微型汽车制动噪声的分析与优化

【摘 要】汽车在制动过程中，会产生振动，并伴有噪声，如若振动频率接近制动鼓的固有频率，则会引起共振，运用有限元法对汽车制动鼓进行模态分析计算，得出各阶固有频率，在此基础上，采用更换材料，更改结构厚度，添加质量块等方法，优化结构。再重新计算，使制动鼓的各阶固有频率避开道路的噪声频率，防止共振对结构造成损伤。结果表明，更改结构后，能有效防止共振及噪声。

【关键词】有限元；制动鼓；共振；噪声

引言

汽车制动器是制动系统的主要装置之一，分为碟式制动与鼓式制动，其中鼓式由于体积小，成本低，制动力大，广泛应用于重型车辆和微车。鼓式制动器在制动过程中会产生振动及噪声，对汽车的安全性是一个潜在威胁，同时影响乘坐者的舒适性。在汽车制动时，由制动系统引起的振动一般分为三种：

（1）低于100Hz的振动为低频抖动，其中10～50Hz的振动与车速有关；

（2）100～1000Hz的振动为中频颤动，其产生缘由是制动蹄片上的摩擦片与制动鼓的相对运动；

（3）高于1000Hz的振动为高频啸叫，影响高频啸叫的主要因素为制动鼓的模态。

调查显示，30%以上的客车存在制动噪声，制动尖叫是最容易出现且最难消除的一种现象，制动尖叫噪声的声压高达110dB，严重影响乘坐者的感受，人们对其关注的也较多。因此有必要对制动鼓进行模态分析，以掌握制动鼓的振动机理，提高制动器的安全性，稳定性以及降低噪声，提高车内乘坐者的舒适性。

有限元分析已经成为机械产品生产优化过程中不可缺少的一个重要环节。与过去经典设计方法相比，有限元拥有能够降低研发生产周期，降低劳动强度，提高结果可信度，提高产品质量等优点。

本文针对某国产微型车的制动鼓进行有限元分析，运用ANSYS workbench 软件辅助计算，对结构进行优化，从而达到改善制动鼓的设计质量的目的。

1.引起制动鼓振动噪声的机理及影响因素

当下关于汽车振动噪声的研究普遍认为噪声的产生与制动系统失稳有关，系统动态失稳引发制动尖叫，而自激振动引发系统动态失稳。

诱发制动尖叫的因素主要有以下几点：

（1）摩擦副之间的特性：对于相同的制动蹄片，若与材料为HT200的制动鼓配合产生的噪声和与材料为合金的制动鼓相配合所产生的效果大不相同。

（2）结构特性：对于一般的制动系统，鼓式制动器产生噪声的几率远远高于盘式制动器。

（3）工况特性：在制动末期，即车辆低速及临近停车时，往往易产生制动噪声。

（4）环境特性：潮湿环境以及冷车状态下，易出现制动噪声。

2.有限元振动方程

4.制动鼓建模

建模分为两部分：1，几何模型的建立；2，对几何模型进行有限元的网格划分。在考虑模型尺寸及节省计算空间的前提下，适当忽略倒角、圆角等次要特征，对制动鼓模型进行划分网格。模型中包含节点22519个，单元数42523个。

根据Lanczos算法求解，得出如表1。

由表1易得：1阶、2阶频率接近，3阶、4阶频率接近，6阶、7阶频率接近。

根据以往对于汽车振动与噪声的研究，汽车在道路行驶时产生的噪声频率为500Hz～1000Hz，其中主要集中在800Hz左右，而计算得其中5阶固有频率为840.02Hz，与汽车的噪声频率很接近，故需更改制动鼓参数，以避开800Hz的噪声频率。

若采用更改模型的材料，则可更改弹性模量，以及采用更改模型的壁厚，添加表面质量块等方法，提高制动鼓的固有频率，则可避开800Hz的噪声频率。

更改参数后，对制动鼓重新进行分析计算，各阶次固有频率如表2。

5.结论

（1）基于实际的使用性能要求，在运用有限元软件ANSYS workbench 进行辅助分析，计算出制动鼓各阶次固有频率。

（2）在对制动鼓进行优化后，重新计算，使制动鼓避开800Hz道路噪声频率，防止共振对结构造成破坏，降低汽车制动时的噪声。

（3）为制动鼓的研究与改进提供了一种可行的思路。

参考文献：

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作者简介：

莫易敏，男（1960年-）武汉理工大学机电工程学院，博士生导师。

常舟，男（1990年-）武汉理工大学机电工程学院，硕士研究生。

巫邵宁，男（1984年-）上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，工程师。