漢世成

(蘭州鐵路局蘭州西車(chē)輛段，甘肅蘭州 730000)

0 引言

盤(pán)式制動(dòng)器是一種常用的制動(dòng)裝置，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等各種制動(dòng)裝置中，盤(pán)式制動(dòng)器主要部件包括制動(dòng)盤(pán)、摩擦片、卡鉗、支架等［1－2］，當(dāng)制動(dòng)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，通過(guò)卡鉗將兩側(cè)摩擦片夾緊旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生摩擦力矩實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，通常有雙卡鉗和單卡鉗兩種。制動(dòng)軸不承受彎矩，制動(dòng)力矩平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)［3］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。制動(dòng)盤(pán)是該種制動(dòng)器的關(guān)鍵部件，其振動(dòng)特性對(duì)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的良好、平穩(wěn)運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。制動(dòng)盤(pán)設(shè)計(jì)不合理會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的制動(dòng)振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，如低頻制動(dòng)抖動(dòng)，中頻制動(dòng)轟鳴及高頻制動(dòng)尖叫，嚴(yán)重影響乘坐舒適性，同時(shí)造成嚴(yán)重的環(huán)境噪聲污染。普遍認(rèn)為制動(dòng)盤(pán)的振動(dòng)特性是主要的影響因素［4－6］。

圖1 制動(dòng)盤(pán)模型

筆者利用有限元方法對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了制動(dòng)盤(pán)的薄弱模態(tài)，對(duì)制動(dòng)盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

1 制動(dòng)盤(pán)有限元模型的建立

利用有限元軟件建立制動(dòng)盤(pán)的三維物理模型，然后建立有限元模型，如圖1(a)。模態(tài)分析需定義材料的密度、泊松比和彈性模量［5－10］，涉及到的材料屬性如表1所列。

表1 材料屬性

考慮到制動(dòng)裝置實(shí)際的工作工況較為復(fù)雜，為了更為準(zhǔn)確的描述其固有頻率屬性，對(duì)制動(dòng)盤(pán)分別進(jìn)行自由模態(tài)分析和有約束的模態(tài)分析。

2 制動(dòng)盤(pán)自由模態(tài)分析

對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行自由模態(tài)分析，確定前六階的固有頻率和振型，由于高階模態(tài)分析易引起一定的計(jì)算誤差和不確定性，并且高頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)較難被激勵(lì)，對(duì)制動(dòng)結(jié)構(gòu)和制動(dòng)性能影響幾率很小，因此分析中只提取制動(dòng)盤(pán)前六階的固有頻率和振型。表2所列為制動(dòng)盤(pán)自由模態(tài)下的固有頻率，其對(duì)應(yīng)的振型如圖2所示。

表2 制動(dòng)盤(pán)固有頻率 /Hz

圖2 制動(dòng)盤(pán)前六階振型

結(jié)合振型動(dòng)畫(huà)與圖2可知，自由約束下，前三階固有頻率均為0，為剛性體，其相對(duì)應(yīng)的振型也相似;從第四階開(kāi)始，對(duì)應(yīng)振型開(kāi)始出現(xiàn)變化，當(dāng)固有頻率達(dá)到1.7465e－003 Hz后(第六階)，出現(xiàn)明顯的橢圓狀變形，為薄弱模態(tài)，即有可能激發(fā)起并影響到制動(dòng)盤(pán)的工作狀態(tài)的模態(tài)。

3 制動(dòng)盤(pán)約束模態(tài)分析

對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行了約束模態(tài)分析，確定制動(dòng)盤(pán)制動(dòng)過(guò)程中的前六階的固有頻率和振型。如表3所列為制動(dòng)盤(pán)約束邊界條件下的固有頻率，其對(duì)應(yīng)的振型如圖3所示。

表3 制動(dòng)盤(pán)固有頻率 /Hz

圖3 制動(dòng)盤(pán)前六階振型

結(jié)合各階的固有頻率和振型，可看出每一階固有頻率都存在相應(yīng)的振型。制動(dòng)盤(pán)的一階振型主要表現(xiàn)為內(nèi)孔固定，外邊相對(duì)于中心孔做軸向左右運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的頻率值為925.46 Hz;第二階振型主要表現(xiàn)為兩邊相對(duì)于中心線(xiàn)的對(duì)折運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)中心線(xiàn)相差180℃，對(duì)應(yīng)的頻率為949.04 Hz;第三階振型表現(xiàn)與第二階相似，其振動(dòng)中心線(xiàn)相互垂直，對(duì)應(yīng)的頻率為952.12 Hz;第四階振型主要表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)相互垂直的兩兩對(duì)折運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的頻率為1 044 Hz;第五階振型表現(xiàn)與第四階基本相同，對(duì)應(yīng)的頻率為1 047.8 Hz;第六階振型主要表現(xiàn)為對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)相差60的兩兩對(duì)折運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的頻率為1 227.6 Hz。相對(duì)自由模態(tài)，約束模態(tài)對(duì)應(yīng)的振型變化更具多樣性。

4 結(jié)果討論

從制動(dòng)盤(pán)的自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析可看出，邊界條件對(duì)制動(dòng)盤(pán)的影響較大，因?yàn)榇嬖诟鞣N結(jié)合面和一些不確定的的邊界條件，有必要對(duì)其分開(kāi)研究。在自由約束條件下，制動(dòng)盤(pán)的固有頻率及其振型相對(duì)較低，對(duì)制動(dòng)器的影響不明顯，從第四階開(kāi)始存在被激發(fā)可能性;在約束狀態(tài)下，制動(dòng)盤(pán)的固有頻率及其振型具有一定的規(guī)律，從第二階開(kāi)始，每相鄰兩階的固有頻率很相近，振型只是相對(duì)中心軸，旋轉(zhuǎn)一定的角度，呈現(xiàn)明顯的對(duì)稱(chēng)特征。但是整體表現(xiàn)為制動(dòng)盤(pán)端面跳動(dòng)為主，端面跳動(dòng)會(huì)引起法向力的波動(dòng)，進(jìn)而引起摩擦系數(shù)的波動(dòng)，最終影響制動(dòng)性［4］。

5 結(jié)語(yǔ)

在建立制動(dòng)盤(pán)實(shí)體模型和有限元模型的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，計(jì)算了前六階的固有頻率和振型，找到了其薄弱模態(tài)，即存在嚴(yán)重的端面跳動(dòng)，影響制動(dòng)力及制動(dòng)摩擦系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其變化趨勢(shì)，避免被激勵(lì)，引起整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動(dòng)，影響制動(dòng)摩擦系數(shù)，引發(fā)各種制動(dòng)事故。為盤(pán)式制動(dòng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考。

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