李華雷， 王文龍

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

制動(dòng)盤罩殼失效分析

李華雷1，2， 王文龍1，2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

將有限元分析、振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，找出罩殼失效的根本原因，利用有限元模態(tài)分析驗(yàn)證優(yōu)化模型的可行性，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

制動(dòng)盤罩殼；振動(dòng)測(cè)試；模態(tài)分析

0 引言

作為汽車的重要系統(tǒng)之一，汽車制動(dòng)系統(tǒng)的好壞直接影響著車輛的使用及人員的安全。制動(dòng)盤罩殼不僅要起到防護(hù)制動(dòng)盤的作用，而且其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直接影響著制動(dòng)盤的散熱效果。目前，制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的好壞主要是用計(jì)算機(jī)仿真及處理技術(shù)提前預(yù)測(cè)、仿真，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。作者針對(duì)某車型試車前制動(dòng)器罩殼開裂問題(見圖 1)，借助于計(jì)算機(jī)處理技術(shù)對(duì)失效進(jìn)行分析。

圖1 失效罩殼圖

1 模態(tài)分析

1.1 有限元模態(tài)分析

使用有限元處理軟件 HyperMesh 建立制動(dòng)器罩殼有限元模型，使用ABAQUS軟件進(jìn)行分析[1-2]。建立罩殼有限元分析模型，約束罩殼實(shí)際安裝面的6個(gè)自由度，進(jìn)行約束模態(tài)分析，提取前10階模態(tài)頻率。制動(dòng)器罩殼材質(zhì)為常用的 Q195，其材料屬性如表 1 所示。制動(dòng)器罩殼的CAE分析結(jié)果見表2所示。

表1 制動(dòng)器罩殼的材料Q195屬性

表2 制動(dòng)器罩殼有限元模型及分析結(jié)果

1.2 錘擊法模態(tài)測(cè)試

通過對(duì)罩殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，采用單點(diǎn)激勵(lì)法對(duì)罩殼進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。這種方法在測(cè)試時(shí)激勵(lì)點(diǎn)是固定的，移動(dòng)的是傳感器。為了提高測(cè)試效率，采用多個(gè)加速度傳感器的模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，多個(gè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

借助于LMS公司的測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)分析軟件，完成對(duì)構(gòu)件的模態(tài)參數(shù)識(shí)別。測(cè)試數(shù)據(jù)的幅頻函數(shù)(FRF)曲線如圖2所示，通過觀察曲線幅值的變化情況、譜峰所在位置的高低，可以很清楚地區(qū)分出前3階固有頻率，分別為68、88和139 Hz。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表3所示。

圖2 總體幅頻曲線圖

模態(tài)仿真結(jié)果/Hz測(cè)試結(jié)果/Hz1階75682階93883階147139

1.3 整車振動(dòng)測(cè)試

為了驗(yàn)證整車實(shí)際運(yùn)行過程中，制動(dòng)罩殼所承受振動(dòng)信號(hào)的特性，選擇靜止怠速(670～4 000 r/min)、4g急加速、帶擋滑行與熄火滑行3種工況進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。結(jié)合Ncode軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出加速度信號(hào)的振動(dòng)時(shí)間-頻率譜圖，具體結(jié)果如圖3所示。在各圖中，橫坐標(biāo)為頻率，左側(cè)縱坐標(biāo)為時(shí)間，右側(cè)縱坐標(biāo)為加速度信號(hào)振動(dòng)的幅值，根據(jù)顏色的亮度可以得出1階模態(tài)和2階模態(tài)的頻率分別為66和90 Hz。

圖3 整車測(cè)試結(jié)果圖

綜合考慮制動(dòng)盤罩殼有限元模態(tài)分析、錘擊法模態(tài)測(cè)試及整車振動(dòng)測(cè)試的結(jié)果，可以得出開裂主要是由于罩殼在整車運(yùn)行過程中存在共振，加速了其本身的破壞。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)合有限元拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化分析理論[3]，針對(duì)罩殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出3種不同方案，分別是填充孔、結(jié)構(gòu)翻邊及增加板厚。通過對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出各結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)分析結(jié)果，如表4所示。從成本節(jié)約和制動(dòng)盤散熱的優(yōu)劣考慮，加之3種結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，確定方案二為最優(yōu)結(jié)果。

表4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試結(jié)果

3 小結(jié)

將有限元分析、振動(dòng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合，通過振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集及處理與有限元對(duì)比，找出罩殼失效的根本原因，利用有限元仿真分析驗(yàn)證優(yōu)化模型的可行性，也彰顯結(jié)構(gòu)優(yōu)化的準(zhǔn)確性和實(shí)用價(jià)值，為后續(xù)殼體類零部件失效提供了一種新的分析方法。

【1】Altair Engineering Inc.HyperWorks User’s Guide[M],2011.

【2】傅志方.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2000.

【3】朱才朝，徐向陽(yáng)，王海霞,等．大功率船用齒輪箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31(11)：1221-1225. ZHU C C,XU X Y,WANG H X,et al.Structural Optimization of High-power Marine Gearbox[J].Journal of Chongqing University,2008，31(11)：1221-1225.

Failure Analysis for Brake Disc Cover

LI Hualei1,2, WANG Wenlong1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineer Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

The finite element analysis, vibration testing and data processing technology were combined to find out the root cause of the casing failure of the brake disc cover. Finite element modal analysis was used to verify the feasibility of the optimization model. The research provides reference for product structure optimization.

Brake disc cover; Vibration test; Modal analysis

2016-09-03

李華雷(1987—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、載荷譜數(shù)據(jù)采集及零部件疲勞分析。E-mail:18047153042@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.012

U463.51

A

1674-1986(2017)01-047-03