CN115017614B - 基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法，属于汽车制动技术领域。该方法为：确定制动系统优化设计的相关参数即设计目标；建立制动抖动仿真分析模型和制动噪音仿真模型并进行仿真分析；确定制动系统中制动盘需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；进行各个设计变量进行正交试验设计计算；提取正交试验设计计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于制动噪音性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；对制动盘各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案。本发明能够设计匹配出合理的制动系统中制动盘的性能参数，能够同时满足制动抖动性能和制动噪音性能的要求。
Description
技术领域
本发明属于汽车制动技术领域，涉及基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法。
背景技术
目前，随着新能源汽车的推广，各大主机厂对汽车的性能和成本要求越来越严。因此在满足性能的同时，汽车驾驶舒适性也成为了一项重要设计目标。制动盘作为制动器中最重要的安全组件，其对抖动和噪音的影响是制动器整个零部件中影响最大的部件。因此对其的设计尤其重要，最重要的是制动盘的热熔，制动盘的热熔若不够在极端工况下直接影响驾乘人员的安全，其次制动盘的热变形，若制动盘设计不合理其热变形差，同样影响驾乘人员人生安全；再者则是制动盘良好的模态分离，制动盘若轴向的ND与圆周切向的压缩模态IPC未分离，实际情况极易发生制动噪音。为此良好的制动盘设计至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法，该方法包括以下步骤：
S1：确定制动系统优化设计的相关参数即设计目标；
S2：建立制动抖动仿真分析模型和制动噪音仿真模型并进行仿真分析；
S3：确定制动系统中制动盘需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；
S4：进行各个设计变量正交试验设计计算；
S5：提取正交试验设计计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于制动噪音性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；
S6：基于S5中的两个近似模型，对制动盘各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案。
可选的，所述步骤S1中，制动系统优化设计的相关参数为抖动敏感参数和噪音接受标准。
噪音接受标准根据每个整车厂的接受标准来实施，抖动敏感性参数包含制动盘的热熔引起的热变形和DTV参数，热变形的影响主要作用在制动盘天鹅颈处结构。
可选的，所述步骤S2中，制动抖动仿真模型以实车制动盘温升热变形作为制动抖动的分析工况的输入在ADAMS中搭建模型进行分析；
制动噪音仿真模型基于SAEJ2521噪音标准，先找供应商厂家拿到各个零部件材料性能参数；按照配方材料进行实物模态与CAE对比拟合材料参数；在ANSYS WORKBENCH中搭建复模态噪音分析模型进行噪音解析，以确定不稳定模态振型和频率。
可选的，所述步骤S3中，设计变量有抖动分析模型输出影响温升及变形的制动盘的相关参数，包括盘厚和天鹅颈部相关尺寸；由噪音模型分析输出的为制动盘的固有频率及振型特征。
可选的，所述步骤S4具体为：确定制动盘的各设计变量及设计空间，采用正交试验设计方法对设计变量和关注性能进行相关性分析，筛选出与关注性能的相关性较为显著的设计变量；
可选的，所述步骤S5具体为：采用步骤S4中筛选出的的制动盘显著参数进行构造搭建满足抖动精度的响应面模型I，根据显著参数与模态频率的相关性搭建满足复模态噪音精度的响应面模型II。
可选的，所述步骤S6具体为：根据步骤S5中满足抖动和制动噪音的响应面模型进行对比分析汇总，提取既满足抖动目标又满足噪音要求的最优设计解。
本发明的有益效果在于：通过本发明，制动盘能较好的满足制动抖动性能要求及噪音要求，缩减了开发中遇到的此类问题，进行了提前规避，节约了开发成本及周期。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明流程图；
图2为制动盘相关结构参数说明图；
图3为复模态分析结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参见图1为一种基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法流程图，包括以下步骤：
S1：确定制动系统优化设计的相关参数即设计目标；
制动抖动的影响因素较多，有因悬架衬套刚度不足或过大引起，对于制动器本身而言，引起制动抖动的根本原因则是BTV(制动力矩波动)，而BTV的变化有制动液压的变化因素有摩擦系数不稳定等因素影响，但对于制动盘本身而言，对于制动冷抖动主要则是由于制动盘DTV(制动盘厚薄差)引起，热抖动则是由于制动热工况下的热变形引起；因此确定制动系统中制动盘的相关参数如下：DTV，制动盘热容量，制动盘热工况下的热变形；制动噪音下复模态分析所有工况下面内模态下的负阻尼比小于0.6％；
S2：建立制动抖动仿真分析模型和制动噪音仿真模型并进行仿真分析；
实车冷抖动以DTV的数值进行控制，热抖动则需要制动盘本身的热熔是否充足以及结构是否满足热工况下的热变形，本方案则是以制动盘的热工况下的制动盘热变形作为优化目标，在ADAMS中建立运动学模型，达到在热工况下制动盘的热变形小于0.15mm；
根据复模态分析理论振动微分方程为：
式中，[M]是质量矩阵、[C]是阻尼矩阵、[K]是刚度矩阵、{u}
和
分别为位移矢量及其时间导数。利用FEA建立系统矩阵。求解该特征值问题，得到复值的特征值和特征向量，也就是说，它们具有实部和虚部。特征值采取以下形式：
λ＝-ζiωi±jωdi
式中，实部ζiωi是复模态的阻尼，虚部ωdi是复模态的频率，特征值的实部是阻尼比与无阻尼固有频率的乘积。利用FEA按J2521分析求取不稳定模态下的频率并绘制负阻尼比曲线；提取大于设计目标下面内模态负阻尼比大于0.6％的振型；同时利用FEA对初始制动盘进行模态分析，提取与复模态相对应下的负阻尼比大于0.6％的响应振型；
S3：确定制动系统中制动盘需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；制动盘影响热变形的主要参数为制动盘天鹅颈结构参数如图2所示的圆角R1，圆角R2.5，高度尺寸，角度尺寸，天鹅颈深度尺寸；而制动盘自身模态则与其盘厚等参数都有影响；
S4：进行各个设计变量正交试验设计计算；通过盘厚尺寸，圆角R1，圆角R2，高度尺寸，角度尺寸，天鹅颈深度尺寸以及内外侧制动面厚度尺寸进行正交试验设计计算；
S5：提取正交试验设计计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅰ，基于制动噪音性能构造满足精度要求的响应面近似模型Ⅱ；
S6：基于S5中的两个近似模型，对制动盘各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案。
1)步骤S1中制动系统优化设计的相关参数为抖动敏感参数和噪音接受标准；
2)步骤S2中制动抖动仿真模型以实车制动盘温升引起的热变形作为制动抖动的分析工况的输入在ADAMS中搭建模型进行分析；所述步骤S2中制动噪音仿真模型基于SAEJ2521噪音标准，先找供应商厂家拿到各个零部件材料性能参数；由于制动块的参数是一个多材料以及非线性材料的组合组件，需按照之前配方材料进行实物模态与CAE对比拟合材料参数；其次在ANSYS WORKBENCH中搭建复模态噪音分析模型进行噪音解析，以确定不稳定模态振型和频率；
3)步骤S3中的设计变量有抖动分析模型输出影响温升及变形的制动盘的相关参数如：盘厚，天鹅颈部相关尺寸参数等；由噪音模型分析输出的为制动盘的固有频率及振型特征等；
4)步骤S4具体为：确定制动盘的各设计变量及设计空间，采用正交试验设计方法对设计变量和关注性能进行相关性分析，筛选出与关注性能的相关性较为显著的设计变量；
5)所述步骤S5具体为采用步骤S4中筛选出的的制动盘显著参数进行构造搭建满足抖动精度的响应面模型I，根据显著参数与模态频率的相关性搭建满足复模态噪音精度的响应面模型II；
6)步骤S5中满足制动抖动的制动盘参数如：制动盘DTV，制动盘在热工况下的热变形，对应下制动盘天鹅颈处结构可有一系列参数能满足热工况下的热变形；而同时满足制动噪音的制动盘模态数据唯一，进而通过参数设计在满足热工况下热变形的参数中提取正好满足制动盘的模态分离优化，因此此参数即为即满足抖动目标以及噪音要求的最优设计解。
7)根据S6得出的最优制动盘参数解绘制生成制动盘模型。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：确定制动系统优化设计的相关参数即设计目标；
S2：建立制动抖动仿真分析模型和制动噪音仿真模型并进行仿真分析；
S3：确定制动系统中制动盘需要优化设计的多个设计变量，对各个设计变量进行参数化建模；
S4：进行各个设计变量正交试验设计计算；
S5：提取正交试验设计计算结果，基于制动抖动性能构造满足精度要求的第一响应面近似模型，基于制动噪音性能构造满足精度要求的第二响应面近似模型；
S6：基于S5中的两个近似模型，对制动盘各个设计变量进行多学科优化设计并获得优化方案；
所述步骤S1中，制动系统优化设计的相关参数为抖动敏感参数和噪音接受标准；
所述步骤S2中，制动抖动仿真模型以实车制动盘温升热变形作为制动抖动的分析工况的输入在ADAMS中搭建模型进行分析；
制动噪音仿真模型基于SAEJ2521噪音标准，向供应商厂家获取各个零部件材料性能参数；按照配方材料进行实物模态与CAE对比拟合材料参数；在ANSYSWORKBENCH中搭建复模态噪音分析模型进行噪音解析，以确定不稳定模态振型和频率；
所述步骤S3中，设计变量有抖动分析模型输出影响温升及变形的制动盘的相关参数，包括盘厚和天鹅颈部相关尺寸；由噪音模型分析输出的为制动盘的固有频率及振型特征。
2.根据权利要求1所述的基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：确定制动盘的各设计变量及设计空间，采用正交试验设计方法对设计变量和关注性能进行相关性分析，筛选出与关注性能的相关性较为显著的设计变量。
3.根据权利要求1所述的基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤S5具体为：采用步骤S4中筛选出的的制动盘显著参数进行构造搭建满足抖动精度的第一响应面近似模型，根据显著参数与模态频率的相关性搭建满足复模态噪音精度的第二响应面模型。
4.根据权利要求1所述的基于制动噪音和制动抖动的制动盘多学科优化设计方法，其特征在于：所述步骤S6具体为：S5中满足制动抖动的制动盘参数：制动盘DTV，制动盘在热工况下的热变形，对应下制动盘天鹅颈处结构有一系列参数能满足热工况下的热变形；而同时满足制动噪音的制动盘模态数据唯一，进而通过参数设计在满足热工况下热变形的参数中提取正好满足制动盘的模态分离优化，此参数为即满足抖动目标以及噪音要求的最优设计解。
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