汽车鼓式制动器有限元结构分析

摘　　要

　　　随着中国经济的高速发展，汽车已经进入普通家庭，人们对汽车在安全性、舒适性方面的要求已迅速向国际水平靠拢。汽车的噪声问题，特别是制动器噪声问题，不但影响驾驶的舒适性，损害汽车零部件，甚至导致灾难。而且严重影响人们的生活环境。可见，寻找制动噪音的根源，设计一种制动噪音低的鼓式制动器，无论是从降低噪音污染、满足顾客要求、提高鼓式制动器的产品开发进度还是提高汽车整车的销售水平来说都是非常有意义的。

　　　本文通过对国内外制动器噪声研究现状的综述，了解了制动器噪声研究的方法、主要成果及存在问题。为了进一步了解鼓式制动器噪声发生的机理，利用ANSYS软件分别建立了制动蹄、制动鼓和摩擦衬片的三维有限元模型，并且对有限元模型进行模态分析，通过分析结果，确认重点研究的范围。在模态分析和模态振型的基础上提出了修改制动蹄和制动鼓的结构参数、材料参数以及在模型上添加质量块或加强筋的方法以错开各零部件的固有频率范围降低振动噪声。

　　　在制动期间产生的热量约有95%为制动鼓吸收，使制动鼓温度升高。而制动鼓温度过高，将引起热应力增加，同时会使制动力矩减小，使制动效能迅速下降，甚至使制动鼓产生热变形，这将直接影响制动器的性能和寿命。因此本文对制动鼓分别进行了热分析、结构分析和热-结构耦合分析。通过分析结果的比较，说明温度载荷对制动鼓的强度和刚度均有很大影响；同时，在机械载荷和热载荷共同作用下，两种模型的最大应力均未超过材料的许用值，满足制动鼓的强度要求。

关键词：鼓式制动器；噪声振动；有限元；静力分析；模态分析；耦合分析

ABSTRACT

　　　Along with the Chinese economy high speed development, the automobile already entered the ordinary family, meanwhile, customer's expectation on safety and comfort are rapidly catching the world class level. Noise of Automobile question, especially brake noise question, not only influence driving comfortableness, harms the automobile spare part, even causes the disaster. Moreover serious influence people's living conditions. So, finding the root of brake noise and designing a kind of low-noise drum brake assembly, whether from reducing noise pollution, making customers satisfied and improving product development of drum brake assembly or raising the sales level of automobile plants are very meaningful.

　　　A summery of previous study on brake noise is presented to focusing on brake noise research methodology and major achievements. To further understand the mechanism of drum brake noise, the 3D model of brake shoe, brake drum and friction lining are established and meshed and then the finite element models of brake parts are established. By modal analysis of finite element model finding and confirming scope of researching.Proposed in the modal analysis and in the modality mode of vibration's foundation the revision brake shoe and brake drum's design parameter, the material parameter as well as increase the quality block or stiffener's method on the model stagger various spare parts the natural frequency scope to reduce the drumming noise.

　　　During the brake, produces the quantity of heat approximately is the brake drum absorbed about 95%, making brake drum temperature escalate. But the brake drum hyperpyrexia, will cause the thermal load to increase, simultaneously will cause the braking moment to reduce, will make the brake potency to drop rapidly, will cause the brake drum to have the thermal deformation, this immediate influence performance and life of brake. Therefore this article has carried on the thermal analysis, the structure analysis and the hot - structure coupling analysis separately to the brake drum. Through the analysis result of comparison, showed that the temperature load has the very tremendous influence to brake intensity and the rigidity of drum; At the same time, in the mechanical load and under the hot load combined action, two kind of model biggest stresses have not surpassed ultimate strength of the material, satisfied intensity of brake drum request.

Key words: Brake Drum；Vibration and Noise；Finite Element；Static Analysis；Modal Analysis；Coupling Analysis

目　　录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 有限元分析方法的发展与研究状况 2

1.2.1 有限元法概述 2

1.2.2 有限单元法在机械与汽车结构分析中的应用 3

1.2.3 有限元法的优点 3

1.3 汽车制动噪声的研究现状和发展趋势 4

1.4 课题研究的主要内容及技术路线 5

第2章 结构有限元基本理论与ANSYS软件概述 7

2.1 有限元法的基本思想及步骤 7

2.2 模态分析的理论基础 9

2.2.1 模态分析概述 9

2.2.2 模态分析的基本理论 11

2.2.3 模态分析基本步骤 13

2.3 热-结构耦合分析的理论基础 13

2.3.1 热-结构耦合分析概述 13

2.3.2 热分析的基本理论 13

2.3.3 热稳态分析 14

2.3.4 耦合分析 14

2.4 有限元分析软件ANSYS概述 15

2.4.1 ANSYS软件的主要功能 16

2.4.2 ANSYS分析步骤 17

2.5 本章小结 18

第3章 制动器有限元模型的建立 19

3.1 力学模型 19

3.3 实体模型 20

3.3.1 实体建模的优点和方法 20

3.3.2 实体模型的建立 20

3.3 制动器有限元模型的建立 22

3.3.1 单元的选取及材料参数的确定 22

3.3.2 模型的网格划分 23

3.4 本章小结 25

第4章 鼓式制动器的静态特性分析 26

4.1 制动器的受力分析 26

4.2 制动鼓的静态特性分析 29

4.2.1 制动鼓的边界条件与载荷的施加 29

4.2.2 制动鼓的静力学计算结果及分析 29

4.3 制动蹄的静态特性分析 30

4.3.1 制动蹄的边界条件与载荷的施加 30

4.3.2 制动鼓的静力学计算结果及分析 31

4.4 本章小结 32

第5章 制动器的振动模态特性分析 33

5.1 制动鼓振动特性分析 33

5.2 摩擦衬片振动特性分析 38

5.3 制动蹄振动特性分析 43

5.4 本章小结 49

第6章 制动鼓的热-结构耦合分析 50

6.1 鼓式制动器生热与散热过程 50

6.2 单元类型选择与边界条件的处理 51

6.2.1 单元类型选择 51

6.2.2 边界条件的处理 51

6.3 计算结果分析 52

6.3.1 制动鼓的热分析 52

6.3.2 制动鼓的结构分析 53

6.3.3 制动鼓的耦合分析 53

6.4 本章小结 55

结论 56

参考文献 58

致谢 60

第1章 绪  论

1.1 课题研究的目的和意义

　　　在当前工程技术领域中，有越来越多的复杂的结构，包括其复杂的几何形状、复杂的载荷作用、复杂支承约束等，需要分析研究。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析时，往往能够很方便地写出其基本方程和边界条件，但却不能求出解析解。这是因为大量的工程实际问题是非常复杂的，有些物体的几何形状随意性太大，甚至不能用简单的数学表达式表达出来，所以更谈不上求解析解了。对于这类工程问题，通常有两种分析和研究途径：一是对复杂的问题进行简化，提出种种假设，回避一些难点，最终简化为能够处理的问题。这种方法由于太多的假设和简化，将导致不准确乃至不正确的答案；二是尽可能保留问题的各种实际工况，寻求近似的数值解，也可以满足工程的需要。在众多的近似分析方法中，有限单元法是运用最为成功、最为广泛的方法。有限元法首先应用离散的思想，将弹性连续体划分为有限个单元组成的集合体，通过单元分析和组合，得到一组联立方程组，最后求得数值解[1]。

　　　自20世纪50年代有限元法问世以来，经过不断的充实与完善，在主要的工业国中，有限元法已广泛应用于汽车设计与分析中。若使用有限元法在计算机上建立模型，可极其准确地模拟汽车各部分的受力和变形情况，从而可在计算机上得到整车或零部件的有关力学特性，并对其进行判断。而且直接对不符合设计要求的部分有限元模型进行修改和对照，可大大减少所需研发时间，得到的方案对汽车的再设计具有有力的指导意义。

汽车的设计过程比较复杂，涉及到工程材料、生产工艺、结构力学等众多学科。其中还包括标准零件的正确选择，在汽车的结构分析中，有限元法由于能够解决结构形状和边界条件都非常任意的力学问题的优点而被广泛使用，各种汽车结构件都可以用有限元法进行静态分析、固有特性分析和动态分析。在进行静力学分析时，通过有限元分析，可看到构件在各个载