基于激光测振仪和有限元分析解决制动噪音

张兴林

（上海大陆汽车制动系统销售有限公司研发中心，上海 201821）

前言

盘式制动器以其优异的性能，在汽车上得到了广泛的应用。但是偶尔出现的汽车制动噪音问题也引起了广泛关注。制动噪音不仅损害驾乘人员的身心健康，还会在售后市场中出现抱怨从而降低汽车产品的竞争力。制动噪音是非常复杂的问题，制动器在工作过程中出现制动噪音往往是由很多因素叠加造成的，并不能简单的说出现噪音就是摩擦片的原因，或者某个部件的原因。实践表明，相同的制动器产品用在A车上没有制动噪音，而用在B 车上反而有一点噪音，因此，解决制动噪音必须将制动器及其有关部件作为一个整体系统来考虑[1]。

罗明军等[2]通过振动测试方法对盘式制动器进行了振动噪声测试，获得了制动器及其主要部件的振动和噪声信号，对产品结构设计提供了依据。Antti［3］根据对制动尖叫信号间歇性特征的分析，认为主要由于制动盘不平度、支架刚度等因素的影响，使得制动盘/摩擦片之间的摩擦力动态变化，触发系统振动而产生尖叫。卓继志等[4]在参考了大量国内外的文献资料基础上,总结了盘式制动器发生振动噪声的机理,分析了振动噪声的振动模型, 阐述了制动振动与噪声的理论分析方法以及试验方法,并提出了如何寻找解决该问题的最佳方法和解决该问题的最终目标。李小珊等[5]通过有限元模型进行负模态分析，得出系统摩擦系数、摩擦块的弹性模量、制动盘刚度对制动尖叫噪声有重要影响。

本文针对某轿车盘式制动器的倒车制动噪声问题进行了深入分析和研究，利用Polytec 激光测振仪捕捉采集了制动器在特定工况下产生制动噪音的振型，并利用振动形态指出可以增加质量的位置，然后利用有限元分析得出了增加质量的大小，最后利用台架对最终样件进行了验证，证明了解决方案的有效性。

1 倒车制动噪音分析

1.1 问题描述

根据主机厂在路试中的反馈，某桥车前轴盘式制动器在倒车工况下出现制动噪音，频率在2200Hz 左右，需要针对这一问题对产品进行优化。

1.2 台架复现

将抱怨样件在HORIBA Giant 8600 惯量试验台上进行Continental TEVES ATE 噪音搜索程序（包含3 轮GSP 程序），试验结果可以复现出倒车噪音，如图1 所示，为了进一步验证复现结果的稳定性，增加重复程序中的循环数量到8 轮GSP 程序，可以看出倒车制动噪音会稳定出现，见图2，噪音工况可以通过台架证实，为后续优化提供了试验保证。

图1 运行3 轮GSP 程序后的噪音结果

图2 运行8 轮GSP 程序后的噪音结果

2 倒车制动噪音的优化改进

2.1 优化改进的流程

当制动器出现制动噪音时则需要进行产品的优化改进，根据经验首先会从摩擦片的形状优化和选择不同消音片的类型开始，如果上述两个方法无法解决，则需要对产品的形状进行优化，详细的优化流程图见图3。流程图中“原因分析*”一栏不在本文的具体讨论范围之内。

2.2 Polytec 激光测振仪的应用

2.2.1 Polytec 激光测振仪简介

本文采用的是德国Polytec GmbH 公司的PSV-500-3D 三维扫描式激光测振仪，利用激光多普勒干涉技术测量振动。Polytec 扫描式测振仪的基本构成有：光学部分（扫描头），电子部分（前端）和控制部分（数据管理系统）。扫描头内部包含高精度干涉仪、一对将激光束偏转到需要测试的位置高速摇摆镜和用于可视化测量的高清彩色摄像机。扫描头内还可包含形貌扫描单元和优化耦合（增强激光稳定性）。

激光干涉仪将一束激光投射到测量目标表面上，通过收集散射回的微弱激光，利用多普勒效应，经干涉产生一个正比于测量目标表面速度的频移信号。通过使用从不同角度入射在探测表面上的三个激光振动计，解决振动的x，y 和z分量。信号处理器将频移信号解调转换为振动速度、位移等信号，实现物体表面振动的非接触精密测量，测量精度可达到纳米级。在产品研究和开发过程中，Polytec 的 3D 扫描式激光测振仪 (PSV-3D) 能可靠、精确地完成振动测量任务。振型和本征模式检测有助于解决从 NVH、声学和结构动力学到超声波分析、FEM 验证和无损测试的一切问题。

图3 制动器优化改进流程图

2.2.2 Polytec 激光测振仪在台架上的应用

要获取到制动器在噪音发生时的各个部件的振动形态，就需要Polytec 激光测振仪在台架上复现出噪声时根据有限元提供的坐标点进行振型的扫描和数据采集，并最终根据采集的数据生成振动图像。Polytec 激光测振仪在噪音台架上应用的示例见图4，因为激光测振仪所处位置相对于制动器的位置是其正面，为了能够捕捉到制动器侧面（浮动钳的拳侧），需要加装特制的镜面来进行辅助，镜子的安装见图5。

图4 激光测振仪在噪音台架上的应用

图5 辅助镜面的安装

图6 激发门单元设置对应的噪音频率

安装完成后参照ODS (Operation Deflection Shape)试验操作流程，在Polytec 控制软件中分别建立2D 校准(建立扫描平面)和3D 校准(根据车辆实际坐标，建立三维扫描坐标系)，完成测振仪对测试制动器的扫描条件，然后导入有限元中定义的测量点（这里也可以自定义测量点，但是为了后期与有限元分析的对比以及为有限元提供真实振型，选择导入有限元提供的定义点），在前面定义完成的校准条件下对导入的有限元测试点进行扫描，并修正扫描质量不佳的点，这些准备工作完成后，为激光测振仪连接并设置自动扫描的激发门单元，将激发频率设为噪音对应的频率2.2kHz，如图6 所示。

上述工作全部完成后，在台架上复现噪音出现的条件，比如特定制动压力，制动盘温度，转速等，当噪音稳定复现后，激发门单元通过麦克风采集到噪音，若噪音频率与设置的激发频率一致，则控制Polytec 激光测振仪扫描噪音出现时制动器上定义的测量点的振动情况，并生成可以导入有限元的文件。

2.3 有限元分析的应用

2.3.1 有限元模型构建及MCA 值匹配

在有限元软件中建立噪音分析模型，如图7 所示，结合ODS 试验获得的噪音工况下振动形态，并在实际噪音频率附近比对有限元分析获得的振型数据与实际台架试验获得数据，即MCA 值匹配，大量实际分析经验表明，MCA 值大于60%时，才可以认为此时的分析模型与实际试验样件有可匹配性，后续优化分析可以继续使用此模型，否则有限元模型与实际测试样件的振型差异过大，不能反应实际。分析各个部件以及整体MCA 值在频率范围内的分布如图8 所示，可以看出此时模型在2200Hz 附近整体匹配度为70.6%，满足经验要求。

图7 有限元噪音分析模型

图8 有限元分析与ODS 试验的MCA 值

2.3.2 双态分叉点计算及对策方案的提出

基于上述模型，在噪音频率附近找到耦合的模态，如图9 所示，可以看出这两阶模态在摩擦系数为0.63 时会产生耦合，即双态分叉点为0.63，解决方案的方向就是将这两阶模态尽可能的拉开，并使得双态分叉点尽可能的大（越大表明实际情况下更不可能出现），通过对比两阶模态的振型，可以看出壳体和支架振动形态都比较大，但是支架振动位移较大的区域已经因为其他原因增加了优化质量，再进一步优化的空间受限，所以转向优化壳体上振动位移较大的区域，通过振型图比较，发现壳体在导向销缓冲套筒安装孔位置振动位移较大，且有增加质量的空间。在基础模型的基础上，在导向销孔位置增加不同质量的质量块，如图10 所示，然后进行双态分岔点计算，从结果中可以看出，CMT028（质量+146g）和CMT0287（质量+192g）在模拟压力3bar-30bar 时，双态分岔点都接近1，抑制效果相当，但是从减重的角度考虑，选择CMT028 模型为优化后的方案，并根据此模型在现有样件的基础上更新手工件，增加两个质量块的大小和尺寸来自有限元的推荐值，长38mm，横截面为14.8mm×18mm，如图11 所示。

图9 噪音频率附近的双态分叉点计算

图10 不同质量块的方案

图11 最终优化方案质量块位置和尺寸

3 解决方案的验证

图12 根据优化方案改制的手工件

根据有限元提供的优化方案以及本文中提及的优化流程，改制出对应的手工件，如图12，用此件进行台架验证，试验程序为SAE J2521 带可选冷态和衰退部分，试验结果非 常好，倒车制动噪音完全消失，台架结果见图13。后续完成了工装件的台架验证以及实车验证，结果都非常好，消除了初始存在的2200Hz 的倒车制动噪音，验证了本文方法的有效性。

图13 优化样件的台架试验结果

4 结论

本文以实际工作中某轿车盘式制动器的倒车制动噪声为研究课题，对问题进行了深入分析和研究，详细阐述了如何利用Polytec 激光测振仪捕捉采集了制动器在特定工况下产生制动噪音的振型，并利用振动形态结合有限元分析找出可以增加质量块的位置，然后利用有限元分析得出了增加质量的大小，最后利用台架和实车对最终样件进行了验证，证明了解决方案的有效性，为解决类似问题提供了有价值的方法参考。