信息中心
鼓式制動器、摩托車剎車圈、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2020年7月18日訊 針對某車型由于后制動鼓切向和縱向模態(tài)耦合導(dǎo)致的高頻噪音問題,通過對制動鼓幾何形狀及尺寸的敏感度分析,探索其對制動鼓切向和縱向模態(tài)隔離的優(yōu)化方向。首先建立了制動鼓ANSYS 有限元模型,并利用試驗結(jié)果驗證模型可靠性,然后通過DOE 試驗矩陣分析方法,得出制動鼓主要幾何參數(shù)與模態(tài)隔離的敏感度關(guān)系,最后通過試驗對模態(tài)隔離和參數(shù)敏感度分析結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明:基于敏感度分析結(jié)果,通過優(yōu)化制動鼓的關(guān)鍵影響因子,可以有效地提高制動鼓的模態(tài)隔離結(jié)果。
前言
在汽車制動系統(tǒng)中,制動噪音因響度大、發(fā)生頻率高、機理復(fù)雜、控制難而成為該行業(yè)的研究熱點。制動噪音的頻率范圍較大,一般在1000~16000Hz[1-2]。制動鼓是鼓式制動器的關(guān)鍵安全部件,是制動系統(tǒng)中最主要的噪音輻射體,其結(jié)構(gòu)振動模態(tài)特性是制動噪聲水平的關(guān)鍵決定因素,會影響整車的安全性、舒適性、操縱穩(wěn)定性等基本性能。制動鼓的結(jié)構(gòu)模態(tài)優(yōu)化是解決制動噪音的一種有效途徑[3-6]。模態(tài)特性包括固有頻率、阻尼和模態(tài)振型,頻率和振型是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計時的重要參數(shù),這些動力學(xué)參數(shù)可通過有限元模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析來得到。本文以某轎車的后制動鼓為研究對象,基于有限元模態(tài)分析方法,通過改變制動鼓幾何尺寸參數(shù)來優(yōu)化制動鼓切向和縱向模態(tài),并探索制動鼓幾何參數(shù)與其模態(tài)頻率的敏感度關(guān)系,最后,通過試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果對有限元模態(tài)分析結(jié)果進行驗證,這對優(yōu)化制動鼓結(jié)構(gòu)設(shè)計及縮短設(shè)計周期提供了一定的參考,有效縮短設(shè)計過程并節(jié)省試制和試驗成本。
1 制動鼓參數(shù)化模型建立
利用UG 軟件建立制動鼓3D 實體模型,然后利用單元劃分軟件進行網(wǎng)格劃分,將劃分好網(wǎng)格的有限元模型導(dǎo)入ANSYS 中進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。圖1(a)為所分析制動鼓實物,圖1(b)為制動鼓的3D 幾何模型,圖1(c)為制動鼓有限元網(wǎng)格劃分圖。制動鼓參數(shù)定義如圖2 所示,相應(yīng)參數(shù)值如表1 所示,制動鼓的材料屬性如表2 所示。有限元模型的單元類型為Hex 8 Solid 單元,Hex 8 Solid 單元是一個3D實體結(jié)構(gòu)單元,網(wǎng)格平均長度為3mm,網(wǎng)格數(shù)量共36566 個,共47173 個節(jié)點。圖1 制動鼓實物、3D 幾何模型、有限元網(wǎng)格模型表1 制動鼓設(shè)計變量參數(shù)基準(zhǔn)值
2 制動鼓參數(shù)化模型可靠性分析
制動鼓自身有多階共振頻率,從而組成一系列離散的頻率譜,即模態(tài)是一個頻譜,是由物體的各階共振頻率組成的。隨著振動頻率的升高,振幅隨之減小,影響也有所減小[9]。因此模態(tài)分析中前幾階的模態(tài)特性最為重要。而且,制動噪音頻率范圍一般在1000~16000Hz,因此通過ANSYS 進行模態(tài)分析時提取前 10 階徑向(ND)及前3 階切向(T)模態(tài)頻率,滿足涵蓋關(guān)注頻率范圍的需求。將該模型的模態(tài)分析結(jié)果與該制動鼓實物的模態(tài)試驗結(jié)果進行對比,結(jié)果如表3所示。從表3 可以看出,該參數(shù)化有限元模型所計算出的前10 階徑向模態(tài)及前3 階切向模態(tài)頻率與制動鼓實物模態(tài)試驗頻率的相對誤差均小于1%,最大誤差僅為0.88%,因此,可認為所建立有限元模型具有較高可靠性和有效性。表4 為該有限元模型的各階切向模態(tài)與各階徑向模態(tài)之頻率差值|fND-fT|,可以看出該模型能夠?qū)⑶邢蚰B(tài)與徑向模態(tài)隔離至200Hz 以上,最小的模態(tài)隔離發(fā)生在6ND 與1T 以及8ND 與2T 之間,分別為241Hz 和223.9Hz,可以有效地避免產(chǎn)生頻率共振。表3 制動鼓參數(shù)化模型模態(tài)分析結(jié)果與原始頻率之比較
3 制動鼓參數(shù)敏感度分析
3.1 制動鼓參數(shù)敏感度的確定
實際零件開發(fā)過程中,制動鼓的內(nèi)徑DB 和安裝面厚度TC 在設(shè)計階段就已經(jīng)是確定的值,一般不可變更。因此在制動鼓模型中,選擇表1 中除了DB 和TC 外的11 個幾何尺寸參數(shù)作為輸入變量,將分析結(jié)果1T~3T、2ND~11ND 共13個模態(tài)頻率作為輸出變量。研究制動鼓模態(tài)特性對幾何特征參數(shù)的敏感度,共可獲得143 組敏感度值。定義某一輸出變量F 相對于輸入變量Xi 的敏感度為:若輸出變量為正值,則說明該模態(tài)頻率與該幾何參數(shù)成正相關(guān);若輸出變量為負值,則說明該模態(tài)頻率與該幾何參數(shù)為負相關(guān)。圖3(a)為1T 切向模態(tài)頻率相對于11 個輸入變量在-1%~+1%范圍內(nèi)變化時的敏感度分析結(jié)果。從圖3 可以看出,1T 切向模態(tài)敏感度與輸入變量防水槽YJ、工作面寬度YW、帽蓋厚度TT 和TX 成正相關(guān),與剩余輸入變量DA、XD、YE、XF、YH、θ、XK 成負相關(guān)。從下圖可以看出當(dāng)DA 從-1%~+1%變化時,即DA 變化量為4.928mm 時,模態(tài)頻率變化僅為11.2Hz。而XD、YE、TT、TX 從-1%~+1%變化時,即他們的變化量分別為0.40mm、0.402mm、0.13mm、0.11mm 時,模態(tài)頻率變化分別為14.5Hz、4Hz、3.7Hz、3.9Hz。由于XD、YE、TT、TX 的參數(shù)基準(zhǔn)值相對于DA、YH、YW來說較小,如果各個參數(shù)變化量都為1mm 時,相應(yīng)的敏感度分析結(jié)果如圖3(b)所示,可以看出1T 切向模態(tài)與各個參數(shù)的敏感度從大到小依次為XD>TX>TT>YE>XK>YH>YW>YJ>θ>DA>XF。表5 為制動鼓模型中各個輸入變量分別增加1%時,1T~3T、2ND~11ND 共13 個模態(tài)輸出變量的增減量。綜合表5、圖3(b)以及實際幾何尺寸變化可行性可以看出,制動鼓的模態(tài)頻率對制動鼓幾何特征參數(shù)XF、YJ、YH、YW、θ及XK 的敏感度很小,即這幾個參數(shù)值對制動鼓的模態(tài)頻率影響相對較小。而制動鼓的外徑DA,帽蓋厚度TT、TX 以及最大外圈加強筋XD、YE 對對各階模態(tài)頻率的影響較大,尤其是能夠?qū)?ND 與1T 及8ND 與2T 的模態(tài)隔離得更好。而且,DA、XD 對6ND 與1T 的模態(tài)影響是相反的。因此,可以通過優(yōu)化這幾個參數(shù)將6ND 與1T 之間的模態(tài)隔離更大。在實際工作中,可以根據(jù)各階模態(tài)隔離的需求,對某一設(shè)計參數(shù)或某些組合設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化來達到隔離模態(tài)的目的。例如:當(dāng)帽蓋厚度TX增加0.5mm時,2T模態(tài)增加9.13Hz,而8ND 模態(tài)增加178.9Hz,因而8ND 與2T 的模態(tài)隔離從最初的223.9Hz 增加至393.67Hz。當(dāng)帽蓋厚度TX 增加0.5mm同時使制動鼓外徑DA 減小2.46mm,可以使得8ND 與2T的模態(tài)隔離從原來的223.9Hz 增加到456.19Hz,而6ND 與1T 的模態(tài)隔離從241Hz 增加至311.46Hz。表5 參數(shù)化模型模態(tài)頻率與設(shè)計變量關(guān)系Note:
1.表中數(shù)據(jù)為設(shè)計變量增加1%時,反應(yīng)變量的增減量。
2.表中括號內(nèi)數(shù)值為制動鼓參數(shù)基準(zhǔn)值。
3.2 制動鼓參數(shù)敏感度的驗證
正為驗證制動鼓參數(shù)敏感度分析的可靠性,將制動鼓特征參數(shù)YE 和DA 分別按照如下進行機加:#1 號制動鼓YE減小1%(0.2mm),#2 號制動鼓YE 減小1%(0.2mm),同時DA 減小0.81%(2mm)。記錄機加之前及機加之后制動鼓各階模態(tài),同時,將制動鼓的實測材料密度及彈性模量代入制動鼓參數(shù)化模型中進行修正,可得到修正后制動鼓模態(tài)頻率的理論差異。#1 號制動鼓的分析結(jié)果如表6 和圖4 所示,#2 號制動鼓的分析結(jié)果如表7 和圖5 所示。從表6 和圖4 可以看出,隨著1#制動鼓YE 尺寸的減小,各階ND 模態(tài)的實測值與理論值都呈減小趨勢,且ND 模態(tài)的實測差異與理論差異較為接近。而1T 實測模態(tài)同1T 理論模態(tài)呈變大趨勢,2T 與3T 的實測模態(tài)與理論模態(tài)呈減小趨勢,但2T 與3T 的實測模態(tài)差異比理論計算差異稍微偏大一些,最大差異都在0.58%以內(nèi)。而且,從表6 分析可以看出6ND 與1T 的模態(tài)隔離從216Hz 增加至236Hz,而8ND 與2T 的模態(tài)隔離從原來的253Hz 增加到309Hz。從表7 和圖5 可以看出,當(dāng)同時減小2#制動鼓的YE 和DA 尺寸時,各階ND 模態(tài)及T 模態(tài)的實測值與理論值都呈現(xiàn)減小趨勢,且整體模態(tài)的實測差異與理論差異的較為接近。而且,從表7 數(shù)據(jù)可以看出6ND 與1T 的模態(tài)隔離從253Hz增加至298Hz,而8ND 與2T 的模態(tài)隔離從原來的323Hz 增加到673Hz。基于上文分析可知,通過優(yōu)化制動鼓的單一尺寸參數(shù)YE或者組合尺寸參數(shù)YE 和DA,可以有效地提高制動鼓的模態(tài)隔離結(jié)果,并說明該制動鼓參數(shù)化模型的敏感度分析具有較高可靠性。
4 結(jié)論
(1)利用ANSYS 對制動鼓進行參數(shù)化建模并對其模態(tài)進行試驗驗證,模態(tài)頻率誤差均小于1%,改參數(shù)化模型可靠性較好。(2) 通過對制動鼓模態(tài)與設(shè)計參數(shù)之間的敏感度研究,識別影響制動鼓模態(tài)隔離的關(guān)鍵因子:制動鼓的外徑、帽蓋厚度和最大外圈加強筋厚度。(3)基于參數(shù)敏感度分析結(jié)果,通過對關(guān)鍵因子進行優(yōu)化分析,可快速解決制動鼓的模態(tài)隔離問題,有效縮短設(shè)計周期。
?