王飛

摘 要：由鼓式制動(dòng)器關(guān)鍵部件的實(shí)際工況，對(duì)鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)底板、制動(dòng)蹄等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的模態(tài)分析，分別抽選了后八階的模態(tài)并歸納了對(duì)應(yīng)的振型情況，由振型圖和總結(jié)的分析列表，得到了鼓式制動(dòng)器主要零部件的模態(tài)分析結(jié)果與達(dá)到固有頻率的共振評(píng)價(jià)，為鼓式制動(dòng)器設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析提供了一定的側(cè)面參考，具有實(shí)際的工程意義。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)器 噪聲 模態(tài)分析

1 鼓式制動(dòng)器的噪聲原因分析

鼓式制動(dòng)器噪聲來(lái)源于結(jié)構(gòu)的共振，而這些結(jié)構(gòu)的共振是由于鼓式制動(dòng)器摩擦引起的自激振動(dòng)導(dǎo)致的。結(jié)構(gòu)共振的產(chǎn)生觸發(fā)了制動(dòng)器與空氣介質(zhì)振動(dòng)從而產(chǎn)生了向外部輻射的疏密波，最后產(chǎn)生了制動(dòng)尖叫噪音。一般研究認(rèn)為鼓式制動(dòng)器的噪聲是因?yàn)橛赡Σ翆?dǎo)致的振動(dòng)致使制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓相應(yīng)發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)引發(fā)了制動(dòng)底板的振動(dòng)。分析鼓式制動(dòng)器的噪聲原因，就是分析噪聲與振動(dòng)之間的聯(lián)系問(wèn)題。

由S.Yang、Fosberry等研究制動(dòng)器中制動(dòng)鼓的噪聲來(lái)源為振動(dòng)，還發(fā)現(xiàn)了阻尼減振和增加制動(dòng)器制動(dòng)鼓剛度同時(shí)降低制動(dòng)蹄剛度的方法來(lái)減少整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的噪聲。Gieck研究顯示制動(dòng)器制動(dòng)底板與制動(dòng)蹄在整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出噪聲的同時(shí)伴隨有相應(yīng)的振動(dòng)。英國(guó)南安普敦大學(xué)聲和振動(dòng)研究所（ISVR）研究得出的推論是：振動(dòng)表面輻射噪聲的聲功率正比于振動(dòng)表面法向速度均方值。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

W（f）=σ（f）*ρc*<ν2>*<S>

式中：W（f）：表面輻射聲功率（Sound Power）

σ（f）：聲輻射率（Sound Radiation Efficiency）

ρ：空氣密度（Density of Air）

c：聲速（Speed of Sound）

ρc：輻射聲阻（Radiation Sound Resistance）

<ν2>：振動(dòng)表面法向速度均方值空間平均（Space Average of the Mean-Square Normal Surface Velocity）

<s>：振動(dòng)體表面積（Area of Vibrating Surface）

2 模態(tài)分析介紹

因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)與機(jī)械噪聲現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件的磨損現(xiàn)象的加劇，影響整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)、噪聲以及平順性的表現(xiàn)，造成機(jī)械構(gòu)件整體性能的不穩(wěn)定性，嚴(yán)重情況下甚至?xí)绊懯褂冒踩?。模態(tài)分析是分析構(gòu)件結(jié)構(gòu)疲勞耐久的側(cè)面憑證，屬于有限元分析在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中的側(cè)面應(yīng)用。所以，對(duì)鼓式制動(dòng)器關(guān)鍵部件的有限元模態(tài)分析處理迫在眉睫。

模態(tài)分析實(shí)質(zhì)上就是變相求特征值與特征向量的過(guò)程，特征值即為相關(guān)構(gòu)件振動(dòng)的某些基本振型相對(duì)應(yīng)的頻率。在具體試驗(yàn)中，某些情況下要繞開(kāi)這些基本頻率，阻止共振情況的發(fā)生，而有時(shí)又要激發(fā)振動(dòng)，加強(qiáng)共振的現(xiàn)象。從實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值上來(lái)看，振型從各階振態(tài)的形狀上能夠獲得在某個(gè)自由共振頻率下，構(gòu)件的變形總趨勢(shì)。如果要加強(qiáng)構(gòu)件的剛性，可以從低頻也就是振動(dòng)較弱的部分來(lái)加強(qiáng)。假設(shè)經(jīng)過(guò)模態(tài)分析后得出，最低頻的振態(tài)是處于整個(gè)構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)方向，那么證明這個(gè)方向的剛度是首先要加強(qiáng)的部位。通過(guò)對(duì)鼓式制動(dòng)關(guān)鍵部件進(jìn)行自由模態(tài)的有限元分析，輸出各階模態(tài)下鼓式制動(dòng)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)變形方式以及對(duì)應(yīng)的共振安全評(píng)價(jià)，為制動(dòng)器安全設(shè)計(jì)提供一定的側(cè)面參考。

3 鼓式制動(dòng)器的模態(tài)分析

3.1 0527前制動(dòng)底板模態(tài)分析

對(duì)0527前制動(dòng)底板設(shè)置14階擴(kuò)展模態(tài)，取后8階模態(tài)振型分析，見(jiàn)圖1。

綜合八階模態(tài)頻率與振型，模態(tài)分析結(jié)果如下表1所示。

模態(tài)分析取后8階模態(tài)，通過(guò)振型圖以及對(duì)應(yīng)分析列表可以分析：對(duì)于該分析對(duì)象，在固有頻率下，允許的最大位移尺寸低于其實(shí)際振幅，由此引起的后果是構(gòu)件的損壞，因此，在該結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該有效避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而避免破壞。

3.2 470/510后制動(dòng)蹄模態(tài)分析

對(duì)470/510后制動(dòng)蹄設(shè)置14階擴(kuò)展模態(tài)，取后8階模態(tài)振型分析，見(jiàn)圖2。

綜合八階模態(tài)頻率與振型，模態(tài)分析結(jié)果如下表2所示。

模態(tài)分析取后8階模態(tài)，通過(guò)振型圖以及對(duì)應(yīng)分析列表可以分析：對(duì)于該分析對(duì)象，在固有頻率下，允許的最大位移尺寸低于其實(shí)際振幅，由此引起的后果是構(gòu)件的損壞，因此，在該結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該有效避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而避免破壞。

3.3 0523前制動(dòng)蹄模態(tài)分析

對(duì)0523前制動(dòng)蹄設(shè)置14階擴(kuò)展模態(tài)，取后8階模態(tài)振型分析，見(jiàn)圖3。

綜合八階模態(tài)頻率與振型，模態(tài)分析結(jié)果如下表3所示。

模態(tài)分析取后8階模態(tài)，通過(guò)振型圖以及對(duì)應(yīng)分析列表可以分析：對(duì)于該分析對(duì)象，在固有頻率下，允許的最大位移尺寸低于其實(shí)際振幅，由此引起的后果是構(gòu)件的損壞，因此，在該結(jié)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該有效避免共振現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而避免破壞。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)鼓式制動(dòng)器關(guān)鍵部件前、后制動(dòng)蹄和制動(dòng)底板等進(jìn)行了有限元模態(tài)分析處理，分別提取了模態(tài)分析的后八階模態(tài)振型，由此獲得了鼓式制動(dòng)器關(guān)鍵部件的固有頻率下疲勞易損情況，為避免共振保護(hù)零部件壽命做出了客觀(guān)評(píng)價(jià)。

基金項(xiàng)目：本文系江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020立項(xiàng)重點(diǎn)課題（課題編號(hào)A/ 2020 /10/ 005）——三全育人視角下《汽車(chē)維護(hù)與保養(yǎng)》“課程思政”教學(xué)設(shè)計(jì)研究之階段研究成果。

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