吴科甲(基于UG的盘式制动器设计)外文文献

一个复杂的特征值分析与设计相结合的实验方法（DOE）研究了盘式制动器制动尖叫摘要：本文提出了一种研究结合制动盘的盘式制动器的制动尖叫的影响因素探讨利用统计回归技术的有限元模拟。复杂的特征值分析（CEA）已经广泛应用于不稳定制动系统的预测模型。这个有限元模型是与试验模态测试结果相互关联的。使用盘式制动器的各种几何配置是基于制动尖叫和制动盘的几何形状之间的输入输出关系建立的预测。影响的各种因素：即背板的杨氏模量；背板厚度；槽间的距离，槽的宽度和角度；使用实验（DOE）技术方法。预测数学模型的基本上已大部分实验证明了其影响因素的充分性和验证了仿真。预测结果表明，制动尖叫倾向性可以通过增加杨氏模量的背板与摩擦材料两侧加上倒角和引入槽结构改性摩擦材料的形状来减少制动尖叫。模拟制动尖叫使用CEA和DOE发现通过验证试验统计相结合的方法是足够的。这种结合的方法将在盘式制动器的设计阶段是有用的。关键词：盘式制动器的制动尖叫；有限元分析；试验模态分析；实验设计一.引言制动尖叫噪声问题是由摩擦力不稳定性引起的动态振动（凯，2002）。制动操作过程中，焊盘与盘之间的摩擦可导致系统中的动态不稳定性。通常制动尖叫发生在1和20千赫之间的频率范围。尖叫声是一个复杂的现象，部分原因是由于其强烈依赖于许多参数，部分因为制动系统中机械的相互作用。因为在摩擦界面接触非线性的影响使得机械的相互作用是非常复杂。尖叫声是间歇的或随机的。在一定的条件下，即使当车辆是全新的，它往往会产生尖叫噪声，已消除噪声的目的进行了更广泛的研究。然而，尖叫噪音的机械细节尚未完全理解（乔等人，2008）。一些理论已经被制定，解释制动尖叫的机制，无数的研究已经取得了不同程度的成功将其应用到盘式制动器的动力学（金凯德等人，2003）。这个不稳定的爆发的原因已被归因于不同的原因。一些主要的原因是摩擦的特性与接触点的速度变化；磁盘的相对取向的变化和摩擦片导致的变形的摩擦力和颤振失稳即发现有一个恒定的摩擦系数。事实上，近年来的文献报道的复杂性和制动尖叫问题缺乏了解（金凯德等人，2003）。即使大部分的工作是尖叫的问题，但还需要不断的学习和研究，以完善的刹车组件的有限元模型的预测精度给制动器设计工程师适当的工具来设计安静的制动器。这里有两个主要类别方法用于研究这个问题：（1）瞬态动力学分析（胡等人，1999；布巴卡尔等人，2006）。（2）复特征值分析。目前，复特征值法是首选，广泛应用在预测噪声制动系统包括阻尼和由于速度接触它可以被分析和为不同操作参数下进行运行分析提供设计指导。对制动系统的动力学研究的许多研究人员试图通过改变与制动噪声的相关因素减少尖叫。如发现短垫，阻尼，软盘和较硬的背板可以减少尖叫，同时更高的摩擦系数和磨损的摩擦材料容易尖叫。报道说，降低背板的厚度LED的接触压力分布均匀，从而促进降低噪声。基于DOE分析发现，优化设计是一个使用原来的手指长度，垂直槽，倒角盘，盘28mm的厚度，和摩擦材料厚度10mm。发现通过改变活塞远离前缘焊盘的系统可能不稳定。他们还报告说，预测系统的不稳定是由于平移与旋转在垫刚度高值特别是盘模式的耦合。从敏感性的研究，表明垫的有效长度的一半，活塞质量，有效质量，惯量和刚度的接盘和第二电路驱动的刚度也有潜在使盘式制动器制动不稳定。已经表明阻尼垫和盘对减少不稳定很重要。他们的分析也证实了单独增加阻尼或盘或垫可能导致潜在的系统不稳定。（刘等人，2007）发现可以通过降低摩擦系数降低，增加椎间盘的刚度，使用的垫回阻尼材料和改性的刹车片的形状来减少尖叫。结果表明，径向槽焊盘的设计具有不稳定的模式数最少，这意味着较小的尖叫倾向。在本研究中，盘式制动器制动尖叫的研究利用有限元软件ABAQUS标准进行复特征值分析。一个复杂的特征值的实部为正被视为一个不稳定的迹象。通过有限元模拟可以提供指导，这将是试验和误差的方法来达到最优配置，也可能需要运行的计算密集型分析数，制定“输入-输出”关系的可能的预测。因此，在本研究中，通过综合分析的结构化的DOE的复特征值有限元提出了一个新的方法，该方法是针对最优垫设计预测通过制动片的几何结构的各种因素。本文的组织如下，近一段时期，它提出了在这一领域的一个详细的文献调查。从文献调查的主要目的形成。盘式制动器有限元模型的开发方法，随后利用试验模态分析验证。CAE方法是为了预测制动尖叫。之后软件计算DOE方法出现了，这个方法是用来对测试所开发的统计模型的充分性进行讨论。1.相关的有限元模型和组件盘式制动系统由一个旋转的车轮的轴盘，卡钳活塞组件内卡钳，活塞被安装到车辆的悬架系统，和一对刹车片组成。施加液压时，活塞被推压内垫同时外垫对盘钳压。图1（a）显示，在考虑汽车前制动器的有限元模型，使用ABAQUS有限元软件包。在这项研究中采用简化的制动模型是，包括两个主要产生尖叫组件：盘和垫（图1（b））。图1.一个有限元模型（a）现实（b）简化盘式制动器模型采用简化的模型研究，有以下原因：1.从制动尖叫的非线性分析，最主要的尖叫来源是摩擦滑动接触盘与盘之间。2.仿真包括几何简化以减少CPU时间，让更多的配置来计算。椎间盘是由铸铁，刹车盘副，包括摩擦材料和背板，压在椎间盘才能产生摩擦力矩使旋转盘降速。摩擦材料是由有机摩擦材料和背板都是钢制的。铁网使用19000固体元素生成。摩擦接触的定义是相互作用盘和摩擦片的材料的两侧之间。一个恒定的摩擦系数和恒定角速度的圆盘用于模拟目的。图2给出了垫和盘组件和负载的限制。卡尺–活塞组件不是定义在盘式制动系统的简化模型，因此液压压力直接应用于背板的内垫和活塞和外垫和之间的接触区域卡尺，它是假定每个垫作用一个大小相等的力。图2.约束和简化的制动系统的负荷验证主制动器组件的目的，频率响应函数（FRF）在自由边界条件下用10mV／N的灵敏度和硬头锤激励的每个组件进行测定。一个轻小的加速度计的灵敏度10mV／g，通过动态信号分析仪测量加速度响应DEWE-41-T-DSA型。FRF测量使用SISO配置记每个组件。然后，FRF采用DEWEFRF软件来识别模态参数的处理，即共振频率，模态振型和阻尼值。图3显示了测试组件的实验模态。图3.实验模态分析组件频率测量盘上并通过仿真模型计算的自由边界条件的模式，如表1所示。可以观察到的测量和模拟的频率是处于一个适当的应许范围。图4显示了转子的振型节点的直径。以类似的方式，为垫参数基于表2所示的测量数据的估计。测量和模拟的频率是在适当的应许值范围。图5显示了垫的模式形状。表1.在自由边界条件下的转子的模态结果表2.在自由边界条件下垫的模态结果图4.在自由边界条件下的转子模态图5。在自由边界条件下的模态形状的垫。二.复杂的特征值分析复特征值分析（CEA）已被广泛用于研究。它涉及的是复杂的评价功能在一般情况下的系统特征值的计算由于摩擦引起的刚度矩阵是不对称的。复特征值的实部和虚部，分别负责，稳定性和相应的模态频率。该方法首先对集总模型（金凯德等人，2003；易卜拉欣，1994）。然后，在计算机系统的改进使人们有可能在有限元（FE）模型进行分析。为了利用ABAQUS进行复特征值分析（拜尔等人，2003），四个主要的步骤是必需的：（1）对制动压力的非线性静力分析的应用；（2）非线性静态分析的速度在规定的旋坐标盘上；（3）正常模式分析提取到投影空间的自然频率；（4）将摩擦耦合作用的复特征值分析系统的控制方程：Mu”+Cu’+Ku=0（1）其中M，C和K分别为质量，阻尼和刚度矩阵，U是位移矢量。由于摩擦，刚度矩阵具有特定的性能：K=KS+uKF(2)K结构刚度矩阵是非对称的，fK诱导刚度矩阵和摩擦的摩擦系数μ。系统的控制方程可以改写为(3)其中，λ是特征值和φ是对应的特征向量。特征值和特征向量也许是复杂的。为了解决复杂的问题，该系统是对称的忽略了阻尼矩阵C和不对称对刚度矩阵K的贡献。然后就解决了投影空间的这种对称特征值问题。N的特征向量得到的对称特征值问题在一个矩阵表示接下来，矩阵的特征向量的子空间投影到N。然后复杂的特征值问题变为（5）最后，对系统原有的复特征向量可以被定义为（6）对于一个特定的模式的特征值对（7）当阻尼系数αi（实部）和阻尼自然频率ωi（虚部）描述阻尼正运动..每个模式的运动可以在复共轭特征值和特征向量来描述。一个小的阻尼系数导致振荡的振幅随时间的增加。因此阻尼系数为正时，系统是不稳定的。通过检查，，可能产生尖叫的模式是不稳定的。术语阻尼比，定义为。如果阻尼比为负，系统会变得不稳定。3.1复特征值分析（CEA）的结果由于摩擦的主要原因是不稳定的，导致了EQ的刚度矩阵是不对称的，复特征值分析已经进行了评估制动稳定性随着摩擦系数的值。据观察，此参数的高值往往会促进两模式合并成一个不稳定的复杂的模式。此外，在摩擦系数的增加导致在不稳定的频率增加。图6显示一个复杂的特征值分析结果的摩擦系数µ在0.2和0.6之间的变化。在复特征值分析预测，随着摩擦系数的增加，特征值的实部，该值可用来衡量一个复杂的模式，不稳定的程度进一步提高，同时，更可能出现的不稳定模式。这是因为摩擦系数较高的原因可变摩擦力更高从而激发更多的不稳定模式的趋势。在过去，摩擦系数0.35是典型的。然而，今天的摩擦制动的化合物具有0.45或更高的系数，增加了尖叫的可能性。这种制动器设计者开发一个安静的制动系统更大的挑战。在早期的工作，尝试使用参数研究减少尖叫12千赫。基于前面的研究，决定要了解的尖叫声影响变量的影响在6.2kHz使用DOE。图6.CEA的变化结果，在频率µ为6.2kHz是失稳模式3.1研究方法人类制造的产品或过程可以看作一个系统，对于一个给定的输入，它产生的一系列反应。盘式制动器的系统也可以被看作一个系统，如图7所示。一些系统如盘式制动系统产生不必要的输出即为一组输入尖叫的参数。盘式制动系统具有多变量。为了得到最有影响力的变量及其影响一二阶段的策略提出了建议。在第一阶段中，各种变量的初始筛选了起来。部分因子设计（FFD）进行实验确定最有影响力的变量。随后，在第二阶段，中心复合设计（CCD）的响应面法（RSM）被部署到预测开发盘式制动器尖叫的非线性模型。图7盘式制动器的制动尖叫系统4.1第一阶段：筛选法实验如果实验涉及两个或两个以上的因素影响的研究，然后是一个因素在一个时间比析因设计实验更有效。此外，当相互作用可以避免误导性的结论析因设计是必要的。因此，在第一阶段，L8FFD阵列被用于筛选。最初筛选的参数及其水平见表3。对参数的选择进行了详细的讨论，包括在4.3节。表3。初步筛选的参数和水平4.2阶段：RSM—CCD实验CCD是一种用于优化参数的最重要的实验设计。CCD只不过是2K因子设计增强与中心点和轴点。CCD远比与定量因素运行3K因子设计更有效。因此，本研究选择CCD的方法。在第一阶段，六个变量中的四个变量被选定为第二阶段。以下是影响CCD实验的四个因素：1.对于四因素完全析因设计2.1中心点运行3.8轴点α值为2。α的值只不过是一些额外的轴向中心点与点之间的距离的非线性拟曲线。二阶多项式方程研究中的变量对负阻尼比的影响。方程的一般形式为：上述方程中包含线性项的交互平方项和作用项。方程（8）可以改写为矩阵形式为方程（9）将关于x等于零，以获得不同的二阶多项式方程的系数差异。MINITAB软件进行计算和分析。4.3控制变量/因素这是针对研究和可能防止某些不稳定的模式，使噪声在频率为6.2千赫。盘式制动器的制动尖叫是取决于许多因素，基于材料的特性和操作条件的因素大致可分为：1.固定的因素2.可变因素4.3.1建立固定的处理因素制动尖叫是比较复杂的。输入（固定的和可变的因素）影响输出。在抽象形式的盘式制动系统如图7所示。对于目前的工作目的，如液压压力因素，盘的旋转速度，在垫盘的盘和刹车片摩擦材料性能的刚度之间的接触相互作用是固定在特定值的摩擦系数。4.3.2选择可控加工因素它们都在表3中列出了基于服务工程师文献调查和讨论，初步筛选六个可控因素。4.3.2.1背光板的杨氏模量变化杨氏模量是一个重要的变量，不同的研究