基于某平臺多款車型制動噪聲匹配研究

杜曉豐，潘 盼，魏志偉，劉 杰，田常浩Du Xiaofeng，Pan Pan，Wei Zhiwei，Liu Jie，Tian Changhao

基于某平臺多款車型制動噪聲匹配研究

杜曉豐，潘 盼，魏志偉，劉 杰，田常浩
Du Xiaofeng，Pan Pan，Wei Zhiwei，Liu Jie，Tian Changhao

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176）

零部件的通用性是基于開發(fā)平臺進(jìn)行車型及系統(tǒng)設(shè)計與驗證的基礎(chǔ)。作為汽車制動系統(tǒng)選型的基礎(chǔ)部件，所設(shè)計的前后制動器總成應(yīng)具有最優(yōu)的通用性；另外，制動器總成設(shè)計不僅須滿足制動效能的要求，還應(yīng)兼顧汽車制動時乘員的舒適性和噪聲污染的量級。針對2款車型介紹基于某平臺開發(fā)過程中制動器通用化選型設(shè)計策略，研究制動噪聲匹配設(shè)計的內(nèi)在機(jī)理，并分析所選車型制動噪聲匹配試驗的性能表現(xiàn)，為基于同平臺開發(fā)其他車型提供經(jīng)驗。

車型開發(fā)平臺；零部件通用性；制動效能；制動噪聲；匹配驗證

0 引 言

車輛的平臺化開發(fā)以大眾汽車為典型代表，各整車企業(yè)均不斷借鑒其發(fā)展經(jīng)驗。在基于平臺的車型開發(fā)過程中，須盡量使所設(shè)計的零部件產(chǎn)品具有較強(qiáng)的通用性，其規(guī)格選型應(yīng)當(dāng)在開發(fā)平臺規(guī)劃初期完成，這種設(shè)計的優(yōu)勢為：1）產(chǎn)品系列趨于凝練化，針對日益多樣化、復(fù)雜化的車型設(shè)計開發(fā)過程，可通過搭積木方式實現(xiàn)若干系列零部件選?。?）產(chǎn)品適用性逐漸增強(qiáng)，使開發(fā)周期縮短和技術(shù)成本降低。

值得注意的是，汽車制動系統(tǒng)的匹配和開發(fā)需滿足國際及國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對制動效能的主客觀要求，同時考慮車輛制動過程中乘員的舒適性和環(huán)境變量對制動噪聲的潛在影響。其中，制動噪聲日益受到汽車工業(yè)界的廣泛關(guān)注，逐漸成為未來汽車產(chǎn)業(yè)的攻關(guān)難題；其產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，制動器的結(jié)構(gòu)特征、材料特性、裝配精度、摩擦片的磨損、制動盤厚薄差、環(huán)境件的結(jié)構(gòu)特征和環(huán)境溫度、濕度、制動力、車速的變化都會產(chǎn)生不同頻率和響度的制動噪聲[1]。

制動噪聲主要分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲2類，結(jié)構(gòu)噪聲通過車身或底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播的制動噪聲，空氣噪聲通過汽車內(nèi)、外循環(huán)的空氣進(jìn)行傳播，這2類噪聲不同程度地影響著駕乘人員感受。制動噪聲具有隨機(jī)性、時變性、瞬時性等特征，依據(jù)自激振動理論分析制動噪聲的產(chǎn)生機(jī)理：摩擦耦合引發(fā)制動器各部件模態(tài)參數(shù)匹配不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定性增強(qiáng)，最終產(chǎn)生自激振動并形成制動噪聲。對人產(chǎn)生影響的制動噪聲頻率范圍一般從幾十赫茲至上萬赫茲，可按照噪聲頻段及發(fā)生環(huán)境有針對性地進(jìn)行優(yōu)化。

1 制動器選型

基于某平臺的2款首發(fā)典型基礎(chǔ)車型的主要參數(shù)見表1。

表1 整車參數(shù)

經(jīng)過系統(tǒng)選型計算，車型1和車型2的制動器性能參數(shù)可共用，即所設(shè)計的制動摩擦副具有一定的通用性，其總成關(guān)鍵性能參數(shù)見表2。

表2 共用制動器總成關(guān)鍵性能參數(shù)

2 制動噪聲臺架匹配的影響因素

SAE J2521 《盤式制動噪聲試驗標(biāo)準(zhǔn)》[2]是汽車行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的制動噪聲臺架匹配評價標(biāo)準(zhǔn)，在實際應(yīng)用中，通常結(jié)合自身經(jīng)驗進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。結(jié)合汽車制動噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素對上述2款車型進(jìn)行進(jìn)一步分析，將環(huán)境因素和車速等作為固定值，將汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)中的懸架桿系、襯套、輪轂軸承、制動盤、制動鉗等等效地視為對照變量，主要對與螺旋彈簧、減振器和轉(zhuǎn)向節(jié)硬點相關(guān)的參數(shù)以及試驗慣量進(jìn)行分析，具體見表3。

表3 制動噪聲臺架匹配參數(shù)對比

續(xù)表3

對比分析表3可知，車型1和車型2的變量參數(shù)僅存在較小的差異，而且減振器阻尼的差異并非影響制動噪聲匹配的關(guān)鍵因素，因此初步確定同平臺開發(fā)時，2款車型的制動摩擦副具有通用性。鑒于2款車型的開發(fā)周期不完全重合，同平臺進(jìn)行制動噪聲臺架匹配時，以車型1為主要開發(fā)驗證對象，車型2為輔助開發(fā)驗證對象。

3 制動噪聲開發(fā)匹配及驗證

在制動噪聲開發(fā)匹配之前，需要了解制動噪聲的分類及其主要來源，圖1為制動噪聲的主要類別及相應(yīng)的潛在激發(fā)源。

圖1 噪聲的主要類別及相應(yīng)噪聲源

3.1 噪聲的分類

（1）Shudder（judder）（5～100 Hz）：屬于汽車制動時的常見噪聲，主要由車輛懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共振產(chǎn)生。輪胎壓力發(fā)生變化時，部件旋轉(zhuǎn)不平衡性及制動扭矩偏差均增大，產(chǎn)生振動。駕乘人員感受到的振動不僅與共振頻率相關(guān)，而且與車輛自身結(jié)構(gòu)（傳動系統(tǒng)的形式、各部件自身的共振頻率等）相關(guān)[2]。

（2）Moan（小于500 Hz）：在車輛處于低速行駛狀態(tài)且制動壓力很小或幾乎不存在時極易產(chǎn)生。其產(chǎn)生機(jī)理通常與制動零部件、軸和懸架系統(tǒng)的剛性，制動與懸架裝置是否處于相對位置鎖死狀態(tài)，摩擦片和制動盤、制動鉗與摩擦片的壓力分布，以及非制動拖滯力矩等5個方面有關(guān)。

（3）Groan（500～600 Hz）：通常能被駕駛員直接感受到，汽車制動時車身俯仰角發(fā)生明顯變化，自動擋汽車制動時這種現(xiàn)象尤為顯著。這類由車身的前傾及后仰引起的噪聲表現(xiàn)為連續(xù)的、周期性振動，是由摩擦片與制動盤間的蠕動產(chǎn)生，出現(xiàn)概率較低，主要影響因素包括摩擦片熱變形效應(yīng)，摩擦片與制動盤之間、摩擦片與制動鉗之間的壓力分布，制動盤的變形效應(yīng)，以及摩擦力、車速、卡鉗剛性、軸套剛性等。

（4）Squeal（1 000～3 000 Hz）：由車輛運(yùn)動過程中制動系統(tǒng)與懸架結(jié)構(gòu)間固有頻率的耦合引起。

（5）Middle Frequency Squeal（3 000～6 000 Hz）一般由制動系統(tǒng)的隨機(jī)運(yùn)動引起，可能與摩擦片的材料、制動盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等密切相關(guān)，此外還可能與整車懸架系統(tǒng)相關(guān)，汽車制動時此類噪聲出現(xiàn)的概率較大。

3.2 模態(tài)仿真

振動分析方法主要基于系統(tǒng)自激振動理論，摩擦耦合導(dǎo)致制動器各部件模態(tài)參數(shù)匹配不當(dāng)，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，誘發(fā)系統(tǒng)自激振動產(chǎn)生，最終表現(xiàn)為制動噪聲。制動噪聲與制動盤的摩擦材料特性及具體結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)，須在制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計初期進(jìn)行模態(tài)解耦分析與處理。圖2為制動盤的模態(tài)分析。

3.3 噪聲匹配測試

通過制動噪聲臺架對影響噪聲的外部因素進(jìn)行測試及分析，結(jié)構(gòu)型式及布置方式如圖3所示。其中，臺架裝具采用軟裝具（1/4懸架總成），這種方式有利于探測制動試驗中的低頻尖嘯噪聲，試驗過程按照SAE J2521標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

臺架匹配共驗證17種摩擦片總成方案，最終根據(jù)匹配結(jié)果篩選對比，分別確定車型1前、后制動摩擦片的產(chǎn)品方案，試驗結(jié)果如圖4、圖5所示。

注：ND為垂向，T為切向。

圖3 制動噪聲臺架結(jié)構(gòu)型式及布置方案

將確定的車型1前、后制動摩擦片搭載在車型2的噪聲匹配臺架上進(jìn)行測試驗證，試驗結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

對比車型1、車型2的試驗結(jié)果，2款車型的前制動器制動噪聲頻率非常接近，但相同工況下二者的噪聲發(fā)生率略有不同（車型2較車型1增加22.3%，不成倍增加通常認(rèn)定不存在風(fēng)險）。2款車型的噪聲發(fā)生率相近(車型1和車型2的前制動器噪聲發(fā)生率分別為0.59%和0.63%，后制動器噪聲發(fā)生率分別為0.71%和0.98%)，前、后制動器的制動噪聲匹配及試驗結(jié)果在目標(biāo)允許范圍內(nèi)（SAE J2521中定義的優(yōu)秀等級為噪聲發(fā)生率≤1.25%）；而且2款車型的噪聲匹配曲線表現(xiàn)出良好的集中性(圖4～圖7中噪聲發(fā)生點分布都較為集中，未出現(xiàn)多個散發(fā)點)，將其作為通用零部件可能引起安全事故的風(fēng)險較小?？傮w上，前、后制動器的通用化不會帶來安全風(fēng)險。

圖4 車型1前制動器的噪聲匹配結(jié)果

圖5 車型1后制動器的噪聲匹配結(jié)果

圖6 車型2的前制動器噪聲匹配結(jié)果

圖7 車型2的后制動器噪聲匹配結(jié)果

3.4 制動噪聲道路試驗

在黃山專用試驗場，對車型1和車型2進(jìn)行16 000 km制動噪聲道路測試，2款車型試驗時間間隔8個月，試驗行駛路線包括山路和高速路。2款車型的制動噪聲路試結(jié)果整體表現(xiàn)較好，車型1的前、后制動器噪聲發(fā)生率分別為0.231%和0.112%，車型2的前、后制動器噪聲發(fā)生率分別為0.282%和0.087%，2款車型試驗數(shù)據(jù)較為一致，總體上滿足同平臺制動器總成匹配開發(fā)的要求。

4 結(jié) 論

基于某多車型開發(fā)平臺開展制動器總成選型匹配及測試的臺架及道路試驗，考察不同車型在相同工況下制動器效能表現(xiàn)的差異，最終判定制動器總成平臺通用的可行性。結(jié)果表明，在底盤硬點、懸架剛度、軸荷與分配比差異較小的情況下，制動器總成通用化設(shè)計帶來的安全隱患較小，零部件通用性較好，2款車型制動噪聲發(fā)生工況及頻率較為接近，并且實車試驗與臺架測試結(jié)果吻合程度較高，所選用的臺架試驗與實車試驗可以互相驗證，所提出的基于多車型開發(fā)平臺的制動噪聲匹配及測試方案合理有效。

[1]吳天玉. 制動噪音分析研究[J]. 南方農(nóng)機(jī), 2017(14)：195.

[2]SAE.盤式制動噪聲試驗標(biāo)準(zhǔn)：SAE J2521[S].SAE，2001.

[3]張立軍，陳前銀，刁坤，等. 摩擦襯片開槽方式對盤式制動器摩擦尖叫的影響[C]//中國汽車工程學(xué)會.中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京：中國汽車工程學(xué)會，2013.

1002-4581（2021）05-0020-04

U463.51

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10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.006

2021-07-14