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用虚拟样机技术分析鼓式制动器的振动 宁晓斌， 张文明， 王国彪 （北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 “ “ “ ） 摘要建立鼓式制动器三维非线性动力学模型， 采用虚拟样机技术分析制动鼓和制动蹄在不同工作状态时的振动情况。 制动时制动鼓角速度呈阶梯状减小， 角加速度呈振荡变化。制动蹄无论高速紧急制动还是低速行车制动， 角速度和角加速度都呈 振荡变化。摩擦因数值取 “ 时， 制动鼓和制动蹄角加速度变化幅值， 均大于摩擦因数取 “ 时的幅值。选择鼓式制动器摩擦 片， 摩擦因数既要满足制动性能， 也要考虑制动稳定性。 关键词矿山机械工程； 制动器； 虚拟样机； 振动 中图分类号 8 7 8 9） 是利用软件建立机械系统三维实体模型和力学模 型， 分析和评估系统性能， 为物理样机设计、 制造和 研究提供参数依据的技术。 虚拟样机类似于产品设计生产中的 “物理样 机” ， 在研制和试验机械产品时， 首先建立一个在结 构上全功能的物理设备， 检验各部件的设计性能以 及部件间的相容性， 通过物理样机测试， 对设计方案 进行修改和确定。而虚拟样机基于仿真设计， 建立 在计算机上的系统或子系统模型， 在一定程度上具 有与物理样机相似的功能真实度。虚拟样机用精确 逼真的数字模型 （包括几何外形、 传动和连接关系、 物理特性、 动力学和运动学特性等） 表示物理样机的 各个部分以及整个原型样机。由于虚拟样机比物理 样机更易于产生和显示， 可以方便地反复修改， 直至 达到满意的设计性能指标， 有效地节省了研制资金 并缩短研制周期。 虚拟样机建立在多体动力学理论基础之上。所 谓多体系统， 是指系统中有若干个物体， 通过一系列 的几何约束联结起来， 完成预期动作的一个整体。 如果将系统中每个物体都看作是不变形的刚体， 则 该系统称为多刚体系统， 若系统中有一些物体必须 考虑其变形， 则称之为多柔体系统。 虚拟样机技术与三维计算机图形发展是分不开 的， 利用三维造型技术可更容易地描述虚拟样机技 术中的机械系统， 快速修改机械系统设计， 在计算机 上反复设计0试验0设计过程。 制动器虚拟样机模型 非公路汽车用于矿山、 水利等大型工程， 虽然行 驶速度低， 但道路坡多、 转弯多， 且连续作业， 所以制 动器使用频繁， 容易造成摩擦衬片过度磨损或破坏， 甚至影响安全生产， 降低出车率。 制动器的接触耦合和外部激振， 诱发并形成不 连续的相对摩擦运动， 从稳定滑行运动进入周期性 运动， 形成自激振动， 造成接触表面破坏， 使接触表 面过度磨损， 零件老化失效， 形成振动噪声。研究摩 擦引起的振动， 是为了研究制动器的稳定性和噪声 分析。为描述制动器产生振动的机理， 建立非线性 接触力和摩擦力模型是必要的。对于制动器来说， 实体之间的接触力是非线性的， 接触力与材料的机 械特性、 接触表面状态、 接触表面几何形状等有关。 实体之间摩擦力也是非线性的， 摩擦因数随相对滑 动速度变化， 随接触面的变形， 摩擦力在制动时方向 也在变化， 摩擦力特征是曲线发散和颤动。 滑动表面复杂的接触机理， 导致制动器模型高 度非线性， 模型最重要的参数是法向压力、 相对滑动 速度。压力变化率过大引起的摩擦力起伏产生的自 激能量， 是制动器振动主要原因， 法向压力采用非线 性弹性0阻尼力表示。 “ （ ’ ’ ’ 结论 以三维实体建模、 动力学仿真和有限元为主线 的虚拟样机技术， 能有效分析和解决制动器的复杂 空间动力学问题， 对物理样机工作状态做出评价。 对制动性能的评价， 仅有制动器虚拟样机是不够的， 还应建立包括制动器在内的整车虚拟样机， 分析悬 架、 转向等对制动参数的影响以及更多工作状态下 制动器的性能。 参考文献 ［ 5 , * - “ , / , / . 1 4 / . 1 - 3 5 6 A 7 0 / 1 5 , / , 3 , 1 / 7 . 1 5 6 / - 1 5 9 5 1 A 2 3 4 7 0 / 8 2［B］ “B 2 1 0 5 1，C D E / , 2 D 1 / 1 2C , A 2 0 F 1 ，］I B Q “ B I DR , . , 2B 5 4 - 9 2 , 1 / 1 5 ,［］ ， ’ ’ 4， ’ 9 . . ’ 4 ’ 0 A . B 0，A . B 0 “ “ “ ，2 ; ’ 9 71 , , 91 ’ 2 , . 4 7 - . * 4 * 4 0 , 9； ; , 5 . - 4 , * （上接第 A页 F * 4 , 7 ’ / 3 . * 1 G A） 7 0 / ’ ’ 0 9 - . 7 “ 8 8 1 8 . ’ E . 8 ’ 1 A “ “ “，I ’ 4 ’ 0 A . B 0，A . B 0 “ “ “ ，2 ; ’ . 0 , 4 ’ 8 4 , 9 - 4 ’ / - / 4 ’ * 2 , 4 0 4 ’ 8 4 , 9- / H I J 7 1 ’ . , 2 - - - 0 8 , 8，- / 4 * . K * , 4 8 ’ 4 8，/ * 1 , - 4 8 7 * . 4 , 9 , - . 8 - / 2 . , 4 , 2 - 3 - , E 7 . ’7 4 . - 8 * , 2; ’ * 2 , 4 0* 3 , - . 8 , . ’ 2 * ; ’ . 0- . ’ - 8 - . ’/ ’ 4 ’ . 1 , ’ / ’ . 0 ; 9 71 , , 9 ’ 9 , ’ ’ . , 9；. ’ 2 * ; ’ . 0 * 3 . ’ 8 , / 7 - , - . 8；/ ’ 4 ’ 2 4 , * * 3 ’ 9 , ’ ’ . , 9 9 ’ * * 9 , 2 - 2 * / , 4 , * 8； 8 4 - 5 , , 4 0；8 4 . ’ 8 81 * , 4 * . , 9 ；7 4 . - 8 * , 2 ; ’ * 2 , 4 0 4 ’ 8 4 , 9 “ 有色金属第C C卷 万方数据