多工況下制動系統(tǒng)噪聲實驗與測試分析

安 超，李國萌，王榮鵬

（東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

隨著工業(yè)社會的發(fā)展，汽車在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。汽車給人們的生產(chǎn)生活帶來方便的同時，也帶來了噪聲污染等一系列問題。其中，汽車噪聲主要來源于發(fā)動機、制動系統(tǒng)、輪胎與地面的摩擦、鳴笛以及汽車其他零部件的振動等。由于汽車噪聲來源的復(fù)雜性，對于制動系統(tǒng)的振動與噪聲特性實驗研究迫切需要。

目前，國內(nèi)外大量學(xué)者對制動噪聲進行了一系列的研究，研究結(jié)果對噪聲機理的探索和制動器的設(shè)計、優(yōu)化均有一定的指導(dǎo)意義。文獻[1]從制動尖叫的產(chǎn)生機理、數(shù)值分析方法、試驗研究方法、影響因素以及尖叫抑制新技術(shù)等方面對盤式制動器尖叫的近期研究進展進行綜述，并總結(jié)現(xiàn)有研究存在的問題并對進一步的研究作出展望。文獻[2]通過研究發(fā)現(xiàn)由于制動器的結(jié)構(gòu)因素引起的自激振動是產(chǎn)生制動噪聲的主要原因，忽略了材料與制動件之間的摩擦、磨損因素，因而缺乏一定的實際效果。針對盤式制動器系統(tǒng)，文獻[3]建立了盤式制動器8自由度多點接觸動力學(xué)模型。在模型中考慮了內(nèi)外側(cè)制動塊、活塞、制動鉗以及相互間的接觸作用，且制動副摩擦系數(shù)-相對速度特性采用半經(jīng)驗試驗?zāi)Ｐ汀Ｎ墨I[4]采用溫度場與應(yīng)力場直接耦合方法，根據(jù)礦車制動摩擦副的實際尺寸及熱傳導(dǎo)的原理，建立摩擦副三維瞬態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合的有限元模型，對制動器在緊急制動工況下進行數(shù)值模擬。文獻[5]通過研究發(fā)現(xiàn)制動噪聲的主要來源在摩擦界面，摩擦材料是制動尖叫噪聲的最大來源之一，所以可以通過改變摩擦材料來抑制制動噪聲。一些學(xué)者對制動噪聲的研究是通過噪聲實驗進行的。文獻[6]通過搭建制動噪聲實驗臺，探索了制動噪聲的發(fā)生規(guī)律和盤片之間摩擦系數(shù)的時變特性。文獻[7]通過復(fù)特征值分析研究了制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過實驗進行了驗證。文獻[8]針對通風盤式制動器，根據(jù)形狀、尺寸設(shè)置剛性面模擬活塞側(cè)和鉗指側(cè)制動塊的法向作用力，建立了三維瞬態(tài)熱機耦合有限單元模型，進行了緊急制動工況下盤－塊接觸壓力和制動塊熱機耦合特性的計算與分析。文獻[9]建立了浮動鉗盤式制動器的簡化模型，通過有限元分析得出在（1～5）kHz范圍內(nèi)，制動盤的橫向振動是引起尖叫的主要原因，并對此進行了實驗驗證。文獻[10]以JF132型汽車制動器試驗臺為試驗設(shè)備，采用試驗優(yōu)化與回歸分析技術(shù)，研究盤式制動器的準靜態(tài)摩擦特性，以制動壓力與初速度為試驗因素，以制動力矩為試驗指標，建立了盤式制動器摩擦特性的指數(shù)函數(shù)模型，并進行了統(tǒng)計檢驗。文獻[11]建立了制動系統(tǒng)的分散參數(shù)模型，隨后模擬了摩擦引起的高頻振動，探索了不同尖叫的產(chǎn)生機理，最后通過實驗驗證了本模型的正確性。

制動噪聲的產(chǎn)生與制動工況有很大關(guān)聯(lián)，有的噪聲僅在特定工況下產(chǎn)生?，F(xiàn)實生活中能夠產(chǎn)生制動尖叫的典型制動工況有緊急制動剎車和循環(huán)點剎車之分，以及汽車制動時是否失去動力等情況，因此將汽車的制動工況分為汽車正常行駛無制動，汽車失去動力后緊急制動，汽車失去動力后循環(huán)點剎制動，汽車尚有動力緊急制動，汽車尚有動力循環(huán)點剎制動等五種工況，以此來模擬現(xiàn)實中汽車行駛典型制動工況。

以汽車盤式制動器為研究對象，在前人研究的基礎(chǔ)上，在盤式制動系統(tǒng)實驗臺上模擬汽車五種不同的制動工況，并用B&K測試系統(tǒng)對不同制動工況所產(chǎn)生的制動噪聲進行測試分析。其研究意義不僅在于用理論和實際相結(jié)合的方式探索盤式制動器的制動噪聲問題，得出制動工況在抑制制動系統(tǒng)的振動、噪聲方面有實際指導(dǎo)意義，更重要的是為企業(yè)對產(chǎn)品的設(shè)計、改進和優(yōu)化提供了參考以及指導(dǎo)，從而達到產(chǎn)品降噪的目的，對改善制動系統(tǒng)動力學(xué)特性有著重要的現(xiàn)實意義。

2 制動系統(tǒng)工作原理

對汽車盤式制動系統(tǒng)器的制動系統(tǒng)進行簡化，在模型中僅考慮制動盤、制動片等部件。在此基礎(chǔ)上，將制動盤與制動片之間的接觸等效為接觸剛度。盤式制動系的等效模型結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

3 實驗設(shè)備及原理

制動系統(tǒng)噪聲實驗采用的實驗原理圖，如圖2所示。其中包括制動系統(tǒng)實驗臺和B&K測試系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)一般由電容式傳聲器、前置放大器、衰減器、放大器等組成。其工作原理是：從傳聲器將聲音轉(zhuǎn)為電信號，再由前置放大器變化阻抗，使轉(zhuǎn)聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對信號進行頻率加權(quán)，然后再經(jīng)衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，送到有效檢波器，最后給出噪聲聲級的數(shù)值。

實驗中所用電機參數(shù)為：功率1.5kW、電壓380V、轉(zhuǎn)速1400r/min。

飛輪參數(shù)為：內(nèi)半徑25mm、外半徑150mm、厚度50mm、密度7800kg/m3。

圖2 噪聲實驗原理圖Fig.2 The Principle of Noise Experiment

實驗所用測試系統(tǒng)設(shè)備為4506型B&K測試系統(tǒng)與麥克風。本實驗的麥克風是電容式高精度測量麥克風，麥克風是直接測量動態(tài)聲壓的傳感器。通過Pulse數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可以精準地測量噪聲的聲壓級。

根據(jù)實驗原理圖連接實驗設(shè)備，如圖2所示。本次實驗的現(xiàn)場，如圖3所示。

4 不同工況下的噪聲測試

實驗一共需要測試五種不同工況下的制動噪聲，分別為實驗臺電機正常工作且不進行剎車制動、正常工作斷電后的緊急制動、正常工作斷電后的循環(huán)點剎車、正常工作中的緊急制動和正常工作中的循環(huán)點剎車。實驗現(xiàn)場，如圖3所示。

圖3 實驗現(xiàn)場Fig.3 The Experiment Site

4.1 測試工況一

該工況為電機正常工作而不進行制動的情況，用以模擬汽車的正常運行工況。當實驗臺正常工作時，電機、制動器、軸承、主軸、聯(lián)軸器等均會產(chǎn)生噪聲。本實驗首先測試電機正常工作且未進行制動時的噪聲信號，當電機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定后開始測試，持續(xù)時間為5s，對噪聲的時域信號進行傅里葉變換后得到頻域信號，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在實驗臺電機正常工作且未進行制動的情況下，噪聲的最大值為68.6dB，對應(yīng)的頻率為896Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加逐漸減小，較大的聲壓級則分布在2500Hz以內(nèi)，而實驗臺噪聲的總體值為77.5dB。

圖4 噪聲頻率分布圖Fig.4 The Noise Frequency Distribution

4.2 測試工況二

該工況為電機正常工作一段時間后斷電進行緊急制動的情況，用以模擬汽車在失去動力后而進行緊急制動的工況。由于Pulse數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對噪聲數(shù)據(jù)的采集需要5s左右，因此在測試過程中保證制動盤在制動開始后5s左右停止旋轉(zhuǎn)。提取制動噪聲結(jié)果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖5所示。從圖5中可以看出，在實驗臺電機正常工作斷電后進行一次性緊急制動的情況下，噪聲的最大值為55.7dB，對應(yīng)的頻率為144Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加呈先減小后增加再減小的趨勢，較大的聲壓級則分布在2500Hz以內(nèi)，而實驗臺噪聲的總體值為63.8dB。

圖5 噪聲頻率分布圖Fig.5 The Noise Frequency Distribution

4.3 測試工況三

該工況為電機正常工作一段時間后斷電進行循環(huán)點剎車，用以模擬汽車在失去動力后進行的循環(huán)制動剎車。本次實驗過程中保證制動盤在5s左右速度減小為0，且在此過程中的剎車次數(shù)為5次。將實驗臺電機斷電后進行循環(huán)點剎車，同時測試這個過程中的噪聲信號，提取制動噪聲結(jié)果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖6所示。

圖6 噪聲頻率分布圖Fig.6 The Noise Frequency Distribution

從圖6中可以看出，在實驗臺電機正常工作斷電后進行循環(huán)點剎車的情況下，噪聲的最大值為48.6dB，對應(yīng)的頻率為240Hz。實驗臺的噪聲隨著頻率的增加呈先減小后穩(wěn)定的趨勢，主要噪聲則分布在24dB到40dB之間，而實驗臺噪聲的總體值為61.8dB。

4.4 測試工況四

該工況為電機在正常工作過程中進行緊急制動的情況，用以模擬汽車在尚有動力而進行緊急制動的工況。在本次實驗中，保證制動盤在制動開始后5s左右停止旋轉(zhuǎn)。將實驗臺在電機帶電的情況下進行緊急剎車，同時測試這個過程中的噪聲信號，提取制動噪聲結(jié)果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖7所示。

從圖7中可以看出，在實驗臺電機正常工作的同時進行緊急剎車的情況下，噪聲的最大值為76.4dB，對應(yīng)的頻率為784Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加呈先增加后逐漸減小的趨勢，較大的聲壓級分布在2500Hz以內(nèi)，而實驗臺噪聲的總體值為81.6dB。

圖7 噪聲頻率分布圖Fig.7 The Noise Frequency Distribution

4.5 測試工況五

該工況為電機正常工作過程中進行循環(huán)點剎車的情況，用以模擬汽車在尚有動力而進行循環(huán)點剎車的工況。在本次測試過程中，剎車次數(shù)為5次，測試時間為5s左右，制動過程中需控制制動力的大小。將實驗臺在電機帶電的情況下進行循環(huán)點剎車，同時測試這個過程中的噪聲信號，提取制動噪聲結(jié)果并對噪聲的時域信號進行傅里葉變換，得到頻域信號，如圖8所示。

從圖8中可以看出，在實驗臺電機正常工作的同時進行循環(huán)點剎車的情況下，噪聲的最大值為66.7dB，對應(yīng)的頻率為240Hz。實驗臺噪聲隨著頻率的增加呈逐漸減小的趨勢而后趨于穩(wěn)定，較大的聲壓級則分布在2500Hz以內(nèi)，而實驗臺噪聲的總體值為77.6dB。

5 實驗結(jié)果對比

為研究實驗臺在五種工況下的噪聲變化規(guī)律，提取五種測試工況下的噪聲總體值進行對比，如圖9所示。

圖9五種工況下的噪聲強度Fig.9 Noise Intensity of Five Different Braking Conditions

圖9 中橫坐標工況1表示正常工作未進行制動；工況2表示斷電后進行緊急制動；工況3表示斷電后進行循環(huán)點剎車；工況4表示帶電情況下的緊急制動；工況5表示帶電情況下的循環(huán)點剎車。從圖9中可以看出，斷電后的循環(huán)點剎車所產(chǎn)生的噪聲最小，而帶電情況下的緊急制動所產(chǎn)生的噪聲最大。對應(yīng)于汽車實際的工況是：失去動力后的循環(huán)點剎車將會產(chǎn)生最小噪聲，而在尚未失去動力情況下進行緊急制動則會產(chǎn)生最大噪聲。

6 總結(jié)

通過制動系統(tǒng)試驗臺模擬了汽車制動系統(tǒng)五種不同工況下的工作情況，并采用B&K測試系統(tǒng)測得了試驗臺在五種不同工況下的噪聲信號。通過對實驗臺的噪聲信號進行分析可知，電機斷電后的循環(huán)點剎車所產(chǎn)生的噪聲最小，而電機帶電情況下的緊急制動所產(chǎn)生的噪聲最大。由五種工況下的噪聲頻率分布曲線可知，較大的聲壓級均是在2500Hz以內(nèi)產(chǎn)生，其對噪聲總體值的貢獻最大。因此在考慮制動系統(tǒng)減噪時，低頻段聲壓級和噪聲最小工況應(yīng)作重點考慮。