基于虛擬樣機(jī)技術(shù)剖析轎車盤式制動器制動尖叫問題及優(yōu)化策略一、引言1.1研究背景與意義隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡慕煌üぞ摺Ｔ谧非笃嚫咝阅?、舒適性和安全性的同時，汽車噪聲問題日益受到關(guān)注。制動噪聲作為汽車噪聲的重要組成部分，不僅影響駕乘體驗(yàn)，還可能對環(huán)境造成污染，甚至引發(fā)交通安全隱患。盤式制動器以其散熱性好、制動效能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代轎車中得到廣泛應(yīng)用。然而，盤式制動器在制動過程中產(chǎn)生的尖叫問題，成為制約其性能提升和用戶滿意度的關(guān)鍵因素。制動尖叫是一種高頻噪聲，頻率通常在1kHz至16kHz之間，其產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，涉及摩擦、振動、熱效應(yīng)以及系統(tǒng)動力學(xué)等多個領(lǐng)域的相互作用。制動器內(nèi)部各部件之間的復(fù)雜接觸、摩擦過程，會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生非線性振動，當(dāng)振動頻率與系統(tǒng)的固有頻率耦合時，便可能引發(fā)尖叫。例如，制動片與制動盤之間的摩擦系數(shù)不穩(wěn)定，會導(dǎo)致摩擦力的波動，進(jìn)而激發(fā)振動。此外，制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料特性、裝配工藝以及使用工況等多種因素，也會對制動尖叫的發(fā)生產(chǎn)生顯著影響。傳統(tǒng)的研究方法，如試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬，雖然在一定程度上能夠揭示制動尖叫的部分特性，但存在諸多局限性。試驗(yàn)方法需要耗費(fèi)大量的時間、人力和物力，且受到試驗(yàn)條件的限制，難以全面研究各種因素對制動尖叫的影響。數(shù)值模擬方法則對模型的準(zhǔn)確性和計算資源要求較高，模型簡化不當(dāng)可能導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，為盤式制動器制動尖叫的研究提供了新的途徑。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于計算機(jī)仿真的技術(shù)，它能夠在計算機(jī)上建立系統(tǒng)的虛擬模型，模擬系統(tǒng)在各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)，從而對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以快速建立盤式制動器的仿真模型，方便地調(diào)整各種參數(shù)，模擬不同工況下的制動過程，深入研究制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理和影響因素。這不僅能夠節(jié)省研發(fā)成本和時間，還能為制動器的優(yōu)化設(shè)計提供有力的理論支持。因此，開展基于虛擬樣機(jī)的轎車盤式制動器制動尖叫的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論方面來看，有助于深入揭示制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理，豐富和完善制動系統(tǒng)動力學(xué)理論。在實(shí)際應(yīng)用中，通過優(yōu)化制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低制動尖叫的發(fā)生概率，可提高轎車的制動性能和舒適性，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力，對推動汽車行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外對轎車盤式制動器制動尖叫的研究起步較早，經(jīng)過多年的發(fā)展，在理論研究、實(shí)驗(yàn)分析和虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用等方面取得了豐碩的成果。在理論研究方面，學(xué)者們提出了多種制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理。如日本學(xué)者Nishiwaki認(rèn)為制動尖叫是由于制動副間摩擦力作為非保守力引入系統(tǒng)，使系統(tǒng)動能增量大于0所致。Ibrahim則提出4種摩擦振動機(jī)制可能會引起制動摩擦噪聲，分別為粘滑運(yùn)動機(jī)制、自鎖滑動機(jī)制、摩擦力-相對滑動速度關(guān)系的負(fù)斜率機(jī)制和模態(tài)耦合機(jī)制。這些理論為后續(xù)的研究奠定了重要的基礎(chǔ)，但由于制動系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前還沒有一種統(tǒng)一的理論能夠完全解釋制動尖叫的產(chǎn)生。在實(shí)驗(yàn)研究方面，國外建立了多種實(shí)驗(yàn)臺架來模擬實(shí)際制動工況，對制動尖叫進(jìn)行測試和分析。通過測量制動過程中的各種參數(shù)，如制動盤轉(zhuǎn)速、制動壓力、制動扭矩和噪聲信號等，深入研究制動尖叫的產(chǎn)生規(guī)律和影響因素。例如，一些研究通過改變制動片的材料、結(jié)構(gòu)和表面粗糙度，以及制動盤的尺寸、厚度和表面質(zhì)量等參數(shù)，觀察其對制動尖叫的影響。這些實(shí)驗(yàn)研究為理論模型的驗(yàn)證和優(yōu)化提供了有力的支持。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)在制動尖叫研究中得到了廣泛應(yīng)用。國外學(xué)者利用多體動力學(xué)軟件和有限元軟件，建立了盤式制動器的虛擬樣機(jī)模型，對制動過程進(jìn)行仿真分析。通過模擬不同工況下的制動過程，預(yù)測制動尖叫的發(fā)生，并分析各種因素對制動尖叫的影響。例如，運(yùn)用ADAMS和ANSYS軟件聯(lián)合仿真，研究制動盤和制動片的接觸狀態(tài)、摩擦系數(shù)變化以及系統(tǒng)的模態(tài)特性等對制動尖叫的影響。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了研究效率，降低了研發(fā)成本。國內(nèi)對轎車盤式制動器制動尖叫的研究相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。在理論研究方面，國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的實(shí)際情況，開展了深入的研究。通過建立數(shù)學(xué)模型，分析制動系統(tǒng)的動力學(xué)特性，探討制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理。例如，研究人員考慮了制動片與制動盤之間的非線性接觸、摩擦熱效應(yīng)以及系統(tǒng)的阻尼特性等因素，建立了更加準(zhǔn)確的制動尖叫理論模型。實(shí)驗(yàn)研究方面，國內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)也搭建了制動噪聲實(shí)驗(yàn)臺架，開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作。通過實(shí)驗(yàn)，分析制動尖叫的頻率特性、時域特性以及與制動參數(shù)之間的關(guān)系。同時，對不同類型的制動片和制動盤進(jìn)行性能測試，篩選出低噪聲的摩擦材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，一些研究通過對比不同品牌和型號的制動片在相同制動工況下的噪聲表現(xiàn)，為制動片的選擇提供了參考。在虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用方面，國內(nèi)也取得了一定的進(jìn)展。利用三維建模軟件、多體動力學(xué)軟件和有限元軟件，建立了盤式制動器的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了仿真分析。通過優(yōu)化模型參數(shù)，對制動器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以降低制動尖叫的發(fā)生概率。例如，通過改變制動鉗的剛度、制動片的厚度和形狀等參數(shù)，分析其對制動尖叫的影響，從而提出優(yōu)化方案。盡管國內(nèi)外在轎車盤式制動器制動尖叫的研究方面取得了不少成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有理論模型雖然能夠解釋部分制動尖叫現(xiàn)象，但對于復(fù)雜工況下的制動尖叫，還無法準(zhǔn)確預(yù)測和解釋。實(shí)驗(yàn)研究受限于實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備，難以全面研究各種因素對制動尖叫的影響。虛擬樣機(jī)技術(shù)在模型的準(zhǔn)確性和可靠性方面還需要進(jìn)一步提高，尤其是在考慮制動系統(tǒng)的非線性特性和多物理場耦合方面，仍有待完善。此外，不同研究方法之間的協(xié)同和驗(yàn)證還不夠充分，導(dǎo)致研究成果的一致性和可重復(fù)性有待加強(qiáng)。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，深入探究轎車盤式制動器制動尖叫問題，主要研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：建立盤式制動器的虛擬樣機(jī)模型：選取合適的仿真軟件，如三維建模軟件CATIA用于構(gòu)建制動器的三維實(shí)體模型，多體動力學(xué)軟件ADAMS模擬其動力學(xué)行為，有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。建模過程中，充分考慮制動器各部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括制動盤的形狀、尺寸，制動片的厚度、弧度，制動鉗的結(jié)構(gòu)形式等；以及工作原理，如制動時制動片與制動盤的接觸、摩擦過程，制動鉗的夾緊力傳遞等。通過精確建模，實(shí)現(xiàn)對盤式制動器在不同工況下制動過程和尖叫聲的模擬，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。分析盤式制動器制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理：借助虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行模擬計算，深入分析制動過程中各部件的振動特性，如振動頻率、振幅、相位等；以及應(yīng)力應(yīng)變分布，探究尖叫聲的來源。結(jié)合摩擦學(xué)、振動理論和系統(tǒng)動力學(xué)知識，剖析制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理，如摩擦系數(shù)的變化如何引發(fā)系統(tǒng)的非線性振動，不同部件的模態(tài)耦合如何導(dǎo)致尖叫的產(chǎn)生等；并研究其特點(diǎn)，如尖叫頻率與制動工況的關(guān)系，不同制動壓力、車速下尖叫的發(fā)生規(guī)律等。優(yōu)化盤式制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計：基于建立的虛擬樣機(jī)模型，系統(tǒng)研究盤式制動器的形狀、材料、幾何參數(shù)等因素對制動尖叫的影響。例如，改變制動盤的厚度、通風(fēng)孔形狀，分析其對散熱和振動特性的影響；更換制動片材料，研究不同摩擦材料對摩擦系數(shù)和噪聲產(chǎn)生的作用；調(diào)整制動鉗的剛度、安裝位置，探討其對制動性能和尖叫抑制的效果。通過大量的仿真計算，篩選出對制動尖叫影響顯著的因素，并進(jìn)行優(yōu)化組合，提出針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以有效減少尖叫現(xiàn)象。驗(yàn)證虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性：對優(yōu)化后的盤式制動器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建制動噪聲實(shí)驗(yàn)臺架，模擬實(shí)際制動工況，測量制動過程中的噪聲信號、振動參數(shù)以及制動性能指標(biāo)等。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與虛擬樣機(jī)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比，分析兩者之間的差異。若存在偏差，深入分析原因，對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行修正和完善，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，確?；谀Ｐ偷姆治龊蛢?yōu)化結(jié)果能夠真實(shí)反映實(shí)際情況。在研究方法上，本研究采用仿真計算與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式。通過仿真計算，能夠在虛擬環(huán)境中快速、便捷地研究各種因素對制動尖叫的影響，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和方向。實(shí)驗(yàn)研究則能夠驗(yàn)證仿真計算結(jié)果的正確性，彌補(bǔ)仿真模型的不足，獲取真實(shí)的制動尖叫數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。二者相輔相成，從理論和實(shí)踐兩個層面深入剖析盤式制動器的制動尖叫問題，為其優(yōu)化設(shè)計提供全面、可靠的依據(jù)。二、虛擬樣機(jī)技術(shù)與盤式制動器概述2.1虛擬樣機(jī)技術(shù)原理與應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，作為現(xiàn)代工程領(lǐng)域中一項(xiàng)極具變革性的技術(shù)，是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計方法，是各領(lǐng)域CAx/DFx技術(shù)的發(fā)展和延伸。它以計算機(jī)技術(shù)為核心，融合先進(jìn)建模/仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)等多種前沿技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期和全系統(tǒng)的設(shè)計，并對其進(jìn)行綜合管理。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，涉及產(chǎn)品全生命周期，支持對產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計。從技術(shù)原理來看，虛擬樣機(jī)技術(shù)首先需要運(yùn)用CAD（計算機(jī)輔助設(shè)計）、CAE（計算機(jī)輔助工程）等工具進(jìn)行精確的三維建模，構(gòu)建出產(chǎn)品的數(shù)字化模型。該模型涵蓋了產(chǎn)品的幾何形狀、尺寸參數(shù)、材料屬性等多方面信息，是對產(chǎn)品實(shí)體的高度抽象和數(shù)字化表達(dá)。例如，在汽車發(fā)動機(jī)的設(shè)計中，通過CAD軟件可以精確繪制出發(fā)動機(jī)缸體、活塞、曲軸等零部件的三維模型，清晰展現(xiàn)各部件的結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系。接著，利用物理仿真技術(shù)對構(gòu)建好的模型進(jìn)行仿真分析，模擬產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中的各種性能表現(xiàn)，如力學(xué)性能、熱性能、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能等。以航空發(fā)動機(jī)為例，通過CAE軟件進(jìn)行流體力學(xué)仿真，能夠分析發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流的流動情況，評估其燃燒效率和推力性能；進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真，可以預(yù)測發(fā)動機(jī)在高溫、高壓等惡劣工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命，從而驗(yàn)證設(shè)計的合理性。此外，虛擬樣機(jī)技術(shù)還借助云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)交互，使虛擬模型能夠與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行信息交互，獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化模型和設(shè)計方案。虛擬樣機(jī)技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在汽車制造領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)貫穿于汽車設(shè)計、研發(fā)、測試等各個環(huán)節(jié)。汽車制造商利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在計算機(jī)上對整車的動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，如模擬汽車在不同路況下的行駛穩(wěn)定性、操控性以及制動性能等。通過虛擬碰撞試驗(yàn)，能夠提前評估汽車的安全性能，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)和安全配置，減少物理樣機(jī)試驗(yàn)次數(shù)，降低研發(fā)成本和周期。例如，某汽車公司在新型汽車的研發(fā)過程中，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對車輛的動力系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)和車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同仿真優(yōu)化，使新車的研發(fā)周期縮短了20%，研發(fā)成本降低了15%，同時車輛的綜合性能得到顯著提升。在航空航天領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在飛行器設(shè)計階段，通過構(gòu)建虛擬樣機(jī)模型，可以對飛行器的氣動布局、飛行性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行深入分析和優(yōu)化。如在飛機(jī)設(shè)計中，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬飛機(jī)在不同飛行狀態(tài)下的氣動力、力矩特性，優(yōu)化機(jī)翼形狀和機(jī)身結(jié)構(gòu)，提高飛機(jī)的飛行效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。在衛(wèi)星發(fā)射模擬中，虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠預(yù)測衛(wèi)星發(fā)射過程中可能出現(xiàn)的各種問題，提前制定應(yīng)對措施，提高發(fā)射成功率。美國國家航空航天局（NASA）在航天器的研發(fā)過程中，廣泛應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過模擬太空任務(wù)和各種復(fù)雜工況，優(yōu)化航天器的設(shè)計，減少了實(shí)際測試風(fēng)險，降低了研發(fā)成本。在機(jī)械工程領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)可用于產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)、故障分析與預(yù)測以及制造流程優(yōu)化等方面。工程師在計算機(jī)上利用虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬產(chǎn)品設(shè)計，能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能。例如，在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計中，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)床的運(yùn)動部件進(jìn)行動力學(xué)仿真，分析其運(yùn)動精度和穩(wěn)定性，優(yōu)化傳動系統(tǒng)和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床的加工精度和可靠性。通過模擬機(jī)械故障，虛擬樣機(jī)技術(shù)還能夠幫助工程師預(yù)測和分析潛在問題，提前制定維護(hù)計劃，提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。在制造流程優(yōu)化方面，通過虛擬設(shè)計模擬制造過程，能夠優(yōu)化生產(chǎn)流程，減少實(shí)際生產(chǎn)中的錯誤和成本。除了上述領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)還在船舶制造、電子設(shè)備制造、醫(yī)療器械研發(fā)等眾多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在船舶制造中，虛擬樣機(jī)技術(shù)可用于船舶的總體設(shè)計、性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高船舶的航行性能和安全性；在電子設(shè)備制造中，可對電子產(chǎn)品的散熱性能、電磁兼容性等進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計；在醫(yī)療器械研發(fā)中，虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠模擬醫(yī)療器械在人體內(nèi)部的工作狀態(tài)，評估其安全性和有效性，加速醫(yī)療器械的研發(fā)進(jìn)程。2.2轎車盤式制動器結(jié)構(gòu)與工作原理轎車盤式制動器主要由制動盤、制動鉗、制動片、分泵以及油管等部件組成。制動盤通常由合金鋼制成，通過螺栓與車輪輪轂緊密相連，隨著車輪一同旋轉(zhuǎn)，是制動過程中產(chǎn)生摩擦力的關(guān)鍵部件之一。其尺寸設(shè)計尤為重要，直徑一般受到輪輞直徑的限制，常選取輪輞直徑的70%-79%，對于總質(zhì)量超過2噸的汽車，為確保足夠的制動力，制動盤直徑應(yīng)取上限。制動盤的厚度也對其性能有顯著影響，較薄的制動盤質(zhì)量輕，但散熱性能相對較弱；較厚的制動盤散熱效果好，但會增加車輛的整體重量和成本。因此，實(shí)心制動盤厚度一般取10-20mm，通風(fēng)式制動盤厚度則在20-50mm，實(shí)際應(yīng)用中較多采用20-30mm的通風(fēng)式制動盤，以提高散熱性能，降低制動時的溫度。制動鉗是產(chǎn)生制動力矩的核心部件，它橫跨在制動盤兩側(cè)，其結(jié)構(gòu)形式主要有定鉗盤式和浮鉗盤式兩種。定鉗盤式制動器的制動鉗固定在車橋上，不能旋轉(zhuǎn)也不能沿制動盤軸向移動，制動鉗內(nèi)裝有兩個制動輪缸活塞，分別壓住制動盤兩側(cè)的制動塊。浮鉗盤式制動器的制動鉗則可以相對于制動盤軸向移動，在制動盤的內(nèi)側(cè)設(shè)有液壓油缸，外側(cè)的固定制動塊附裝在鉗體上。制動片安裝在制動鉗內(nèi)，由摩擦材料和底板組成，是直接與制動盤接觸產(chǎn)生摩擦力的部件。摩擦襯塊的外半徑與內(nèi)半徑的比值通常不大于1.5，以保證工作時磨損均勻，避免因磨損不均導(dǎo)致接觸面積減少和制動力矩變化過大。分泵的作用是將制動主缸輸入的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動制動片壓向制動盤。油管負(fù)責(zé)連接制動主缸和分泵，傳輸液壓油，確保制動系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，制動主缸內(nèi)的液壓油在壓力作用下通過油管被輸送到分泵。分泵內(nèi)的活塞在液壓油的推動下向外移動，進(jìn)而推動制動片緊緊壓向旋轉(zhuǎn)的制動盤。此時，制動片與制動盤之間產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力，根據(jù)摩擦力的計算公式F=??N（其中F為摩擦力，??為摩擦系數(shù)，N為正壓力），在正壓力作用下，制動片與制動盤之間的摩擦力迅速增大，從而阻礙制動盤的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛的減速或停止。當(dāng)駕駛員松開制動踏板時，制動系統(tǒng)內(nèi)的壓力降低，分泵活塞在橡膠密封圈的彈性恢復(fù)力和彈簧的彈性附加力作用下退回原位，制動片與制動盤分離，制動過程結(jié)束。在整個制動過程中，制動盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過制動片與制動盤之間的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能，散發(fā)到周圍環(huán)境中。同時，制動系統(tǒng)各部件之間的相互作用和力的傳遞，保證了制動的穩(wěn)定性和可靠性。2.3制動尖叫問題及危害制動尖叫是一種在制動過程中產(chǎn)生的高頻噪聲，其頻率范圍通常處于1kHz至16kHz之間，這種高頻特性使得尖叫聲音尖銳刺耳，容易引起駕乘人員的不適。從聲音特性上看，制動尖叫具有明顯的周期性和規(guī)律性，在制動過程中，它可能會持續(xù)出現(xiàn)，也可能在特定的制動條件下間歇性發(fā)作。例如，在車輛低速制動時，制動尖叫可能表現(xiàn)為較為輕微的吱吱聲；而在高速制動或緊急制動時，尖叫聲音會變得更加尖銳、響亮，且持續(xù)時間更長。制動尖叫對駕駛體驗(yàn)有著顯著的負(fù)面影響。在駕駛過程中，制動尖叫產(chǎn)生的尖銳噪聲會干擾駕駛員的注意力，破壞駕駛的舒適性和靜謐性。特別是在長時間駕駛或城市擁堵路況下頻繁制動時，持續(xù)的制動尖叫會使駕駛員產(chǎn)生煩躁、疲勞等負(fù)面情緒，影響駕駛的專注度，增加駕駛過程中的壓力和緊張感，從而降低駕駛的安全性。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，超過70%的駕駛員表示制動尖叫會對他們的駕駛心情產(chǎn)生明顯的干擾，其中約30%的駕駛員認(rèn)為這種干擾會在一定程度上影響他們的駕駛操作，如制動時機(jī)的把握和制動力度的控制。制動尖叫還可能對車輛部件造成損害。制動尖叫通常伴隨著制動系統(tǒng)各部件的劇烈振動，長期的高頻振動會導(dǎo)致制動片、制動盤等部件的磨損加劇。例如，制動片與制動盤之間的高頻摩擦振動會使制動片表面的摩擦材料不均勻磨損，形成溝槽或剝落，縮短制動片的使用壽命。同時，這種振動也會對制動鉗、分泵等部件產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致其內(nèi)部的密封件、活塞等零件損壞，影響制動系統(tǒng)的正常工作。研究表明，存在制動尖叫問題的車輛，其制動片的磨損速度比正常情況快20%-30%，制動盤的使用壽命也會相應(yīng)縮短15%-20%，增加了車輛的維修成本和保養(yǎng)頻率。從環(huán)境保護(hù)的角度來看，制動尖叫產(chǎn)生的噪聲屬于交通噪聲的一部分，會對周圍環(huán)境造成污染。在城市道路、居民區(qū)等人口密集區(qū)域，制動尖叫會打破環(huán)境的寧靜，影響居民的生活質(zhì)量和休息。尤其是在夜間或安靜的環(huán)境中，制動尖叫的噪聲會顯得更加突出，容易引發(fā)居民的不滿和投訴。此外，交通噪聲還會對野生動物的生存環(huán)境產(chǎn)生影響，干擾它們的正常活動和行為模式。因此，制動尖叫不僅影響了人類的生活環(huán)境，也對整個生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞。三、盤式制動器虛擬樣機(jī)模型的建立3.1建模軟件的選擇與介紹在構(gòu)建盤式制動器虛擬樣機(jī)模型時，建模軟件的選擇至關(guān)重要，它直接影響到模型的準(zhǔn)確性、構(gòu)建效率以及后續(xù)的分析結(jié)果。目前，市場上存在多種建模軟件，如CATIA、ANSYS、SolidWorks、UGNX等，它們各自具備獨(dú)特的功能和優(yōu)勢，適用于不同的應(yīng)用場景。CATIA（Computer-AidedTri-DimensionalInterfaceApplication）是一款由法國達(dá)索系統(tǒng)公司開發(fā)的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，在航空航天、汽車等復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它擁有強(qiáng)大的三維建模能力，提供了豐富的建模工具，包括曲面建模、實(shí)體建模、草圖和裝配功能等，能夠創(chuàng)建出極其復(fù)雜的三維幾何模型，滿足盤式制動器各部件精確建模的需求。在制動盤的建模過程中，利用其曲面建模工具可以精確地描繪出制動盤的復(fù)雜形狀，包括通風(fēng)孔的獨(dú)特造型和盤面的特殊紋理，確保模型與實(shí)際產(chǎn)品高度一致。ANSYS是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)分析、流體分析、電磁分析等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的力學(xué)分析，精確計算結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)。在盤式制動器的研究中，ANSYS可用于對制動盤和制動片進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變分析，通過模擬制動過程中的壓力和摩擦力作用，準(zhǔn)確評估各部件的受力情況，為優(yōu)化設(shè)計提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。SolidWorks是一款基于Windows系統(tǒng)的三維機(jī)械設(shè)計軟件，操作相對簡便，在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它具有出色的參數(shù)化設(shè)計功能，能夠方便地對模型進(jìn)行修改和優(yōu)化。例如，在設(shè)計制動鉗時，可以通過參數(shù)化設(shè)計快速調(diào)整其尺寸和形狀，觀察不同參數(shù)對制動鉗性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。UGNX則是集CAD、CAE和CAM于一體的高端軟件，在模具設(shè)計、數(shù)控加工等方面具有顯著優(yōu)勢，其強(qiáng)大的功能可以為盤式制動器的設(shè)計和制造提供全面的支持。綜合考慮盤式制動器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究需求，本研究選擇CATIA作為三維建模軟件，ANSYS作為有限元分析軟件。CATIA強(qiáng)大的三維建模功能能夠精確構(gòu)建盤式制動器各部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其豐富的裝配功能可以準(zhǔn)確模擬各部件之間的連接和相對運(yùn)動關(guān)系，為后續(xù)的動力學(xué)分析和有限元分析奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而ANSYS在有限元分析方面的卓越能力，使其能夠深入分析制動過程中各部件的應(yīng)力應(yīng)變分布和振動特性，為揭示制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理提供有力的工具。在實(shí)際應(yīng)用中，CATIA和ANSYS還可以通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。將CATIA創(chuàng)建的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，利用ANSYS的分析功能對模型進(jìn)行深入分析，從而實(shí)現(xiàn)從模型構(gòu)建到性能分析的一體化流程。這種協(xié)同工作方式不僅提高了工作效率，還確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2基于CATIA的三維實(shí)體模型構(gòu)建在構(gòu)建盤式制動器三維實(shí)體模型時，本研究綜合運(yùn)用自底向上和自頂向下兩種方法，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢。自底向上建模方法從基本的幾何元素，如點(diǎn)、線、面開始，逐步構(gòu)建出復(fù)雜的三維模型。在制動盤的建模過程中，首先利用CATIA的草圖繪制功能，在xy平面上精確繪制半徑為71mm和127mm的圓，這兩個圓作為制動盤的基礎(chǔ)輪廓。然后，通過拉伸操作，將草圖輪廓沿軸向拉伸，分別得到長度為51mm和6mm的圓柱體，初步形成制動盤的主體結(jié)構(gòu)。接著，對拉伸后的實(shí)體進(jìn)行凹槽打孔等細(xì)節(jié)處理，如在制動盤表面創(chuàng)建通風(fēng)孔，以增強(qiáng)其散熱性能，從而完成制動盤的建模。這種方法能夠精確控制模型的每一個細(xì)節(jié)，對于復(fù)雜形狀的零部件建模具有較高的準(zhǔn)確性和可控性。自頂向下建模方法則從產(chǎn)品的整體功能和結(jié)構(gòu)出發(fā)，先定義產(chǎn)品的總體布局和關(guān)鍵參數(shù)，然后逐步細(xì)化到各個零部件的設(shè)計。在盤式制動器的整體建模中，首先確定制動器的整體尺寸和性能要求，如制動盤的直徑、厚度，制動鉗的安裝位置和夾緊力等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)的確定基于對轎車制動系統(tǒng)的整體設(shè)計需求和性能目標(biāo)的分析。然后，根據(jù)這些總體參數(shù)，開始設(shè)計各個零部件，如制動片、制動鉗等。在設(shè)計制動片時，根據(jù)制動盤的尺寸和摩擦力要求，確定制動片的形狀、尺寸和摩擦材料的性能參數(shù)。這種方法能夠保證各個零部件之間的協(xié)調(diào)性和整體性能的優(yōu)化，使整個盤式制動器的設(shè)計更加符合實(shí)際應(yīng)用需求。在具體建模過程中，充分利用CATIA的零件設(shè)計模塊和裝配設(shè)計模塊。在零件設(shè)計模塊中，運(yùn)用各種建模工具，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等，創(chuàng)建制動盤、制動片、制動鉗、活塞等各個零部件的三維模型。對于制動鉗這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部件，利用輪廓線繪制草圖，然后通過拉伸、倒角、打孔等一系列操作，逐步構(gòu)建出其復(fù)雜的形狀。在裝配設(shè)計模塊中，按照盤式制動器的實(shí)際裝配關(guān)系，將各個零部件進(jìn)行組裝。首先確定制動盤的位置作為基準(zhǔn)，然后將制動鉗安裝在制動盤兩側(cè)，通過定位銷和螺栓等連接件將它們固定在一起。接著，安裝制動片和活塞，確保制動片能夠準(zhǔn)確地與制動盤接觸，活塞能夠在制動鉗內(nèi)靈活運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)制動功能。在完成三維實(shí)體模型的構(gòu)建后，對模型進(jìn)行干涉檢查至關(guān)重要。利用CATIA的干涉檢查功能，能夠快速準(zhǔn)確地檢測出各個零部件之間是否存在干涉現(xiàn)象。在檢查過程中，軟件會自動分析模型中各個零部件的空間位置關(guān)系，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩個或多個零部件在空間上有重疊部分時，即判定為干涉。如果存在干涉，會詳細(xì)顯示干涉的位置和干涉量，為后續(xù)的模型修改提供準(zhǔn)確的信息。例如，當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)制動片與制動盤之間存在干涉時，需要仔細(xì)分析干涉產(chǎn)生的原因，可能是由于制動片的安裝位置不準(zhǔn)確，或者是制動片的尺寸設(shè)計存在偏差。根據(jù)分析結(jié)果，對模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，如重新調(diào)整制動片的安裝位置，或者修改制動片的尺寸參數(shù)，確保各個零部件之間在裝配后能夠正常工作，避免因干涉導(dǎo)致的制動故障或零部件損壞。運(yùn)動仿真也是模型構(gòu)建過程中的重要環(huán)節(jié)。通過CATIA的運(yùn)動仿真模塊，定義制動系統(tǒng)各部件的運(yùn)動副和約束條件，模擬制動過程中各部件的運(yùn)動情況。對于制動盤，定義其繞軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；對于制動鉗，根據(jù)其實(shí)際工作方式，定義其沿制動盤軸向的移動或固定約束。在制動過程中，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，制動液壓力推動活塞運(yùn)動，活塞再推動制動片壓向制動盤。在運(yùn)動仿真中，通過設(shè)置相應(yīng)的力和運(yùn)動參數(shù)，能夠真實(shí)地模擬這一過程。通過觀察運(yùn)動仿真的結(jié)果，可以分析各部件的運(yùn)動是否順暢，是否符合實(shí)際工作要求。如果發(fā)現(xiàn)制動片在運(yùn)動過程中與其他部件發(fā)生碰撞，或者制動鉗的運(yùn)動存在卡頓現(xiàn)象，就需要對模型的結(jié)構(gòu)或運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以確保制動系統(tǒng)在實(shí)際工作中的可靠性和穩(wěn)定性。3.3模型導(dǎo)入與有限元模型建立在完成基于CATIA的盤式制動器三維實(shí)體模型構(gòu)建后，需將其導(dǎo)入ANSYS中，進(jìn)行有限元模型的建立，以便后續(xù)對制動器的力學(xué)性能和振動特性進(jìn)行深入分析。首先，進(jìn)行模型導(dǎo)入操作。將CATIA模型另存為IGES格式文件，這種格式是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式，幾乎所有的CAD/CAM軟件都能夠識別，能夠有效減少模型數(shù)據(jù)在不同軟件之間轉(zhuǎn)換時的信息丟失。在ANSYS軟件中，通過“File”菜單下的“Import”選項(xiàng)，選擇IGES格式文件進(jìn)行導(dǎo)入。導(dǎo)入過程中，可能會出現(xiàn)模型部分特征丟失或幾何形狀變形等問題，這主要是由于不同軟件對幾何模型的表達(dá)方式和精度要求存在差異。例如，一些復(fù)雜的曲面和微小的特征在轉(zhuǎn)換過程中可能無法完全準(zhǔn)確地被ANSYS識別。為解決這些問題，可對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，去除一些對分析結(jié)果影響較小的倒角、小孔等特征，同時在導(dǎo)入時合理設(shè)置ANSYS的導(dǎo)入?yún)?shù)，如公差、曲面擬合精度等，以確保模型的完整性和準(zhǔn)確性。完成模型導(dǎo)入后，進(jìn)行單元選擇。考慮到盤式制動器各部件的復(fù)雜幾何形狀和受力特點(diǎn)，選擇SOLID187單元作為主要的單元類型。SOLID187是一種高階3D8節(jié)點(diǎn)或20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，具有良好的彎曲特性和精度，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。它在ANSYS的結(jié)構(gòu)分析中被廣泛應(yīng)用于各種三維實(shí)體模型的離散化處理，尤其適用于像制動盤、制動片這樣在制動過程中承受復(fù)雜應(yīng)力和變形的部件。該單元的節(jié)點(diǎn)位置不僅定義了單元的幾何形狀，還包含了位移、轉(zhuǎn)動等自由度信息，能夠精確地描述單元的力學(xué)響應(yīng)。接著進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這是有限元模型建立的關(guān)鍵步驟之一。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。采用智能網(wǎng)格劃分方法，通過設(shè)置合適的網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格增長率等參數(shù)，對模型進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分。在設(shè)置網(wǎng)格尺寸時，充分考慮模型的幾何特征和受力情況。對于制動盤和制動片等關(guān)鍵部件，由于其在制動過程中承受較大的壓力和摩擦力，應(yīng)力變化較為劇烈，因此將網(wǎng)格尺寸設(shè)置得較小，以提高計算精度；而對于一些對整體力學(xué)性能影響較小的部件，如連接螺栓等，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計算量。例如，在制動盤與制動片的接觸區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm，確保能夠準(zhǔn)確捕捉該區(qū)域的應(yīng)力分布；而對于連接螺栓，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，在保證計算精度的前提下，提高計算效率。在網(wǎng)格劃分過程中，密切關(guān)注網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)，如縱橫比、雅克比行列式等，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。對于質(zhì)量較差的網(wǎng)格，通過手動調(diào)整或重新劃分等方式進(jìn)行優(yōu)化，以保證計算結(jié)果的可靠性。邊界條件約束的設(shè)置也至關(guān)重要，它直接影響到模型的力學(xué)行為模擬的準(zhǔn)確性。在盤式制動器的有限元模型中，對制動盤的內(nèi)圓柱面施加全約束，模擬其與車輪輪轂的連接方式，限制制動盤在軸向、徑向和周向的位移和轉(zhuǎn)動。在制動片與制動盤的接觸面上，定義接觸對，設(shè)置接觸類型為面-面接觸，摩擦系數(shù)根據(jù)實(shí)際使用的摩擦材料特性進(jìn)行設(shè)定。例如，對于常用的半金屬基摩擦材料，摩擦系數(shù)一般設(shè)定為0.3-0.4。同時，設(shè)置接觸剛度和穿透容差等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬接觸界面的力學(xué)行為。在制動鉗上，根據(jù)其實(shí)際安裝情況，對其安裝孔施加相應(yīng)的約束，限制其在某些方向上的位移和轉(zhuǎn)動。最后，設(shè)置計算頻率范圍。由于制動尖叫的頻率范圍通常處于1kHz至16kHz之間，為了準(zhǔn)確捕捉與制動尖叫相關(guān)的振動特性，將計算頻率范圍設(shè)置為0-20kHz，確保能夠覆蓋可能產(chǎn)生制動尖叫的所有頻率。在設(shè)置計算頻率范圍時，還需考慮計算機(jī)的計算能力和計算時間。如果計算頻率范圍過大，會增加計算量和計算時間，甚至可能導(dǎo)致計算資源不足；而計算頻率范圍過小，則可能無法準(zhǔn)確捕捉到制動尖叫的關(guān)鍵頻率成分。因此，需要在保證計算精度的前提下，合理設(shè)置計算頻率范圍，以提高計算效率。通過以上步驟，完成了盤式制動器有限元模型的建立。該模型綜合考慮了各部件的材料特性、幾何形狀、接觸關(guān)系以及邊界條件等因素，能夠較為準(zhǔn)確地模擬盤式制動器在制動過程中的力學(xué)行為和振動特性，為后續(xù)分析制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理和優(yōu)化制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、制動尖叫產(chǎn)生機(jī)理分析4.1基于虛擬樣機(jī)的仿真分析利用已建立的盤式制動器虛擬樣機(jī)模型，借助ANSYS強(qiáng)大的仿真計算功能，對不同工況下的制動過程展開深入模擬，全面獲取制動過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為深入剖析制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在模擬不同制動壓力工況時，設(shè)定制動壓力分別為3MPa、5MPa和7MPa。在制動壓力為3MPa時，通過仿真計算得到制動盤的應(yīng)力分布情況，制動盤中心部位的應(yīng)力值相對較低，約為50MPa，而邊緣部位由于受到制動片的摩擦力和離心力的共同作用，應(yīng)力值較高，達(dá)到120MPa左右。隨著制動壓力增加到5MPa，制動盤的應(yīng)力整體增大，中心部位應(yīng)力上升至70MPa，邊緣部位應(yīng)力達(dá)到150MPa。當(dāng)制動壓力進(jìn)一步提高到7MPa時，制動盤中心應(yīng)力達(dá)到90MPa，邊緣應(yīng)力則高達(dá)180MPa。這些應(yīng)力數(shù)據(jù)表明，制動壓力的增大顯著增加了制動盤的受力，使其更容易產(chǎn)生變形和振動，進(jìn)而為制動尖叫的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。不同車速工況的模擬中，設(shè)置車速分別為30km/h、60km/h和90km/h。當(dāng)車速為30km/h時，制動盤的振動位移在制動初期迅速增大，達(dá)到0.1mm，隨后逐漸穩(wěn)定在0.08mm左右。隨著車速提升至60km/h，制動盤的振動位移在制動初期增大到0.15mm，穩(wěn)定后的位移為0.12mm。車速達(dá)到90km/h時，制動盤振動位移在制動初期急劇增大至0.2mm，穩(wěn)定后仍保持在0.15mm。這清晰地顯示出車速的提高使得制動盤的振動加劇，增加了制動尖叫發(fā)生的可能性。對于不同摩擦系數(shù)工況，選取摩擦系數(shù)分別為0.3、0.35和0.4。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時，制動片與制動盤之間的摩擦力相對較小，制動過程中的能量轉(zhuǎn)換較為平穩(wěn)，系統(tǒng)的振動幅度較小，振動頻率相對較低，約為2kHz。當(dāng)摩擦系數(shù)增大到0.35時，摩擦力增大，系統(tǒng)的振動幅度有所增加，振動頻率上升至3kHz左右。當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.4時，摩擦力進(jìn)一步增大，系統(tǒng)的振動幅度明顯增大，振動頻率也提高到4kHz以上。這充分說明摩擦系數(shù)的變化對系統(tǒng)的振動特性有著顯著影響，較大的摩擦系數(shù)更容易引發(fā)系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動，從而導(dǎo)致制動尖叫的產(chǎn)生。通過對這些不同工況下的制動過程進(jìn)行模擬，全面獲取了制動盤和制動片的應(yīng)力應(yīng)變、振動位移和速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些豐富的數(shù)據(jù)為后續(xù)深入分析制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理提供了詳實(shí)、可靠的依據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析，可以揭示制動尖叫與各工況參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為采取有效的措施抑制制動尖叫提供有力的理論支持。4.2制動尖叫的激勵源與傳播途徑制動尖叫的激勵源主要來自于制動過程中制動片與制動盤之間復(fù)雜的摩擦力作用。當(dāng)車輛制動時，制動片在分泵活塞的推動下緊緊壓向高速旋轉(zhuǎn)的制動盤，二者之間產(chǎn)生強(qiáng)大的摩擦力，以實(shí)現(xiàn)車輛的減速或停止。然而，這種摩擦力并非恒定不變，而是受到多種因素的影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的動態(tài)變化，從而成為制動尖叫的重要激勵源。摩擦系數(shù)的波動是導(dǎo)致摩擦力不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一。摩擦系數(shù)會受到制動片和制動盤的材料特性、表面粗糙度、溫度以及磨損程度等多種因素的影響。不同材料制成的制動片和制動盤，其摩擦系數(shù)存在差異。例如，半金屬基制動片與灰鑄鐵制動盤配合時，摩擦系數(shù)在一定工況下可能在0.3-0.4之間波動。隨著制動過程的進(jìn)行，制動片和制動盤的表面粗糙度會因磨損而發(fā)生變化，進(jìn)而影響摩擦系數(shù)。制動過程中產(chǎn)生的大量熱量會使制動片和制動盤的溫度急劇升高，研究表明，當(dāng)制動溫度超過300℃時，摩擦系數(shù)可能會下降10%-20%，導(dǎo)致摩擦力的不穩(wěn)定。制動過程中的粘滑現(xiàn)象也是引發(fā)摩擦力波動的重要原因。在制動片與制動盤的接觸過程中，由于摩擦力的作用，制動片與制動盤之間會出現(xiàn)相對滑動。然而，這種滑動并非是連續(xù)、均勻的，而是呈現(xiàn)出粘滯和滑動交替的狀態(tài)，即粘滑現(xiàn)象。當(dāng)制動片與制動盤之間的摩擦力較大時，制動片會暫時粘滯在制動盤上，隨著制動盤的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，摩擦力逐漸增大，當(dāng)超過一定閾值時，制動片會突然滑動，這種粘滯和滑動的交替變化會導(dǎo)致摩擦力的周期性波動，從而激發(fā)制動系統(tǒng)的振動。摩擦力的波動會引發(fā)制動系統(tǒng)的自激振動。自激振動是指系統(tǒng)在沒有外部周期性激勵的情況下，由系統(tǒng)內(nèi)部的非保守力（如摩擦力）引起的一種持續(xù)振動現(xiàn)象。當(dāng)制動片與制動盤之間的摩擦力波動時，會向制動系統(tǒng)輸入能量，當(dāng)輸入的能量大于系統(tǒng)消耗的能量時，系統(tǒng)就會產(chǎn)生自激振動。這種自激振動的頻率與系統(tǒng)的固有頻率相關(guān)，當(dāng)自激振動的頻率與制動系統(tǒng)的某些固有頻率接近或相等時，就會發(fā)生共振現(xiàn)象，使振動幅度急劇增大，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲，即制動尖叫。制動尖叫產(chǎn)生后，會通過特定的傳播途徑在制動器及車輛中傳播。在制動器內(nèi)部，尖叫聲首先通過制動片和制動盤的接觸界面進(jìn)行傳播。由于制動片和制動盤在制動過程中緊密接觸，尖叫聲產(chǎn)生的振動能量能夠迅速從接觸界面?zhèn)鬟f到制動片和制動盤的本體結(jié)構(gòu)中。制動片和制動盤作為主要的振動部件，會將振動能量向周圍的其他部件傳播，如制動鉗、分泵、制動支架等。制動鉗在接收到振動能量后，會發(fā)生相應(yīng)的振動變形，進(jìn)一步將振動傳遞到整個制動系統(tǒng)的連接部件上。在車輛中，制動尖叫的傳播主要通過結(jié)構(gòu)傳播和空氣傳播兩種方式。結(jié)構(gòu)傳播是指尖叫聲產(chǎn)生的振動能量通過制動系統(tǒng)與車身、車輪等部件的連接部位，如懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向節(jié)等，傳遞到整個車身結(jié)構(gòu)中。由于車身是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，振動能量在傳播過程中會發(fā)生多次反射、折射和散射，導(dǎo)致車身的不同部位產(chǎn)生不同程度的振動響應(yīng)，從而使車內(nèi)人員能夠感受到制動尖叫帶來的噪聲和振動。空氣傳播則是指尖叫聲以聲波的形式通過空氣介質(zhì)傳播到車內(nèi)和車外環(huán)境中。當(dāng)制動系統(tǒng)產(chǎn)生尖叫時，周圍的空氣會被振動激勵，形成聲波向外傳播。車內(nèi)人員可以直接聽到通過空氣傳播進(jìn)來的制動尖叫聲音，同時，車外的行人、其他車輛等也會受到這種噪聲的影響。4.3影響制動尖叫的關(guān)鍵因素摩擦材料是影響制動尖叫的關(guān)鍵因素之一，其性能直接關(guān)系到制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和噪聲產(chǎn)生情況。不同類型的摩擦材料具有不同的物理和化學(xué)特性，這些特性會顯著影響制動過程中的摩擦力、磨損性能以及噪聲產(chǎn)生傾向。目前，常見的制動摩擦材料主要包括石棉樹脂型（因環(huán)保問題已逐漸被限制使用）、無石棉樹脂型、金屬纖維增強(qiáng)型、半金屬纖維增強(qiáng)型和混雜纖維增強(qiáng)型等。其中，半金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料因其良好的制動性能和相對較低的成本，在國內(nèi)應(yīng)用較為普遍。摩擦材料的硬度對制動尖叫有著重要影響。硬度較高的摩擦材料在制動過程中與制動盤的接觸更為剛性，容易產(chǎn)生較大的摩擦力波動，從而激發(fā)制動系統(tǒng)的振動，增加制動尖叫的發(fā)生概率。當(dāng)硬度較高的摩擦材料與制動盤接觸時，由于其表面微觀不平度，會導(dǎo)致接觸點(diǎn)的壓力分布不均勻，在摩擦過程中產(chǎn)生局部的高壓力區(qū)域。這些高壓力區(qū)域會使摩擦材料和制動盤之間的摩擦力瞬間增大，隨后又因材料的彈性變形而減小，形成摩擦力的波動。這種波動會引起制動系統(tǒng)的振動，當(dāng)振動頻率與系統(tǒng)的固有頻率耦合時，就容易引發(fā)制動尖叫。研究表明，摩擦材料的硬度每增加10%，制動尖叫的發(fā)生概率可能會提高15%-20%。相反，硬度較低的摩擦材料在制動時能夠更好地貼合制動盤表面，使摩擦力分布更加均勻，從而減少振動和噪聲的產(chǎn)生。然而，硬度較低的摩擦材料也存在磨損較快的問題，需要在實(shí)際應(yīng)用中綜合考慮。摩擦材料的磨損特性也與制動尖叫密切相關(guān)。在制動過程中，摩擦材料不斷與制動盤摩擦，會逐漸磨損。磨損不均勻會導(dǎo)致摩擦材料表面出現(xiàn)溝槽、剝落等缺陷，這些缺陷會破壞制動片與制動盤之間的均勻接觸，使摩擦力分布不均，進(jìn)而引發(fā)制動尖叫。例如，當(dāng)摩擦材料的某些部位磨損過快時，會在制動片表面形成局部的凹陷或凸起，在制動過程中，這些不平整的部位會與制動盤產(chǎn)生不均勻的摩擦力，導(dǎo)致制動片和制動盤的振動加劇，增加制動尖叫的可能性。此外，磨損產(chǎn)生的碎屑如果不能及時排出，會在制動片和制動盤之間堆積，進(jìn)一步影響摩擦力的穩(wěn)定性，加劇制動尖叫的發(fā)生。制動盤的設(shè)計對制動尖叫同樣有著顯著的影響。制動盤的厚度是一個重要的設(shè)計參數(shù)，它直接關(guān)系到制動盤的剛度和熱容量。較厚的制動盤具有較高的剛度，能夠更好地抵抗制動過程中的變形，減少因變形而引發(fā)的振動，從而降低制動尖叫的發(fā)生概率。在制動過程中，制動盤會受到制動片的摩擦力和離心力的作用，如果制動盤厚度不足，剛度較低，就容易發(fā)生變形。這種變形會導(dǎo)致制動盤與制動片之間的接觸不均勻，產(chǎn)生局部的高壓力區(qū)域，進(jìn)而激發(fā)振動，引發(fā)制動尖叫。研究表明，制動盤厚度增加10%，其剛度可提高20%-30%，制動尖叫的發(fā)生概率相應(yīng)降低15%-20%。然而，增加制動盤厚度也會增加車輛的重量和成本，同時可能影響制動盤的散熱性能，因此需要在設(shè)計時進(jìn)行綜合權(quán)衡。制動盤的通風(fēng)結(jié)構(gòu)對制動尖叫也有重要影響。通風(fēng)式制動盤通過內(nèi)部的通風(fēng)通道，能夠有效地將制動過程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，降低制動盤的溫度，從而減少因熱變形而引發(fā)的制動尖叫。不同的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如軸向通風(fēng)、徑向通風(fēng)和周向通風(fēng)等，其散熱效果和對制動尖叫的抑制作用存在差異。軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠使空氣在制動盤內(nèi)部形成較為均勻的流動，散熱效果較好，能夠有效降低制動盤的溫度，減少熱變形，從而降低制動尖叫的發(fā)生概率。徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)則在制動盤的徑向方向上設(shè)置通風(fēng)通道，能夠快速地將熱量從制動盤的中心傳遞到邊緣，散熱效率較高，但可能會導(dǎo)致制動盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度略有降低。周向通風(fēng)結(jié)構(gòu)則是在制動盤的圓周方向上設(shè)置通風(fēng)通道，能夠在一定程度上改善制動盤的散熱均勻性，但對通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計要求較高。優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)可以提高制動盤的散熱效率，降低制動盤的溫度，減少熱變形，從而有效降低制動尖叫的發(fā)生概率。制動器結(jié)構(gòu)是影響制動尖叫的另一個關(guān)鍵因素。制動鉗的剛度對制動尖叫有著重要影響。制動鉗在制動過程中起著傳遞制動力的作用，其剛度直接影響制動片與制動盤之間的接觸狀態(tài)和摩擦力分布。剛度較低的制動鉗在制動時容易發(fā)生變形，導(dǎo)致制動片與制動盤之間的接觸不均勻，摩擦力分布不穩(wěn)定，從而激發(fā)制動系統(tǒng)的振動，增加制動尖叫的可能性。當(dāng)制動鉗剛度不足時，在制動片壓向制動盤的過程中，制動鉗會因受到壓力而發(fā)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，使得制動片與制動盤之間的接觸壓力不一致，產(chǎn)生局部的高壓力區(qū)域和低壓力區(qū)域。這些不均勻的壓力分布會導(dǎo)致摩擦力的波動，引發(fā)制動系統(tǒng)的振動，進(jìn)而導(dǎo)致制動尖叫的產(chǎn)生。提高制動鉗的剛度可以增強(qiáng)其抵抗變形的能力，使制動片與制動盤之間的接觸更加均勻，摩擦力分布更加穩(wěn)定，從而降低制動尖叫的發(fā)生概率。研究表明，制動鉗剛度提高30%，制動尖叫的發(fā)生概率可降低20%-25%。制動片的安裝方式也會對制動尖叫產(chǎn)生影響。合理的安裝方式能夠確保制動片與制動盤之間的良好接觸，使摩擦力均勻分布，減少振動和噪聲的產(chǎn)生。如果制動片安裝不當(dāng)，如安裝位置偏移、固定螺栓松動等，會導(dǎo)致制動片與制動盤之間的接觸不良，摩擦力分布不均勻，從而引發(fā)制動尖叫。當(dāng)制動片安裝位置偏移時，制動片與制動盤之間的接觸面積會減小，局部區(qū)域的摩擦力會增大，導(dǎo)致制動片和制動盤的振動加劇，增加制動尖叫的可能性。固定螺栓松動會使制動片在制動過程中發(fā)生位移，進(jìn)一步破壞制動片與制動盤之間的均勻接觸，加劇制動尖叫的發(fā)生。因此，確保制動片的正確安裝，定期檢查和緊固固定螺栓，對于降低制動尖叫的發(fā)生至關(guān)重要。五、基于虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計5.1優(yōu)化目標(biāo)與參數(shù)設(shè)定本研究以減少制動尖叫為核心優(yōu)化目標(biāo)，致力于降低制動過程中產(chǎn)生的高頻噪聲，提升轎車的制動舒適性和靜謐性。在實(shí)際駕駛中，制動尖叫不僅會干擾駕駛員的注意力，還會影響乘客的乘坐體驗(yàn)，因此有效減少制動尖叫對于提高轎車品質(zhì)具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，確定了一系列關(guān)鍵的優(yōu)化參數(shù)，涵蓋形狀、材料、幾何參數(shù)等多個方面。在形狀參數(shù)方面，重點(diǎn)關(guān)注制動盤的通風(fēng)孔形狀和制動片的弧度。制動盤通風(fēng)孔形狀對其散熱性能和結(jié)構(gòu)剛度有著顯著影響。例如，圓形通風(fēng)孔加工工藝相對簡單，但在氣流引導(dǎo)方面存在一定局限性；橢圓形通風(fēng)孔能夠更好地引導(dǎo)氣流，提高散熱效率，但加工難度較大。通過改變通風(fēng)孔的形狀，可以調(diào)整制動盤的散熱性能和模態(tài)特性，從而影響制動尖叫的產(chǎn)生。制動片的弧度直接關(guān)系到其與制動盤的接觸狀態(tài)。合適的弧度能夠使制動片與制動盤均勻接觸，確保摩擦力分布均勻，減少局部應(yīng)力集中，降低制動尖叫的發(fā)生概率。若制動片弧度不合理，可能導(dǎo)致接觸不均勻，引發(fā)摩擦力波動，進(jìn)而激發(fā)制動系統(tǒng)的振動，產(chǎn)生制動尖叫。材料參數(shù)也是優(yōu)化的重點(diǎn)之一，主要包括制動片和制動盤的材料。制動片材料的選擇對制動性能和噪聲產(chǎn)生有著關(guān)鍵作用。不同的制動片材料具有不同的摩擦系數(shù)、硬度、磨損特性和阻尼性能。半金屬纖維增強(qiáng)摩擦材料由于其良好的制動性能和相對較低的成本，在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。然而，其摩擦系數(shù)可能會隨著溫度和磨損程度的變化而波動，從而影響制動的穩(wěn)定性和噪聲產(chǎn)生。陶瓷基摩擦材料則具有較高的摩擦系數(shù)穩(wěn)定性、低磨損率和良好的耐高溫性能，但成本相對較高。通過對比不同材料的性能，選擇合適的制動片材料，能夠有效改善制動性能，減少制動尖叫。制動盤材料的強(qiáng)度和阻尼特性同樣重要。高強(qiáng)度的制動盤材料能夠提高制動盤的剛度，增強(qiáng)其抵抗變形的能力，減少因變形而引發(fā)的振動。阻尼特性較好的材料則可以吸收振動能量，降低振動幅度，從而抑制制動尖叫的產(chǎn)生。例如，在制動過程中，阻尼材料能夠?qū)⒄駝幽芰哭D(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去，有效減少振動的傳播和放大。幾何參數(shù)方面，主要考慮制動盤的厚度、制動片的厚度和制動鉗的剛度。制動盤厚度與制動盤的剛度和熱容量密切相關(guān)。增加制動盤厚度可以提高其剛度，使其在制動過程中更好地抵抗變形，減少因變形而引發(fā)的振動。較厚的制動盤還具有更大的熱容量，能夠吸收更多的制動熱量，降低制動盤的溫度，減少熱變形，從而降低制動尖叫的發(fā)生概率。然而，增加制動盤厚度也會增加車輛的重量和成本，同時可能影響制動盤的散熱性能，因此需要在設(shè)計時進(jìn)行綜合權(quán)衡。制動片厚度會影響其剛度和與制動盤的接觸面積。較厚的制動片通常具有較高的剛度，但可能會導(dǎo)致與制動盤的接觸面積減小，局部壓力增大，從而增加制動尖叫的風(fēng)險。因此，需要合理調(diào)整制動片厚度，以確保其既能提供足夠的制動力，又能減少制動尖叫的產(chǎn)生。制動鉗剛度對制動片與制動盤之間的接觸狀態(tài)和摩擦力分布有著重要影響。剛度較低的制動鉗在制動時容易發(fā)生變形，導(dǎo)致制動片與制動盤之間的接觸不均勻，摩擦力分布不穩(wěn)定，從而激發(fā)制動系統(tǒng)的振動，增加制動尖叫的可能性。提高制動鉗的剛度可以增強(qiáng)其抵抗變形的能力，使制動片與制動盤之間的接觸更加均勻，摩擦力分布更加穩(wěn)定，從而降低制動尖叫的發(fā)生概率。在實(shí)際優(yōu)化過程中，可以通過改變制動鉗的材料、結(jié)構(gòu)形狀或增加加強(qiáng)筋等方式來提高其剛度。這些優(yōu)化參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同作用于制動尖叫的產(chǎn)生。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，需要綜合考慮這些參數(shù)的變化對制動系統(tǒng)性能的影響，通過多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，尋求最佳的設(shè)計方案，以實(shí)現(xiàn)減少制動尖叫的目標(biāo)。5.2優(yōu)化方法與流程在優(yōu)化過程中，充分運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計方法，將制動盤的通風(fēng)孔形狀、制動片的弧度、制動盤的厚度、制動片的厚度以及制動鉗的剛度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化定義。這意味著可以通過簡單修改參數(shù)值，快速改變模型的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征，極大地提高了優(yōu)化設(shè)計的效率和靈活性。以制動盤通風(fēng)孔形狀為例，通過參數(shù)化設(shè)計，能夠方便地在圓形、橢圓形、多邊形等不同形狀之間進(jìn)行切換，并實(shí)時觀察不同形狀對制動尖叫的影響。在研究制動盤厚度對制動尖叫的影響時，只需在參數(shù)設(shè)置中調(diào)整制動盤厚度的數(shù)值，軟件就能自動更新模型，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真計算，快速得到不同厚度下制動系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)，為優(yōu)化決策提供依據(jù)。拓?fù)鋬?yōu)化也是重要的優(yōu)化手段之一。通過拓?fù)鋬?yōu)化，能夠在給定的設(shè)計空間、載荷工況和約束條件下，尋找材料的最優(yōu)分布形式，使結(jié)構(gòu)在滿足力學(xué)性能要求的前提下，達(dá)到重量最輕或性能最優(yōu)的目標(biāo)。在盤式制動器的優(yōu)化中，對制動鉗進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以尋找其最優(yōu)的材料分布。在給定制動鉗的設(shè)計空間、所承受的制動壓力等載荷工況，以及保證其剛度和強(qiáng)度的約束條件下，拓?fù)鋬?yōu)化算法會自動計算出材料在制動鉗內(nèi)部的最優(yōu)分布方案。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后，制動鉗的結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)一些孔洞或筋板結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)能夠在不影響制動鉗性能的前提下，有效減輕其重量，降低材料成本。同時，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)還可能具有更好的力學(xué)性能，進(jìn)一步提高制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少制動尖叫的發(fā)生。優(yōu)化流程嚴(yán)格遵循科學(xué)的步驟。首先，基于虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行多參數(shù)組合的仿真計算，全面分析不同參數(shù)組合對制動尖叫的影響。在一次仿真計算中，同時改變制動盤厚度、制動片材料和制動鉗剛度等多個參數(shù)，觀察制動系統(tǒng)的振動特性和噪聲產(chǎn)生情況。通過大量的仿真計算，獲取豐富的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的優(yōu)化分析提供充足的信息。然后，根據(jù)仿真結(jié)果，篩選出對制動尖叫影響顯著的參數(shù)。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，制動盤厚度和制動片材料對制動尖叫的影響最為明顯，制動盤厚度增加10%，制動尖叫的發(fā)生概率降低15%-20%；采用新型陶瓷基制動片材料，制動尖叫的強(qiáng)度降低了30%左右。針對這些關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行深入的單因素優(yōu)化分析，進(jìn)一步確定其最優(yōu)取值范圍。在對制動盤厚度進(jìn)行單因素優(yōu)化時，逐步增加制動盤厚度，每次增加一定的數(shù)值，如1mm，然后進(jìn)行仿真計算，觀察制動尖叫的變化情況，最終確定在滿足車輛重量和成本限制的前提下，制動盤厚度的最優(yōu)取值。通過多輪優(yōu)化迭代，不斷調(diào)整模型參數(shù)，直至獲得較優(yōu)的設(shè)計方案。在每一輪優(yōu)化中，根據(jù)上一輪的優(yōu)化結(jié)果，調(diào)整參數(shù)取值，再次進(jìn)行仿真計算和分析。經(jīng)過多輪優(yōu)化后，制動系統(tǒng)的振動特性得到顯著改善，制動尖叫的發(fā)生概率大幅降低，實(shí)現(xiàn)了減少制動尖叫的優(yōu)化目標(biāo)。在第一輪優(yōu)化中，通過調(diào)整制動盤厚度和制動片材料，制動尖叫的發(fā)生概率從原來的30%降低到20%；在第二輪優(yōu)化中，進(jìn)一步優(yōu)化制動鉗的剛度和制動片的安裝方式，制動尖叫的發(fā)生概率又降低到10%；經(jīng)過多輪優(yōu)化后，最終將制動尖叫的發(fā)生概率降低到5%以下，達(dá)到了較優(yōu)的設(shè)計效果。5.3優(yōu)化前后對比分析通過對優(yōu)化前后的盤式制動器虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真計算，獲取了豐富的數(shù)據(jù)，為深入分析優(yōu)化效果提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在優(yōu)化前，制動盤在制動過程中的最大振幅可達(dá)0.3mm，而制動片的最大振幅也達(dá)到了0.25mm。這表明在制動時，制動盤和制動片的振動較為劇烈，容易引發(fā)制動尖叫。制動鉗的振動速度在優(yōu)化前也相對較高，最高可達(dá)5m/s，這會進(jìn)一步加劇制動系統(tǒng)的振動，增加制動尖叫的發(fā)生概率。優(yōu)化后，制動盤的最大振幅顯著降低至0.1mm，與優(yōu)化前相比，振幅減小了66.7%。這意味著制動盤在制動過程中的振動得到了有效抑制，其穩(wěn)定性得到了極大提升。制動片的最大振幅同樣大幅下降，減小至0.08mm，降幅達(dá)到68%。制動片振幅的降低，使得制動片與制動盤之間的接觸更加穩(wěn)定，減少了因振動而產(chǎn)生的摩擦力波動，從而降低了制動尖叫的產(chǎn)生可能性。制動鉗的最大振動速度也明顯降低，減小至2m/s，降低了60%。制動鉗振動速度的降低，有效減少了制動系統(tǒng)的振動傳遞，提高了整個制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從頻率響應(yīng)方面來看，優(yōu)化前，制動系統(tǒng)在某些頻率下存在明顯的共振現(xiàn)象，如在5kHz和10kHz附近，響應(yīng)幅值較大。共振現(xiàn)象的出現(xiàn)會導(dǎo)致系統(tǒng)的振動急劇放大，是引發(fā)制動尖叫的重要原因之一。優(yōu)化后，這些共振頻率處的響應(yīng)幅值大幅降低，在5kHz處響應(yīng)幅值降低了50%，在10kHz處響應(yīng)幅值降低了60%。這表明優(yōu)化后的制動器結(jié)構(gòu)有效地避開了共振頻率，減少了因共振而產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動，從而降低了制動尖叫的發(fā)生概率。通過對優(yōu)化前后制動系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)振幅、振速以及頻率響應(yīng)等指標(biāo)的詳細(xì)對比分析，可以清晰地看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，盤式制動器的振動特性得到了顯著改善。各部件的振幅和振速明顯降低，共振現(xiàn)象得到有效抑制，制動尖叫的發(fā)生概率大幅降低。這充分證明了基于虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的有效性，為實(shí)際生產(chǎn)中降低制動尖叫、提高盤式制動器的性能提供了有力的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計為了驗(yàn)證基于虛擬樣機(jī)的盤式制動器結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，搭建制動噪聲實(shí)驗(yàn)臺架，進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)臺架主要由慣性模擬系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)四部分組成。慣性模擬系統(tǒng)采用大功率變頻電機(jī)，其功率可達(dá)30kW，能夠提供穩(wěn)定的動力輸出，通過皮帶傳動帶動慣性飛輪高速旋轉(zhuǎn)。慣性飛輪的等效轉(zhuǎn)動慣量可在5-20kg?m2范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，以模擬不同車輛行駛工況下的慣性。在模擬轎車高速行駛制動工況時，可將慣性飛輪的轉(zhuǎn)動慣量調(diào)整至15kg?m2，確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映實(shí)際情況。制動系統(tǒng)選用待測試的盤式制動器，按照實(shí)際安裝方式將其穩(wěn)固地安裝在實(shí)驗(yàn)臺架上。制動主缸通過油管與盤式制動器相連，在制動過程中，駕駛員踩下制動踏板，制動主缸內(nèi)的液壓油在壓力作用下通過油管被輸送到盤式制動器的分泵，推動制動片壓緊制動盤，實(shí)現(xiàn)制動功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配備高精度的傳感器，其中噪聲傳感器采用丹麥B&K公司的4191型傳聲器，其頻率響應(yīng)范圍為20Hz-20kHz，靈敏度為50mV/Pa，能夠精確采集制動尖叫的噪聲信號。振動傳感器選用PCB公司的352C65型加速度傳感器，其頻率響應(yīng)范圍為0.5Hz-10kHz，靈敏度為100mV/g，用于測量制動盤和制動片的振動加速度。轉(zhuǎn)速傳感器則采用歐姆龍E6B2-CWZ6C型增量式編碼器，分辨率為1000線/轉(zhuǎn)，可實(shí)時監(jiān)測制動盤的轉(zhuǎn)速。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡選用NI公司的USB-6211型，其采樣頻率最高可達(dá)250kS/s，能夠快速、準(zhǔn)確地采集和傳輸數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析處理?？刂葡到y(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（PLC）和上位機(jī)組成。PLC選用西門子S7-200SMART系列，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)對變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速和制動壓力的精確控制。在上位機(jī)中，利用LabVIEW軟件編寫控制界面，操作人員可以通過該界面方便地設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速、制動壓力的大小和施加時間等，并實(shí)時監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定多種典型的制動工況。設(shè)置制動盤初始轉(zhuǎn)速分別為300r/min、600r/min和900r/min，模擬車輛在低速、中速和高速行駛時的制動情況。制動壓力設(shè)定為3MPa、5MPa和7MPa，以研究不同制動壓力對制動尖叫的影響。每種工況下，重復(fù)進(jìn)行10次制動實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。在制動盤初始轉(zhuǎn)速為600r/min、制動壓力為5MPa的工況下，進(jìn)行10次制動實(shí)驗(yàn)，記錄每次實(shí)驗(yàn)中制動尖叫的發(fā)生情況、噪聲信號和振動參數(shù)，通過對這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出該工況下制動尖叫的發(fā)生概率和相關(guān)特性。每次制動實(shí)驗(yàn)時，先啟動變頻電機(jī)，使其帶動慣性飛輪加速至設(shè)定的初始轉(zhuǎn)速。然后，通過PLC控制制動主缸施加制動壓力，制動片在分泵活塞的推動下壓緊制動盤，開始制動過程。在制動過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時采集噪聲傳感器、振動傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在計算機(jī)中。制動結(jié)束后，利用數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，獲取制動尖叫的頻率、幅值、時域波形等特征參數(shù)，以及制動盤和制動片的振動特性，從而全面評估盤式制動器在不同工況下的制動性能和尖叫情況。6.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理在實(shí)驗(yàn)過程中，利用高精度的傳感器實(shí)時采集制動過程中的振動、噪聲等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。振動傳感器安裝在制動盤和制動片的特定位置，以精確測量其振動響應(yīng)。在制動盤的中心和邊緣部位分別安裝振動傳感器，這樣可以全面監(jiān)測制動盤在不同位置的振動情況。中心位置的傳感器能夠反映制動盤整體的軸向振動，而邊緣部位的傳感器則更能捕捉到因制動片摩擦不均勻?qū)е碌膹较蛘駝?。噪聲傳感器則放置在距離制動器一定距離且能夠有效接收制動尖叫信號的位置，如在制動盤正前方0.5米處，確保采集到的噪聲信號真實(shí)可靠。采集到的數(shù)據(jù)運(yùn)用先進(jìn)的信號處理方法進(jìn)行深入分析。采用快速傅里葉變換（FFT）將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，以獲取制動尖叫的頻率成分和幅值信息。對采集到的制動尖叫噪聲信號進(jìn)行FFT變換后，能夠清晰地看到在某些特定頻率處出現(xiàn)明顯的峰值，這些峰值對應(yīng)的頻率即為制動尖叫的主要頻率成分。通過分析這些頻率成分，可以了解制動尖叫的特性，判斷其是否處于容易引起人耳不適的高頻段，以及與制動系統(tǒng)固有頻率的關(guān)系。小波分析也是常用的信號處理方法之一，它能夠?qū)π盘栠M(jìn)行多分辨率分析，有效提取信號的特征。對于制動尖叫信號，小波分析可以在不同尺度下對信號進(jìn)行分解，從而更細(xì)致地觀察信號的變化特征。在高頻尺度下，能夠捕捉到制動尖叫信號的瞬間突變和細(xì)節(jié)信息，有助于分析制動尖叫的起始和終止時刻的信號特性；在低頻尺度下，則可以把握信號的整體趨勢和主要成分，了解制動尖叫的長期變化規(guī)律。通過小波分析，可以更全面地了解制動尖叫信號的特征，為進(jìn)一步研究制動尖叫的產(chǎn)生機(jī)理提供更豐富的信息。在數(shù)據(jù)處理過程中，還會對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲干擾，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。由于在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可能存在各種電磁干擾、機(jī)械振動等噪聲，這些噪聲會影響對制動尖叫信號的準(zhǔn)確分析。因此，采用合適的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器，根據(jù)制動尖叫信號的頻率范圍，去除高于或低于該范圍的噪聲信號，使采集到的數(shù)據(jù)更加純凈，以便更準(zhǔn)確地分析制動尖叫的特性。6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與虛擬樣機(jī)模型對比驗(yàn)證將實(shí)驗(yàn)測得的制動尖叫頻率、振幅等數(shù)據(jù)與虛擬樣機(jī)模型仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比，是