摘要：为了商量正在任务状况下制动器摩擦片发作磨损后的制动噪音题目，设立修设了匀称磨损和不匀称磨损两种有限元模子。通过热-机闭耦合模块的仿真阐发，取得匀称磨损

摘要：为了商量正在任务状况下制动器摩擦片发作磨损后的制动噪音题目，设立修设了匀称磨损和不匀称磨损两种有限元模子。通过热-机闭耦合模块的仿真阐发，取得匀称磨损和不匀称磨损两种状况正在差异磨损量时的模态漫衍与振型，求出了各阶固有频率。采用复特性值法求出了体例担心靖模态下的担心靖系数。商量结果讲明，两种磨损状况均对制动器体例的安靖性有必然影响，跟着磨损量的增大，制动器的固有频率呈降落趋向，匀称磨损状况下担心靖模态的数值略有添补，不匀称磨损状况下担心靖模态的数值上升趋向显著，发作制动噪声的目标明显添补。通过阐发不匀称磨损形成的原由，提出了相应的改善设施，为制动器体例的进一步优化供给了表面凭据。

跟着人们生存水准的无间升高，汽车举动通常交通东西，其安闲性与平顺性举动行驶品德的尺度也越来越受到汽车临蓐商与搭客的着重。制动器举动汽车不成匮乏的零部件，通过本身制动盘与摩擦片的接触形成摩擦阻力来限度车辆的行驶速率，以担保汽车的行驶安闲，而伴跟着制动所形成的摩擦颤噪成为了影响驾驶安闲与乘坐舒畅性的一大困难。现正在市集上遍及操纵且较为成熟的汽车制动装配的机闭花式紧要有盘式与饱式两种，此中盘式机闭的制动用具有机构粗略、利于散热、牢靠性强、便于安设维修等好处，已成为新颖家用轿车的主流花式。

制动器正在长时刻操纵后会发作较为告急的磨损征象，理思状况下，受到均布载荷效率的摩擦片与制动盘之间的磨损是匀称漫衍的，但正在本质运转中制动进程伴跟着摩擦热的形成，而摩擦接触区域差异地位的散热前提差异，导致摩擦片制动进程中温度场的漫衍口舌匀称的，进而导致接触区域差异部位的应力差异，崭露偏磨征象。正在针对偏磨这种不匀称磨损征象的商量中，陈东等通过ABAQUS有限元软件采用热-机闭直接耦合的设施盘算了蹙迫制动进程中摩擦片正在差异工夫温度与接触压力的漫衍，并通过阐发取得了新摩擦片任务的前期会发作切向偏磨，而偏磨抵达必然水准时，摩擦片因本身形状的蜕变会影响偏磨的地位，使得摩擦的接触面趋于匀称，故可将摩擦片的磨损看作是一个自合适调动的进程。张方宇等则商量了制动器热应力耦合状况下磨损量的数值盘算设施，并操纵有限元软件模仿了急速制动进程中热应力耦合效率下摩擦片的磨损进程。现有文献中对付已形成磨损的制动器正在摩擦生热状况下制动器体例的噪声题目未做深远商量，本文旨正在通过热-机闭耦合的形式，针对本质工况下因摩擦热而形成大幅温升的制动器正在两种差异磨损状况下的制动噪声题目举办阐发商量，为制动体例的深目标优化供给表面凭据。

1 制动噪声的产希望理汽车制动是通过摩擦力来阻滞安设正在轮轴上制动盘的扭转运动来告终的，而这个摩擦阻力是制动盘与受压摩擦片贯串触而形成的。制动摩擦力以及制动部件形状的蜕变会导致自激振动，并形成噪声。闭于振动噪声产希望理的商量中，较为成熟的表面有：①黏性滑动表面。当接触外面的动摩擦系数与静摩擦系数纷歧概时，无间蜕变的摩擦力将自激振动形成的能量源源无间地引入体例，变成其安靖性降落，形成制动尖叫的征象。②模态耦合表面。当制动器任务时，假如存正在具有好似特性的模态发作耦合，制动体例将发作共振并激励制动尖叫。商量讲明，因为制动盘转速和温度蜕变等身分的影响，制动器的摩擦系数降落，崭露黏滞滑移征象，使得各部件的振动幅度彼此叠加，导致共振，同时向边际辐射振动能量而酿成噪声。平常来说，制动噪声开头于刚度较小的摩擦片，该摩擦片同时会发动运转中的制动盘而形成噪声。

遵循振动频率的差异，制动噪声可分为以下3种：①频率正在100～1 000 Hz之间的低频噪音，音响较为下降；②频率正在1 000～7 000 Hz之间的低频尖叫，由转动盘的面外模态与摩擦片的弯曲模态耦合形成，噪声逆耳；③频率正在7 000 Hz以上的尖利逆耳的高频尖叫盘，由转动盘面内模态之间彼此耦合形成。通过解析振动方程的复特性值可求解制动噪声的发作频率，针对盘算量较大的丰富模子，可通过复模态求解得出，取得体例各阶模态中的担心靖模态及其各部件的共振频率。

采用盘式制动时，振动模态是激励噪声的紧要身分。通过对体例的模态阐发求解物体的固有频率和振型，进而可能管理体例自激振动题目。闭系动力学方程为：

因阻尼对体例模态的影响较小，正在模态阐发中可能粗心。通过有限元阐发软件中的静态机闭阐发模块，以模子的初始状况为凭据，创立载荷与接触相干，不妨举办预应力模态阐发。为了简化盘算，可能将阻尼粗心。设载荷函数F(t)=0，则体例正在自正在振动状况下的方程为：

对式(2)可采纳直接积分法或模态叠加法来求解，此中模态叠加法因道理更接近操纵中的情状，故其操纵频率高于直接积分法。模态叠加法通过将体例各部件固有频率与其紧要模态耦合的通用数学方程转化为非耦合的独立方程来求解。正在M矩阵和K矩阵均为常数的线性振动体例中，自正在振动的花式为如下的简谐振动：

式中：[K]为刚度矩阵；[M]为质地矩阵；{φ}i为特性向量，代表第i阶自正在振动频率下的振型；ωi为i阶自振角频率，代表第i阶模态的固定频率，即特性值。

由式(6)阐发可知，若摩擦力惹起体例耦合，使得刚度矩阵过错称，则对应的特性矩阵过错称，从数学角度看，正在必然前提下，过错称矩阵特性值的花式为复数。体例的特性值即为体例模态频率，由限度表面得知，体例的复特性值的实部为负时，该体例为安靖体例；反之，当复特性值的实部为正时，该体例担心靖。所以，正在对制动器的任务状况求解时，若模态复特性值的实部为正，则为担心靖模态，其工程显示为有噪声目标。故对制动体例复模态求解即可告终对噪声的预测。式中：s为体例复特性值；σ为特性值实部，也是体例的阻尼系数；ω为特性值虚部，也是体例的自然频率。

若体例的某阶复模态存正在负阻尼，阻尼比为负数，则呈现正在此阶模态下，阻尼不但不耗费能量，反而向体例中反应新的能量，从而激励自激振动，故其为担心靖模态。本质工况下，平常用担心靖系数γ的值来区别担心靖模态，当γ>0.01时，视为担心靖模态；反之，当γ<0.01时，则视为安靖模态。

3 盘式制动器热-机闭耦合模子因为制动进程会形成洪量的热，采用热-机闭耦合阐发法更契合确实工况。本文拟遵循制动器模子正在差异工夫的热流密度求得制动器正在差异工夫的温度及热应力，然后通过热应力与机闭应力的耦合阐发，求得该模子的前30阶自然频率以及相应振型图，并遵循其复特性值结果取得该体例的担心靖模态，为进一步的优化供给参考凭据。

3.1 制动器摩擦热流密度所商量摩擦片的外径为308 mm，内径为220 mm，包角为60°，制动进程中制动盘的初始速率为114 rad/s，匀称磨损状况下施加正在摩擦片上的制动压力为5 MPa，不匀称磨损状况下制动压力为8 MPa，两种状况下制动时刻均为2 s。假定制动进程中形成的一齐热量均被制动盘和摩擦片所吸取，则摩擦接触正在一个渺小面积dA上形成的热量为：

式中：η为零部件取得摩擦生热量的比例；μ为摩擦系数；p(t)为零部件所受到的法向压力；ω(t)为转动盘的角速率；r为摩擦半径。

式中：qd(r,t)为制动盘的热流密度；qp(r,t)为摩擦片的热流密度；ρd、ρp差异为制动盘、摩擦片的密度；cd、cp差异为制动盘、摩擦片的比热容；λd、λp差异为制动盘、摩擦片的导热系数。

图1所示为浮钳盘式制动器的实物图，紧要由制动盘、摩擦片、制动钳、液压缸与活塞等部门构成。图2 所示为制动器任务道理图。当刹车踏板被踩下时，刹车总泵受到连杆的推力效率，将液体压力通过液压缸转达到活塞，饱吹活塞和与其相连的摩擦衬块向刹车盘倾向运动，当活塞侧摩擦衬块接触刹车盘时，刹车卡钳正在液压缸内压力的效率下向活塞运动的反倾向运动，从而使两块摩擦片对刹车盘酿成合夹，正在摩擦力的效率下使车速消浸。

图3所示为某型号轿车制动器的三维模子。噪声紧要来自于制动盘与摩擦片，为了淘汰盘算量，升高作用，本文将安装模子简化统治，保存去掉倒角和圆角后的制动盘体和两侧摩擦片。制动盘外圆直径330 mm,内圆直径150 mm，厚24 mm。制动盘的透风孔厚8 mm，漫衍正在制动盘轴向的核心区域，每个透风孔的包角为10°，每个巩固肋的包角为8°。全盘制动盘共20个透风孔与巩固肋。摩擦片外侧直径为308 mm，内侧直径为220 mm，包角为60°，制动盘与摩擦片的质料物理功能差异睹表1、表2和表3所示。新摩擦片的厚度为14 mm，恒久操纵后形成切向偏磨的摩擦片的截面形式如图4所示。为商量差异磨损状况下的制动噪声情状，创立了6组仿真工况。匀称磨损摩擦片的厚度差异为14 mm、11 mm、8 mm，不匀称磨损的偏磨量差异为正在其对应的匀称磨损根柢上偏磨1.5 mm。工况分组如表4所示。

为了商量盘式制动器的热-机闭耦合状况，本文采用ANSYS软件举办仿真阐发，正在Engineering Data中增加仿真用到的两种质料，然后将制动器的简化模子到场Geometry模块中并对其外面举办盘据。图5所示圆环为制动时的摩擦区域。将制动部件划分为图6 所示的网格，且网格尺寸为6 mm，可取得82 271个网格，140 349个节点。制动盘与摩擦片为摩擦接触，匀称磨损状况下制动压力取5 MPa，不匀称磨损状况下制动压力取8 MPa。将热流密度差异给予制动盘两侧的摩擦区域，求得制动进程中差异工夫差异地位温度场的蜕变，可告终热应力与机闭应力的耦合阐发。

对6组工况举办仿真模仿，取得了差异磨损状况下制动器的固有频率和担心靖系数。制动器规范担心靖模态的云图如图7所示。仿真求得的各阶固有频率与担心靖系数差异如图8和图9所示。

由图8(a)可看出，3组仿真值高度重合，匀称漫衍正在500～5 700 Hz之间。第一组的各阶固有频率略大于后两组，第二组居中，第三组最小，以是跟着匀称磨损的深远，摩擦片的厚度淘汰，固有频率也随之消浸，不过磨损量的蜕变对制动器固有频率的影响不大。由图8(b)可看出，与前3组相似，正在不匀称磨损状况下，制动器的固有频率已经匀称地漫衍正在500～5 800 Hz之间，其前15阶频率高度重合，漫衍于500～3 000 Hz之间，其值跟着磨损量的添补而略有减小，然后15阶频率则崭露较大的振动，此中第四组和第六组显著高于第五组，当摩擦片厚度为11 mm，偏磨量为1.5 mm时，制动器的固有频率最低，3组仿真的频率正在振动之后从新收敛，第30阶频率切近于5 500 Hz，相差100 Hz。所以，不匀称磨损状况下磨损量的蜕变对制动器固有频率的影响不大。由图9(a)可看出，第一组仿真结果中崭露两个担心靖系数，差异正在第6阶固有频率1 114.4 Hz和第11阶固有频率2 654.3 Hz处，对应的担心靖系数差异为0.004和0.002，这两个结果都小于0.01，可认定为安靖模态。联络后两组仿真结果可能发觉，跟着匀称磨损量的添补，体例崭露担心靖系数的模态数呈添补趋向，况且比拟于新制动器，磨损后的制动器担心靖系数正在高阶模态中，第三组仿线的结果，具有必然的发作噪声的目标。所以，跟着磨损量的添补，制动器的体例合座安靖性降落，崭露制动低频尖啼声的也许性变大，不过正在匀称磨损状况下，磨损量对制动器的体例安靖性影响不大。由图9(b)可看出，相对付前3组，不匀称磨损状况下的制动器崭露了众个担心靖系数，此中第四组仿线 mm偏磨的制动器)崭露了3个存正在担心靖系数的模态，第16阶模态的担心靖系数为0.003，视为安靖模态，第11阶、第18阶模态的担心靖系数均大于0.01，此时制动器正在2 651.2 Hz 和4 065.7 Hz处存正在两阶担心靖模态。第5组和第6组仿线 Hz两阶担心靖模态，而第6组则存正在1 846.7 Hz、2 991.5 Hz和5 563.1 Hz三阶担心靖模态。所以，跟着磨损量的增大，存正在偏磨不匀称磨损状况的制动器发作制动尖叫的机率大幅提拔，不匀称磨损对制动器体例的安靖性影响较大。

通过对6组工况仿真结果的归纳阐发得出，制动器磨损量的巨细对其体例固有频率有必然的影响。理思状况下，跟着磨损量的加大，固有频率呈消浸趋向，这是因为摩擦片厚度变薄后，其刚度降落，从而导致本身固有频率变低。当不匀称磨损发作后，其担心靖模态明显增加，体例安靖性降落，崭露噪声的机率显著提拔，与实际工况下制动器制动噪声的形成次数跟着其操纵时刻的添补而增加的征象相吻合。

针对因温升而导致的不匀称磨损状况的制动噪声题目，可通过蜕变其比热容、热膨胀系数、热传导系数等功能参数来管理。采用相宜的摩擦质料，通过到场适量奇特元素、调质等统治设施，增大其比热容、热传导系数，消浸热膨胀系数，使其正在担保制动成绩的情状下，消浸制动器的合座温升，并改正制动器差异部位的温差，从而改正其温度与应力不屈衡的磨损特色，有用地压迫制动噪声。

通过对制动器正在两种差异磨损状况下的热-机闭耦合阐发，归纳比拟6组工况下的仿真结果，取得如下结论：

(1) 摩擦片的磨损对制动器的体例安靖性具有必然的影响，特别是正在本质工况下每每崭露的不匀称磨损对其安靖性具有较大的影响。

(2) 正在理思状况下，匀称磨损的制动器跟着摩擦片磨损量的添补，各阶固有频率根本保留稳定，固然制动器合座安靖性有所降落，但影响不大，这时崭露制动低频尖叫的也许性变大。

(3) 不匀称磨损状况下的制动器跟着摩擦片磨损量的添补，崭露了较众的担心靖模态，体例固有频率崭露必然水准的振动，体例的安靖性明显降落，崭露制动噪声的几率更大。

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