性的改變將直接影響汽車制動噪聲表現[11]。因此，利用剎車片材料特性和形狀的改變來提高制動器NVH性能的思路是有效可行。
前面提到，改變剎車片中粘彈性成分比例可以降低制動噪聲的發生，因此對剎車片三層結構中的底料層的粘彈性材料成分含量進行更改，在保持其他材料含量不變的基礎上提高酚醛樹脂成分比例，同時減小增強鋼纖維含量比例，從而改變損耗因子，進而改變剎車片模態頻率與振幅，但同時仍能保持同樣的制動強度。更改前后的材料特性，如表4所示。將新制的剎車片再次重復以上仿真分析和臺架試驗，由于篇幅限制，此處仿真分析結果不在列出，NVH臺架試驗結果，如圖11所示。
表4 更改前后剎車片底料材料特性
Tab.4 Brake Pad Under Layer Characteristic After Modification
改變前 泊松比 密度（g/cm3） 楊氏模量（GPa）0.35 2.62 3.35改變后 泊松比 密度（g/cm3） 楊氏模量（GPa）0.36 2.58 3.15
圖11 Dyno臺架實驗結果
Fig.11 Dyno Bench Test Result
從實驗結果看，高頻制動噪聲得到有效的解決和抑制，這說明改變剎車片阻尼特性是能夠有效影響
盤式制動器尖叫。但由于仍存在6kHz高聲壓級噪聲，因此NVH性能還需進一步優化，通過與仿真分析對比發現，6kHz為剎車片固有頻率，因此可以通過改變剎車片形狀的方法實現固有頻率的改變。對剎車片仿真分析得出的振型進行分析，在剎車片內外片兩側設計不對稱倒角，從而改變剎車片固有頻率及振型，將其從模態耦合中解耦。實驗結果證明，這種方法是可行且有效的。
7 結論
對盤式制動器各部件仿真分析和NVH臺架試驗結果表明：采用逆向工程所建立的三維模型的方法能為后續有限元模態分析提供準確的模型數據，因此各部件模態分析所得的模態參數結果較為準確、可靠，誤差小，并根據各部件實模態分析結果，能夠準確地推測出汽車制動噪聲的發生以及與各子結構模態的關系，為后續噪聲優化提供理論依據，從而減小對系統總成進行復模態分析預測制動噪聲及臺架試驗等工作所耗費的大量時間，有效縮短產品研發設計周期。在制動器NVH性能優化方面，所提出的三層結構剎車片方案，不僅能夠滿足正常制動強度要求，而且具有更有的阻尼特性，高阻尼的剎車片能夠消耗振動能量，減小制動噪聲的產生。研究表明，改變剎車片底料粘彈性成分比例的優化方法，能夠有效抑制高頻噪聲，而改變剎車片形狀參數的方法，能夠避免剎車片與制動盤發生耦合共振，從而避免汽車制動尖叫的發生。
參考文獻
［1］管迪華，宿新東.利用子結構動態特性優化設計抑制制動器尖叫［J］.汽車工程，2003，25（2）：167-170.（Guan Di-hua，Su Xin-dong.Reduction of Brake Squeal Using Substructure Dynamic Characteristics Optimization［J］.Automotive Engineering，2003，25（2）：167-170.）
［2］賈宏禹.材料的粘彈性對摩擦片振動與制動噪聲的影響研究［D］.武漢：武漢理工大學，2003.（Jia Hong-yu.Research on the Effects of Visco-elasticity of Material on Brake-shoe's Vibratio
nand Braking Noise［D］.WuHan：Wuhan University of Technology，2003.）
［3］鄭剛，謝方偉.
盤式制動器關鍵零部件模態分析［J］.機械設計與制造，2013（2）：172-176.（Zheng Gang，Xie Fang-wei.Modal Analysis of the Key Parts in a Disc Brake［J］.Machinery Design&Manufacturing，2013（2）：172-176.）
［4］張揚，張力.新型復合材料盤式剎車片的模態研究［J］.機械設計與制造，2012（12）：109-110.（Zhang Yang，Zhang Li.Modal Study on Disc Brake Pad of New Style Composite Frictio
nal Material［J］.Machinery Design&Manufacturing，2012（12）：109-110.）
［5］葛如海，史定紅.摩擦材料配方中粘彈性成分對其阻尼特性的影響研究［J］.汽車工程，2008（30）7：609-612.（Ge Ru-hai，Shi Ding-hong.A Research on the Effects of Viscoelastic Ingredients in Friction Material Formulation on the Damping Characteristicsof Brake Pad［J］.Automotive Engineering，2008（30）7：609-612.）
［6］劉鵬鑫.基于光學掃描和測量數據的模型重建關鍵技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.（Liu Peng-xin.Researchon Key Technology in Model Reco
nstruction from Optical Scanning and CMM Data［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2010.）
［7］Mario TrichesJunior，Samir N.Y.Gerges.Analysis of Brake Squeal Noise Usingthe Finite Element Method：AParametric Study［J］.Applied Acoustics，2008，69（1）：147-162.
［8］Jaeyoung Kang.Finite Element Modelingfor the Investigation of In-plane Modes and Damping Shims in Disc Brake Squeal［J］.Journal of Sound and Vibration，2012，331（2）：2190-2202.
［9］The SAE Dynamometer Test Code Committee.Disk Brake Dynamometer Squeal Noise Matrix.SAE J2521［S］.USA：SAE，2013.
［10］羅明軍，王文林.汽車
盤式制動器制動尖叫的分析［J］.南昌大學學報.2009，31（1）：72-74.（Luo Ming-jun，Wang Wen-lin.Brake Squeal Analysis on Disc Brake Squeal［J］.Journal of Nanchang University，2009，31（1）：72-74.
［11］ITT Friction Co.Ltd.Noise Vibration Harshness&Disc Thickness Variation/Judder.
ITTBOOK［S］.Italy：ITT，2000.）
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.ba
sed on 3D scan technology，point cloud data of brake system compo
nents 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 selec
ted，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 compo
nents 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
中圖分類號：TH16
文獻標識碼：A
文章編號：1001-3997（2017）12-0094-04
來稿日期：2017-06-18
基金項目：國家自然基金項目（51375212）；江蘇省道路載運工具應用新技術重點實驗室開放基金（201509）
作者簡介：潘公宇，（1965-），男，江蘇鎮江人，博士研究生，教授，碩士生導師，主要研究方向：汽車系統動力學、汽車振動與噪聲姜中望，（1991-），男，江蘇灌南人，碩士研究生，主要研究方向：汽車NVH特性
