一种考虑温度影响的制动噪声预测方法与流程

技术特征：
1.一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1、建立盘式制动器自由模态分析有限元模型：首先，建立盘式制动器关键零部件的三维模型，然后使用有限元软件对建立的制动器简化模型进行网格划分并设置材料参数，对制动盘和制动块分别进行自由模态分析，获取制动盘和制动块的固有模态频率；步骤s2、进行自由约束条件下的模态试验：对制动器的关键零部件，制动盘和制动块进行自由模态试验，获得其固有模态频率，并与仿真获得的模态结果进行对比，设定两者误差小于5％时该有限元模型有效，否则返回步骤s1对制动器自由模态分析有限元模型进行材料属性参数修改以满足要求；步骤s3、建立盘式制动器复模态分析有限元模型：基于步骤s1建立的制动器自由模态有限元模型，使用有限元软件设置各零部件之间的约束关系以及边界条件，并对制动过程运行参数进行设置，通过复特征值分析获得制动噪声的模态频率和不稳定趋势；步骤s4、进行制动噪声试验分析：采用噪声试验台架进行噪声试验，保留频率在1～16khz以内且声压级在70db及以上的制动尖叫噪声数据，将试验数据与仿真结果进行比较，设定仿真获得的噪声不稳定频率与试验测得的噪声发生频率的吻合度达到75％以上时认为该有限元模型能够有效预测制动噪声，否则，对步骤s3建立的复模态分析有限元模型进行修正；步骤s5、分析温度对制动盘与摩擦衬片之间接触刚度以及摩擦系数的影响：将温度对接触耦合刚度的影响转化为温度与材料性能的关系，将温度与制动盘抗拉强度的关系转化为温度对摩擦系数的影响；步骤s6、对制动器复模态分析模型进行修正：用温度与弹性模量和摩擦系数之间的关系式计算摩擦副不同温度下的弹性模量和摩擦系数，并将其代入到制动器复模态有限元模型中对模型进行修正，获得与温度相关的制动器复模态分析模型；步骤s7、分析不同频率制动噪声在不同温度下的噪声倾向：使用修正后的制动器复模态分析有限元模型进行复模态分析，获得对应温度下的复特征值，对同一频段的制动噪声不稳定趋势数据进行整理获得该频率的制动噪声随温度变化的结果曲线，分析不同频率的制动噪声在不同温度下的变化情况。2.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s1中建立的制动器有限元模型的部件包括通风制动盘、活塞、制动钳指、内外侧摩擦衬片以及制动块背板，网格划分采用六面体网格。3.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤3中模型部件间的接触关系确定为制动盘与内外侧摩擦衬片的摩擦接触、内外侧摩擦衬片与制动块背板间的绑定接触、内侧制动块背板与活塞的弹性接触、外侧制动块背板与制动钳指的弹性接触。4.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s3中的边界条件设置包括对活塞和卡钳表面施加均匀分布的制动压力和对制动盘帽部内径端面施加绕z轴的旋转位移，以及仅允许制动盘绕轴线的转动而约束其它自由度和仅允许其它部件平行于制动盘轴线z轴的移动而约束其它自由度的约束条件设置。5.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s2的具体实现方法包括：
激励装置使用力锤，使得被试部件在选定的频率范围内产生振动，通过响应和激励力的互功率谱与激励力的自功率谱之比确定被试部件的频率响应函数；对于制动盘，以工作面为xy平面、过圆心垂直于工作面方向为z轴正方向建立坐标系；被测制动盘采用橡胶绳悬吊安装，在制动盘盘面上沿一同心圆均匀布置16个测点，传感器安装在制动盘面的指定位置，用力锤在各测点垂直于盘面依次激励，在外侧圆上的第2个测点上拾振，每个测点用力锤敲击3次，通过数据采集系统获取频率响应信号并取平均值；对于制动块，同样以工作面为xy面、过圆心垂直于工作面方向为z轴正方向建立坐标系，采用与制动盘同样的橡胶绳悬吊方式安装，在其背板表面周向方向上均匀设置4个测点，每个测点用力锤敲击3次，通过数据采集系统获取频率响应信号并取平均值；然后，根据fft原理，对制动盘和制动块的频率和模态振型等模态参数在等间隔的数据之间作精确数值计算，即进行传递函数曲线的拟合，拟合时首先由低频到高频确定其模态阶数；模态分析和处理采用lms test.lab软件，根据有限元分析结果，选择频率在16000hz内进行模态定阶，获得制动盘与制动块的固有模态频率，将其与仿真结果进行对比，将两者误差控制在5％以内，否则返回步骤s1对有限元模型的各个部件的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等参数不断进行修正，使仿真结果控制在误差以内。6.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s3中，各零部件之间的约束关系具体包括：制动盘与内外侧摩擦衬片的摩擦接触、内外侧摩擦衬片与制动块背板间的绑定接触、内侧制动块背板与活塞的弹性接触、外侧制动块背板与制动钳指的弹性接触；所述边界条件包括：在活塞和卡钳表面添加均匀分布的制动力、对制动盘帽部内径端面施加绕z轴的旋转位移以及限制各部件的其它自由度仅保留沿z轴的移动自由度。7.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s4的具体实现方法包括：采用link 3900试验台进行噪声试验，通过在制动盘表面打孔植入热电偶来监测并将制动温度的范围控制在低于400℃的合理范围内，将热电偶至于离制动盘外表面深度为0.5mm
±
0.1mm处；麦克风的安装位置在距离制动盘水平方向10cm和垂直方向50cm距离处进行噪声采集，通过频率分析仪和数字数据收集系统来进行声音测量；选定本次制动噪声测试试验为减速制动工况，初始制动车速为50km/h，最终车速为0.5km/h，制动器初始温度为50℃，制动压力为25bar，循环制动108次；制动器总成的制动尖叫噪声频率在1～16khz以内且声压级在70db及以上，提取该频段的制动噪声数据；然后将试验数据与仿真结果进行比较，若仿真获得的制动噪声不稳定频率与试验测得的噪声发生频率的吻合度达到75％以上时认为该有限元模型能够有效预测制动噪声，否则，返回步骤s3对复模态分析有限元模型进行修正。8.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s5中，将温度对接触耦合刚度的影响转化为温度与材料性能的关系的分析方法包括如下：针对制动过程中材料的微观性能难以测量，使用弹性模量这一宏观参数来表征材料的微观性能，弹性模量受材料的化学性质和温度的影响；具体的：建立刚度与弹性模量的关系表达式为：
其中，上式中，k为刚度，n/m；e为弹性模量，pa；a为接触面积，m2；h为制动盘的厚度，m；φ为制动盘的圆心角，rad；r
i
(i＝1，2)分别为摩擦片的内径和外经，m；弹性模量与温度的关系可以表示为：e＝e0(1
‑
25αt)λ其中，λ是由材料的自然属性决定的函数：上式中，c为与材料微观物理结构有关的常数，由应变速率、滑移面取向因子、burgers矢量、晶体内声速、helmholtz自由能等决定，对于低碳钢来说，c＝79.853；δf为位错翻越障碍所需能量；κ为玻耳兹曼常量；α为热膨胀系数；e0是材料在零度温度下的弹性模量；e为指数；t为温度。9.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s5中，将将温度与制动盘抗拉强度的关系转化为温度对摩擦系数的影响的分析方法包括如下：首先建立改进的摩擦系数的表达式如下：其中，上式中，ε
i
(i＝1，2)是影响摩擦系数的无量纲函数；ρ是材料密度；p是法向应力；σ0是抗拉强度；ν是泊松比；μ0，μ1，μ2，b，c为常数。从上式可以看出摩擦系数是与弹性模量和抗拉强度相关的函数，考虑温度与弹性模量和抗拉强度的关系可以获得温度与摩擦系数的关系；由于结构钢的抗拉强度在温度低于300℃时基本不变，考虑到制动盘的实际材料性能，制动盘的抗拉强度与温度的关系可以用多项式拟合为：式中，β0，β1，β2，β3，β4，β5为常数，可根据结构钢在0～500℃温度范围内抗拉强度与温度的对应数值进行拟合确定；将上述公式均代入改进的摩擦系数表达式中，可以得到摩擦系数与温度的关系：
根据上式可获得不同温度下对应的摩擦系数值μ(t)。10.根据权利要求1所述的一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s6中，计算摩擦副不同温度下的弹性模量和摩擦系数，并代入到制动器复模态有限元模型中对模型进行修正，此过程包括如下：分别计算摩擦副的摩擦系数和弹性模量在50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃温度下的对应值，然后将摩擦系数和弹性模量与温度一一对应的取值输入到步骤s3建立的制动器复模态分析有限元模型中，所得有限元模型在仿真过程中其摩擦系数和弹性模量在不同温度下为相应的取值。

技术总结
本发明公开了一种考虑温度影响的制动噪声预测方法，包括以下步骤：建立盘式制动器自由模态有限元模型；进行自由约束条件下的模态试验；建立盘式制动器复模态有限元模型；进行制动噪声台架试验；分析温度对制动盘与摩擦衬片之间接触刚度以及摩擦系数的影响；对制动器复模态分析模型进行修正；使用盘式制动器有限元模型仿真计算实际制动过程的有效温度范围；分析同一频段制动噪声在不同温度下的噪声倾向。与现有技术相比,本发明有助于分析某一频段制动噪声在不同温度范围内的具体特征，提高制动噪声的预测精度，使人们更加全面的认识制动噪声，并可为研究人员采取措施降低制动噪声提供指导思想。提供指导思想。提供指导思想。


技术研发人员：潘公宇 冯雅琪 刘志康 张宇佳 徐申
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2021.08.13
技术公布日：2021/12/7