盤式制動器新型消音片設(shè)計

牛彩云　李建松　曾清德

摘 要：多數(shù)盤式制動器，制動時會發(fā)出讓人不舒服的刺耳響聲，特別在涉水之后更甚。本設(shè)計將改變消音片構(gòu)造，通過試驗(yàn)選定材料附在剎車片背面。并利用三維仿真軟件制作出制動塊模型，對其不同厚度的的消音片減振效果進(jìn)行有限元模態(tài)分析，而后對三個不同設(shè)計接觸面的消音片比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出最優(yōu)選方案。

關(guān)鍵詞：盤式制動片；消音片構(gòu)造；阻尼材料；減振降噪；優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.011

0 研究背景

今天汽車工業(yè)的快速的發(fā)展，給我們的現(xiàn)代生活帶來了便利，另一方面，它給我們帶來了很多傷害。其中，噪音污染是現(xiàn)代城市生活中最重要的公害之一。據(jù)統(tǒng)計，在都市里的噪聲中，交通工具產(chǎn)生的噪聲就占有其中的三分之一，汽車產(chǎn)生的噪聲則又其中的五分之四。現(xiàn)今噪音被確認(rèn)是首要的污染之一，人們越來越重視噪音對人體的危害。

1 汽車消音片簡述

減少盤式制動器噪聲的措施之一是安裝阻尼材料，以吸收剎車塊的非制動一側(cè)的振動和噪音。大多數(shù)的消音片合適于附有金屬底層的基體，或是在上邊涂上橡膠的涂層，因?yàn)橄鹉z模量比較小，所以不能直接用作為工程材料，金屬基體通常是冷軋薄板和薄鋼板。之所以粘彈性材料不可以單獨(dú)用作制動體系中的材料，是因?yàn)檎硰椥宰枘岵牧系膹椥阅Ａ亢苄。渥冏枇σ埠懿?，它一般都是與金屬組合成新結(jié)構(gòu)的阻尼材料才有作用，消音片亦是如此，通過它們組合出的新結(jié)構(gòu)層數(shù)，可劃分為自由阻尼加工結(jié)構(gòu)還有約束阻尼加工結(jié)構(gòu)兩種。

從圖1可以看出結(jié)構(gòu)a中是用兩層較薄的橡膠阻尼層與一層較厚的金屬層相結(jié)合的，兩層橡膠阻尼層覆蓋著金屬層，當(dāng)有機(jī)械振動傳遞時，橡膠阻尼層會產(chǎn)生形變，但又由于粘性作用存在，機(jī)械振動能會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳ⅰ６鴪D中結(jié)構(gòu)b則有三種材料組合而成，一層金屬層、一層橡膠阻尼層與一層約束層。當(dāng)有機(jī)械振動傳遞時，橡膠阻尼層同樣會發(fā)生形變，而后約束層制約了阻尼層的形變，這樣也可以大大提高能量耗散效果。

2 理論計算模型與參數(shù)化設(shè)計

2.1 消音片工作原理

在系統(tǒng)內(nèi)的能量之所以降低，阻尼振動不全是因?yàn)椤白枇Α痹斐傻?，在機(jī)械振動方面，一個是由于摩擦熱產(chǎn)生，摩擦?xí)a(chǎn)生熱，熱量又會在空氣中傳遞消散，這就是讓機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為熱能，這樣的阻尼體系就是摩擦阻尼。另一個是體系中的能量引起身邊粒子的振動，讓能量從粒子中傳遞后逐漸消散，也就是所謂的輻射阻尼。阻尼是指一種可以自由振動的固體，就算它的力學(xué)性質(zhì)與外界全部隔離，也可轉(zhuǎn)化為熱能。從應(yīng)用技術(shù)的角度出發(fā)，從能量耗散、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，從宏觀層面出發(fā)，從能量耗散的角度出發(fā)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為能量耗散，進(jìn)而形成體系阻尼效應(yīng)，適當(dāng)?shù)脑黾幼枘崾菧p少振動共振反應(yīng)最達(dá)標(biāo)最有效的方法。振動能量變出成熱消散，這就是阻尼效應(yīng)，從而抑制結(jié)構(gòu)振動，達(dá)到減少噪聲的目的。汽車盤式制動器的設(shè)計是通過阻尼效果來減少噪音。

3 消音片結(jié)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)

3.1 使用ANSYS軟件求解不同厚度消音片的位移變量

使用UG軟件構(gòu)建好制動塊結(jié)構(gòu)，然后使用ANSYS軟件導(dǎo)入制動塊模型，采用ANSYS結(jié)構(gòu)仿真處理，計算模態(tài)數(shù)據(jù)。步驟如下：首先建立好網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其次給制動塊模型指派材料，然后定義支撐在制動塊背部，也就是在消音片處，最后求解物理場中的位移變量獲得以下數(shù)據(jù)。制動塊網(wǎng)格如下圖2所示。

（1）采用0.8毫米的消音片計算模態(tài)位移變量如圖3。計算結(jié)果為小面積出現(xiàn)位移變量，最高變量值為11 223.4毫米。

（2）采用1.0毫米的消音片計算模態(tài)位移變量見圖4。計算結(jié)果為大面積出現(xiàn)位移變量，最高變量值為5523.0毫米。

（3）采用1.2毫米的消音片計算模態(tài)位移變量如圖5。計算結(jié)果為小面積出現(xiàn)位移變量，最高變量值為818.1毫米。

（4）采用1.4毫米的消音片計算模態(tài)位移變量如圖6。計算結(jié)果為大面積出現(xiàn)位移變量，最高變量值為130.3毫米。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，安裝0.8毫米厚度消音片的制動塊變量面積較大，而且最高變量值達(dá)到11 223.4毫米。而安裝1.0毫米厚度消音片的制動塊變量面積較小，最高變量值只為前者的一半，也就是5523.0毫米。安裝1.2毫米厚度消音片的制動塊，變量面積極小，最高變量值也只有818.1毫米。安裝1.4毫米厚度消音片的制動塊，變量面積最大，最高變量值為130.3毫米。

也就是說，無限增大消音片厚度是不可取的，雖然變量值有所減小，但是變量面積也在隨之增大，厚度太小的消音片，又會引起巨大的變量值，從結(jié)果分析，安裝1.2毫米厚度的消音片效果最佳。

3.2 使用ANSYS軟件求解不同結(jié)構(gòu)消音片的模態(tài)形變模量

從改變消音片構(gòu)造來解決制動時振動傳遞所造成的噪聲，首先暫時不考慮制作工藝的成本，在此前提下，設(shè)計三個消音片結(jié)構(gòu)并計算是否能有效減少振動與降低噪音。在初步設(shè)想里，想同時解決遇水退水的情況，所以把消音片結(jié)構(gòu)設(shè)計成三種樣式的規(guī)則波面，設(shè)計思路為是：規(guī)則型波面與往常的平面不同，與制動卡鉗的接觸面會有一定的空隙，在遇水之后，這些空隙會加速水份的流失，增加空氣的流入，這樣就可以增強(qiáng)一定的退水能力，并且空氣的流入也可帶走一部分的熱量，也就是說在增強(qiáng)退水功能的同時也一并增強(qiáng)了散熱性能。

（1）首先是第一個設(shè)想的制動塊消音片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖7。

該設(shè)計是將原本平面的消音片制作成不為平面的矩形矩陣排列的樣式，每個矩形面都為1平方毫米，每個長方體相互之間的間隔為1毫米。設(shè)計完成后再次計算模態(tài)形變模量。結(jié)果如圖8所示。

從圖中可知設(shè)計的制動塊最高位移形變量只有122.0毫米

（2）接著是第二個設(shè)想的制動塊消音片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖9。

該設(shè)計是將原本平面的消音片制作成不為平面的半圓形矩陣排列的樣式，每個半圓形面積都為6.28平方毫米，每個半圓柱體相互之間的間隔為2毫米。設(shè)計完成后再次計算模態(tài)形變模量。結(jié)果如圖10所示。

從圖中可知設(shè)計的制動塊最高位移形變量只有130.6毫米，與方案一的形變量相差不大。

（3）最后是第三個設(shè)想的制動塊消音片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖11。

該設(shè)計是將原本平面的消音片制作成不為平面的半圓形矩陣排列的樣式，每個半圓形都為6.28平方毫米，每個半圓柱體相互之間的無間隔。設(shè)計完成后再次計算模態(tài)形變模量。結(jié)果如圖12所示。

從圖中可知設(shè)計的制動塊最高位移形變量有583.5毫米，比前兩個方案都要高，但是位移變量面積極小。

由以上數(shù)據(jù)可知，三個設(shè)計方案中，第一個方案設(shè)計的位移最高變量最小，第三個方案設(shè)計的位移變量面積最小，而第二個兩個數(shù)據(jù)都處于中等水平，則說明三個設(shè)計各有優(yōu)處，在選用上則需要具體計算使用車輛的數(shù)據(jù)。