《不规则截面制动蹄的鼓式制动器制动尖叫的分析研究 .docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《不规则截面制动蹄的鼓式制动器制动尖叫的分析研究 .docx（20页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精品名师归纳总结不规章截面制动蹄的鼓式制动器制动尖叫的争论JM.Lee首尔高校机械与空间工程学院，San 56-1, Shinrim-dong, Kwanak-ku, Seoul 151-742, Korea. E-mail: leejmgong.snu.ac.krS.W.Yoo首尔高校涡轮和动力机械争论中心TPMRC ）， San 56-1, Shinrim-dong, Kwanak-ku, Seoul 151-742. Korea, E-mail: sungwooryu.snu.ac.krJ. H. KIM首尔高校先进机械和设计争论所，San 56-1, Shinrim-dong,Kwan
2、ak-ku, Seoul 151-742, Korea与C. G. AHN首尔高校工程科学争论所，San 56-1, Shinrim-dong, Kwanak-ku, Seoul 151-742, Korea 收于 1999 年 10 月 19 日，最终成型于 2000 年 4 月 25 日）对于有着不规章截面制动蹄的鼓式制动器的稳固性分析，目的是通过部分的转变制动蹄的外形以找到简洁有效削减鼓式制动器制动尖叫的方法。制动尖叫被看做是一种由使制动不稳固的鼓式制动器自激振动引起的噪声。当前，客车的鼓式制动器常用不规章截面制动蹄以削减制动尖叫。然而，这种不规章性对于制动尖叫的影响仍没有从理论上分析过
3、。在这个争论中，制动鼓与制动蹄分别被假定为一个规章的环和一个非规章的拱门来建立制动器模型。在这种合理的建模方法下，制动器自激振动的特性和它们与制动尖叫的联系将被基于模态测试的结果来进行争论。当制动器设计参数对于制动尖叫的影响被确定， 一个微小的横截面变化就用以削减制动尖叫。微小变化的影响通过噪声测试仪器测试进行核定。此外， 不对称制动鼓的影响可以通过大量的累加来表示出来。1. 引言尖叫是发生在车辆制动系统，公共交通系统等的重要的噪音问题。Kootwijk-Damman1 和Nakai 等人 2 已经完成了公共交通系统中铁道车轮的尖叫的争论，而McMillan3 为懂得铁道车轮尖叫的现象开发了一
4、个非线性摩擦模型。很多关于车辆制动系统尖叫的争论也从20世纪20岁月开头被执行。对于制动尖叫的早期的争论相对于动摩擦系数，更注意静摩擦系数造成的“粘滑 ”，随后，摩擦速度负斜率以及 “spra-gslip 现”象被看做是引起尖叫的一个缘由4-8 。Millner 提出了他的想法，即尖叫是一种由制动组件之间的耦合效应引起的动态不稳固性现象。这种耦合效应产生于制动组件之间常规力变化而引起的摩擦力变化之上9 。他提出了关于鼓式制动器的一个新的理论模型，并且Okamura等人把他的模型进行大量细节的改进以更加真实的模拟一个鼓式制动器10 。Lang 等人， Chen等人， Zhu等人，及 Hulten
5、 等等就连续了关于尖叫的争论11-17 。Hulten 提出了一个制动鼓和制动蹄被假设为分布式质量弹簧系统的鼓式制动器的模型。在这些争论中，探究了规章截面鼓式制动器制动尖叫。不规章截面制动蹄经常运用于目前客车的鼓式制动器以削减制动尖叫。通过部分转变制动蹄外形而建立不规章截面，这种小变化是一种简洁而有效的削减制动尖叫的方法。尽管转变外形这种方法仍没有一套理论分析上的手段，但是可以通过观看感知和试验去确定。本文就是解决对不规章截面制动蹄鼓式制动器的制动尖叫进行理论分析的问题。制动蹄的一个小变化将被做出用于削减制动尖叫，而变化的影响将通过噪声测试仪器测试进行鉴定。此外，对于制动鼓的大量累加的影响，
6、Lang等将通过一个简洁的二元震惊模型进行争论并表示出来。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结2. 鼓式制动器动力特性的试验争论在客车行驶测试中监测尖叫并测量3.1和5.1KHz 频率的尖叫。在本文中主要处理3.1KHz 频率的尖叫。尖叫是一种由制动部件和摩擦机构的动态作用引起的复杂现象。在这部分，将争论制动鼓和制动蹄的动态特性的影响。进行模态测试来争论动态特性。从模态测试的结果中，我们发觉制动部件的动态特性随着他们的装配和制动力的使用而变化。因此，试验争论将集中于制动系统中制动部件自由支撑状况下与施加制动力状况下的对比。2.1. 制动部件的动态特性制动鼓与制动蹄的模态参数制动鼓1
7、d1.07, 1.102d2.62, 2.703d4.79制动蹄1s2.112s5.563s7.29图 1.制动鼓 a与制动蹄 b表1.模态测试中提取的制动鼓与制动蹄在自由支撑状况下的固有频率图2.模态测试中提取的制动鼓与制动蹄在自由支撑状况下的模态振型：a2d模式的制动鼓。b2s模式的制动蹄可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结表1显示了从模态测试中提取的制动鼓与制动蹄在自由支撑状况下的固有频率，图2对2d模式与 2s模式的模态振型进行了描画。由于2d模式有两个类似于一对的固有频率，而只有一个模态振型在图2a中显示。另一个模态振型与图2a中的是一样的除了节点与反节点的位置。如图2所
8、示， 2d模式的模态振型特别类似于自由支撑环的其次类弯曲模型，而2s模式的模态振型同样也类似于自由支撑拱门的其次类弯曲模型2.2. 鼓式制动器总成的动力特性对鼓式制动器总成进行的模态测试在同样的32bar制动力条件下进行。图3显示了鼓式制动器总成。衬片贴在制动蹄上，摩擦发生在衬片与制动鼓之间。制动鼓与制动蹄FRF采集点的数量分别为 20个和 16个 每个圆环底部有 8个）。表 2显示了鼓式制动总成的固有频率接近从驱动测试测量出来的尖叫频率，2a模式模态振型与 3.1kHz 频率尖叫的联系就显示在图4中。圆和圆环面在图中分别代表制动鼓与制动蹄。X 标志表示在圆周方向上的对应位置中2d模式几乎一样
9、的模态振型。当制动蹄配对到制动鼓并且施加了制动力时制动鼓几乎仍是保持着自由支撑状态下的模态振型。因此，自由支撑的制动鼓的模态振型可以用于理论分析。然而，很难说当施加制动力时制动蹄也能保持自由支撑状态下的模态振型。如图4所示，制动蹄的模态振型是跟随制动鼓的那些模态振型变化的。2a2.90, 3.183.13a5.035.1图 3.鼓式制动器总成图表2.模态测试提取的鼓式制动器总成固有频率与驱动测试测量的尖叫频率模序模态测试固有频率kHz驱动测试尖叫频率kHz图4.模式 2a 2.90 kHz 。 b 3.18 kHz.如表 1所示，与制动蹄相比制动鼓的固有频率特别接近尖叫频率。由于施加了制动力所
10、以尖叫频率比自由支撑的制动鼓固有频率略微高一点。这意味着当施加制动力时制动鼓的振动特性只转变一点，而制 动蹄的转变将会特别大。2.3. 制动鼓与制动蹄的模态振型用于分析Millner 和Okamura等人利用自由支撑圆环和拱门的固有模态振型建立它们的模型，他们假定模式2a的模态振型包括模式 2d和2s9,10 。这就可以假设模式 2a的制动鼓模态振型与模式2d的是一样的，即自由支 撑圆环的其次类弯曲模态振型。然而模式2a的制动蹄模态振型与模式2s的不一样，即自由支撑拱门的其次可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结类弯曲模态振型。制动总成中制动蹄的模态振型依靠于制动鼓的动作。因此，本文
11、中一系列的功能测试将被用于近似制动蹄的模态振型。此外，就使得在近似的方法中有必要利用不规章或任意截面去得到我们需要的制动蹄。3. 理论模型图5显示了制动器总成的一个动态模型。制动鼓和制动蹄分别被看做一个规章薄壁圆环和一个不规章薄壁拱门。因此，模型的建立考虑了制动器组件的径向与圆周位移。制动鼓与制动蹄可以分别看做是一个实心圆环和一个实心拱门，然后剪切变形和转动惯量必需通过对模型增加一个旋转的自由度去考虑。然而，尖叫被分析为制动组件之间由径向位移产生的作用力的变化所引起的摩擦力变化造成的动态不稳固性现象。在薄壁圆环理论中径向位移是与圆周位移相互联系的。因此旋转自由度的影响大大小于径向与圆周位移产生
12、的影响，而薄壁圆环理论将被用于理论分析。依据第 5部分呈现的程序对薄壁圆环和拱门的参数进行运算，薄壁圆环和拱门的动态特性将被逐步等同于制动鼓与制动蹄的动态特性。图5.鼓式制动器总成的理论模型w和v分别为径向和圆周位移，它们又分为d,1,2三个下标。 wd和vd表示制动鼓的位移。而w1，v1和w2， v2 分别表示制动蹄 1与制动蹄 2。圆周坐标 和分别以制动蹄 1与制动蹄 2的中心为起点， 为它们起点之间的角度。 1，2分为制动蹄 1中心线到衬片两端的角度。在制动蹄2中，用 1， 2分别替代 1， 2。衬片被模拟为径向分布的弹簧。弹簧劲度系数k1， k2， k3， k4等同于正常组件的接触刚度
13、。切向重量由于接触表面油脂润滑所以很小于是可以忽视不计。K i个附加质量连接到制动鼓分析不对称的影响被集中表示为mk。圆环的不对称迫使产生波浪运动通过其模态振型到其本身，所以致使了不稳固性的降低。制动鼓旋转的影响除了制动鼓与衬片之间的摩擦力之外都忽视掉，由于旋转速度大大低于制动鼓的振动速度。4. 运动方程4.1. 动能与势能运动方程通过假设模型获得。鼓式制动器的动能与势能通过如下运算K与U分别为动能和势能，下标d， s， lin 和k分别表示制动鼓 圆环），制动蹄 中r为附加质量的数量而 -k为k 表示附加质量 mk角位置的狄拉克 函数。方程 2 和3通过非伸缩靠近获得由于制动鼓与圆环有着几乎
14、一样的弯曲模态振型。由于末端的接触刚度所以非伸缩靠近不能运用于拱门。因此，拱门的动能与势能由以下式子给出1， A1，r 1，E1和I 1分别表示与制动蹄1等同的拱门的密度，横截面积，中间面半径，杨氏模量及与横截面惯性矩。 2， A2 ，r 2，E2和I2 就表示与制动蹄 2等同的拱门的这些参数。用曲线方程近似网的外形，A1， A2， r1， r2， I 1和I2通过表达成 或的函数获得，然后整合在等式5和等式 6 中表达。图 6表达了通过在这个分析中所用的曲线方程获得的网的外形。衬片的势能可以由圆环和拱门的相对位置得到如每单位角度的衬片的放射状的弹簧的劲度系数可编辑资料 - - - 欢迎下载精
15、品名师归纳总结图6.通过曲线方程和制动蹄横截面获得的原始制动蹄的网的外形Elin ， blin ， r lin和hlin 分别表示杨氏模量，宽度，半径和衬片的厚度。势能产生于拱门末端的接触刚度- 和-为Dirac 三角函数。4.2. 圆环和拱门的模态振型在本文我们对 3.1kHz 频率的尖叫进行分析，所以将运用一对圆环的其次类弯曲模型。拱门的模态振型将利用一系列的摸索函数进行靠近，由于拱门拥有的是不规章横截面而且被组装在相当于固定而宽大的鼓的圆环上。这意味着靠近方法偏向于通过单独为对拱门考虑一系列的摸索函数获得。圆环的圆周方向的位移1 t和2t 分别表示一对圆环的广义坐标，常数n是节线的序号。
16、例如，其次类弯曲模型的n是3。仅仅通过一对圆环，特定频率的尖叫就可以单独进行分析。而圆环的径向位移可以通过方程4 和10进行估算。N是摸索函数的序号而 1j t ，1jt ， 2jt 和2j t 分别为这些函数的广义坐标。4.3. 摩擦产生的广义力通过圆环与拱门相对位移产生的施加在拱门上的摩擦力为为衬片的摩擦系数。大小相等方向相反的摩擦力施加在圆环上。摩擦力施加在拱门上产生的广义力通过如下表达式得到就圆环来说，广义力为4.4. 运动方程通过把方程 1-15 带入拉格朗日方程，得到与摩擦相关的鼓式制动器的运动方程形如可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结i为1到N的整数。整数 i 为方
17、程 16c-16f 中 c8i， c9i ， c10i和c11i的下标。因此， 16c- 16f 中任何一个方程都可以扩展为N个方程。方程总数为 4N+2。系数 c21-c29在附录 A 中标出。这些运动方程可以排列为如下矩阵式，M 和K 为4N+2 4N+2 矩阵。子矩阵 M 11和K 11为 22矩阵而 M 和K 中其他对角矩阵为NN矩阵。置矩阵的其他元素在附录 B中表出。制动系统的动态稳固性可以由方程17特点值的实部打算。当摩擦系数为零时矩阵 M 和K 是对称的，但是当 不为零时 K 就是非线性的。 K 的非线性可以引导正实部影响系统的负阻尼比。而负阻尼比导致可编辑资料 - - - 欢迎
18、下载精品名师归纳总结系统偏离的震惊。因此，系统将变得不稳固以致尖叫的产生。5. 等价参数本文仅通过一对圆环的其次类弯曲模型执行对3.1kHz 频率的尖叫的模拟。因此与3.1kHz 频率尖叫相联系的鼓式制动器的等价参数将呈现与本文中。圆环的截面区域和弯曲刚度将不同于通过制动鼓的截面尺寸直接估算而得到的结果。圆环的两个参数应当作为制动鼓的模型特点表现出来的等价参数进行估算。尽管，这两个等价参数不能同时获得。当圆环的固有频率已知时，两个等价参数中的一个得到确定，就另一个等价参数也将得到确定。这是由于截面区域和弯曲刚度分别适用于于动能和势能，而固有频率由动能和势能共同打算。相应的，圆环的等价参数由以下
19、程序获得。i 通过 FEanalysis估算制动鼓的参考动能。参考动能不包括制动鼓的固有频率。参考动能用于替代动能，由于通过 FEanalysis估算得到的制动鼓的固有频率并不精确等同于真实的制动鼓的固有频率。图7 估算圆环的其次类弯曲模型的参考动能为截面区域的一个函数Ad。iii 通过两个参考动能的实际值获得Ad，通过以上程序估算，应当是两个相同的值。图7.自由支撑状态下通过 FEanalysis提取的制动鼓和制动蹄的模态振形：a）制动鼓的 2d模式。 零件参数值参数值Ad-49.5110rd0.1061EId4363.2d7250rA2.871,27850rI1.16E1,E221010b
20、lin0.0365rlin0.0999制动鼓可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结制动蹄衬片9hlin0.035Elin3.010 7可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结8868.5 165.5180 244.5接触刚度k1,k41.010k2 ,k36.010几何iv 通过弯曲刚度的函数 EId估算圆环的其次类弯曲模型的固有频率。v 获得的圆环模型和真实的制动鼓的EId必需是一个相同的数值。真实的制动鼓的固有频率在表1中给出。这个程序同样应用到拱门的等价参数A1,A2,I1和I2 。然而这些参数不能从这个程序中直接获得，由于这些参数不是常量而是线性函数。因此，我们引进了
21、比例因子rA和rI 。通过 rA与制动蹄的真实横截面面积相可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结乘来估算 A1和A2,而通过 rI 与制动蹄的真实横截面惯性矩相乘来估算I1和I2。由于两个制动蹄的外形是一样的，所以仅用引入两个比例因子。这些打算拱门等价参数的比例因子可以通过应用上面所提到的程序获得。图 7b 显示了模式 2s用于估算参考动能。这个等效参数的概念同样需要建立合理的圆环与拱门的成对系统。由于成对系统的模态特点取决于圆环或拱门在系统中动能与势能的占有数量。表3给出了圆环与拱门的参数，包括以上程序所涉及的等价参数。6. 结果和应用6.1. 特点值分析结果方程 17 的特点值分
22、析表达为制动系统的动态稳固性。由于在本争论中对3.1kHz 尖叫进行分析，所以两种模式， i.e.，用于估算一对圆环与拱门的其次类弯曲模型出示在图8和图 9中。如 4.2节所述，抱负圆环 模态振形用于圆环，而近似模态振形用于拱门。在方程10 中n用3，在方程 11 和方程 12 中N用20。 80 个多项式作为两个拱门的模态振形的摸索函数。因此M 与K 在方程 17中为 8282矩阵。图8显示了通过特点值分析获得的随着摩擦系数变化的固有频率和真实部件的特点值。如图8a所示，两条不一样的固有频率曲线相交于摩擦系数0.37处。由于特点值在摩擦系数小于0.37时为幅度不等的虚数，而在 0.37至1之
23、间为幅度相等的复数。复数的正实部与负实部如图8b 所示，正实部使得系统不稳固。因此，摩擦系数 0.37为影响尖叫的一个临界值。在不稳固区域，由于复数特点值影响，系统为一个复杂的模态振形，因此，系统的运行会趋于波动。图8.通过特点值分析获得的随着摩擦系数变化的固有频率和真实部件的特点值(a) 固有频率。 b真实部件特点值可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图9.动态模态振形： a不稳固系统。 b稳固系统。数字表示运动的步骤。图9显示了当稳固系统有着自身固定的模态振形时，不稳固的系统所产生的波动。Lang etal.和Hulten 11,17 对制动尖叫的波动进行了试验争论。结果是被迫
24、波动造成了系统的不稳固产生。同样可以看到稳定系统中拱门的模态振形与自由支撑拱门状态下的是不一样的，但是它又取决于圆环的模态振形。6.2. 特点值分析结果特点值的正实部通过不断变换每个参数来估算来找到其对与尖叫有关的参数产生的影响。参数在20% 范畴内，摩擦系数在 0.37处进行估算。在图 10a中可以看到正实部随着参数从0到-20%范畴变化而从 0开头增长。这意味着应当削减Ad和rI 来削减系统的不稳固性。相反，图10b 显示应当增加 EId , rA 和Elin 来减小不稳固性。换句话说，增加截面面积和减小制动蹄的弯曲刚度对减小尖叫是有利的，而对于制动鼓就产生相反的结果。图11显示了几何参数
25、对尖叫的影响。如下列图，增加1减小 2 可以减小尖叫，而 1和 2分别具有同样成效。角距有一个与原始值接近的正确值。这些参数对尖叫产生的影响会随鼓式制动器的类型和尖叫的频率变化而变化。通常公认波动简洁发生在轴对称结构，而通过增加不对称性进行抑制。质量块依附在制动鼓上增加不对称性，而这些块的影响在摩擦系数为1.0时被分析，远远高于摩擦系数临界值。当摩擦系数取值远远高于临界值时，系统将变得极为不稳固。附加质量在圆周等距分布以保持制动鼓的平稳。在图12中可以看到当没有 4附加质量时， 2和 3附加质量影响尖叫的程度。由于相对于4来说， 2和3把一对圆环模型的固有频率分为两个极为不同的频率。如图8a所
26、示，两个频率相差最大的的方，就是临界摩擦系数取值最大的的方。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 10.随a Ad , rI 和 b EI d , rA , Elin 变化的特点值的正实部图11.随集角变化的特点值正实部6.3. 网的部分外形的修改对于参数的争论我们得到减小尖叫的方法，即增大横截面及减小制动蹄的弯曲刚度。然而，对两个制动蹄的修改不能同时完成。因此，应当尽可能的减小制动蹄的刚度而尽量少的削减截面面积。为完成这个过程，在张力集中的小部件上应当尽可能少的进行修改。集中张力可以通过 FEM 获得的制动蹄的张力能量安排得到。图 13显示了制动蹄 2s模式下的张力能量安排。图
27、 14显示了通过切除一些部分得到的网络修改的图形，而表 4显示了在分析之前和修改之后制动蹄的固有频率和临界摩擦系数的估算。摩擦系数临界值的增加意味着尖叫在修改之后削减了。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图12.随附加质量变化的特点值正实部图13.通过 FE分析提取的制动蹄2s模式的张力能量安排图14.通过线性函数获得的原始与修改之后的网络轮廓6.4. 通过噪声测量器的检测网络修改的成效使用噪声测量器的检测，并在图15中显示。鼓式制动器与后轮连接，然后数值与尖叫的声压等级通过一个麦克风进行测量。通过这些测量数据，对噪声比率和噪声索引进行估算，这些值在表 5中显示并与客户要求的最低
28、噪声限制进行比较。噪声比率是全部制动次数中尖叫显现次数的比率，而噪声索引是一个通过尖叫产生的声压无空间化获得的一个值。因此，噪声比率越大，尖叫产生的越频繁，而噪声索引越大尖叫的音量就越大。执行4次试验，总的制动数量为3543次每次试验。通过 5天来进行一次试验。表 4.修改前与修改后制动蹄的固有频率和临界摩擦系数其次类弯曲模型的固有频率kHz临界摩擦系数原始制动蹄5.560.37修改之后的制动蹄4.780.54比率-14.0%+45%可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图15.a噪声测试器测试的图片以及b后轮连接的鼓式制动器放大图片。表5.噪声测试器测试结果测试序号制动蹄类型噪声比
29、率%噪 声索 引备注1原始制动蹄0.250.31没有超过噪声限制2原始制动蹄0.234.00超过噪声限制3修 改后的制 动蹄0.000.00Nosquealoccurred4修 改后的制 动蹄0.000.00Nosquealoccurred可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图16.噪声测试器测试中测量的鼓式制动器噪声声谱：a原始制动蹄显现 3.1kHz 尖叫。 b 修改过后的制动蹄没有尖叫显现从表 5中我们可以看出相对于原始的制动蹄用修改后制动蹄的鼓式制动器基本上没有尖叫。图16显示了使用原始或修改过后制动蹄的鼓式制动器噪声声谱。除了3.1kHz 波峰的的另外一条谱线是环境噪声。
30、通过以上结果，部分修改网络可以有效削减尖叫产生。7. 结论在本文中，对于应用不规章截面制动蹄鼓式制动器来削减制动尖叫进行了理论分析，仍对制动器设计参数对制动尖叫的影响进行了争论。全部的这些结果都显示了尖叫可以由转变制动器组件的动态特性来抑制。对于制动蹄，可以增加横截面积，降低制动蹄弯曲刚度来削减鼓式制动器制动尖叫。尽管他们不能同时进行，但是一个有效的修改方法是通过张力能量安排尽可能的降低制动蹄的弯曲刚度而较少的削减横截面积。通过这个方法，对于截面较小的修改，通过理论分析和噪声测试器测试证明，可以达到很有效的成效。于是，可以推断甚至对于制动蹄一个很小的转变就可以对降低尖叫产生很大的成效。最终，制
31、动鼓的不对称产生的影响考虑了不稳固性与波动的联系进行了争论。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结参考文献1. C. M. KOOTWIJK-DAMMAN 1996 Journal of Sound and Vibration 193, 451-452. Industrial noise in railway yards。 the problem of squeal noise.2. M. NAKAI and S. AKIYAMA 1998 Journal of Vibration and Acoustics-ransactions of the ASME 120, 614-622.
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