CN107704644A - 一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，包括以下步骤：A，建立关键零件自由模态分析有限元模型；B，关键零件自由模态试验与对比；C，建立制动器复模态分析有限元模型；D，进行低温工况下制动器模态工况尖叫试验；E，基于低温工况试验数据的模型修正；F，热机耦合建模与分析；G，边界条件提取与分析；H，进行高温工况下制动器模态工况尖叫试验；I，基于高温工况试验数据的模型修正；J，不同温度尖叫频率预测。与现有技术相比，本发明有助于提高制动尖叫预测的精度，尤其是可以预测高温工况下汽车制动器的高频噪声，能够体现热机耦合效应导致的制动尖叫倾向的时变特征。

Description

一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法

技术领域

本发明涉及汽车制动器的制动尖叫领域，尤其是涉及一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法。

背景技术

汽车制动器是制动系统中用以产生阻碍车辆运动或运动趋势的力的部件，它的性能与稳定对行车安全有至关重要的影响。汽车制动时，不论是鼓式制动器，还是盘式制动器都会发生振动，并有可能引起严重的噪声。制动噪声严重影响乘员的舒适性，并降低有关零件的寿命，甚至可能造成零件的早期破损。再者，近年来低阻尼耐高温新材料取代石棉成为摩擦衬片的主要材料，以及汽车结构的轻量化趋势，使得制动噪声与振动特征发生变化，也使得制动噪声问题更加突出。许多欧美国家汽车经销商都把制动器的制动噪声列在汽车保修范围之内，有数据称，北美很多汽车企业每年因制动噪声引起的售后服务费用高达一亿多美元。

经过对制动器在制动过程中的热机耦合效应进行深入分析，发现制动过程中的热机耦合效应使得制动器发生热变形，同时应力分布以及制动盘和摩擦衬片之间的接触压力分布均发生改变。上述一系列变化将引起制动器的结构特性因素和摩擦副特性因素发生变化，这可能会对制动尖叫产生影响。在以往制动尖叫试验研究中，研究过温度对制动尖叫的影响，但温度对尖叫的影响非常复杂，并未找到温度与尖叫之间的明确关系。为了更为全面的分析制动尖叫，必须分析热机耦合效应对制动尖叫的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，包括以下步骤：

1)建立关键零件自由模态分析有限元模型：

采用三维建模软件建立制动器各关键零件的三维模型，简化细小结构，对简化后的模型划分网格，并定义各零件的材料属性，构建关键零件自由模态分析有限元模型，进行有限元分析，获取制动器关键零部件的自由模态；

2)进行关键零件自由模态试验：

对关键零件，包括制动盘和制动块，进行自由模态试验，并获取制动盘和制动块的模态频率和模态振型，将自由模态试验结果与有限元分析结果进行对比，若两者误差小于3％则判断该有限元模型有效，进行步骤3)，否则返回步骤1)；

3)建立制动器复模态分析有限元模型：

建立考虑通风制动盘、制动背板、摩擦衬片、制动钳与活塞的制动器复模态分析有限元模型，将真实制动盘初始端面跳动与制动盘初始厚薄差赋值到该有限元模型上，并考虑制动器系统各部件的连接关系以及制动器系统的运行状态，建立力边界条件；

4)进行低温工况下制动器模态工况尖叫试验：

将制动器安装在制动器惯量试验台上，进行低温工况下制动尖叫试验，测量转速、转矩、制动压力、制动钳振动、噪声、制动盘变形和温度信号，获取制动盘温度和制动盘的变形及噪声特征；

5)基于低温工况试验数据的模型修正：

根据低温工况试验的噪声特征，对步骤3)中的复模态仿真模型进行修正，使复模态仿真模型的仿真结果与低温工况的试验结果相符合，精度达到85％以上；

6)建立制动器瞬态热机耦合分析模型：

考虑制动器摩擦特性半经验模型和制动盘初始厚薄差和端面跳动，建立制动器瞬态热机耦合分析模型，并在制动器复模态分析有限元模型的基础上定义热边界条件，并在制动盘内、外摩擦衬片和内、外制动背板的对流表面施加热对流边界条件，在拖滞和紧急制动模式下进行有限元仿真，获得制动过程中的热机耦合效应，并获取热机耦合效应引起的制动盘厚薄差变化；

7)构建高温工况下制动尖叫复模态仿真模型：

根据步骤6)获取的热机耦合仿真结果，将典型温度下制动盘和摩擦衬片的节点应力、应变和接触压力作为边界条件导入到步骤3)中的复模态仿真模型中，构建高温工况下制动尖叫复模态仿真模型；

8)进行高温工况下制动器模态工况尖叫试验：

将制动器安装在制动器惯量试验台上，进行高温工况下制动尖叫试验，测量转速、转矩、制动压力、制动钳振动、噪声、制动盘变形和温度信号，获取制动盘温度和制动盘的变形及噪声特征；

9)基于高温工况试验数据的模型修正：

根据高温工况试验的噪声特征，对高温工况下制动尖叫复模态仿真模型进行修正，使高温工况下制动尖叫复模态仿真模型的仿真的结果与高温工况的试验试验结果相符合，提高模态频率预测的准确率；

10)不同温度尖叫频率分析：

根据修正后的制动尖叫复模态仿真模型，根据不同温度下的制动器系统的不稳定复特征值进行预测。

所述的步骤3)中，考虑制动器系统各部件的连接关系包括制动盘与内侧摩擦衬片的接触关系、制动盘与外侧摩擦衬片的接触关系、内侧制动背板与内侧摩擦衬片的粘接关系、外侧制动背板与外侧摩擦衬片的粘接关系、内侧制动背板与活塞刚性面的接触关系以及外侧制动背板与制动钳指刚性面的接触关系。

所述的步骤3)中，力边界条件为制动盘Hat端面、内侧与外侧制动背板施加的约束。

所述的步骤5)中，制动过程中的热机耦合效应包括制动盘和摩擦衬片的应力场、应变场、接触压力、温度场和热变形。

所述的步骤10)中，通过不同温度下的制动器系统的不稳定复特征值表征该时刻的制动尖叫倾向。

所述的步骤6)中，热机耦合效应引起的制动盘厚薄差变化DTV_T表达为制动时间t和圆周角的函数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、提出预测新方法：本发明提出了低温复模态分析——热机耦合分析——高温复模态分析的技术路线，为预测高温工况下制动尖叫特征提供的新思路。

二、热机耦合模型仿真精度高：本发明在建立热机耦合模型时，不仅考虑了制动盘初始DTV和LRO，还定义了有效的约束条件，包括制动盘与内侧摩擦衬片的接触关系、制动盘与外侧摩擦衬片的接触关系、内侧制动背板与内侧摩擦衬片的粘接关系、外侧制动背板与外侧摩擦衬片的粘接关系、内侧制动背板与活塞刚性面的接触关系、外侧制动背板与制动钳指刚性面的接触关系，保证了盘块间的接触状态的准确性，提高了热机耦合仿真的精度。

三、提高预测精度：本发明有助于提高制动尖叫预测的精度，尤其是可以预测高温工况下汽车制动器的高频噪声，能够体现热机耦合效应导致的制动尖叫倾向的时变特征。

附图说明

图1为一种考虑热机耦合效应的制动尖叫分析方法整体流程图。

图2为盘式制动器三维实体模型。

图3为制动器复模态有限元仿真模型。

图4为低温工况下制动尖叫试验统计图。

图5为制动器热机耦合模型图。

图6为热机耦合作用产生的制动盘厚度变化图。

图7为忽略热机耦合效应和考虑热机耦合效应条件下的不稳定复特征值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种考虑热机耦合效应的制动尖叫分析方法，其整体流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：如图2所示，利用三维建模软件建立得到通风盘式制动器系统装配模型，该模型由具有通风槽的通风制动盘内、外侧制动背板，内、外侧摩擦衬片，活塞刚性面，制动钳钳指刚性面组成。并忽略制动盘、制动块背板表面的磨削退刀槽、盘毂小凸台和倒角等细小结构；

步骤2：进行自由模态试验。为了提取制动盘的面外模态参数，采用在Y方向进行单点激振14点拾振试验的方法，拾振传感器布置方案为周向均布14个单向加速度传感器。被测制动盘采用的橡皮绳悬吊安装方式，悬吊频率为1～2Hz。同理，为了提取制动块的面外模态参数，采用在Y方向进行单点激振5点拾振试验的方法，拾振传感器布置方案为沿制动背板上沿X向均布5个单向加速度传感器。被测制动块采用与制动盘类似的橡皮绳悬吊安装方式，悬吊频率为1～2Hz；

步骤3：根据模态试验数据，完成各个测点到激励点的传递函数的计算，然后采用传递函数的集总平均在试验有效频带0-6400Hz内进行模态定阶，从而得到制动盘和制动块的面外模态参数，即模态频率和模态振型。基于划分好的制动盘和制动块网格，利用有限元软件提取得到试验有效频带0-6400Hz内的所有自由模态参数，并根据模态振型提取出面外模态参数。对比自由模态试验结果与有限元分析的面外模态结果，如果各阶模态频率的误差率均小于3％，即为符合工程要求，网格可用于后续分析，否则返回步骤3；

步骤4：建立考虑通风制动盘、制动背板、摩擦衬片、制动钳与活塞的制动器系统有限元模型，如图3所示。将真实制动盘初始LRO与初始DTV赋值到制动盘有限元模型上。全面考虑到制动器系统各部件的连接关系，包括制动盘与内侧摩擦衬片的接触关系、制动盘与外侧摩擦衬片的接触关系、内侧制动背板与内侧摩擦衬片的粘接关系、外侧制动背板与外侧摩擦衬片的粘接关系、内侧制动背板与活塞刚性面的接触关系、外侧制动背板与制动钳指刚性面的接触关系，同时考虑到制动器系统运行状态，建立了完善的边界条件，包括力边界条件，包括制动盘Hat端面、内侧与外侧制动背板施加约束；

步骤5：利用车用制动操控系统和液压泵站-制动操控系统，采用拖滞制动模式进行低温工况下制动器模态工况尖叫试验，对尖叫声音信号、温度分布和压力分布进行测量。试验结果如图4所示；

步骤6：利用低温工况试验的噪声特征，修正复模态仿真模型，使仿真的结果与试验结果基本一致，精度达到85％以上；

步骤7：在考虑制动器摩擦特性半经验模型和制动盘初始厚薄差(DTV0)和端面跳动(LRO)的情况下，建立如图5所示的制动器瞬态热机耦合分析模型。同时，在制动器复模态分析有限元模型的基础上定义热边界条件包括制动开始之前定义温度场，并在制动盘，内、外摩擦衬片和内、外制动背板的对流表面施加热对流边界条件。在拖滞、紧急等制动模式下进行有限元仿真计算，获得制动过程中的热机耦合效应，包括制动盘和摩擦衬片的应力场、应变场、接触压力、温度场、热变形，分析热机耦合效应引起的制动盘厚薄差变化(DTVT)；

步骤8：得到由于热机耦合作用产生的制动盘厚度变化DTV_T。其中DTV_T与制动盘温度T密切相关，而制动盘温度是制动时间t和圆周角的函数，因此DTV_T可表达为制动时间t和圆周角的函数。为了方便分析，将DTV_T用矩阵的形式表达为其中行向量表示时间的个数，列向量表示有效作用半径圆周内所取圆周角的个数。在热-机耦合分析过程中，每间隔0.01秒选取制动盘厚度变化量，因此矩阵行向量数值为600。在建立制动盘热-机耦合有限元模型时，制动盘在周向内被分为108份，由于0度位置和360度位置重合，因此的列向量数值为109。在构建系统耦合动力学模型时，矩阵可表达为DTV_T[600,109]。利用Matlab/Simulink模块中Lookup Table(2-D)，可以求解出制动过程中任意时刻有效作用半径圆周上任一点的厚度变化DTV_T，分析结果如图6所示。同时也得到应力场、应变场、接触压力制动盘温升特性、径向温度分布、周向温度分布和法向温度分布、制动盘的变形以及接触压力分布等特征。建立忽略热机耦合效应的复模态分析模型，建立模型的步骤与建立具有真实表面形貌的制动器瞬态热-机耦合动力学模型类似。需要特别注意的是，这里不考虑热机耦合效应，因此需要去除所有与温度有关的设置，如热边界条件、摩擦生热、与热相关的材料参数等，提取若干个时刻t的热机耦合结果，并把应力场、应变场及接触压力传递至忽略热机耦合效应的复模态分析模型中，分别利用各t时刻的热机耦合仿真计算结果更新制动器的初始状态，并完全保持热机耦合分析时的所有机械边界条件，进行制动器复模态分析；

步骤9：将制动器安装在制动器惯量试验台上，进行高温工况下制动尖叫试验，测量转速、转矩、制动压力、制动钳振动、噪声、制动盘变形和温度等信号，重点分析制动盘温度、制动盘的变形和噪声特征；

步骤10：利用高温工况试验的噪声特征，修正复模态仿真模型，使仿真的结果与试验结果基本一致，并使得模态频率预测的准确率提高。图7为对比忽略热机耦合效应和考虑热机耦合效应条件下的不稳定复特征值；

步骤11：利用步骤10建立的复模态仿真模型，开展计算与分析，提取不同时刻复模态分析的复特征值，即可表征该时刻的制动尖叫倾向。

Claims (6)

1.一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立关键零件自由模态分析有限元模型：

采用三维建模软件建立制动器各关键零件的三维模型，简化细小结构，对简化后的模型划分网格，并定义各零件的材料属性，构建关键零件自由模态分析有限元模型，进行有限元分析，获取制动器关键零部件的自由模态；

2)进行关键零件自由模态试验：

对关键零件，包括制动盘和制动块，进行自由模态试验，并获取制动盘和制动块的模态频率和模态振型，将自由模态试验结果与有限元分析结果进行对比，若两者误差小于3％则判断该有限元模型有效，进行步骤3)，否则返回步骤1)；

3)建立制动器复模态分析有限元模型：

建立考虑通风制动盘、制动背板、摩擦衬片、制动钳与活塞的制动器复模态分析有限元模型，将真实制动盘初始端面跳动与制动盘初始厚薄差赋值到该有限元模型上，并考虑制动器系统各部件的连接关系以及制动器系统的运行状态，建立力边界条件；

4)进行低温工况下制动器模态工况尖叫试验：

将制动器安装在制动器惯量试验台上，进行低温工况下制动尖叫试验，测量转速、转矩、制动压力、制动钳振动、噪声、制动盘变形和温度信号，获取制动盘温度和制动盘的变形及噪声特征；

5)基于低温工况试验数据的模型修正：

根据低温工况试验的噪声特征，对步骤3)中的复模态仿真模型进行修正，使复模态仿真模型的仿真结果与低温工况的试验结果相符合，精度达到85％以上；

6)建立制动器瞬态热机耦合分析模型：

考虑制动器摩擦特性半经验模型和制动盘初始厚薄差和端面跳动，建立制动器瞬态热机耦合分析模型，并在制动器复模态分析有限元模型的基础上定义热边界条件，并在制动盘内、外摩擦衬片和内、外制动背板的对流表面施加热对流边界条件，在拖滞和紧急制动模式下进行有限元仿真，获得制动过程中的热机耦合效应，并获取热机耦合效应引起的制动盘厚薄差变化；

7)构建高温工况下制动尖叫复模态仿真模型：

根据步骤6)获取的热机耦合仿真结果，将典型温度下制动盘和摩擦衬片的节点应力、应变和接触压力作为边界条件导入到步骤3)中的复模态仿真模型中，构建高温工况下制动尖叫复模态仿真模型；

8)进行高温工况下制动器模态工况尖叫试验：

将制动器安装在制动器惯量试验台上，进行高温工况下制动尖叫试验，测量转速、转矩、制动压力、制动钳振动、噪声、制动盘变形和温度信号，获取制动盘温度和制动盘的变形及噪声特征；

9)基于高温工况试验数据的模型修正：

根据高温工况试验的噪声特征，对高温工况下制动尖叫复模态仿真模型进行修正，使高温工况下制动尖叫复模态仿真模型的仿真的结果与高温工况的试验试验结果相符合，提高模态频率预测的准确率；

10)不同温度尖叫频率分析：

根据修正后的制动尖叫复模态仿真模型，根据不同温度下的制动器系统的不稳定复特征值进行预测。

2.根据权利要求1所述的一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，其特征在于，所述的步骤3)中，考虑制动器系统各部件的连接关系包括制动盘与内侧摩擦衬片的接触关系、制动盘与外侧摩擦衬片的接触关系、内侧制动背板与内侧摩擦衬片的粘接关系、外侧制动背板与外侧摩擦衬片的粘接关系、内侧制动背板与活塞刚性面的接触关系以及外侧制动背板与制动钳指刚性面的接触关系。

3.根据权利要求1所述的一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，其特征在于，所述的步骤3)中，力边界条件为制动盘Hat端面、内侧与外侧制动背板施加的约束。

4.根据权利要求1所述的一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，其特征在于，所述的步骤5)中，制动过程中的热机耦合效应包括制动盘和摩擦衬片的应力场、应变场、接触压力、温度场和热变形。

5.根据权利要求1所述的一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，其特征在于，所述的步骤10)中，通过不同温度下的制动器系统的不稳定复特征值表征该时刻的制动尖叫倾向。

6.根据权利要求1所述的一种考虑热机耦合效应的制动尖叫预测方法，其特征在于，所述的步骤6)中，热机耦合效应引起的制动盘厚薄差变化DTV_T表达为制动时间t和圆周角的函数。