鼓式制動器的噪聲原因及模態(tài)分析

王飛

摘 要：由鼓式制動器關(guān)鍵部件的實(shí)際工況，對鼓式制動器的制動底板、制動蹄等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)了對應(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價，為鼓式制動器設(shè)計階段的結(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：制動器 噪聲 模態(tài)分析

1 鼓式制動器的噪聲原因分析

鼓式制動器噪聲來源于結(jié)構(gòu)的共振，而這些結(jié)構(gòu)的共振是由于鼓式制動器摩擦引起的自激振動導(dǎo)致的。結(jié)構(gòu)共振的產(chǎn)生觸發(fā)了制動器與空氣介質(zhì)振動從而產(chǎn)生了向外部輻射的疏密波，最后產(chǎn)生了制動尖叫噪音。一般研究認(rèn)為鼓式制動器的噪聲是因為由摩擦導(dǎo)致的振動致使制動蹄與制動鼓相應(yīng)發(fā)生振動，同時引發(fā)了制動底板的振動。分析鼓式制動器的噪聲原因，就是分析噪聲與振動之間的聯(lián)系問題。

由S.Yang、Fosberry等研究制動器中制動鼓的噪聲來源為振動，還發(fā)現(xiàn)了阻尼減振和增加制動器制動鼓剛度同時降低制動蹄剛度的方法來減少整個制動系統(tǒng)的噪聲。Gieck研究顯示制動器制動底板與制動蹄在整個制動系統(tǒng)發(fā)出噪聲的同時伴隨有相應(yīng)的振動。英國南安普敦大學(xué)聲和振動研究所（ISVR）研究得出的推論是：振動表面輻射噪聲的聲功率正比于振動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>：振動體表面積（Area of Vibrating Surface）

2 模態(tài)分析介紹

因為機(jī)械振動與機(jī)械噪聲現(xiàn)象會導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件的磨損現(xiàn)象的加劇，影響整個系統(tǒng)振動、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浴ＤB(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，對鼓式制動器關(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程，特征值即為相關(guān)構(gòu)件振動的某些基本振型相對應(yīng)的頻率。在具體試驗中，某些情況下要繞開這些基本頻率，阻止共振情況的發(fā)生，而有時又要激發(fā)振動，加強(qiáng)共振的現(xiàn)象。從實(shí)際應(yīng)用的價值上來看，振型從各階振態(tài)的形狀上能夠獲得在某個自由共振頻率下，構(gòu)件的變形總趨勢。如果要加強(qiáng)構(gòu)件的剛性，可以從低頻也就是振動較弱的部分來加強(qiáng)。假設(shè)經(jīng)過模態(tài)分析后得出，最低頻的振態(tài)是處于整個構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)方向，那么證明這個方向的剛度是首先要加強(qiáng)的部位。通過對鼓式制動關(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)下鼓式制動關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)變形方式以及對應(yīng)的共振安全評價，為制動器安全設(shè)計提供一定的側(cè)面參考。

3 鼓式制動器的模態(tài)分析

3.1 0527前制動底板模態(tài)分析

對0527前制動底板設(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)，通過振型圖以及對應(yīng)分析列表可以分析：對于該分析對象，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后制動蹄模態(tài)分析

對470/510后制動蹄設(shè)置14階擴(kuò)展模態(tài)，取后8階模態(tài)振型分析，見圖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)，通過振型圖以及對應(yīng)分析列表可以分析：對于該分析對象，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前制動蹄模態(tài)分析

對0523前制動蹄設(shè)置14階擴(kuò)展模態(tài)，取后8階模態(tài)振型分析，見圖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)，通過振型圖以及對應(yīng)分析列表可以分析：對于該分析對象，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)

通過對鼓式制動器關(guān)鍵部件前、后制動蹄和制動底板等進(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評價。

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

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