肖 欢

(1安徽职业技术学院汽车工程学院；2合肥工业大学 汽车与交通工程学院 安徽合肥 230009)

在汽车的各部分零部件中，制动器占据着极其重要的一部分，汽车的行车安全主要依靠其制动效果。尤其在汽车高速行驶过程中，制动器的制动效果将与驾驶人员的安全紧密相连。行驶中的汽车由于惯性的作用，汽车的前轮一般会占据整个惯性负荷的70～80%，因此在整车的制动力度中前轮的投入应大于后轮。中小型汽车和SUV等多采用前轮盘式制动器，后轮鼓式制动器。国外有很多关于盘式制动器的研究，其中就有提到制动器结构强度、震动模态等方面的研究。国内就盘式制动器也开展了有限元模型的一系列研究，徐丹[1-2]等用ANSYS对制动盘进行了热结构分析；陈东[3]等对制动器摩擦片进行了偏磨损分析研究；胡启国[4]等从失效相关性出发，基于有限元，运用响应面法和反向传播(back propagation,BP)神经网络法分析了汽车盘式制动器系统的可靠性。此外还有很多学者针对盘式制动器开展噪声分析、磨损热应力、结构工艺等方面的研究[5-8]。

在此基础上，文章主要对某轿车盘式制动器的金属制动盘进行有限元模态分析，通过模态实验验证所建有限元模型是否正确可靠，为盘式车轮制动器的有限元分析提供了有效的参考依据，优化刹车系统。

1盘式制动器的模态仿真

模态分析常分布于各个行业，工程领域使用的最多，也是最为重要的一种分析方法。

1.1建立制动盘模态仿真模型

有限元分析是将一个结构划分为有限个的小区域，而这些单独的小区域又会以节点相互连接，通过对节点施加力，这样每个单元都会受到相同的力，然后再对每个小单元进行分析，因为单元的数量足够多分析出的结果就可以无限接近于实物本身了。

所研究分析的某轿车盘式制动器制动盘材质为HT250，根据该材料的实际特性参数在Abaqus软件中将其密度设置为ρ=7.3g/cm3，弹性模量E=110GPa，泊松比μ=0.26。将刹车盘模型进行网格划分，网格类型为C3D4(四节点线性四面体单元)，划分后包含20 785个节点和90 713个单元。在Abaqus软件中建立盘式制动器的有限元仿真模型，制动盘的有限元仿真模型划分好网格后的模型如图1所示。

图1 有限元模型

1.2制动盘模态仿真分析

网格划分后采用Lanczos特征值求解器进行模态求解[9]，得到模态分析的各阶振型分别如图2所示。

(1)一阶(2)二阶

(3)三阶(4)四阶

(5)五阶(6)六阶图2 前6阶振型图

在一阶频域1099.1Hz下，振型结果主要表现在制动盘外沿三点扭振，其余地方几乎无太大变形。在二阶频域1099.5Hz下，振型结果主要表现在制动盘外沿四点扭振，即围绕制动盘外沿四点弯曲扭振。在三阶频域1678.3Hz下，振型结果主要表现在制动盘外沿轴向弯曲扭振，同时内侧也发生轻微弯曲扭振。在四阶频域2060.6Hz下，振型结果主要表现在制动盘外沿单侧扭振，同时伴随内侧轴向外倾振动。在五阶频域2062.3Hz下，振型结果主要表现在制动盘外沿双侧扭振，一侧向内扭振，一侧向外扭振，同时伴随轴向弯曲变形。在六阶频域2300.5Hz下，振型结果主要表现在制动盘外沿六点扭振，即围绕制动盘外沿六点弯曲扭振，同时内侧发生轻微振动，其余地方几乎无太大变形。

在模态分析中计算盘式制动器前6阶的振型固有频率，如表1所示。

表1 前六阶固有频率值

2盘式制动器模态分析实验

文章主要是采用计算机模态分析的方法，而试验模态分析是通过试验得到数据的，利用传感器与数据收集器的相互配合使用，对进出数据分析，最终得到对应的参数。模态分析最终的结果是可以作为结构的动力分析的参数，而且还可以作为对结构优化的重要依据。

2.1模态试验

该研究分析采用软绳悬挂盘式制动器，将软绳穿过制动器中间轴孔，在其竖直自由状态下获得制动器的振动特性，在盘式制动器的合适位置布置传感器，模态试验采用锤击方式进行。试验测试系统现场如图3所示。

图3 试验测试系统现场

在模态试验中，将加速度传感器布置到制动盘的合适位置处，多次改变激励点、固定响应点来进行触发采样，然后采集系统软件进行信号收集。试验所用具体设备如表2所示。

表2 模态试验设备

在模态分析当中，会出现特征值和特征向量这些数值，在实际分析中，将避免这些频率，减少发生结构共振，确保相干系数(除去节点或反节点外)在0.8以上[10]。利用模态分析软件对试验测试数据进行处理，得到测试制动器各阶振型及固有频率，测点模型如图4所示。

图4 制动器模态试验模型

2.2试验结果

对采集系统采集到的信号进行处理分析得到制动器前6阶的模态参数信息，如表3所示。

表3 试验模态前6阶结果

3模态分析结果对比

通过对盘式制动器开展有限元模态分析和模态试验，对比两种方式下得到的模态参数结果如下：两种分析方法下盘式制动器的前6阶振型基本相同，各阶固有频率误差在5%以内，如表4所示。

表4 计算模态与试验模态的对比

4结论语

基于Abaqus软件对盘式制动器的制动盘进行有限元模态仿真，并运用有限元仿真实验对盘式制动器进行全面的仿真分析与研究，得到盘式制动器的模型以及仿真的自由模态云图。对比盘式制动器的有限元分析和模态试验得到的盘式制动器固有频率和各阶振型，两种分析方法下盘式制动器的前6阶振型基本相同，各阶固有频率误差在5%以内，验证了盘式制动器有限元模型的正确性，为下一步研究盘式制动器打下基础。