鼓式制动器的噪声原因及模态分析

王飞

摘 要：由鼓式制动器关键部件的实际工况，对鼓式制动器的制动底板、制动蹄等构件实现了对应的模态分析，分别抽选了后八阶的模态并归纳了对应的振型情况，由振型图和总结的分析列表，得到了鼓式制动器主要零部件的模态分析结果与达到固有频率的共振评价，为鼓式制动器设计阶段的结构强度分析提供了一定的侧面参考，具有实际的工程意义。

关键词：制动器 噪声 模态分析

1 鼓式制动器的噪声原因分析

鼓式制动器噪声来源于结构的共振，而这些结构的共振是由于鼓式制动器摩擦引起的自激振动导致的。结构共振的产生触发了制动器与空气介质振动从而产生了向外部辐射的疏密波，最后产生了制动尖叫噪音。一般研究认为鼓式制动器的噪声是因为由摩擦导致的振动致使制动蹄与制动鼓相应发生振动，同时引发了制动底板的振动。分析鼓式制动器的噪声原因，就是分析噪声与振动之间的联系问题。

由S.Yang、Fosberry等研究制动器中制动鼓的噪声来源为振动，还发现了阻尼减振和增加制动器制动鼓刚度同时降低制动蹄刚度的方法来减少整个制动系统的噪声。Gieck研究显示制动器制动底板与制动蹄在整个制动系统发出噪声的同时伴随有相应的振动。英国南安普敦大学声和振动研究所（ISVR）研究得出的推论是：振动表面辐射噪声的声功率正比于振动表面法向速度均方值。数学表达式如下：

W（f）=σ（f）*ρc*<ν2>*<S>

式中：W（f）：表面辐射声功率（Sound Power）

σ（f）：聲辐射率（Sound Radiation Efficiency）

ρ：空气密度（Density of Air）

c：声速（Speed of Sound）

ρc：辐射声阻（Radiation Sound Resistance）

<ν2>：振动表面法向速度均方值空间平均（Space Average of the Mean-Square Normal Surface Velocity）

<s>：振动体表面积（Area of Vibrating Surface）

2 模态分析介绍

因为机械振动与机械噪声现象会导致机械构件的磨损现象的加剧，影响整个系统振动、噪声以及平顺性的表现，造成机械构件整体性能的不稳定性，严重情况下甚至会影响使用安全性。模态分析是分析构件结构疲劳耐久的侧面凭证，属于有限元分析在结构强度分析中的侧面应用。所以，对鼓式制动器关键部件的有限元模态分析处理迫在眉睫。

模态分析实质上就是变相求特征值与特征向量的过程，特征值即为相关构件振动的某些基本振型相对应的频率。在具体试验中，某些情况下要绕开这些基本频率，阻止共振情况的发生，而有时又要激发振动，加强共振的现象。从实际应用的价值上来看，振型从各阶振态的形状上能够获得在某个自由共振频率下，构件的变形总趋势。如果要加强构件的刚性，可以从低频也就是振动较弱的部分来加强。假设经过模态分析后得出，最低频的振态是处于整个构件的扭转方向，那么证明这个方向的刚度是首先要加强的部位。通过对鼓式制动关键部件进行自由模态的有限元分析，输出各阶模态下鼓式制动关键部件的结构变形方式以及对应的共振安全评价，为制动器安全设计提供一定的侧面参考。

3 鼓式制动器的模态分析

3.1 0527前制动底板模态分析

对0527前制动底板设置14阶扩展模态，取后8阶模态振型分析，见图1。

综合八阶模态频率与振型，模态分析结果如下表1所示。

模态分析取后8阶模态，通过振型图以及对应分析列表可以分析：对于该分析对象，在固有频率下，允许的最大位移尺寸低于其实际振幅，由此引起的后果是构件的损坏，因此，在该结构的实际生产中应该有效避免共振现象的出现，从而避免破坏。

3.2 470/510后制动蹄模态分析

对470/510后制动蹄设置14阶扩展模态，取后8阶模态振型分析，见图2。

综合八阶模态频率与振型，模态分析结果如下表2所示。

模态分析取后8阶模态，通过振型图以及对应分析列表可以分析：对于该分析对象，在固有频率下，允许的最大位移尺寸低于其实际振幅，由此引起的后果是构件的损坏，因此，在该结构的实际生产中应该有效避免共振现象的出现，从而避免破坏。

3.3 0523前制动蹄模态分析

对0523前制动蹄设置14阶扩展模态，取后8阶模态振型分析，见图3。

综合八阶模态频率与振型，模态分析结果如下表3所示。

模态分析取后8阶模态，通过振型图以及对应分析列表可以分析：对于该分析对象，在固有频率下，允许的最大位移尺寸低于其实际振幅，由此引起的后果是构件的损坏，因此，在该结构的实际生产中应该有效避免共振现象的出现，从而避免破坏。

4 总结

通过对鼓式制动器关键部件前、后制动蹄和制动底板等进行了有限元模态分析处理，分别提取了模态分析的后八阶模态振型，由此获得了鼓式制动器关键部件的固有频率下疲劳易损情况，为避免共振保护零部件寿命做出了客观评价。

基金项目：本文系江苏联合职业技术学院2020立项重点课题（课题编号A/ 2020 /10/ 005）——三全育人视角下《汽车维护与保养》“课程思政”教学设计研究之阶段研究成果。

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