基于傳遞路徑的整車制動(dòng)抖動(dòng)試驗(yàn)分析

陳偉波 黃如波

摘? 要：為了在實(shí)車上客觀評(píng)估制動(dòng)抖動(dòng)的強(qiáng)度，在制動(dòng)抖動(dòng)傳遞路徑的理論基礎(chǔ)上確認(rèn)振動(dòng)傳感器的實(shí)車布置方案并進(jìn)行相關(guān)的整車測(cè)試，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻率和階次分析。基于數(shù)據(jù)處理分析的結(jié)果可以證實(shí)制動(dòng)抖動(dòng)的整車試驗(yàn)方案是可行的，制動(dòng)抖動(dòng)會(huì)向制動(dòng)踏板、車身底板和轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行傳遞且轉(zhuǎn)向盤處的振動(dòng)強(qiáng)度明顯高于制動(dòng)踏板和車身地板。隨后選取轉(zhuǎn)向盤Y向的振動(dòng)強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，分析了制動(dòng)盤的初始制動(dòng)溫度、厚薄差及測(cè)試速度對(duì)整車制動(dòng)抖動(dòng)的影響。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)抖動(dòng);時(shí)域分析;頻域分析;階次分析;影響因素

中圖分類號(hào)：U467.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0066-06

Abstract： To objective evaluate brake judder intensity of vehicle level test. Fix vibration sensors package scheme based on vibration transfer path theory and execute relevant vehicle level brake judder test. And then execute time， frequency and order analysis for raw data. The data processing result approve that vehicle level brake judder test scheme is reliable. Brake judder will transfer to brake pedal， body rail and steering wheel and vibration intensity is highest of steering wheel. Finally， study the brake rotor temperature， Disc thickness， and vehicle test speed influence factors based on steering wheel Y axis vibration.

制動(dòng)器作為機(jī)動(dòng)車重要的安全部件，在機(jī)動(dòng)車的行駛和停止中起到十分重要的作用。近年來(lái)由于人們對(duì)于乘用車舒適性的要求越來(lái)越高，使得車輛制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象也逐漸得到重視，輕微的制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)被細(xì)心的駕駛員所感知，影響舒適性，嚴(yán)重的會(huì)造成車輛失去控制，造成安全事故[1-2]。因此國(guó)內(nèi)外針對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究并且已經(jīng)取得了一些成果，文獻(xiàn)[3-4]建立了定子-轉(zhuǎn)子以及整車數(shù)學(xué)模型對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行理論闡述與分析，并得出制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生是多方面因素的綜合作用。文獻(xiàn)[5]中建立了六自由度的制動(dòng)非線性模型并分析了振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各種參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[6-8]中給出了引起制動(dòng)抖動(dòng)的各種因素，涵蓋了制造工藝、尺寸以及客戶的使用習(xí)慣。當(dāng)前測(cè)量盤式制動(dòng)器抖動(dòng)的方法主要是在制動(dòng)耐久試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，通過(guò)控制相關(guān)參數(shù)，考核制動(dòng)器是否存在抖動(dòng)現(xiàn)象。此種方式容易執(zhí)行、試驗(yàn)周期較短，但僅考慮了制動(dòng)器系統(tǒng)（關(guān)注激發(fā)源），沒(méi)有考慮到抖動(dòng)信號(hào)的傳遞以及對(duì)客戶的影響;其次試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)也被簡(jiǎn)化了，缺乏了路面特性、輪胎和環(huán)境等影響因素的輸入，以以上的研究基于簡(jiǎn)化的模型對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析。同時(shí)臺(tái)架測(cè)試無(wú)法模擬抖動(dòng)信號(hào)在整車上的傳遞，因此為了實(shí)時(shí)再現(xiàn)制動(dòng)抖動(dòng)信號(hào)在實(shí)車上的傳遞以及影響，有必要進(jìn)行整車的制動(dòng)抖動(dòng)試驗(yàn)并進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)分析。

1? ? 整車道路試驗(yàn)

1.1? ?測(cè)點(diǎn)及儀器設(shè)備安裝

基于文獻(xiàn)[9]中對(duì)制動(dòng)抖動(dòng)信號(hào)傳遞路徑分析，為了客觀測(cè)量制動(dòng)抖動(dòng)的幅值，在整車上進(jìn)行如下測(cè)試點(diǎn)布置：轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)加速度、制動(dòng)踏板振動(dòng)加速度以及車身底板振動(dòng)加速度傳感器。實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛速度、減速度、制動(dòng)盤的溫度變化等。其中振動(dòng)加速度信號(hào)使用PCB三向加速度計(jì);車輛速度使用VBOX進(jìn)行測(cè)量;制動(dòng)減速度使用減速度計(jì)測(cè)量;制動(dòng)盤溫度使用K型熱電偶測(cè)量。采集設(shè)備使用德威創(chuàng)356A26設(shè)備，詳細(xì)的傳感器信息如下表1所示，部分傳感器及采集設(shè)備安裝見(jiàn)圖1所示。

在傳感器安裝完成之后，我們定義轉(zhuǎn)向盤的坐標(biāo)系如下：徑向方向?yàn)閄軸，軸向方向?yàn)閅軸，轉(zhuǎn)向盤測(cè)量X和Y向的振動(dòng);制動(dòng)踏板的垂直方向?yàn)閆軸，在制動(dòng)踏板上僅測(cè)量Z向振動(dòng)信號(hào);車身底板的坐標(biāo)系以整車為參考，前后方向?yàn)閄軸，左右方向?yàn)閅軸，上下方向?yàn)閆軸，共測(cè)量X、Y、Z方向的振動(dòng)信號(hào)。

1.2? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作步驟

測(cè)量速度：制動(dòng)初速度為120km/h，制動(dòng)末速度為30km/h。制動(dòng)減速度保持在0.2～0.3g的范圍內(nèi)，在平直的試驗(yàn)道路上重復(fù)上述過(guò)程并實(shí)時(shí)記錄所有的數(shù)據(jù)信號(hào)，直至連續(xù)完成六次制動(dòng)過(guò)程。其詳細(xì)的操作過(guò)程如下圖2所示：

在完成所有的制動(dòng)操作之后，安全停車并檢查所有的數(shù)據(jù)信號(hào)是否正常，保存并導(dǎo)出所有的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2? ? 數(shù)據(jù)處理及分析

整車制動(dòng)抖動(dòng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理主要在時(shí)間域和頻率域內(nèi)進(jìn)行，時(shí)間域分析主要考察制動(dòng)踏板、車身地板、轉(zhuǎn)向盤是否發(fā)生抖動(dòng)以及抖動(dòng)的幅值在整個(gè)抖動(dòng)過(guò)程中的變化情況以及對(duì)應(yīng)的車速范圍（車輪轉(zhuǎn)速范圍）;考慮到信號(hào)的波動(dòng)，采用均方根值RMS的數(shù)值指標(biāo)來(lái)評(píng)估振動(dòng)的幅值。頻率域分析采用階次分析方法進(jìn)行處理，主要是因?yàn)榭紤]到信號(hào)的非平穩(wěn)性。通過(guò)短時(shí)傅立葉分析得到反映振動(dòng)階次特征的三維譜陣，考察振動(dòng)頻率與車輪轉(zhuǎn)速之間的相關(guān)關(guān)系，并考察振動(dòng)能量的頻率域分布規(guī)律，為分析振動(dòng)發(fā)生原因及傳遞路徑提供依據(jù)。

2.1? ?制動(dòng)踏板抖動(dòng)的數(shù)據(jù)結(jié)果

為了減少振動(dòng)信號(hào)的波動(dòng)，對(duì)信號(hào)使用均方根值（RMS）的方法分段進(jìn)行處理。其中均方根值算法指對(duì)一組數(shù)組中的每個(gè)數(shù)值的平方和除以數(shù)組的個(gè)數(shù)并開(kāi)方所得的結(jié)果。其表達(dá)式如下：

其中? ? 是數(shù)組中對(duì)應(yīng)的數(shù)值，? 為數(shù)組中數(shù)值的個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的制動(dòng)踏板的Z向振動(dòng)與車速的關(guān)系如下圖3所示：

在頻率段上，以一定的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后進(jìn)行平均得到頻率與均方根值的如下圖形：

由于采集到的加速度信號(hào)頻率是隨時(shí)間變化的，傳統(tǒng)的傅里葉變換缺乏時(shí)域定位的功能。而我們需要在振動(dòng)信號(hào)的分析中既得到頻譜信息，同時(shí)獲得不同頻率出現(xiàn)的時(shí)間。因此，在傅里葉變換的同時(shí)采用短時(shí)傅里葉變換[9]（STFT）的方法測(cè)量信號(hào)的頻率定位。以給定加速信號(hào)

從制動(dòng)踏板的時(shí)域以及頻域分析的結(jié)果可以看出：在時(shí)域段制動(dòng)踏板Z向的振動(dòng)集中于40km/h到100km/h的速度范圍內(nèi)，且每次制動(dòng)時(shí)刻的振動(dòng)強(qiáng)度并沒(méi)有出現(xiàn)一致性，且振動(dòng)強(qiáng)度沒(méi)有跟隨制動(dòng)次數(shù)而變強(qiáng)。在頻率段上也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振動(dòng)增強(qiáng)的趨勢(shì)，階次圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出制動(dòng)踏板的振動(dòng)主要集中于一階、二階和四階振動(dòng)的頻率帶上，其最強(qiáng)的振動(dòng)發(fā)生在車輛60km/h到80km/h的速度范圍內(nèi)。

2.2? ?車身底板的抖動(dòng)特征：

鑒于階次圖可以反映出振動(dòng)強(qiáng)度和速度、頻率的關(guān)系，車身底板的數(shù)據(jù)分析選取六次制動(dòng)過(guò)程中強(qiáng)度最高的結(jié)果見(jiàn)下圖7、8、9所示：

從上圖中可以看出，車身底板在X、Y向的振動(dòng)主要集中于60km/h到80km/h的速度范圍內(nèi)，且表現(xiàn)為二階的振動(dòng)響應(yīng)，振動(dòng)頻率集中于10Hz到20Hz的范圍內(nèi)，Z向的振動(dòng)速度范圍明顯比其他兩個(gè)方向要寬，但振動(dòng)頻率的范圍幾乎一致，振動(dòng)強(qiáng)度要稍微強(qiáng)一些。

2.3? ?轉(zhuǎn)向盤抖動(dòng)的數(shù)據(jù)特征

對(duì)轉(zhuǎn)向盤的數(shù)據(jù)信號(hào)同樣采用STFT分析并生成如下的階次圖：

從轉(zhuǎn)向盤X向振動(dòng)強(qiáng)度階次圖10中可以看出，除了初始制動(dòng)段的振動(dòng)比較強(qiáng)烈，其它速度段的振動(dòng)幅值沒(méi)有明顯的變化;頻率分析的結(jié)果可以得出振動(dòng)最強(qiáng)幅值集中于70Hz左右的頻率范圍內(nèi)且當(dāng)時(shí)的整車速度大于100km/h;從轉(zhuǎn)向盤Y 向的振動(dòng)強(qiáng)度階次圖11得出Y向振動(dòng)主要集中于60km/h和110km/h兩個(gè)速度范圍內(nèi)，頻率范圍主要是10到20赫茲的二階振動(dòng)，但是各個(gè)頻率段的振動(dòng)幅值相對(duì)較小，整車的制動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象不明顯。

從數(shù)據(jù)處理和分析來(lái)看，制動(dòng)盤的振動(dòng)主要的傳遞路徑是通過(guò)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，制動(dòng)踏板和車身地板的各個(gè)方向的振動(dòng)幅值和強(qiáng)度明顯小于轉(zhuǎn)向盤的X和Y向。

3? ? 制動(dòng)抖動(dòng)的影響因素分析

基于實(shí)車測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，轉(zhuǎn)向盤的X和Y向的振動(dòng)強(qiáng)度要明顯高于制動(dòng)踏板以及車身地板，同時(shí)轉(zhuǎn)向盤Y向振動(dòng)幅值最高的頻率段在10到15赫茲的范圍內(nèi)，與車輛底盤簧下部件的固有頻率比較接近。所以選取轉(zhuǎn)向盤Y向的振動(dòng)強(qiáng)度作為研究對(duì)象，文獻(xiàn)[10]表明了制動(dòng)盤的溫度上升會(huì)引起盤片熱翹曲和增加厚薄差;參照文獻(xiàn)6中的結(jié)論，轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜特性與前輪（制動(dòng)盤）轉(zhuǎn)速之間存在明顯的階次關(guān)系，其公式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，式中? ? ?為頻率，? 為汽車前輪轉(zhuǎn)速，? ? ? 為階次;同時(shí)基于制動(dòng)盤-制動(dòng)蹄片系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果表明制動(dòng)盤的厚薄差是影響制動(dòng)抖動(dòng)性能的關(guān)鍵因素;因此選取制動(dòng)盤的溫度、車輛速度、制動(dòng)盤厚薄差關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，而對(duì)摩擦片熱衰退后摩擦系數(shù)變化引起的抖動(dòng)等不易測(cè)量和控制或與實(shí)車試驗(yàn)特點(diǎn)相關(guān)性不強(qiáng)的影響因素沒(méi)有進(jìn)行研究。

3.1? ? 制動(dòng)盤初始溫度的影響

參考實(shí)車試驗(yàn)中六次連續(xù)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤的溫度變化以及轉(zhuǎn)向盤Y向的時(shí)域的振動(dòng)幅值變化如下圖12和圖13所示：

從圖12和圖13的分析可以得出轉(zhuǎn)向盤Y振動(dòng)強(qiáng)度在制動(dòng)盤的溫度低于200攝氏度的范圍內(nèi)（前四腳連續(xù)制動(dòng)），制動(dòng)盤的抖動(dòng)幅值隨著溫度的增加相對(duì)比較微小，駕駛員不容易感知。但是在溫度超過(guò)200攝氏度的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向盤的抖動(dòng)隨著制動(dòng)溫度的增加明顯增強(qiáng)，主要是基于以下影響因素，從盤式制動(dòng)器的本身分析來(lái)看，在低溫段的制動(dòng)盤的形變較小，引起的振動(dòng)在傳遞路徑中會(huì)衰減;但是在溫度達(dá)到一定的閾值之后，制動(dòng)盤的不同區(qū)域的溫度的差異性變大，同時(shí)考慮到制動(dòng)盤材料以及制造工藝，會(huì)出現(xiàn)局部形變量過(guò)大的情況。

3.2? ?行駛速度的影響

從圖12和圖13中可以看出，轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)幅值在兩個(gè)速度段明顯強(qiáng)于其他速度段，分別是60km到80km的速度范圍內(nèi)及110km/h的速度段，這主要是基于不同的運(yùn)行速度下的振動(dòng)階次的不一致。

3.3? ?制動(dòng)盤厚薄差（DTV）的影響

為了在整車上研究制動(dòng)盤的厚薄差（DTV）對(duì)轉(zhuǎn)向盤Y向振動(dòng)的影響，確立試驗(yàn)條件如下：在制動(dòng)速度以及制動(dòng)減速度不變的前提下，制動(dòng)盤初始溫度在65到100攝氏度之間，通過(guò)在手動(dòng)調(diào)節(jié)制動(dòng)盤的DTV數(shù)值如下表2所示并進(jìn)行整車抖動(dòng)測(cè)試的結(jié)果如下圖14所示：

圖14中顯示的是轉(zhuǎn)向盤Y向的振動(dòng)強(qiáng)度與DTV的關(guān)系，從圖中可以看出：轉(zhuǎn)向盤振動(dòng)強(qiáng)度與制動(dòng)盤DTV的數(shù)值成正相關(guān)的關(guān)系，DTV數(shù)值越大，振動(dòng)的強(qiáng)度和幅值越大。

4? ? 結(jié)論

盤式制動(dòng)器制動(dòng)抖動(dòng)的實(shí)車試驗(yàn)傳感器布置方案及測(cè)試速度和減速度范圍設(shè)計(jì)較為合理，不僅囊括了客戶常用的使用工況，而且數(shù)據(jù)測(cè)量可以精準(zhǔn)反饋整車的抖動(dòng)情況;

從實(shí)車數(shù)據(jù)可以得出：制動(dòng)盤的抖動(dòng)激勵(lì)會(huì)傳遞到制動(dòng)踏板、車身地板以及轉(zhuǎn)向盤，其中轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)幅值和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于制動(dòng)踏板和車身地板;

制動(dòng)盤溫度的變化會(huì)影響到制動(dòng)抖動(dòng)的強(qiáng)度，在一定的溫度范圍內(nèi)，抖動(dòng)強(qiáng)度的變化幅值較小。但當(dāng)溫度超過(guò)閾值之后，抖動(dòng)的強(qiáng)度逐漸增大。

制動(dòng)抖動(dòng)的幅值變化與制動(dòng)盤的厚薄差數(shù)值正相關(guān)，而且是引起抖動(dòng)的主要因素，因此在制造及安裝過(guò)程中控制工藝，降低零部件本身以及安裝總成的端面跳動(dòng)數(shù)值尤為關(guān)鍵。

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