肖 歡

(1安徽職業(yè)技術學院汽車工程學院；2合肥工業(yè)大學 汽車與交通工程學院 安徽合肥 230009)

在汽車的各部分零部件中，制動器占據(jù)著極其重要的一部分，汽車的行車安全主要依靠其制動效果。尤其在汽車高速行駛過程中，制動器的制動效果將與駕駛?cè)藛T的安全緊密相連。行駛中的汽車由于慣性的作用，汽車的前輪一般會占據(jù)整個慣性負荷的70～80%，因此在整車的制動力度中前輪的投入應大于后輪。中小型汽車和SUV等多采用前輪盤式制動器，后輪鼓式制動器。國外有很多關于盤式制動器的研究，其中就有提到制動器結(jié)構(gòu)強度、震動模態(tài)等方面的研究。國內(nèi)就盤式制動器也開展了有限元模型的一系列研究，徐丹[1-2]等用ANSYS對制動盤進行了熱結(jié)構(gòu)分析；陳東[3]等對制動器摩擦片進行了偏磨損分析研究；胡啟國[4]等從失效相關性出發(fā)，基于有限元，運用響應面法和反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡法分析了汽車盤式制動器系統(tǒng)的可靠性。此外還有很多學者針對盤式制動器開展噪聲分析、磨損熱應力、結(jié)構(gòu)工藝等方面的研究[5-8]。

在此基礎上，文章主要對某轎車盤式制動器的金屬制動盤進行有限元模態(tài)分析，通過模態(tài)實驗驗證所建有限元模型是否正確可靠，為盤式車輪制動器的有限元分析提供了有效的參考依據(jù)，優(yōu)化剎車系統(tǒng)。

1盤式制動器的模態(tài)仿真

模態(tài)分析常分布于各個行業(yè)，工程領域使用的最多，也是最為重要的一種分析方法。

1.1建立制動盤模態(tài)仿真模型

有限元分析是將一個結(jié)構(gòu)劃分為有限個的小區(qū)域，而這些單獨的小區(qū)域又會以節(jié)點相互連接，通過對節(jié)點施加力，這樣每個單元都會受到相同的力，然后再對每個小單元進行分析，因為單元的數(shù)量足夠多分析出的結(jié)果就可以無限接近于實物本身了。

所研究分析的某轎車盤式制動器制動盤材質(zhì)為HT250，根據(jù)該材料的實際特性參數(shù)在Abaqus軟件中將其密度設置為ρ=7.3g/cm3，彈性模量E=110GPa，泊松比μ=0.26。將剎車盤模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為C3D4(四節(jié)點線性四面體單元)，劃分后包含20 785個節(jié)點和90 713個單元。在Abaqus軟件中建立盤式制動器的有限元仿真模型，制動盤的有限元仿真模型劃分好網(wǎng)格后的模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2制動盤模態(tài)仿真分析

網(wǎng)格劃分后采用Lanczos特征值求解器進行模態(tài)求解[9]，得到模態(tài)分析的各階振型分別如圖2所示。

(1)一階(2)二階

(3)三階(4)四階

(5)五階(6)六階圖2 前6階振型圖

在一階頻域1099.1Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動盤外沿三點扭振，其余地方幾乎無太大變形。在二階頻域1099.5Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動盤外沿四點扭振，即圍繞制動盤外沿四點彎曲扭振。在三階頻域1678.3Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動盤外沿軸向彎曲扭振，同時內(nèi)側(cè)也發(fā)生輕微彎曲扭振。在四階頻域2060.6Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動盤外沿單側(cè)扭振，同時伴隨內(nèi)側(cè)軸向外傾振動。在五階頻域2062.3Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動盤外沿雙側(cè)扭振，一側(cè)向內(nèi)扭振，一側(cè)向外扭振，同時伴隨軸向彎曲變形。在六階頻域2300.5Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動盤外沿六點扭振，即圍繞制動盤外沿六點彎曲扭振，同時內(nèi)側(cè)發(fā)生輕微振動，其余地方幾乎無太大變形。

在模態(tài)分析中計算盤式制動器前6階的振型固有頻率，如表1所示。

表1 前六階固有頻率值

2盤式制動器模態(tài)分析實驗

文章主要是采用計算機模態(tài)分析的方法，而試驗模態(tài)分析是通過試驗得到數(shù)據(jù)的，利用傳感器與數(shù)據(jù)收集器的相互配合使用，對進出數(shù)據(jù)分析，最終得到對應的參數(shù)。模態(tài)分析最終的結(jié)果是可以作為結(jié)構(gòu)的動力分析的參數(shù)，而且還可以作為對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要依據(jù)。

2.1模態(tài)試驗

該研究分析采用軟繩懸掛盤式制動器，將軟繩穿過制動器中間軸孔，在其豎直自由狀態(tài)下獲得制動器的振動特性，在盤式制動器的合適位置布置傳感器，模態(tài)試驗采用錘擊方式進行。試驗測試系統(tǒng)現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗測試系統(tǒng)現(xiàn)場

在模態(tài)試驗中，將加速度傳感器布置到制動盤的合適位置處，多次改變激勵點、固定響應點來進行觸發(fā)采樣，然后采集系統(tǒng)軟件進行信號收集。試驗所用具體設備如表2所示。

表2 模態(tài)試驗設備

在模態(tài)分析當中，會出現(xiàn)特征值和特征向量這些數(shù)值，在實際分析中，將避免這些頻率，減少發(fā)生結(jié)構(gòu)共振，確保相干系數(shù)(除去節(jié)點或反節(jié)點外)在0.8以上[10]。利用模態(tài)分析軟件對試驗測試數(shù)據(jù)進行處理，得到測試制動器各階振型及固有頻率，測點模型如圖4所示。

圖4 制動器模態(tài)試驗模型

2.2試驗結(jié)果

對采集系統(tǒng)采集到的信號進行處理分析得到制動器前6階的模態(tài)參數(shù)信息，如表3所示。

表3 試驗模態(tài)前6階結(jié)果

3模態(tài)分析結(jié)果對比

通過對盤式制動器開展有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗，對比兩種方式下得到的模態(tài)參數(shù)結(jié)果如下：兩種分析方法下盤式制動器的前6階振型基本相同，各階固有頻率誤差在5%以內(nèi)，如表4所示。

表4 計算模態(tài)與試驗模態(tài)的對比

4結(jié)論語

基于Abaqus軟件對盤式制動器的制動盤進行有限元模態(tài)仿真，并運用有限元仿真實驗對盤式制動器進行全面的仿真分析與研究，得到盤式制動器的模型以及仿真的自由模態(tài)云圖。對比盤式制動器的有限元分析和模態(tài)試驗得到的盤式制動器固有頻率和各階振型，兩種分析方法下盤式制動器的前6階振型基本相同，各階固有頻率誤差在5%以內(nèi)，驗證了盤式制動器有限元模型的正確性，為下一步研究盤式制動器打下基礎。