導(dǎo)讀
汽車制動(dòng)噪聲是影響車輛駕乘舒適性的重要因素,而制動(dòng)低頻顫鳴問題常常發(fā)在低速行駛的工況,由于環(huán)境背景噪聲較小,容易被市場(chǎng)用戶投訴與抱怨,因針對(duì)該問題的工程改善方案涉及較多控制因素及相關(guān)零部件,所以一直是汽車制動(dòng)舒適性開發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。以某SUV(Sport Utility Vehicle)車型蠕行顫鳴問題的測(cè)試排查分析過程為例,系統(tǒng)地闡述制動(dòng)顫鳴現(xiàn)象發(fā)生的原理,給出工程控制的措施,提出輪輞法蘭安裝面與車輪螺栓預(yù)緊方式是控制制動(dòng)低頻噪聲的關(guān)鍵因素之一,并通過制動(dòng)盤安裝連接方式的優(yōu)化,實(shí)車驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性,這對(duì)于提升制動(dòng)NVH(Noise Vibration Harshness)性能工程開發(fā)具有較重要的借鑒與指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞:聲學(xué);盤式制動(dòng)器;低頻顫鳴;NVH性能;蠕行;輪輞法蘭
作者:張 軍,吳良楨,許華政,屈亞堃,余 靖,薛生龍
單位:吉利汽車研究院(寧波)有限公司, 浙江 寧波
隨著中國乘用車市場(chǎng)的快速發(fā)展,市場(chǎng)用戶對(duì)汽車制動(dòng)的舒適性要求也越來越高,而汽車制動(dòng)噪聲問題作為車輛駕乘舒適性的重要因素,一直是汽車業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域。其中,制動(dòng)高頻噪聲和低頻制動(dòng)抖動(dòng)問題已經(jīng)在國內(nèi)外被較全面地研 究,而對(duì)于制動(dòng)低頻噪聲問題,通常是在低速輕制動(dòng)力工況下產(chǎn)生,頻率范圍在1000赫茲以下,這涉及到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)等部件,其影響因素與機(jī)理也較復(fù)雜,因此在汽車行業(yè)內(nèi)研究得較少。
Abdelhamid等 研究表明制動(dòng)副粘滑摩擦振動(dòng)是引起制動(dòng)顫振的關(guān)鍵;Dunlap 等 測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)制動(dòng)顫振發(fā)生時(shí),制動(dòng)鉗殼體及支撐處發(fā)生了扭曲變形;Donley等 通過多體動(dòng)力學(xué)仿真分析工具,建立麥弗遜前懸架的剛?cè)狁詈夏P?,提出轉(zhuǎn)向節(jié)和前支柱等都可能對(duì)制動(dòng)顫振有影響;常慶斌等 通過采用活塞偏心布置及加強(qiáng)卡鉗支架的方式,改善摩擦片偏磨導(dǎo)致的制動(dòng)低鳴噪聲問題,但是對(duì)制動(dòng)低頻噪聲問題的解決還沒有系統(tǒng)性工程措施與方案。
本文介紹了某盤式制動(dòng)器 SUV 車型的蠕行顫鳴問題排查與測(cè)試分析過程,系統(tǒng)地闡述了制動(dòng)低頻顫鳴產(chǎn)生原理和具體的工程措施方案,通過制動(dòng)盤安裝連接方式的優(yōu)化,實(shí)車驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性,這對(duì)于提升制動(dòng)系統(tǒng)NVH性能開發(fā)有著較重 要的工程指導(dǎo)意義。
01 蠕行低頻振動(dòng)噪聲的測(cè)試與分析
某配置單缸活塞前制動(dòng)器的2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)橫置前驅(qū) SUV 車型,在低速起步前進(jìn)或倒退時(shí),輕度制動(dòng)情況下,車內(nèi)/外都存在明顯的持續(xù)中低頻率“共鳴聲”,前輪近場(chǎng)位置的聲壓級(jí)超過80 dB(A),容易引起駕乘人員的抱怨。尤其是在低溫高濕環(huán)境下,制動(dòng)盤表面生成薄紅銹情況之后,該制動(dòng)噪聲更加明顯,發(fā)生機(jī)率顯著增加,但經(jīng)多次制動(dòng)工況,清除制動(dòng)盤表面銹蝕之后,該噪聲也隨之消除。此外,更換轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂、軸承、卡鉗和制動(dòng)盤等底盤制動(dòng)部件,制動(dòng)噪聲無明顯變化,而通過更換不同規(guī)格類型的輪輞總成,該制動(dòng)顫鳴聲現(xiàn)象有明顯變化。
根據(jù)此制動(dòng)噪聲現(xiàn)象發(fā)生在車速較低、制動(dòng)壓力較小和制動(dòng)盤溫度較低的條件下,以及中低頻率的噪聲特征,推測(cè)可能是典型的制動(dòng)蠕行顫振問題。由于制動(dòng)蠕行噪聲的機(jī)理比較復(fù)雜,影響因素也較多,因此該問題排查與工程解決的難度也較大。
經(jīng)主觀評(píng)價(jià),此蠕行制動(dòng)噪聲只發(fā)生在前制動(dòng)器附近,為了分析此制動(dòng)噪聲特征與潛在的傳遞路徑,分別在制動(dòng)盤表面、摩擦片、卡簧、卡鉗支架、輪輞、轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂等零部件上布置振動(dòng)加速度傳感器,并在輪胎總成附近布置麥克風(fēng),通過CAN總線采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息,進(jìn)行振動(dòng)與噪聲信號(hào)的同步采集,測(cè)試系統(tǒng)示意圖與坐標(biāo)系如圖1所示。
圖 1 整車測(cè)試的傳感器布置
其中,為了更加直接地監(jiān)測(cè)制動(dòng)盤振動(dòng)與蠕行噪聲的關(guān)聯(lián)性,在低速轉(zhuǎn)動(dòng)中的制動(dòng)盤外側(cè)表面上布置了法向的振動(dòng)傳感器,如圖1(b)所示。根據(jù)振動(dòng)與噪聲時(shí)頻域特征測(cè)試分析結(jié)果,如圖 2 所示。該制動(dòng)蠕行噪聲在時(shí)間域內(nèi)存在間歇性瞬態(tài)沖擊特征與噪聲演變過程,而在頻率域內(nèi)主要表現(xiàn)為86Hz倍頻的制動(dòng)顫振噪聲,以及 603 Hz 倍頻的制動(dòng)噪聲。經(jīng)對(duì)聲振數(shù)據(jù)的音頻回放及現(xiàn)場(chǎng)主觀評(píng)價(jià)識(shí)別,該車型蠕行工況下最嚴(yán)重或可能引起市場(chǎng)用戶明顯抱怨的是603 Hz倍頻的制動(dòng)顫鳴噪聲,其主要的噪聲頻率帶分布于 1200 Hz、1800 Hz 和 2400 Hz,這些人耳聽覺的高敏感區(qū)域,且此類型噪聲持續(xù)時(shí)間較長,不易衰減,車外聲壓級(jí)超過80 dB(A);同時(shí),還存在2階~4階邊頻的調(diào)制現(xiàn)象,其可能原因與制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)/外摩擦蹄片與溝槽設(shè)計(jì)的數(shù)量相關(guān)。
圖 2 制動(dòng)盤振動(dòng)與近場(chǎng)噪聲的時(shí)頻測(cè)試分析
據(jù)圖3和圖4所示,通過制動(dòng)器與懸架各位置振動(dòng)測(cè)試時(shí)頻特征的對(duì)比分析得出;
(1)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)盤、卡簧和卡鉗支架的顫鳴階次振動(dòng)特征最為明顯,而摩擦片、鉗體、轉(zhuǎn)向節(jié)和下控制臂的振動(dòng)特征幅值明顯降低;
圖 3 制動(dòng)盤、卡簧、摩擦片、卡鉗支架振動(dòng)的時(shí)域測(cè)試
圖 4 制動(dòng)鉗、輪輞、轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂振動(dòng)的時(shí)域測(cè)試
基于振動(dòng)源與傳遞路徑的擾動(dòng)試驗(yàn)
根據(jù)以上整車級(jí)路徑振動(dòng)傳遞特征的測(cè)試分析結(jié)果,考慮通過對(duì)制動(dòng)和底盤結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)擾動(dòng)法,隔離或改變零部件的質(zhì)量、剛度和阻尼特性,實(shí)車驗(yàn)證是否有效抑制蠕行顫鳴噪聲問題,如去掉制動(dòng)卡簧和在部件上吸附一定重量的磁鐵塊等。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)論證,只要有在制動(dòng)盤上附加質(zhì)量塊就可以消除蠕行顫鳴聲。
而對(duì)其它制動(dòng)與懸架部件進(jìn)行質(zhì)量和剛度的擾動(dòng)試驗(yàn),包括在導(dǎo)向銷位置螺接特定頻率動(dòng)態(tài)吸振器方案,經(jīng)整車驗(yàn)證蠕行顫鳴都無變化,這說明制動(dòng)系統(tǒng)之間摩擦運(yùn)動(dòng)激發(fā)起制動(dòng)盤振動(dòng)與聲輻射,并通過制動(dòng)卡鉗傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)和懸架系統(tǒng)。在此振動(dòng)傳遞過程中,部分零部件會(huì)增大或減小特定頻率范圍的振動(dòng)幅值。此外,通過更換摩擦片的材料,降低摩擦系數(shù),也可以降低蠕行制動(dòng)顫鳴的發(fā)生頻次,但這會(huì)引發(fā)整車制動(dòng)系統(tǒng)的重新匹配開發(fā)設(shè)計(jì),并導(dǎo)致相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作,將推遲整車開發(fā)交付的時(shí)間。
02 基于方案驗(yàn)證的頻響與模態(tài)測(cè)試
為了分析制動(dòng)盤與卡鉗、輪輞等懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)耦合因素,進(jìn)行了基于整車靜置下的頻響特征測(cè)試分析,避免出現(xiàn)耦合的非穩(wěn)定模態(tài),進(jìn)而避免產(chǎn)生制動(dòng)低鳴噪聲。
基于整車制動(dòng)工況的制動(dòng)盤模態(tài)測(cè)試
在整車靜置情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)以怠速轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn),通過反復(fù)踩踏制動(dòng)踏板施加一定的制動(dòng)活塞壓力,同時(shí)采用力錘多點(diǎn)激勵(lì)制動(dòng)盤與卡鉗,根據(jù)多點(diǎn)頻率函數(shù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,結(jié)果如圖 5 所示。這其中可發(fā)現(xiàn)存在594 Hz的模態(tài)階次,數(shù)值上與顫鳴振動(dòng)諧階次頻率603 Hz比較接近,模態(tài)振型如圖6所示。以制動(dòng)盤的繞整車前后方向的搖晃振動(dòng)為主,同時(shí)存在一定的徑向運(yùn)動(dòng)。
圖 5 基于整車制動(dòng)工況的制動(dòng)盤頻響測(cè)試合成曲線
制動(dòng)盤連接方式驗(yàn)證與原點(diǎn)頻響傳函測(cè)試
根據(jù)圖 6 的關(guān)鍵階次模態(tài)振型特征,可以得出該階模態(tài)不僅與制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān),還可能與制動(dòng)盤安裝的邊界狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)。考慮到該車型制動(dòng)系統(tǒng)的總體匹配開發(fā)已基本完成,制動(dòng)鉗與摩擦片的設(shè)計(jì)變更將涉及開發(fā)周期延長和成本問題。所以,研究 如何通過優(yōu)化制動(dòng)盤的裝配邊界條件,從而改變制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵模態(tài)特征就顯得十分有意義了。
圖 6 制動(dòng)盤關(guān)鍵階次模態(tài)振型(564.87 Hz,阻尼比3.07 %)
如圖7所示,利用力錘Y向激勵(lì)與加速度傳感器拾振,可以測(cè)試出制動(dòng)盤原點(diǎn)頻響特性。通過更換某不同樣式輪輞和增加3mm厚度鋼制輪轂墊片,結(jié)合整車蠕行制動(dòng)顫鳴現(xiàn)象的差異,開展對(duì)比研究各方案的原點(diǎn)頻響傳函變化趨勢(shì)。
圖 7 基于整車的制動(dòng)盤原點(diǎn)頻響傳函測(cè)試與方案驗(yàn)證
試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。更換輪輞之后整車蠕行制動(dòng)顫鳴現(xiàn)象消失,而制動(dòng)盤原點(diǎn)傳函測(cè)試曲線在 500 Hz 也以后發(fā)生了明顯變化,600 Hz左右原點(diǎn)傳遞函數(shù)幅值顯著降低;在另外一側(cè)的前制動(dòng)盤與輪輞法蘭面之間增加墊片之后,整車制動(dòng)顫鳴現(xiàn)象發(fā)生不同步情況,主觀評(píng)價(jià)時(shí)能夠明顯察覺左輪與右輪的顫鳴頻率不一致,而制動(dòng)盤原點(diǎn)頻響在所關(guān)注的 594 Hz 峰值發(fā)生了偏移。綜合以上的對(duì)比測(cè)試研究結(jié)果,說明輪輞法蘭與制動(dòng)盤的連接方式直接影響著整車的蠕行制動(dòng)顫鳴噪聲。
圖 8 更換輪輞總成與墊片的制動(dòng)盤原點(diǎn)頻響傳函測(cè)試對(duì)比
03 簡(jiǎn)化的制動(dòng)盤多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型
為了建立蠕行顫鳴現(xiàn)象的簡(jiǎn)化制動(dòng)系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)模型,假設(shè)制動(dòng)鉗及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、摩擦片、制動(dòng)盤等為集中慣量。其中,卡鉗系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)向節(jié)硬連接到前懸架角總成,制動(dòng)盤系統(tǒng)通過特定約束剛度KDX 與KDZ連接到轉(zhuǎn)向節(jié),簡(jiǎn)化模型如圖9所示。
圖 9 簡(jiǎn)化的制動(dòng)盤動(dòng)力學(xué)模型
根據(jù)前文整車工況制動(dòng)盤關(guān)鍵模態(tài)振型的測(cè)試結(jié)果,僅僅考慮制動(dòng)盤的X向和Z向的慣量特性IDX 與 IDZ。制動(dòng)過程中,假設(shè)活塞推動(dòng)摩擦片,分別在制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)位置Pi( xj, yi,zi )和外側(cè)位置P0 ( x0, y0,z0 )上施加法向壓力zi與z0,如果制動(dòng)盤與摩擦片之間摩擦系數(shù)為 μ,那么產(chǎn)生的摩擦力分別為 Fi 與 F0?;诤?jiǎn)化的制動(dòng)盤動(dòng)力學(xué)模型,可得到如下的微分方程式(1)和式(2):
其中:γ 與 R 分別表示制動(dòng)盤系統(tǒng)質(zhì)心到 Pi和 P0 位置的距離,通過微分方程矩陣化之后,可得到如下方程(3):
考慮到摩擦系數(shù)μ的非線性特性和剛度矩陣的非對(duì)稱性,該制動(dòng)系統(tǒng)的特征根和特征向量在一定條件下可能是復(fù)數(shù),也就是各階模態(tài)頻率和模態(tài)振型都是復(fù)數(shù),這將導(dǎo)致不穩(wěn)定的發(fā)散振動(dòng)系統(tǒng),從而引起潛在的制動(dòng)噪聲問題。
通常認(rèn)為,在車輛低速蠕行下的輕度制動(dòng)過程中,摩擦片與制動(dòng)盤之間的非穩(wěn)定摩擦激勵(lì),引起制動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)底盤部件的結(jié)構(gòu)耦合振動(dòng),是誘發(fā)制動(dòng)盤顫鳴聲現(xiàn)象的最主要原因。因此,特定條件下的制動(dòng)副摩擦特性、制動(dòng)與底盤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參 數(shù)、驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力標(biāo)定匹配等是制動(dòng)顫鳴的重要影響因素。根據(jù)以上機(jī)理的綜合分析,從工程開發(fā)與方案措施上,可從以下3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化:
(1)降低制動(dòng)副的激勵(lì),優(yōu)化與匹配摩擦特性:包括摩擦片材料配方與選型、動(dòng)/靜摩擦系數(shù)、摩擦接觸區(qū)域與面壓分布、制動(dòng)盤表面銹蝕處理、制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表面不平度等;
(2)優(yōu)化制動(dòng)副與懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合特性:包括制動(dòng)盤與輪轂的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減小制動(dòng)盤的約束不均勻性、控制車輪螺栓預(yù)緊力、制動(dòng)與懸架系統(tǒng)部件的模態(tài)避頻等;
(3)在噪聲傳遞關(guān)鍵路徑上增加動(dòng)態(tài)吸振器,如圖10所示,安裝在制動(dòng)浮鉗導(dǎo)向銷位置[5]。
圖 10 制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)吸振器結(jié)構(gòu)圖
05 工程優(yōu)化措施與驗(yàn)證
由于對(duì)制動(dòng)摩擦副重新匹配周期較長和成本問題,本車型項(xiàng)目開發(fā)只能從底盤結(jié)構(gòu)與總裝工藝上進(jìn)行優(yōu)化,具體工程化措施方案有兩項(xiàng):增加輪輞法蘭面的接觸面積,提升制動(dòng)盤安裝剛度,降低由于車輪螺栓扭緊過程導(dǎo)致的制動(dòng)盤翹曲或端面跳動(dòng)量,如圖11所示;提高對(duì)車輪螺栓和輪輞安裝孔的形位公差精度,嚴(yán)格控制車輪螺栓擰緊力矩與總裝工藝,提升車輪螺栓預(yù)緊力的均勻性,進(jìn)一步提升制動(dòng)盤安裝約束剛度的均勻性。
圖 11 基于整車的制動(dòng)盤原點(diǎn)頻響傳函測(cè)試與方案驗(yàn)證
經(jīng)整車主觀駕評(píng)與測(cè)試的對(duì)比分析,整車蠕行制動(dòng)工況的低頻顫鳴噪聲顯著降低,且制動(dòng)盤法向的階次振動(dòng)特征也明顯降低,如圖12所示。
圖 12 優(yōu)化前后的制動(dòng)盤時(shí)頻振動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比
06 結(jié)語
由于制動(dòng)系統(tǒng)的蠕行低頻噪聲問題的機(jī)理復(fù)雜,其影響因素也較多,在產(chǎn)品開發(fā)的前期難以發(fā)現(xiàn)與規(guī)避,而在后期的研發(fā)階段,只能應(yīng)用有限的措施方案。本文以某盤式制動(dòng)器 SUV 車型的蠕行顫鳴問題為背景,系統(tǒng)地開展了基于整車工況的制動(dòng)噪聲識(shí)別與相關(guān)性排查分析,結(jié)合簡(jiǎn)化的制動(dòng)盤動(dòng)力學(xué)模型,闡述了制動(dòng)低頻顫鳴的原理,重點(diǎn)論證了制動(dòng)盤約束剛度的影響,同時(shí)提出了具體的工程措施與解決思路。并且,通過輪輞法蘭接合面與車輪螺栓裝配的優(yōu)化,實(shí)車驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性,為行業(yè)內(nèi)解決類似的制動(dòng)低頻噪聲問題,提供了極有指導(dǎo)價(jià)值的工程實(shí)踐范例。
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上海交通大學(xué)博士,正高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師,現(xiàn)任吉利汽車研究院NVH高級(jí)技術(shù)專家,主要研究方向汽車NVH性能開發(fā)。
本科,NVH工程師,研究方向?yàn)槠嚶吩胄阅荛_發(fā)。
原載于《噪聲與振動(dòng)控制》2022年第1期, DOI:10.3969/j.issn.1006-1355.2022.01.044