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鼓式制動(dòng)器因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、制動(dòng)功率大等優(yōu)點(diǎn)，成為卡車(chē)和大中型客車(chē)中最常見(jiàn)的制動(dòng)裝置。汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生低頻振動(dòng)。這種低頻振動(dòng)不僅使乘員感覺(jué)不舒適，還會(huì)縮短汽車(chē)的使用壽命，甚至導(dǎo)致事故。本研究通過(guò)有限元分析和實(shí)車(chē)試驗(yàn)，分析了一種商用汽車(chē)上使用的鼓式制動(dòng)器的低頻振動(dòng)特性。
制動(dòng)器主要由制動(dòng)底板、制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄和摩擦襯片組成。摩擦襯片固定在制動(dòng)蹄的表面，制動(dòng)蹄通過(guò)支承銷(xiāo)固定在制動(dòng)底板上，制動(dòng)底板與車(chē)橋的橋殼相連。汽車(chē)行駛過(guò)程中制動(dòng)鼓和車(chē)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，制動(dòng)鼓與蹄片不接觸。制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)制動(dòng)蹄在輪缸液壓作用下，各自繞其支承銷(xiāo)的軸線(xiàn)向外旋轉(zhuǎn)，使摩擦襯片緊壓在旋轉(zhuǎn)的制動(dòng)鼓上，從而阻止制動(dòng)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生制動(dòng)效果。摩擦接觸過(guò)程中，施加在摩擦襯片和制動(dòng)蹄上的力通過(guò)蹄片支承銷(xiāo)傳遞到制動(dòng)底板上，引起制動(dòng)底板的扭轉(zhuǎn)。制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)藕合以及制動(dòng)過(guò)程中的其他因素導(dǎo)致制動(dòng)力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致制動(dòng)底板發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這種振動(dòng)通過(guò)車(chē)橋、鋼板彈簧等傳到車(chē)身，從而被乘客感受到。
在建立制動(dòng)器的有限元模型之前，必須先建立制動(dòng)器的力學(xué)模型，合理地模擬約束，確定邊界條件及載荷。在建模過(guò)程中，如果把制動(dòng)底板、蹄片、摩擦襯片和制動(dòng)鼓看作一個(gè)整體，則它們只受到輪缸施加的制動(dòng)促動(dòng)力的作用。同時(shí)，將制動(dòng)底板與車(chē)橋間的連接用扭簧來(lái)代替。
由于制動(dòng)器中零部件眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以在建模過(guò)程中需要略去一些小的附件和細(xì)節(jié)。實(shí)體建模在UG中進(jìn)行，然后導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
按照網(wǎng)格劃分的基本原則，綜合考慮計(jì)算經(jīng)濟(jì)和網(wǎng)格質(zhì)量等因素，對(duì)制動(dòng)器各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于制動(dòng)蹄片和摩擦襯片的材料不同，在網(wǎng)格劃分過(guò)程中需要在連接面上將兩種材料上的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)并共享。模型一共有47424個(gè)節(jié)點(diǎn)，有近4萬(wàn)個(gè)單元。制動(dòng)鼓的內(nèi)表面包圍著摩擦襯片的外表面，制動(dòng)鼓的內(nèi)表面明顯大于摩擦襯片的內(nèi)表面，制動(dòng)鼓的內(nèi)表面是凹面而摩擦襯片的外表面為凸面。因此設(shè)定摩擦襯片的外表面為接觸面，而制動(dòng)鼓的內(nèi)表面為目標(biāo)面。
以制動(dòng)器底板中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸垂直于制動(dòng)器底板平面，向上為Z軸正方向，考慮兩個(gè)制動(dòng)蹄對(duì)稱(chēng)，以對(duì)稱(chēng)軸為x軸，指向制動(dòng)蹄末端的方向?yàn)檎较颉Ｖ苿?dòng)器的約束與載荷如下：
(1)制動(dòng)鼓。制動(dòng)鼓只繞z軸旋轉(zhuǎn)，其他自由度均約束。通過(guò)給制動(dòng)鼓一個(gè)隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)促動(dòng)力。領(lǐng)蹄和從蹄上的促動(dòng)力加載在制動(dòng)蹄的末端，垂直于x軸，大小均為1kN。
(3)制動(dòng)底板。制動(dòng)底板只繞z軸旋轉(zhuǎn)，其他自由度均約束，并通過(guò)一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧連接到無(wú)限剛性的基座上。
(4)復(fù)位彈簧。剛度大小為1MN/m。
(5)扭轉(zhuǎn)彈簧。剛度大小為l0MN/m。
通過(guò)上述約束，制動(dòng)過(guò)程中蹄片與制動(dòng)底板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只有蹄片繞蹄片軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
使用上述模型，在微機(jī)上經(jīng)過(guò)約10h的計(jì)算，可得到模型的瞬態(tài)響應(yīng)。提取底板上一個(gè)點(diǎn)的x，y兩方向的時(shí)域響應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為該點(diǎn)繞底板中心的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)域響應(yīng)，通過(guò)FFT變換。可以看到，制動(dòng)底板扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基頻約為35Hz，基頻處的幅值約為7.67dB。
改變制動(dòng)器中復(fù)位彈簧的剛度，分別進(jìn)行計(jì)算，檢查計(jì)算結(jié)果可以看到制動(dòng)器中復(fù)位彈簧的剛度對(duì)低頻制動(dòng)振動(dòng)的影響。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，復(fù)位彈簧剛度的變化對(duì)基頻頻率的影響很小，但對(duì)基頻處的振動(dòng)幅值影響很大。
制動(dòng)時(shí)制動(dòng)底板繞固定軸旋轉(zhuǎn)的基頻約為23Hz。將制動(dòng)器中的復(fù)位彈簧換用剛度不同(粗細(xì)不同)的彈簧，重新安裝好后重復(fù)上述試驗(yàn)。可以看到，雖然實(shí)車(chē)試驗(yàn)與模擬計(jì)算在基頻處振動(dòng)幅值上有一些差別，但從復(fù)位彈簧剛度對(duì)制動(dòng)低頻振動(dòng)的頻率和幅值的影響趨勢(shì)看，其結(jié)果與有限元分析結(jié)果完全一致。
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