某型号汽车制动盘模态分析

某型号汽车制动盘模态分析

谢兆聚、高东山

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛

摘要：当汽车制动时，制动盘的转速接近其固有频率时候，制动系统容易发生共振。当制动盘与摩擦片固有频率接近时，制动器本身容易发生共振，产生噪音，危害汽车的安全，影响乘客乘车的舒适性，也会造成环境的污染。本文通过对制动盘和摩擦片进行三维建模，进行网格划分得到有限元模型，最后对其进行自由模态分析，得到其频率和模态振型。

关键词：制动盘；有限元；模态分析               

随着时间的发展，汽车功能愈加成熟，人们也愈加重视汽车安全问题。据统 计，在一系列交通事故中，有接近45%的几率是制动系统失效造成的，制动系统 失效往往是制动盘受到持续热冲击导致。当汽车制动时，制动盘的转速接近其固 有频率时候，制动系统容易发生共振，产生噪音，危害汽车的安全。所以对制动 盘进行模态分析很有必要。

1概述

如今汽车发展的越来越成熟，现阶段汽车追求新四化（智能化、电动化、网联化、共享化）。汽车功能愈加成熟，人们也愈加重视安全问题。汽车制动系统是汽车安全最重要组成之一，通过它可以对制动盘进行制动，进而对车轮施加特定的力使汽车在一般情况或者紧急情况下刹车，例如正常天气或下雨下雪等天气倒车、下坡、急刹等，都可以使用制动系统进行刹 车来保证车上驾驶员、乘客和路上行人等的安全。

2 有限元模型的建立

本文研究对象是某商务车的制动盘，制动盘按照实物在三维软件中建立而成。接着通过有限元软件完成制动盘网格模型的建立，网格的划分是前处理很重要的一步，它决定着分析计算和后处理能否顺利完成。网格数量越少，网格质量越好，计算分析所消耗的资源和时间越短。制动盘网格类型为四面体，数量为112561个，节点个数为28638个，具体模型如下图1所示，制动盘材料为HT250，弹性模量为110Gpa，泊松比为0.26，密度为7800kg/m3。

图1 制动盘有限元模型

3 模态分析基本理论

模态分析有两种情况：一是自由模态；二是约束模态。自由模态是在没有约 束的情况下进行模态分析。约束模态是在有实际工况约束的情况下进行模态分析。在实际工作中对制动盘约束模态很难施加试验，所以一般采取自由模态的方式得到固有频率和振型。故本文采用自由模态方式对制动盘进行分析，分析阶数为6阶。

模态是指制动盘在特定工况下发生振动时振动的频率大小以及形状。模态分析是制动盘结构优化的基础，通过模态分析能够得到制动盘振动的频率以及在振动过程中的薄弱位置。低阶模态对于制动盘性能影响更大，因此通过有限元分析法得到制动盘低阶振动频率和振型就可以分析制动盘结构性能。使用有限元分析方法可以大大降低制动系统开发前期的时间以及成本。有限元分析方法采用的是理论方法。根据公式：

模态计算的最终目的是计算模型频率和各种振动模式。模态分析的实质是找到每个零点和每个分量的特征值以及特征向量。特征值需要知道与每个零和分量的基本振动模式相对应的基本频率。在实际的应用中，进行模态分析一方面是在预防各结构发生共振，需要避开这些基本频率，有时则需要加强频率，有时则需要减弱频率，根据实际情况的需要有针对性的进行改变。固有频率这一概念相当于是一个准则，可以看出结构是发生快速变形还是缓慢变形。除此之外，固有频率也可以指示结构的整体刚度。低固有频率意味着该结构具有较低的刚度（即该结构相对较软）。根据实际需要，设计中的柔软度和硬度差异很大，这对结构强度分析和优化具有重要意义。振动模式实际上也具有较高的含义，振动模式是指振动状态的形状，并且从振动状态的形状可以看出结构在自然频率下变化的趋势。 

4 模态分析结果

提取制动盘的前六阶模态，结果如下图2所示：

（a） 一阶模态                          （b） 二阶模态

（c） 三阶模态                         （d） 四阶模态

（e） 五阶模态                           （f） 六阶模态

图2 制动盘前六阶模态分析结果

表1 制动盘前六阶模态振型表

通过汇总得到表1为制动盘前六阶模态振型表，制动盘一阶和二阶、四阶和五阶振型相同，制动盘固有频率从1786.63Hz 增加到3653.85Hz， 除了三阶振型为伞状拉伸，其余阶数振型全为弯曲变形。

5 结论

通过软件仿真得到制动盘的固有频率和振型，发现由于制动盘的对称性造成大量重复固有频率和振型。制动盘最小固有频率为1786.63Hz，本文制动盘工作频率在 0Hz~12.2Hz 间，远远小于其固有频率，所以不会产生共振，工作较安全。

参考文献

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