盤(pán)式制動(dòng)器有限元模態(tài)仿真與試驗(yàn)分析*

肖 歡

(1安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院；2合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院 安徽合肥 230009)

在汽車(chē)的各部分零部件中，制動(dòng)器占據(jù)著極其重要的一部分，汽車(chē)的行車(chē)安全主要依靠其制動(dòng)效果。尤其在汽車(chē)高速行駛過(guò)程中，制動(dòng)器的制動(dòng)效果將與駕駛?cè)藛T的安全緊密相連。行駛中的汽車(chē)由于慣性的作用，汽車(chē)的前輪一般會(huì)占據(jù)整個(gè)慣性負(fù)荷的70～80%，因此在整車(chē)的制動(dòng)力度中前輪的投入應(yīng)大于后輪。中小型汽車(chē)和SUV等多采用前輪盤(pán)式制動(dòng)器，后輪鼓式制動(dòng)器。國(guó)外有很多關(guān)于盤(pán)式制動(dòng)器的研究，其中就有提到制動(dòng)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、震動(dòng)模態(tài)等方面的研究。國(guó)內(nèi)就盤(pán)式制動(dòng)器也開(kāi)展了有限元模型的一系列研究，徐丹[1-2]等用ANSYS對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行了熱結(jié)構(gòu)分析；陳東[3]等對(duì)制動(dòng)器摩擦片進(jìn)行了偏磨損分析研究；胡啟國(guó)[4]等從失效相關(guān)性出發(fā)，基于有限元，運(yùn)用響應(yīng)面法和反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分析了汽車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器系統(tǒng)的可靠性。此外還有很多學(xué)者針對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器開(kāi)展噪聲分析、磨損熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)工藝等方面的研究[5-8]。

在此基礎(chǔ)上，文章主要對(duì)某轎車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器的金屬制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所建有限元模型是否正確可靠，為盤(pán)式車(chē)輪制動(dòng)器的有限元分析提供了有效的參考依據(jù)，優(yōu)化剎車(chē)系統(tǒng)。

1盤(pán)式制動(dòng)器的模態(tài)仿真

模態(tài)分析常分布于各個(gè)行業(yè)，工程領(lǐng)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(dòng)盤(pán)模態(tài)仿真模型

有限元分析是將一個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)的小區(qū)域，而這些單獨(dú)的小區(qū)域又會(huì)以節(jié)點(diǎn)相互連接，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)施加力，這樣每個(gè)單元都會(huì)受到相同的力，然后再對(duì)每個(gè)小單元進(jìn)行分析，因?yàn)閱卧臄?shù)量足夠多分析出的結(jié)果就可以無(wú)限接近于實(shí)物本身了。

所研究分析的某轎車(chē)盤(pán)式制動(dòng)器制動(dòng)盤(pán)材質(zhì)為HT250，根據(jù)該材料的實(shí)際特性參數(shù)在Abaqus軟件中將其密度設(shè)置為ρ=7.3g/cm3，彈性模量E=110GPa，泊松比μ=0.26。將剎車(chē)盤(pán)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為C3D4(四節(jié)點(diǎn)線性四面體單元)，劃分后包含20 785個(gè)節(jié)點(diǎn)和90 713個(gè)單元。在Abaqus軟件中建立盤(pán)式制動(dòng)器的有限元仿真模型，制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)模態(tài)仿真分析

網(wǎng)格劃分后采用Lanczos特征值求解器進(jìn)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(dòng)盤(pán)外沿三點(diǎn)扭振，其余地方幾乎無(wú)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(dòng)盤(pán)外沿四點(diǎn)扭振，即圍繞制動(dòng)盤(pán)外沿四點(diǎn)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(dòng)盤(pán)外沿軸向彎曲扭振，同時(shí)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(dòng)盤(pán)外沿單側(cè)扭振，同時(shí)伴隨內(nèi)側(cè)軸向外傾振動(dòng)。在五階頻域2062.3Hz下，振型結(jié)果主要表現(xiàn)在制動(dòng)盤(pán)外沿雙側(cè)扭振，一側(cè)向內(nèi)扭振，一側(cè)向外扭振，同時(shí)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(dòng)盤(pán)外沿六點(diǎn)扭振，即圍繞制動(dòng)盤(pán)外沿六點(diǎn)彎曲扭振，同時(shí)內(nèi)側(cè)發(fā)生輕微振動(dòng)，其余地方幾乎無(wú)太大變形。

在模態(tài)分析中計(jì)算盤(pán)式制動(dòng)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(pán)式制動(dòng)器模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)

文章主要是采用計(jì)算機(jī)模態(tài)分析的方法，而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是通過(guò)試驗(yàn)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(duì)進(jìn)出數(shù)據(jù)分析，最終得到對(duì)應(yīng)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(dòng)力分析的參數(shù)，而且還可以作為對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要依據(jù)。

2.1模態(tài)試驗(yàn)

該研究分析采用軟繩懸掛盤(pán)式制動(dòng)器，將軟繩穿過(guò)制動(dòng)器中間軸孔，在其豎直自由狀態(tài)下獲得制動(dòng)器的振動(dòng)特性，在盤(pán)式制動(dòng)器的合適位置布置傳感器，模態(tài)試驗(yàn)采用錘擊方式進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)

在模態(tài)試驗(yàn)中，將加速度傳感器布置到制動(dòng)盤(pán)的合適位置處，多次改變激勵(lì)點(diǎn)、固定響應(yīng)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行觸發(fā)采樣，然后采集系統(tǒng)軟件進(jìn)行信號(hào)收集。試驗(yàn)所用具體設(shè)備如表2所示。

表2 模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備

在模態(tài)分析當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)特征值和特征向量這些數(shù)值，在實(shí)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(diǎn)或反節(jié)點(diǎn)外)在0.8以上[10]。利用模態(tài)分析軟件對(duì)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到測(cè)試制動(dòng)器各階振型及固有頻率，測(cè)點(diǎn)模型如圖4所示。

圖4 制動(dòng)器模態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理分析得到制動(dòng)器前6階的模態(tài)參數(shù)信息，如表3所示。

表3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)前6階結(jié)果

3模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器開(kāi)展有限元模態(tài)分析和模態(tài)試驗(yàn)，對(duì)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(pán)式制動(dòng)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(jì)算模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)的對(duì)比

4結(jié)論語(yǔ)

基于Abaqus軟件對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器的制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行有限元模態(tài)仿真，并運(yùn)用有限元仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器進(jìn)行全面的仿真分析與研究，得到盤(pán)式制動(dòng)器的模型以及仿真的自由模態(tài)云圖。對(duì)比盤(pán)式制動(dòng)器的有限元分析和模態(tài)試驗(yàn)得到的盤(pán)式制動(dòng)器固有頻率和各階振型，兩種分析方法下盤(pán)式制動(dòng)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(yàn)證了盤(pán)式制動(dòng)器有限元模型的正確性，為下一步研究盤(pán)式制動(dòng)器打下基礎(chǔ)。