鼓式制動(dòng)器制動(dòng)嘯叫熱機(jī)耦合特性分析

陳普銀

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引言

汽車已經(jīng)成為人們最主要的出行方式[1]，近年來(lái)，人們對(duì)車輛的NVH性能的關(guān)注度越來(lái)越高，因?yàn)槠洳粌H會(huì)影響乘客乘坐時(shí)的舒適性，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響[2]。

目前，中外一些學(xué)者對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)嘯叫進(jìn)行了相關(guān)研究分析，Huang等[3]通過(guò)模態(tài)耦合的原理對(duì)制動(dòng)嘯叫進(jìn)行了研究。Abubakar等[4]利用復(fù)特征值法對(duì)恒定摩擦系數(shù)和隨速度負(fù)增長(zhǎng)的摩擦系數(shù)下的制動(dòng)噪聲進(jìn)行了分析。龐明等[5]利用復(fù)模態(tài)法對(duì)摩擦系數(shù)、彈性模量和制動(dòng)壓力進(jìn)行了分析。黃澤好等[6]利用復(fù)模態(tài)分析法重點(diǎn)分析了彈性模量和熱膨脹系數(shù)對(duì)制動(dòng)嘯叫的影響。

大部分的研究都還沒(méi)有考慮溫度對(duì)制動(dòng)嘯叫的影響。在實(shí)際工況中，由于制動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量，結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力、應(yīng)變以及變形都發(fā)生了改變，從而影響了制動(dòng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)表現(xiàn)。所以，考慮溫度對(duì)制動(dòng)嘯叫的影響是很有必要的[7]。

1 鼓式制動(dòng)器有限元模型的建立

1.1 有限元網(wǎng)格的劃分

根據(jù)分析要求，對(duì)通過(guò)SolidWorks建模的鼓式制動(dòng)器進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅保留制動(dòng)蹄、制動(dòng)鼓和摩擦襯片總成，為確保接下來(lái)分析的準(zhǔn)確性，采用HyperMesh對(duì)鼓式制動(dòng)器的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以六面體為主，五面體為輔[8-9]，如圖1所示，經(jīng)劃分后的有限元模型包含20 108個(gè)單元，31 721個(gè)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分之后將其導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行復(fù)模態(tài)分析。

1.2 賦予結(jié)構(gòu)材料屬性

在研究過(guò)程中制動(dòng)鼓、摩擦襯片以及制動(dòng)蹄所對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)部件材料屬性

1.3 設(shè)置接觸方式

在摩擦制動(dòng)過(guò)程中，需設(shè)置兩對(duì)接觸副，在ABAQUS軟件中的interaction部分進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置方式如表2所示。

表2 制動(dòng)部件的接觸方式

1.4 分析步設(shè)置

完成嘯叫分析共需6個(gè)分析步，前4個(gè)分析步是對(duì)制動(dòng)過(guò)程的仿真，后面2個(gè)分析步是為了提取數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)的分析，具體的設(shè)置如表3所示。

表3 設(shè)置分析步

2 熱機(jī)耦合對(duì)制動(dòng)嘯叫影響的分析

汽車在制動(dòng)的過(guò)程中，摩擦襯片與制動(dòng)鼓之間周期性的摩擦運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致摩擦熱量的不均勻分布，熱量傳導(dǎo)后制動(dòng)器部件會(huì)有明顯的溫度局部特征[1,10]。此時(shí)，部件因?yàn)橥饨绲募s束以及內(nèi)部各部件之間的相互約束，不能自由地膨脹收縮，所以熱應(yīng)力與熱應(yīng)變出現(xiàn)。在制動(dòng)過(guò)程中，摩擦襯片會(huì)受到制動(dòng)鼓與制動(dòng)蹄的徑向力，由此所產(chǎn)生的熱應(yīng)力是不可忽視的。

在制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)鼓與摩擦襯片受熱膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)變，同時(shí)，摩擦襯片與制動(dòng)鼓由于受到制動(dòng)壓力而出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)變。采用間接耦合的方式，即分別計(jì)算熱分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，最后再來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合處理。考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)壓力分布圖和忽略熱機(jī)耦合效應(yīng)壓力分布圖如圖2所示。

圖2 壓力分布云圖

接觸壓力分布對(duì)熱機(jī)耦合具有重要的影響，由圖2可以看出在考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)與忽略熱機(jī)耦合效應(yīng)的條件下，其接觸壓力分布不同；考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)的情況下，其接觸應(yīng)力更大。圖中的接觸壓力分布不對(duì)稱，這是因?yàn)樵谑┘愚D(zhuǎn)速之后，接觸壓力發(fā)生了傾斜，摩擦襯片和制動(dòng)鼓部分發(fā)生了分離。

1.2 s、2 s、2.4 s時(shí)的應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖分別如圖3、圖4、圖5所示。由圖可以看出制動(dòng)鼓的溫度分布與應(yīng)力分布趨勢(shì)很接近，因此，可以得出在汽車摩擦制動(dòng)的過(guò)程中，溫度和應(yīng)力是相互作用的。

圖3 1.2 s時(shí)應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖

圖4 2 s時(shí)應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖

圖5 2.4 s時(shí)應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖

分別在1.2 s、2 s、2.4 s三個(gè)時(shí)刻提取復(fù)特征值，不考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)時(shí)有14個(gè)不穩(wěn)定模態(tài)；考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)后，在1.2 s時(shí)有31個(gè)不穩(wěn)定模態(tài)，在2 s時(shí)有39個(gè)不穩(wěn)定模態(tài)，在2.4 s時(shí)有36個(gè)不穩(wěn)定模態(tài)。不同時(shí)刻預(yù)測(cè)到的不穩(wěn)定模態(tài)數(shù)目不同且不同時(shí)刻在同一頻帶內(nèi)預(yù)測(cè)到的制動(dòng)嘯叫頻率并不完全相同，具體情況如圖6所示。考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)更加符合實(shí)際的工況，可以提高預(yù)測(cè)制動(dòng)嘯叫的精度，并且可以反映制動(dòng)嘯叫的時(shí)變特性。

圖6 1.2 s、2 s、2.4 s不穩(wěn)定模態(tài)分布圖

3 結(jié)論

考慮溫度對(duì)制動(dòng)嘯叫的影響，有助于提高預(yù)測(cè)的精度，而且能夠體現(xiàn)出因熱機(jī)耦合效應(yīng)所導(dǎo)致的制動(dòng)嘯叫的時(shí)變特征。因此，考慮溫度對(duì)制動(dòng)嘯叫的影響是很有必要的。