陳普銀

（長安大學(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，人們對車輛的NVH性能的關(guān)注度越來越高，因為其不僅會影響乘客乘坐時的舒適性，還會對環(huán)境造成影響[2]。

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

大部分的研究都還沒有考慮溫度對制動嘯叫的影響。在實際工況中，由于制動過程中所產(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，從而影響了制動結(jié)構(gòu)的力學(xué)表現(xiàn)。所以，考慮溫度對制動嘯叫的影響是很有必要的[7]。

1 鼓式制動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，對通過SolidWorks建模的鼓式制動器進(jìn)行簡化，僅保留制動蹄、制動鼓和摩擦襯片總成，為確保接下來分析的準(zhǔn)確性，采用HyperMesh對鼓式制動器的幾何模型進(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個單元，31 721個節(jié)點。經(jīng)過網(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

在研究過程中制動鼓、摩擦襯片以及制動蹄所對應(yīng)的材料參數(shù)如表1所示。

表1 制動部件材料屬性

1.3 設(shè)置接觸方式

在摩擦制動過程中，需設(shè)置兩對接觸副，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個分析步，前4個分析步是對制動過程的仿真，后面2個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)耦合對制動嘯叫影響的分析

汽車在制動的過程中，摩擦襯片與制動鼓之間周期性的摩擦運(yùn)動容易導(dǎo)致摩擦熱量的不均勻分布，熱量傳導(dǎo)后制動器部件會有明顯的溫度局部特征[1,10]。此時，部件因為外界的約束以及內(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)。在制動過程中，摩擦襯片會受到制動鼓與制動蹄的徑向力，由此所產(chǎn)生的熱應(yīng)力是不可忽視的。

在制動過程中制動鼓與摩擦襯片受熱膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)變，同時，摩擦襯片與制動鼓由于受到制動壓力而出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)變。采用間接耦合的方式，即分別計算熱分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，最后再來實現(xiàn)耦合處理?？紤]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稱，這是因為在施加轉(zhuǎn)速之后，接觸壓力發(fā)生了傾斜，摩擦襯片和制動鼓部分發(fā)生了分離。

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

圖3 1.2 s時應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖

圖4 2 s時應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖

圖5 2.4 s時應(yīng)力分布云圖與溫度分布云圖

分別在1.2 s、2 s、2.4 s三個時刻提取復(fù)特征值，不考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)時有14個不穩(wěn)定模態(tài)；考慮熱機(jī)耦合效應(yīng)后，在1.2 s時有31個不穩(wěn)定模態(tài)，在2 s時有39個不穩(wěn)定模態(tài)，在2.4 s時有36個不穩(wěn)定模態(tài)。不同時刻預(yù)測到的不穩(wěn)定模態(tài)數(shù)目不同且不同時刻在同一頻帶內(nèi)預(yù)測到的制動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)更加符合實際的工況，可以提高預(yù)測制動嘯叫的精度，并且可以反映制動嘯叫的時變特性。

圖6 1.2 s、2 s、2.4 s不穩(wěn)定模態(tài)分布圖

3 結(jié)論

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