王素粉

(三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南三门峡 472000)

基于ANSYS14.0的汽车制动器尖叫有限元分析

王素粉

(三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南三门峡 472000)

刹车噪音是衡量汽车舒适性的一个关键指标，制动器是汽车刹车系统的重要零部件，本文利用ANSYS14.0对汽车盘式制动器尖叫进行模态分析，制定出制动器尖叫的分析方案，找出制动器的不稳定模态阵型及尖叫模态阵型，其分析结果对汽车噪声源控制及汽车制动器进一步的设计提供了理论依据。

有限元 制动器 模态分析 尖叫 振型

0 引言

随着工业的不断发展，家用汽车也随之增多，但同时对其舒适性的要求也越来越高，其中制动噪音是衡量其舒适性的一个关键指标，制动器是汽车制动系统的重要零部件，也是汽车的噪声源，随着制动盘尺寸越来越大，由于持续摩擦产生的震荡导致制动器出现噪声，在汽车制造和设计中越来越受到重视。消除或减小制动时的制动噪声，对于提高乘客舒适性非常重要，因此在汽车设计中，制动器的设计成为一个重要的环节。而制动器制动噪声现象主要由粘性滑动理论和模态耦合理论两种描述方式，其中，粘性滑动理论认为变化的摩擦力将能量引入到了一个不能完全将该能量消耗掉的系统而导致的制动器尖叫，而模态耦合理论认为制动器中两个相似特征的模态彼此耦合时，会将不稳定模态引入到制动系统中，这个不稳定的模态将会是引发制动器尖叫的主要原因，这两种方式的共同点是都确定制动器发生尖叫的原因是制动器中的盘-板之间发生了变化，但模态耦合理论更能体现制动器的动态分析效果。本文对汽车盘式制动器尖叫进行模态分析，制定出制动器尖叫的分析方案，找出制动器的不稳定模态阵型及尖叫模态阵型，对汽车噪声源控制及汽车制动器进一步的设计提供了理论依据。

1 制动器几何模型建立

本文所分析的对象是盘式制动器，在有限元分析软件ANSYS14.0中直接建立其几何模型，所建立的几何模型尺寸为：转盘厚度为15 mm，制动盘的厚度是15 mm，转盘内径为125 mm，外径为175 mm。制动盘的包角为35°。盘式制动器忽略支架部分，简化后有限元实体模型如图1所示。

图1 汽车盘式制动器简化有限元实体模型

2 制动器网格划分及接触对建立

2.1 制动器网格模型建立

盘式制动器主要由盘和制动片两部分组成，两者均为线弹性材料，其弹性模量为200 GPa、密度为7800 kg/m3、泊松比为0.3。在进行网格单元选择时选用的是SOLID186模拟盘和制动片，并使用接触单元174和目标单元170模拟盘与制动偏之间的滑动接触，摩擦因数为0.3。网格单元尺寸为0.006。网格划分后的制动器模型如图2所示。

图2 制动器网格模型

2.2 制动器柔-柔接触对建立及约束

由于制动器材料为肉形体，所以转盘和制动盘之间的接触为柔-柔接触，借出单元类型为面-面接触，接触面之间的摩擦因数为0.2。创建好制动器的接触对之后，要激活大变形分析，选择的是牛顿-拉弗森为完全分堆成求解法。对制动器的约束主要是约束转盘内径上三个方向的平动位移、制动器外盘上的x方向位移(UX)、制动器下盘外面上的y方向位移(UY)。在设定好约束的制动器上进行定义载荷，主要是在制动盘的外侧的两个面上施加载荷，其压力值为1×106。设定好接触对、载荷及边界约束后的制动器示意图如图3所示。

图3 制动器边界条件及载荷示意图

3 制动器模态求解及结果分析

3.1 转动盘和制动盘之间摩擦转动求解

本文采用重启载荷步的方式进行初次求解，主要目的是写入载荷步及其频率，对制动盘及转盘之间进行相对转速设定，计算时间为1，求解过程示意图如图4所示。

图4 求解过程示意图

3.2 摄动模态分析

在进行转盘和制动盘之间摩擦转动求解后，对制动器进行摄动分析，重新生成单元矩阵，所选择的模态分析方法为非对称法，模态提取数量为30阶，扩展模态阶数为30阶，因此所分析的结果显示为前60阶模态阵型。分析求解后的60阶模态频率及阶数如图6所示。第一列代表序号，第二列代表振动频率，第三列代表分析模型数量，第三列第四列均代表其振动阶数。

图7至图12分别是从制动器尖叫模态模态分析的60阶阵型中提取出的阵型图，从分析数据的显示可以看出，前10阶都是稳定阵型，但从第11阶开始出现了模态中虚部为非零的正数，因此为不稳定模态阵型，会引起制动尖叫，如图6和图10所示。图6中的数据显示，第24阶和26阶的时候已经出现了严重的制动尖叫，尖叫模态阵型图分别如图11和图12所示。根据模态振动频率及实际情况的对比，出现尖叫的频率均大于实际频率，这主要是由于实际摩擦系数及制动器的结构变化引起的。

图5 模态分析结果数据

图6 制动器1阶模态阵型图

图7 制动器2阶模态阵型图

图9 制动器11阶模态阵型图

图10 制动器24阶模态阵型图

图11 制动器26阶模态阵型图

4 小结

通过在ANSYS14.0中建立制动器模型，进行接触对设定及约束，通过摄动模态分析，利用非对称的模态分析方式提取出前60阶模态阵型，通过分析结果显示出制动器发生尖叫之前的不稳定模态及尖叫模态，所提取的模态分析数据结果为制动器进一步的实验分析及制动器的优化设计也提供一定的理论依据。从而可以在制动器尖叫之前有效消除或减弱制动噪声，提高乘员的舒适性。

[1] 孟祥宝.基于ANSYS汽车盘式制动器的有限元分析.[J].装备制造技术，2014(7)：201-203.

[2] 赵文杰.基于ANSYS的汽车制动盘温度场仿真分析[J].西华大学学报，2012(2)：8-11.

[3] 赵军. 汽车制动盘的有限元模态分析[J].装备制造技术， 2014(12)：67-70.

The finite element analysis of car brakes screaming Based on ANSYS14.0

WangSufen

(TheDepartmentmechanicalandelectricalengineeringSanmenxiaVocationalandTechnicalCollege,Sanmenxia472000,Henan)

the brake noise is a key indicator of measuring for the car comfort, brake is one of the important parts of brake system, the modal analysis was carried out on the car disc brakes screaming by using ANSYS14.0, the analysis scheme of a brake scream developed, brake instability screaming modal shape and modal shape were found out .the analysis results provide a theoretical basis for the noise controlling and the brake further designing.

finite element Brake The modal analysis Scream Vibration mode

1006-8244(2016)04-015-03

王素粉

U463.51

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