（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟样机技术的盘式制动器制动振动研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于虚拟样机技术的盘式制动器制动振动研究 摘要 随着汽车工业的快速发展和人们对汽车各个方面的性能要求不断 提高，汽车制动时所产生的噪声已经是汽车开发商急需解决的问题。 本文在查阅大量国内外文献的基础上采用虚拟样机技术，应用机械动 力学仿真软件a d a m s 和有限元软件a n s y s 对盘式制动器的性能做了一 些新的探索与尝试。具体内容如下： 首先综述了研究背景，包括制动器制动振动的机理原因和解决振 动问题的研究方法。介绍了虚拟样机技术及其软件，并建立了多刚体 系统动力学方程和多柔体系统动力学方程。接着介绍了盘式制动器自 激振动的理论基础，分析了摩擦因数变化引起的非线性振动模型，如 粘滑摩擦模型和负阻尼摩擦模型，以及模态耦合引起的盘式制动器振 动理论模型。 然后把盘式制动器简化成由弹性制动盘和弹性制动块组成的振动 模型，用连续弹性振动梁建立振动数学模型，利用有限元软件a n s y s 生成制动盘和制动块的模态中性文件m n f ，再将模态中性文件导入到动 力学仿真软件a d a m s 中，生成盘式制动器柔性体模型，这一过程运用 了宏命令m a c r o 来添加哑物体和约束，以及创建和修改接触力。 最后对盘式制动器动力学模型进行仿真，从中可以得出盘式制动 浙江工业大学硕士学位论文 器的一些结构参数会对振动产生影响，如制动盘的阻尼、制动块的阻 尼和形状。结果表明制动盘和制动块的阻尼对振动都能起到抑制作用。 关键词：盘式制动器，虚拟样机技术，振动，噪声 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nv i b r a t i o no fd i s cb r a k e b a s e do nv i r t u a i ，p r o t o t y p et e c h n o l o g y a b s t r a c t w h e na u t o m o t i v ei n d u s t r yi sd e v e l o p i n gq u i c k l ya n dp e o p l e sd e s i r e t oa u t o m o t i v ep e r f o r m a n c ei si n c r e a s i n g ，b r a k ev i b r a t i o nh a sb e c o m ea l l i m p o r t a n tp r o b l e mt h a tt h ea u t oc o m p a n i e sn e e dt os o l v ei m m e d i a t e l y b a s e do nr e a d i n gt h el i t e r a t u r ee x t e n s i v e l y , i nt h i sp a p e rt h ed i s cb r a k e p e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d a n ds t u d i e db yu s i n gv i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g y , i n c l u d i n ga u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ( a d a m s ) a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t ( a n s y s ) t h em a i nc o n t e n t s a r ea sf o l l o w s ： f i r s tt h eb a c k g r o u n do fb r a k ev i b r a t i o nw a ss u m m a r i z e d , i n c l u d i n g m e c h a n i s m sa n dc a u s e so fb r a k ev i b r a t i o na n dr e s e a r c hm e t h o d sf o r r e d u c i n gv i b r a t i o n v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y a n di t ss o f tw e r e i n t r o d u c e d t h ed y n a m i ce q u a t i o n so fr i g i dm u l t i - b o d ys y s t e ma n df l e x i b l e m u l t i - b o d ys y s t e mw e r ee s t a b l i s h e d t h ep a p e ri n t r o d u c e ds e l f - e x c i t e d v i b r a t i o nt h e o r e t i c a lo fd i s cb r a k ev i b r a t i o na n ds t u d i e dt h en o n - l i n e a r m 浙江工业大学硕士学位论文 v i b r a t i o nm o d e li n d u c e db yt h ec h a n g eo ff r i c t i o nf a c t o rb e t w e e nt h er o t o r a n dt h ep a d ，s u c ha ss t i c k - s l i pf r i c t i o nm o d e la n dn e g a t i v ed a m p i n gf r i c t i o n m o d e l a l s ot h ev i b r a t i o nm o d e lo fd i s cb r a k ei n d u c e db ym o d ec o u p l i n g w a sa n a l y z e d t h e nav i b r a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rr e p r e s e n t i n gt h ev i b r a t i o no f d i s cb r a k ew a sp r e s e n t e d t h er o t o ra n dt h ep a dw e l er e p r e s e n t e db y u s i n g c o n t i n u o u sf l e x i b l eb e a m a i t e rt h em o d e ln e u t r a lf i l e so f t h er o t o ra n dt h e p a dw e r eg e n e r a t e di l la n s y s ，t h e yw e r el e di n t oa d a m sf o rb u i l d i n g b r a k ef l e x i b l em o d e l i nt h i sc o u r s e ，t h em a c r oc o m m a n dw a sa p p l i e dt o a d dd u m m y p a r t sa n dj o i n t so nt h em o d e l ，a n dt oc r e a t ec o n t a c tf o r c e sa n d m o d i f yc o n t a c tf o r c e s a tl a s tt h em u l t i f l e x i b l es i m u l a t i o no fd i s cb r a k e w a gb u i l tu p a f t e rs i m u l a t i o n ，s o m es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fd i s cb r a k ec a n e f f e c tt h ev i b r a t i o n , s u c ha sd a m po f r o t o r , d a m po fp a da n d t h eg e o m e t r i c s h a p eo f p a d f o r mt h er e s u l tt h e yc a nr e d u c eo rr e s t r a i nt h ev i b r a t i o n k e yw o r d s ：d i s cb r a k e ，v l r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y , v i b r a t i o n , s q u e a l i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：茸结生6 日期叩年多月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密匹 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：如口7 年石月j _ 日 日期：缔易月广日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章盘式制动器振动噪声问题综述 1 1 汽车制动器现状及其发展趋势 汽车制动系统是汽车的重要组成部分，是保证汽车安全行驶的必要系统。目 前广泛使用的制动器是摩擦式制动器，即鼓式制动器和盘式制动器，是利用固定 元件与旋转元件工作表面的摩擦而产生制动力矩的制动器。盘式制动器可分为钳 盘式制动器和全盘式制动器，钳盘式又可分为定钳盘式和浮钳盘式。钳盘式制动 器是由制动盘和制动钳组成，制动盘是摩擦副中的旋转元件，它是以端面工作的 金属圆盘；制动钳是由装在横跨制动盘两侧的夹钳形支架中的制动块和促动装置 组成，制动块是由工作面积不大的摩擦块和金属背板组成，每个制动器中一般有 2 4 个制动块。 由于轿车工业的快速发展，使得盘式制动器的应用越来越广，尤其是中高级 轿车，一般都采用了盘式制动器，很多发动机排量较小的中低档车型，其制动系 统大多采用“前盘后鼓式”，四轮轿车在制动过程中，由于惯性的作用，前轮的负 荷通常占汽车全部负荷的7 0 8 0 ，前轮制动力要比后轮大，后轮起辅助制动作 用，因此轿车生产厂家就采用前盘后鼓的制动方式。而鼓式制动器的应用范围在 逐渐缩小，目前主要应用在货车等重型车上，这是因为其车速一般不高，刹车蹄 的耐用程度也比盘式制动器高，再加上造价便宜。 相对鼓式制动器而言，盘式制动器有如下优点【1 捌： ( 1 ) 一般无摩擦助势作用，因而制动器效能受摩擦因数的影响较小，即效能 较稳定； ( 2 ) 浸水后效能降低较少，而且只须经一两次制动即可恢复正常，即水稳定 性好； ( 3 ) 在输出制动力矩相同的情况下，尺寸和质量一般较小； ( 4 ) 制动盘沿厚度方向的热膨胀量极小，不会像制动鼓的热膨胀那样使制动 器间隙明显增加导致制动踏板行程过大； ( 5 ) 较容易实现间隙自动调整，其他维修作业也较简单。 当然，盘式制动器也有缺点：制动效能因数较低，故用于液压制动系时所需 浙江工业大学硕士学位论文 制动促动管路压力较高，所以对管路系统要求也较高，这样造价也要提高。 本课题是以浮钳盘式制动器为研究对象的，其原理见图1 1 。 制 制 图1 1 浮钳盘式制动器原理图 1 2 盘式制动器振动噪声问题的研究 钳 塞 向销 在汽车诞生之初，制动器振动噪声问题就已经存在，只是这方面问题不是当 初急需解决的重点，随着汽车工业的发展，人们对汽车舒适性和安全性的要求越 来越高，振动噪声问题也就成为汽车制造商及其研究人员所要解决的重点。 自2 0 世纪3 0 年代起，对制动器振动问题上的研究已经取得了很大的进展， 噪声也已经降低了很多。但迄今为止，盘式制动器振动与噪声的仍然存在表明了 我们对这一现象的理解存在着不足，同时对该问题的研究从发生机理到分析方法 仍没取得很一致的结论。制动器的振动和噪声，降低了制动器使用寿命，污染了 环境，影响了汽车的舒适性和安全性。由于制动器振动问题的复杂性，使得该问 题的研究成为了汽车工业研究的难点。 1 2 1 制动器振动噪声的分类、现象及特点 制动器制动振动噪声的频率范围非常宽，可以从几十赫兹左右到上万赫兹， 为了研究方便，研究人员会根据频率的不同，对噪声进行分类和描述，但不同的 研究者对制动噪声有不同的分类。根据产生频率的不同频段，制动噪声可以分成 2 浙江工业大学硕士学位论文 三种类型，第一种叫低频噪声，频率范围在1 0 0 h z l k l - - i z 之间，原因是由于制动 盘与摩擦材料之间表面的粘滑运动引起的，导致制动器和底盘的振动，如果采用 摩擦因素对接触面相对滑动速度不敏感的材料，以及修改底盘部件的结构参数， 能降低或消除此类振动。第二种叫低频尖叫，频率范围在ih z 3 k i - i z 之间，是由 摩擦激振引起了制动器两个以上零件的模态耦合所造成的，改变制动器结构参数， 如制动钳、制动盘的材料和尺寸，可以消除或减小低频尖叫。第三种叫高频尖叫， 频率范围在5 k h z 1 5 k i - ! z 之间，高频尖叫是制动盘盘面频率的响应，制动盘与摩 擦衬片的刚度比值主要影响高频尖叫，增加制动盘刚度、改变摩擦衬片的形状和 接触面压力分布，能减小高频尖叫发生。而频率超过l k i i z 的噪声一直是制动器振 动噪声研究的重点【3 卅。 正常的制动系统在制动时，会感觉踏板坚实，车子应立即平滑地沿直线停住。 当车辆出现严重的抖动或者朝一侧斜滑，或者感觉踏板反应不灵敏、软绵绵的时 候，就应该引起车主的重视了。 在低速行车时，摩擦片和制动盘接触后，制动器和悬架发出振颤现象，松开 制动器时，听到嗡嗡的声音；在行车减速制动时，由于摩擦盘厚度不均匀，制动 力循环非均匀变化，引起制动颤振；在行车非制动时，由于轮毂变形，有一个摩 擦片接触制动盘，发出低频共鸣嗡叫声，这种现象振幅较大。在汽车低速制动和 临近停车时，制动器均容易发出不同程度的尖叫声，尤其是满载时尖叫声严重， 叫声刺耳，甚至干扰了车上乘客和路上行人的安宁。有些尖叫是由于摩擦片与它 背面的垫片相互作用产生的。在低速行驶没有使用刹车的情况下发出轻微尖叫是 因为刹车盘或片边缘磨损。尖叫频率随着制动压力的升高而略有增加，如果刹车 温度过高，超过4 0 0 度时会出现烟雾并发出气味，且会明显感觉到刹车软，多是 刹车系统长时间持续使用造成的。另外，摩擦因数基本相同的摩擦材料在产生尖 叫倾向上可以大不相同，同一摩擦材料安装于某一制动器可能无尖叫倾向，安装 于另一制动器却极可能产生噪声。 上述的现象表明制动尖叫的产生受环境的影响较大，重复性较差是制动尖叫 显著特点，对某制动器产品是否属于易发生尖叫的制动器，应从统计角度判断； 同时制动器尖叫的主要频率几乎不变，说明制动尖叫的产生又取决于制动器的结 构因素。 制动器制动振动有以下几个方面的特征：非线性，实体之间的接触力和摩擦 3 浙江工业大学硕士学位论文 力是非线性变化，与材料的机械特性、接触表面状态、接触表面几何形状，变形 方式有关，摩擦材料间的弹塑性和接触压力决定了制动器的振动特性；非恒定性， 由于制动器本身的制造精度和受热影响，摩擦力沿摩擦面始终在改变方向，在动 态时呈现锯齿状振荡变化，这样存在线性系统达到临界共振的可能性，使线性系 统变成不稳定状态；瞬时性，由于制动时间短，制动系统运动参数在极短时间内 急剧变化，运动参数没有稳定的变化规律，引起的振动不在特定的频率内，而是 在所有频率范围内都可能发生n 1 2 2 制动器振动噪声的机理与原因 最早研究振动噪声是从摩擦副开始的，认为摩擦副本身的特性是引起制动振 动噪声的根本原因；也有认为振动是由于摩擦引起及能量馈入的运动1 8 】；现在一般 认为制动噪声的产生主要是由于制动器的结构因素引起的自激振动，主流的研究 思路是把整个制动器看做一个整体，通过改变部件的质量、刚度、阻尼或部件动 态特性、耦合关系来消除制动器系统的噪声模态。 从国内外对制动器振动的研究文献资料可以总结出制动器振动主要有三种原 因：原因之一是摩擦副的摩擦特性，静摩擦因数大于动摩擦因数或动摩擦因数随 相对滑动速度的非线性变化引起制动系统的自激振动；原因之二是制动器存在的 动约束，当摩擦因数为常数时，制动器不恰当的几何参数，便可导致系统自激振 动的产生；原因之三是制动器的模态耦合，摩擦力诱发的制动器各组成部件动态 特性参数匹配不当引起的自激振动【3 , 9 1 。基于这三种原因研究人员又概括出引起制 动器振动的五种理论及其组合，即静摩擦因数大于动摩擦因数的粘滑运动，摩擦 因数与接触面相对滑动速度非线性变化的负阻尼运动，不稳定的几何形状，制动 器零件之间模态耦合，旋转制动盘不平表面引发的“锤击”振动。早期研究阶段 人们用某种假说解释制动器振动的根本原因，试验和分析表明没有一种理论能单 独完全解释制动器振动，有些情况下负阻尼模型解释较为合适，有些情况模态耦 合也许更合适，也有的振动用上面五种理论都不能很好的解释。 通过研究粘滑运动来解释制动振动噪声，它的存在导致摩擦力改变并激起系 统的不稳定。粘滑运动是通过静摩擦因数和动摩擦因数来解释的，模型如图l2 所示 1 0 , 1 1 l ，将制动块压在制动盘上的运动模型简化为一个质量块m 压在一条传送 4 浙江工业大学硕士学位论文 带a 上，质量块m 一端与线性弹簧相连接用来模拟制动钳的固定端。传送带a 相 对于质量块m 以速度v 运动，二者之间就产生摩擦力f = p ( 为摩擦因素， p 为制动压力) 。 p 图1 2 粘滑运动模型 根据摩擦因数的变化规律，来描述制动块的运动特征。制动块在制动盘上， 由于压力作用，最初的静摩擦力大于弹簧力，制动块与制动盘一起运动，制动块 与制动盘相对速度为0 ；当弹簧变形引起的弹簧力增加到等于或大于静摩擦力，制 动块开始相对制动盘滑动，运动方向与传送运动方向相反，动摩擦力起作用，弹 簧力开始减小；当弹簧力与动摩擦力平衡时，制动块停止滑动，这时制动块静摩擦 力起作用，制动块又随制动盘一起运动，这就是周期性粘滑运动。当粘滑运动发 生时，粘滑图形与系统摩擦特征有关，或牙齿形或是正弦曲线形，牙齿形粘滑图 形有较多的激振频率，正弦曲线图形有较少的激振频率。 阻尼在制动器振动中起着复杂的作用，阻尼对尖叫作用是最感兴趣的研究和 试验课题，增加或减小零件阻尼，都能帮助稳定制动系统，减小或消除高频振动。 如文献 1 2 】研究表明，增加基座或制动盘阻尼，尖叫趋势也许增加，而增加导向销 阻尼，尖叫趋势减小。文献 1 3 】说明了制动盘增加阻尼将有助于降低系统的不稳定， 而增加制动块阻尼在某些条件下会增加系统的不稳定性制动器复模态分析，表 明增加摩擦片阻尼增加系统稳定性。目前比较公认的是增加摩擦片阻尼帮助减小 高频尖叫，然而对于低频振动，增加阻尼需要谨慎，因为摩擦片主要是制动器零 件模态耦合的媒介，增加摩擦片阻尼，增大了制动器耦合振动的趋势。制动盘阻 尼对制动器振动影响是复杂的，大致的趋势是增加制动盘阻尼，低频振动的趋势 增加，高频振动的趋势减小。 浙江工业大学硕士学位论文 在一些文献资料中提到了用“s p r a g - s t i p ”现象来解释制动尖叫问题，它是在常 摩擦因数( 1 i p 与矿无关) 下开始的，是一个收集和释放能量的过程，它的产生要 归因于制动器结构上几何约束和动力学上的动态约束1 3 , 1 0 。 研究摩擦片与制动盘的摩擦特性，所建立的许多模型探讨振动发生的机理， 虽然这些模型可以解释振动的产生，但是很难解决具体的振动噪声问题。 1 2 3 制动器振动噪声的分析方法 制动器振动研究的最终目的是要解决汽车使用时的实际问题，要降低振动减 小噪声，所以其分析方法和实验手段是至关重要的。 解析模型或数值模型可以模拟制动器的不同结构、不同的合成材料以及不同 工作条件，从而通过计算得到不同的预防制动振动与噪声的结果。在制作实体模 型和测试之前，使用这种方法可以从理论上采取措施来降低制动噪声，这种理论 结果也可以指导实验和帮助解释实验结果。实际上理论方法和实验方法是同样重 要的，只有利用这些方法才能更好的获得产生制动振动和噪声的机理，才能达到 解决这问题的目的。 文献 1 4 】借助有限元和模态综合技术建立了盘式制动器制动尖叫的摩擦耦合 模型，建模步骤：建立各部件的有限元模型，经试验验证后提取其模态参数；确 定摩擦耦合环节及各弹性耦合环节的联接参数；选择模态综合方法，进行模态综 合。通过复特征分析，得到了对应于每阶振动模态的阻尼和频率，模态阻尼值揭 示了哪些模态不稳定并有可能产生尖叫，最后运用耦合模型研究了摩擦因数和子 结构模态对制动尖叫的影响。文献 1 5 1 在文献【1 4 】的基础上分析了摩擦面的摩擦耦 合与各部件联接面的弹性耦合对耦合模型的影响，并发现制动钳支架的某阶弹性 模态是影响尖叫发生的关键，修改该阶模态即有可能抑制制动尖叫。文献 1 6 】针对 一个有尖叫倾向的实际样车应用耦合模型，通过分析子结构模态与耦合系统不稳 定模态的关系，定量地得到了各子结构模态对制动尖叫的影响大小，从而得到了 决定尖叫产生与否的关键因素支架的第1 l 阶模态，针对该阶模态提出了结构 修改方案b 3 ，通过对比试验，验证了b 3 确实有抑制尖口q 的作用。文献【8 】从馈入 能量的角度来探讨对制动尖叫噪声分析的方法，在制动器摩擦闭环耦合模型的基 础上推导了系统尖叫模态的馈入能量计算方法，这样就可较直观地看出一些结构 6 浙江工业大学硕士学位论文 参数对制动噪声的影响，如摩擦因数、制动块形状、刚度及有重要影响的子结构 模态振型，并有助于分析抑制噪声的结构修改方案。文献 1 7 1 9 】研究了摩擦片与 制动盘接触时的接触面积对制动振动的影响，通过部件参数化设计和优化制动块 形状，使得作用在制动块上压力得以均匀分布。 近年来，有限元方法已经成为了模拟盘式制动器系统和研究制动噪声问题必 不可少的工具。 目前汽车制动器振动研究广泛采用了有限元方法，进行制动器的受力分析和 复模态分析1 2 0 0 ”。复模态方法是把制动器非线性振动用线性振动近似求解，对多 自由度振动系统，如果物体之间是弹性连接，可能存在共振。制动器复模态分析， 求解零件可能的共振频率，是线性化稳态分析得出近似解。文献 2 2 , 2 3 首先采用有 限元软件进行制动器复模态分析，用实体单元建立每个零件模型进行模态分析， 对每个零件模态用测试数据验证，在有限元软件中用一定方法连接单个零件。模 型引入了摩擦力，使模型具有不稳定的可能性，计算系统的复模态，如果有特征 值实部为正，则相应的虚部被认为是可能的振动频率。模型中用接触面相对位移 来构造摩擦刚度矩阵，但理论细节没有给出。 最初是利用有限元方法对制动盘建模，并计算其自然频率；现在最普遍的是 用来计算盘式制动器模型的质量矩阵和刚度矩阵。文献 2 4 ，2 5 详细给出了复模态分 析的假设条件，如制动盘和摩擦片接触面积恒定、线性摩擦特征、材料特性不变 等，给出了如何构造摩擦刚度矩阵的方法，特征值分析的含义以及系统变得不稳 定进入极限环必要的状态。通过试验观察制动器的振动信号，如果制动器系统存 在正复特征值，振幅开始增大，然后进入稳定的极限环，如制动器无负特征实部， 模型不会进入极限环状态，也就无振动发生。通过修改设计参数，可使制动器的 复特征值变为负值，消除或减小噪声以满足工程需求。 更准确分析制动器振动频率，以及制动器摩擦接触存在较强的非线性特征， 唯一的方法是用瞬态分析方法对制动器系统作动力学分析【2 6 】。瞬态分析的摩擦模 型可以是复杂非线性模型，通过瞬态分析方法，能分析摩擦特征和模态耦合共同 作用下的制动器振动。瞬态分析目前主要是采用有限元软件 2 7 或者多体动力学软 件 2 s - 3 0 ，有限元既有采用显式积分法也有采用隐式积分法。文献 3 1 】介绍了b o s c h 公司的制动系统和机械动力学部门应用了m s c n a s t r a n 和a d a m s 软件，建立 了包含刚体和柔性体在内的非线性动力学模型对制动过程的低频尖叫进行了研 浙江工业大学硕士学位论文 究。文献 3 2 】建立了含有1 2 个刚体的盘式制动器系统的动力学模拟系统，分析了 摩擦片对制动盘的接触滑移力大小情况，并用试验进行了验证。建立制动器的运 动微分方程，可以用假设模态法求解，但对于具有多个参数的制动器模型，求解 微分方程非常困难，较少被采用。 瞬态分析不需要复模态分析的假设条件，如制动盘和制动块之间是常接触的 和摩擦材料是线性的，不随时间改变的。在进行瞬态分析时利用动载荷是一种更 好的方法，因为动载荷本身就是随时间而变化的。但其突出缺点是计算时间长， 时域求解需要大量的存储空间，难予进行参数设计研究。由于制动器高频的重要 性，意味着制动器瞬态分析时，对积分需要更小的时间步，如积分时间步不够小 时，高频模态被抑制。另一个问题是可能出现混沌运动，瞬态分析显示了丰富的 运动行为，强非线性时，响应反复分叉，更象另一种振动形式混沌振动，有 待进一步研究摩擦混沌振动【9 】。 对制动振动和噪声的理论分析和仿真只是降低振动减小噪声的前期研究，最 终的效果是要通过试验方法进行验证和评价的。实验方法对研究制动振动与噪声 仍然起着重要的作用，首先，实验方法与数值方法或一些纯理论方法相比较，它 是一种更有效的分析工具；其次，对制动尖叫原因的诊断往往只能通过实验方法 才能得到；最后，对尖叫问题解决方法的验证及有限元模型的适用性往往也只有 实验的方式才能得以完成。消除制动振动与噪声问题的方案最终还是要通过对整 个制动系统做实验和测试才能确认的。目前主要是利用测功试验和相关的车辆道 路试验对制动系统在其正常工作条件下进行振动与噪声的研究 3 3 - 3 6 1 。 实验研究主要是从2 0 世纪7 0 年代开始的，f e l s k e 使用d p h i 技术来检查制 动器尖叫方式，从而加快了对制动尖叫问题的研究，在使用另一个光学技术e s p i 之前的文献资料是基于d p h i 技术的制动噪声研究，在2 0 世纪9 0 年代后期e s p i 技术的使用变得流行起来，作者将这些研究分成基于振动的研究和基于摩擦的研 究两类 5 9 7 。文献 3 8 介绍了在d a r m s t a d t 实验室里的一台制动测试装置，用来验 证模型，确定模型参数，测试能降低噪声的可能性方法以及专门有效地实现噪声 控制。文献 3 9 4 2 比较系统地研究了制动器振动问题，从摩擦片的材料、形状、 阻尼和制动盘的阻尼等结构参数入手，应用有限元分析方法、复模态分析法、动 力学仿真以及试验方法对振动问题进行分析和总结。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容及意义 本课题采用了虚拟样机技术，应用了有限元软件a n s y s 和机械动力学仿真软 件a d a m s ，对盘式制动器振动问题进行了研究。盘式制动器的振动主要制动系统 的自激振动引起的。把盘式制动器简化成制动块和制动盘组成的振动模型，分析 摩擦因数变化引起的非线性振动模型，包括粘滑摩擦模型和负阻尼摩擦模型。建 立制动盘和制动块之间的模态耦合引起的制动器振动理论模型。然后把盘式制动 器简化为由弹性制动盘和弹性制动块组成的振动模型，用连续弹性振动梁建立制 动器振动数学模型。应用有限元分析软件对制动盘和制动块模型进行网格划分和 模态分析，生成模态中性文件( m n f ) ，其中建模时应用了a p d l 语言，使得模型 修改能力和建模速度都大大提高；随后将模态中性文件导入到a d a m s 中，建立 带有柔性制动盘和柔性制动块的非线性振动的多柔体盘式制动器模型；最后在 a d a m s v i c 月v 界面进行多柔体动力学分析，通过改变制动盘和制动块的阻尼参数 以及制动块的形状来实现对制动器减小或消除振动的目的。 作为一个应用研究型的课题，本文建立了一个盘式制动器多柔性体动力学仿 真模型，盘式制动器非线性振动模型的数值仿真可以采用有限元分析方法和多体 动力学方法，多体动力学分析方法可建立盘式制动器非线性摩擦因素模型，计算 时间比有限元少一个数量级。用有限元进行数值求解，建立模型时间周期长，需 要较高的计算机资源。制动盘和制动块之间的非线性接触问题是国内外普遍认为 的一个研究难点，在动力学仿真软件a d a m s 中实现两者之间的非线性接触具有一 定的研究价值，这为制动器的减振降噪研究开辟了新的思路，具有现实的指导意 义，此外，这对其它类似接触问题的研究也会有很多启发的作用。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章多体系统动力学的理论基础 2 1 虚拟样机技术 2 1 1 概述 虚拟样机技术( v l r t m lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是指在产品设计开发过程中，将 分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型， 并且根据产品未来投入使用时的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能， 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。在机械工程中又称为机械系统 动态仿真技术，是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项 计算机辅助工程( c a e ) 技术 4 3 1 。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设 计。在设计完成后，为试验设计方案，通常要制造样机进行试验，有时这样实验 甚至是破坏性的，当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计方案并再用样机验 证。只有通过周而复始的设计一实验一设计过程，产品才能达到要求的性能，产 品开发流程见图2 1 。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无 法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，样机的单机制造增加了成本，在大多数 情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时更 有先天不足的毛病。在竞争激烈的市场背景下，基于物理样机的验证过程严重制 约了产品质量的提高、成本的降低和对市场的占用 4 4 1 。与传统的设计与制造相比， 应用虚拟样机技术可以收到显著的效果，产品开发时间和资金大大减少，产品质 量明显提高，开发流程见图2 2 嗍。 ， 图2 1 传统的产品开发流程 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 虚拟样机开发流程 虚拟样机技术是一项新生的工程技术。其核心是机械系统运动学和动力学仿 真技术，同时还包括三维c a d 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最 优化技术等相关技术。借助于这项技术，工程师可以在计算机上建立机械系统的 数学模型，伴之以三维可视化处理，模拟现实环境下系统的运动和动力特性，并 根据仿真结果改进和优化系统的设计方案。 2 1 2 虚拟样机技术的发展及应用 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件 构成的系统，对他们进行优化设计与性态分析时可以分为两大类。一类称为结构， 他们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动，如房屋、建筑与各种车辆的 壳体以及各种零部件的本身。人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度 与稳定性。另一类称为机构，其特征是系统在运行过程中这些部件间存在相对运 动。如航空航天器、汽车与机车、机器人等复杂机械系统。此外，在研究宇航员 的空间运动、在车辆的事故中考虑乘员的运动以及运动员的动作分析时，人体也 可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。上述复杂系统的力学模型为多个 物体通过运动副联接的系统，称为多体系统。 在机械系统设计中有三种性质不同的分析：一是机械系统的静力学分析，在 一定条件下，机械系统变成一个刚性系统，系统中的各构件之问没有相对运动， 此时主要是分析在各种力的作用下，各构件的受力和强度问题；二是机械系统的 运动学分析，主要涉及系统及其各构件的运动分析j 而与引起运动的力无关，运 动学分析中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置与时间的关系是规定好的， 其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置、速度和加速 度的非线性方程组来确定；三是机械系统的动力学分析，主要涉及由外力作用引 起的系统运动分析，有两种情况，一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡 位置，在外力作用下系统的运动与运动学关系式相一致，这些关系是通过连接系 统构件的运动副施加给系统。可以运用动力学方程或微分方程与代数方程的组合 浙江工业大学硕士学位论文 求解，确定系统的运动，另一种情况是运动学分析和动力学分析的混合形式。 在汽车开发的过程中，虚拟样机技术是重要的手段，它是实现汽车从概念设 计到产品验证的强有力的工具。虚拟样机技术在汽车产品开发过程中的作用集中 体现在三方面：极大地缩短了产品的研制周期，在建模和分析过程中采用实体造 型和参数化，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得 到大幅度的缩短；减少了开发费用。相对于台架试验而言，利用虚拟样机技术分 析各种性能所需要的费用大幅减少：有利于通过优化等手段开发出性能更为优越 的产品，比如通过优化结构参数减轻制动器重量；通过优化提高产品的操纵稳定 性等。当然，从实际应用的角度来说，汽车虚拟样机技术作用的发挥还依赖两个 重要前提。其一是对虚拟样机技术的熟练掌握，另一个是要提供最基本的实验数 据和相关数据库。 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的。虚拟样机技术已经广泛地应用到汽车制造业、工程机械、 航天航空业、国防工业以及通用机械制造业等领域。特别在汽车运动学、动力学、 安全性等方面的分析在2 0 世纪8 0 年代已经应用相当广泛。国外虚拟样机技术软 件的商品化过程早已完成，目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争， 比较有影响的产品包括美国机械动力学公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的 a d a m s ，比利时l m s 公司的d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k ，其中美国机 械动力学公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上。 2 2 虚拟样机软件 虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，三维造型技术 使虚拟模型技术中的机械系统描述问题变得简单。应用数学的分支数值算法，对 于虚拟样机技术的核心部分多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，及 时地提供了求解的有效的快速算法。一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可 以很方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，虚拟样机 的分析开发工具，其开放型的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业，进行特 殊虚拟样机分析的二次开发工具平台。如a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、 约束库和力库，用堆积木式的方法，建立三维机械系统参数化模型，并通过对其 浙江工业大学硕士学位论文 运动性能的仿真分析来研究虚拟样机的可供选择的设计方案。它将多体动力学的 建模方法与大位移、非线性分析求解功能结合，并提供与其它软件，如有限元分 析软件的集成模块扩展设计手段。 a d a m s 软件包括核心模块a d a m s v i e w ( 界面模块) 、a d a m s s o l v e r ( 求 解器) 和a d a m s p o s t p r o c c s s o r ( 后处理) 以及一些专业模块如a d a m s c a r ( 汽 车模块) 、a d a m s e n g i n e ( 发动机模块) 、a d a m s r a i l ( 铁道模块) 和 a d a m s a i r c r a r ( 飞机模块) ；嵌入模块如a d a m s v i b r a 6 0 n ( 振动模块) 、 a d a m s h y d r a u l i c ( 液压模块) 、a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 和a d a m s a u t o f l e x ( 柔性 体模块) 等。a d a m s v i e w 图形界面的交互式设计环境，提供丰富的零件图形库、 约束库、力库，包括建模和机构设计、分析等。a d a m s v i e w 提供了一个直接面 向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模 和各种建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动 连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接 口等。 a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的准 备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模 块的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回a d a m s v i e w 操作界面。因此，一般用户可以将a d a m s s o l v e r 的操作视为一个“黑匣子”，只 需熟悉a d a m s v i e w 的操作，即可完成建模和整个分析过程。 a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块 a d a m s p o s & r o c 翘s o r 来完成。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块具有相当强的后处理功 能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结 果曲线以外，a d a m s p o s t p r o e e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计 算；可以输入实验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较；可以进行分析结 果曲线图的各种编辑。 a d a m s 分析功能如下： 1 ) 可有效地分析三维机构的运动与力。 2 ) 利用a d a m s 可模拟大位移的系统。 3 ) 可分析运动学静定( 对于非完整的约束或速度约束一般情况的零自由度) 系统。 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 4 ) 对于一个或多自由度机构，a d a m s 可完成某一时间上的静力学分析或某 一时间间隔内的静力学分析。 5 ) 有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。 6 ) 利用a d a m s v i 部v 提供的控制工具箱或a d a m s c o n t r o l 与m a t l a b 一 起可以方便地进行机电一体化系统仿真。 s i m p a c k 是机械机电系统运动学动力学仿真分析的多体动力学软件。利用 s i m p a c k 软件，工程师可以像构筑c a d 模型一样，快速建立机械系统和机电系统的 的动力学模型，包含关节、约束、各种外力或相互作用力，并自动形成其动力学 方程，然后利用各种求解方式，如时域积分，得到系统的动态特性，或频域分析， 得到系统的固有模态及频率以及快速预测复杂机械系统整机的运动学动力学性 能和系统中各零部件所受载荷。 由于s i m p a c k 软件强大的运动学动力学分析功能，可建立任意复杂机械或机 电系统的虚拟样机模型，包括从简单的少数自由度系统到高度复杂的机械、机电 系统( 如链条、列车等) 。对用户来说，s i m p a c k 软件可以被应用到产品设计、开 发、优化的任何阶段。力学方程求解有三项重要指标，分别为速度、精度和稳定 性。由于采用了最新的数学力学方法，s i m p a c k 软件在计算速度极其优异的同时， 仍保持了很高的计算精度和稳定性，这是其它同类产品所不具备的。 2 3 多刚体系统动力学 2 3 1 多刚体系统的坐标系 a d a m s 中定义了三种坐标系： ( 1 ) 地面坐标系( g r o u n dc o o r d i n a t es y s t e m ) 地面坐标系是系统的绝对坐标系，a d a m s 中所有刚体( 部件) 都相对于地面坐 标确定其位置和方向。 ( 2 ) 局部参考坐标系( l o c a lp a r tr e f e r e n c ：ef r a m e ，l o r d 每个部件有一个局部参考坐标系，其位置和方向相对于地面坐标系定义，这 个坐标系固定在构件上随部件运动。 ( 3 ) 标记坐标系( ( m a r k e r ) 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 标记坐标系是为了简化建模和分析在构件上设立的辅助坐标系，有两种类型 的标记坐标系：固定标记和浮动标记。 固定标记固定在构件上，并随构件运动。可以通过固定标记在局部参考坐标 系的位置和方向，确定固定标记坐标的位置和方向。固定标记可以用来定义部件 的形状、质心位置、作用力和反作用力的作用点、部件之间的连接位置等。 浮动标记相对于部件运动，一些力和约束在a d a m s 中用浮动标记来确定其 作用力，力和约束自动标明浮动标记的位置和方向。浮动标记相对于部件运动， 一些力和约束在a d a m s 中用浮动标记来确定其作用力，力和约束自动标明浮动 标记的位置和方向。 a d a m s 描述一个刚体的位形采用了6 个笛卡尔广义坐标。设多刚体系统由n 个刚体b i ( i = l ，n ) 组成，其中地球为全局惯性参考系。每个刚体有一个局部坐 标系l p r f 。为确定系统内每个刚体相对于全局惯性参考系的位形，利用其质心的 三个直角坐标( x ，y ，z ) 确