鼓式制動器制動嘯叫熱機耦合特性分析

陳普銀

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710000）

0 引言

汽車已經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，還會對環境造成影響[2]。

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

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生的熱量，結構的熱應力、應變以及變形都發生了改變，從而影響了制動結構的力學表現。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 有限元網格的劃分

根據分析要求，對通過SolidWorks建模的鼓式制動器進行簡化，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確性，采用HyperMesh對鼓式制動器的幾何模型進行網格劃分，以六面體為主，五面體為輔[8-9]，如圖1所示，經劃分后的有限元模型包含20 108個單元，31 721個節點。經過網格劃分之后將其導入到ABAQUS中進行復模態分析。

1.2 賦予結構材料屬性

在研究過程中制動鼓、摩擦襯片以及制動蹄所對應的材料參數如表1所示。

表1 制動部件材料屬性

1.3 設置接觸方式

在摩擦制動過程中，需設置兩對接觸副，在ABAQUS軟件中的interaction部分進行設置，具體設置方式如表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據，進行后續的分析，具體的設置如表3所示。

表3 設置分析步

2 熱機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動容易導致摩擦熱量的不均勻分布，熱量傳導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部各部件之間的相互約束，不能自由地膨脹收縮，所以熱應力與熱應變出現。在制動過程中，摩擦襯片會受到制動鼓與制動蹄的徑向力，由此所產生的熱應力是不可忽視的。

在制動過程中制動鼓與摩擦襯片受熱膨脹而產生熱應變，同時，摩擦襯片與制動鼓由于受到制動壓力而出現機械應變。采用間接耦合的方式，即分別計算熱分析結果與結構分析結果，最后再來實現耦合處理。考慮熱機耦合效應壓力分布圖和忽略熱機耦合效應壓力分布圖如圖2所示。

圖2 壓力分布云圖

接觸壓力分布對熱機耦合具有重要的影響，由圖2可以看出在考慮熱機耦合效應與忽略熱機耦合效應的條件下，其接觸壓力分布不同；考慮熱機耦合效應的情況下，其接觸應力更大。圖中的接觸壓力分布不對稱，這是因為在施加轉速之后，接觸壓力發生了傾斜，摩擦襯片和制動鼓部分發生了分離。

1.2 s、2 s、2.4 s時的應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，溫度和應力是相互作用的。

圖3 1.2 s時應力分布云圖與溫度分布云圖

圖4 2 s時應力分布云圖與溫度分布云圖

圖5 2.4 s時應力分布云圖與溫度分布云圖

分別在1.2 s、2 s、2.4 s三個時刻提取復特征值，不考慮熱機耦合效應時有14個不穩定模態；考慮熱機耦合效應后，在1.2 s時有31個不穩定模態，在2 s時有39個不穩定模態，在2.4 s時有36個不穩定模態。不同時刻預測到的不穩定模態數目不同且不同時刻在同一頻帶內預測到的制動嘯叫頻率并不完全相同，具體情況如圖6所示。考慮熱機耦合效應更加符合實際的工況，可以提高預測制動嘯叫的精度，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不穩定模態分布圖

3 結論

考慮溫度對制動嘯叫的影響，有助于提高預測的精度，而且能夠體現出因熱機耦合效應所導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。