干摩擦诱发制动器粘滑与纯滑移非线性振动研究

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汽车在制动过程中,制动器系统有可能产生由干摩擦诱发的自激振动。干摩擦是导致制动器产生自激振动的主要因素之一,摩擦特性、阻尼非线性、刚度非线性、几何非线性等诸多非线性因素单独或同时作用时也可以补充或消耗系统能量,影响制动器系统产生摩擦自激振动。由此可能使系统产生强非线性振动和噪声,从而降低制动稳定性与可靠性,更有甚者造成灾难性事故。因此研究非线性因素对制动器的自激振动机理与振动特性的影响是十分有必要的。论文围绕制动器自激振动机理展开研究,主要内容如下:(1)建立了具有Stribeck摩擦特性的单自由度制动器动力学模型,分析了制动盘不同切向速度作用时系统出现的粘滑振动、纯滑移振动等自激振动现象。对该动力学模型分别采取同伦摄动法和小参数法,得到纯滑移振动和粘滑振动的位移、幅值和频率的一阶近似解析解,以及粘滑振动与纯滑移振动转化的临界制动盘切向速度速度的近似解析表达式。根据模型的振动方程,发现系统产生自激振动的根源是干摩擦力随制动盘和摩擦块之间的相对速度变化而产生的负阻尼。(2)在具有Stribeck摩擦特性的动力学模型基础上,建立了同时考虑非线性粘性阻尼、非线性刚度的单自由度制动器动力学模型。首先分别通过同伦摄动法和小参数法等解析方法进行分析,得到纯滑移振动和粘滑振动的位移、幅值和频率的近似解析解,之后分析了非线性粘性阻尼、非线性刚度等系统参数对其粘滑振动和纯滑移振动的振动特性以及转换机制的影响。通过分析模型的振动方程,发现非线性粘性阻尼、非线性刚度不会产生负阻尼,因此系统产生自激振动的根源还是干摩擦力与盘和块间的相对速度的变化往系统引入的负阻尼。(3)引入几何非线性,建立考虑几何非线性、非线性粘性阻尼和Stribeck摩擦特性的单自由度制动器动力学模型。首先通过小参数法和多尺度同伦摄动法对模型进行分析得到粘滑和纯滑移振动的位移、幅值和频率的解析表达式,之后分析了几何非线性、非线性粘性阻尼等非线性因素对模型的粘滑和纯滑移振动的转换机制以及振动特性的影响。模型的振动方程表明几何非线性会引起弹性恢复力产生变化,而弹性恢复力的变化会引起干摩擦力的变化,两者产生的耦合项导致负阻尼出现,诱发系统出现自激振动。(4)建立了同时具有Stribeck摩擦特性、几何非线性、非线性粘性阻尼和刚度的单自由度系统动力学模型。运用数值积分方法分析这四种非线性因素对系统自激振动的发生机理和振动特性的影响。根据分析结果发现几何非线性会造成非线性弹性恢复力与干摩擦力产生耦合,导致系统出现负阻尼,引起系统出现自激振动。
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