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盘式刹车片的固有频率分析

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  • 发布时间:2017-02-12
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1 理论分析系统的质量、刚度和阻尼等特性决定了系统具有- 系列的固有频率。系统在工作过程中往往受到由于转动过程中自身的质量不平衡所形成的惯性力作用,或受到外部环境的激励作用而产生强迫振动或 自激振动,从而对系统的振动特性产生影响。当激励力的频率与系统的某-阶固有频率相接近时,系统的振幅就会被剧烈放大,恶化系统的工作状态,这种现象称为共振。

制动噪声主要是 由制动器的振动产生 的。对于盘式制动器而言 ,制动噪声主要是由于刹车片的振动激励制动盘体做轴向振动而产生的。研究刹车片的固有频率对抑制制动器的振动和噪声有着重要意义。

本文对盘式刹车片的固有频率进行了理论分析,并通过计算实例对理论分析结果进行验证。

根据 Kirchhof G.的卞振动理论 可知,卞的各阶固有频率 与卞抗弯刚度D。、密度P以及板厚h存在以下关系:oc/Do/(p ) (1)卞抗弯刚度D。与弹性模量 E、泊松比 和板厚h的关系如下:(2)根据盘式刹车片的结构特点,可将其近似简化为矩形厚板模型。对于-般常用的工程计算,厚板模型可先按卞理论计算出卞各阶固有频率 ,再用相应的频率厚化系数 C 修正。即厚板的固有频率与卞的固有频率 之间的关系为:HC H (3)国家自然科学基金资助项目(50978162,51278298);北京市属高等学校人才强教计划资助项 目(PHR201107110)14张扬 ,等:盘式刹车片的固有频率分析 2013年第 1期频率厚化系数 c 是在考虑厚壁因素后,用来评价频率变动程度的参数。C 的具体取值可根据厚板的结构、边界特点和泊松比 ,由机械振动手册 的频率厚化系数表查出。对于频率厚化系数表中未列出值的材料,可按所给数据线性插值得到 c 〖虑切变形和转动惯量等因素后,厚板频率小于按卞理论计算的频率,即频率厚化系数 C 小于 1。

由式(1)~式(3)可得,厚板的各阶固有频率与弹性模量 、泊松比肛、密度P、板厚 h和频率厚化系数 c 存在以下关系:c (4)频率厚化系数 C 只与厚板的结构、边界条件及泊松比 有关,而与板材的弹性模量 E、密度P和板厚h无关。弹性模量 E与密度P的比值称为材料的比模量。所以可得出:当厚板的结构、边界条件及泊松比- 定时,板材的比模量、板厚 h越大,厚板的固有频率就越高;反之, 就越低。

由上述理论分析可知,当盘式刹车片的型号-定时,其固有频率主要撒于摩擦材料的比模量。摩擦材料的比模量越大,盘式刹车片的各阶固有频率就越高;比模量越小,各阶固有频率就越低。

2 计算实例以夏利 T 100型汽车前轮盘式刹车片为例,选择两种不同的摩擦材料,-种是半金属摩擦材料,另-种是不含钢纤维等金属纤维的新型摩擦材料 ,在ANSYS软件中对它们进行模态对比分析,从而验证盘式刹车片固有频率的理论分析结果。

盘式刹车片由摩擦片和钢背板铆合并粘结而成。半金属摩擦材料和新型摩擦材料所用的基体和填料是相同的,而增强体是不 同的。基体是无机纳米改性 酚醛树脂 ,填料是重晶石 、颗粒石 墨等。

半金属摩擦材料的增强体是 以钢纤维为主体增强纤维;新型摩擦材料的增强体是以FKF纤维为主体增强纤维,不含有任何金属纤维 J。通过查阅相关资料 引,得到半金属刹车片和新型刹车片的材料参数如表 1所示。

表 1 半金属刹车片和新型刹车片的材料参数从表 1中可看出,新型摩擦材料的泊松 比 略大于半金属摩擦材料,两者比较接近。新型摩擦材料的弹性模量 E大而密度 P小,所以新型摩擦材料的比模量比半金属摩擦材料大。

为了能较好地反映实际情况,在 ANSYS中创建刹车片的三维实体模型。因为摩擦片和钢背板铆合并粘结在-起,所以使用 VGLUE命令将摩擦片和钢背板粘结在-起。选用 SOLID92单元类型对刹车片实体模型划分网格。SOLID92单元是带中间节点的三维10节点四面体二次单元,每个节点有三个 自由度(UX、UY、UZ),适用于对不规则形状的实体几何模型划分网格。刹车片的有限元模型如图 1所示,共有59 526个节点和 39 921个单元。

图 1 刹车片的有限元模型根据夏利 100型汽车前轮滑动浮钳盘式制动器的制动原理 j,对刹车片施加位移约束条件:1)制动时因为摩擦表面有制动盘的作用,所以约束刹车片摩擦表面的自由度 UZ;2)因为刹车片钢背板的上表面受定位销和弹簧片的作用,所以约束钢背板上表面三个柱体(见图 1中编号 1、2、3)的侧面的自由度 UX和uY。使用 Block-Lanczos法提取前五阶模态。模态分析结果如表 2所示。

表2 模态分析结果模态 新型摩擦材料的弹性模量 比半金属摩擦材料高,同时因为不含有钢纤维等金属纤维,密度P比半金属摩擦材料小得多,所以新型摩擦材料的比模量比半金属摩擦材料高。从表2中可看出,新型刹车片的各阶固有频率均高于半金属刹车片。模态分析结果与盘式刹车片固有频率理论分析结果相吻合。所以可得出,摩擦材料的比模量对刹车片固有频率有重要影响,增大摩擦材料的比模量 ,能提高刹车片的各阶固(下转第96页)1 52013年第 l期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)限元仿真与分析[J].浙江大学学报:工学版,2008,42(3):397-402。

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作者简介:石美华,讲师,主要研究方向:冷冲模模具成形。

E-mail:543092049### qq.com收稿 日期 :2012-03-23(上接第 15页)有频率;减小摩擦材料的比模量,能降低刹车片的各阶固有频率。

因为 通 常 制 动 噪 声 发 生 的 最 高 频 率 小 于20kHz4,所以半金属刹车片的前四阶模态可能与制动噪声的产生有关,而新型刹车片只有第-阶模态可能与制动噪声的产生有关。新型摩擦材料的性能明显优于半金属摩擦材料。

3 结语本文对盘式刹车片固有频率进行了理论分析,并以夏利 TJ71O0型汽车前轮盘式刹车片为例,进行了半金属刹车片和新型刹车片的模态对比分析,可以得出以下结论。 。

1)摩擦材料的比模量对盘式刹车片的固有频率有重要影响。当盘式刹车片的型号-定时,其固有频率主要撒于摩擦材料的比模量。摩擦材料的比模量越大,盘式刹车片的各阶固有频率就越高;反之,比模量越小,各阶固有频率就越低。

2)半金属刹车片和新型刹车片的模态对比分析结果与盘式刹车片固有频率理论分析结果相吻合,验证了理论分析结果的正确性。

3)新型摩擦材料的比模量比半金属摩擦材料高,96性能明显优于半金属摩擦材料。

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