劉擁軍 Liu Yongjun

調(diào)諧阻尼器抑制制動(dòng)低鳴噪聲的研究

劉擁軍 Liu Yongjun

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 項(xiàng)目管理部，上海 201201）

介紹了制動(dòng)低鳴噪聲的特性與產(chǎn)生機(jī)理，探索阻尼器在抑制制動(dòng)低鳴噪聲的應(yīng)用。深入分析了調(diào)諧阻尼器抑制低鳴噪聲的原理，建立阻尼器抑制制動(dòng)低鳴噪聲的整車試驗(yàn)方法，提出阻尼器匹配開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)特性，通過六西格瑪設(shè)計(jì)方法選出最優(yōu)阻尼器。研究結(jié)果表明調(diào)諧阻尼器可以在整車開發(fā)過程中快速解決制動(dòng)低鳴噪聲。

調(diào)諧阻尼器；制動(dòng)低鳴噪聲；六西格瑪設(shè)計(jì)

制動(dòng)低鳴噪聲是在低制動(dòng)壓力和低車速下出現(xiàn)的一種低鳴噪聲。低鳴噪聲的固有頻率通常在200～600 Hz范圍內(nèi)，具有強(qiáng)特征的固定頻率。當(dāng)車輛以低于10 km/h的速度行駛時(shí)，施加輕微的制動(dòng)壓力，通常更容易出現(xiàn)低鳴噪聲。

制動(dòng)低鳴噪聲具有與高頻噪聲相似的特性，制動(dòng)低鳴和制動(dòng)尖叫都是典型的自激振動(dòng)。該自激振動(dòng)是由制動(dòng)盤和摩擦片之間的摩擦力引起，對(duì)摩擦系數(shù)和接觸面的接觸剛度、接觸狀態(tài)非常敏感。一般來說制動(dòng)尖叫是由基礎(chǔ)制動(dòng)部件的模態(tài)耦合產(chǎn)生的噪聲；制動(dòng)低鳴噪聲，則通過底盤部件（包括制動(dòng)部件）的模態(tài)耦合產(chǎn)生噪聲，制動(dòng)器、懸架和車輛傳動(dòng)軸之間的振動(dòng)相互作用。正是由于這個(gè)原因，一般來說，制動(dòng)低鳴噪聲的頻率低于制動(dòng)尖叫。

為了預(yù)防低鳴噪聲，當(dāng)前業(yè)界普遍采用摩擦片預(yù)選和有限復(fù)特征值分析方法，但是很多案例表明，兩種方法都不能完全解決問題。所以在開發(fā)匹配制動(dòng)系統(tǒng)過程中，需要提前做降噪阻尼減振器的設(shè)計(jì)保護(hù)。

研究的最終目標(biāo)是基于制動(dòng)低鳴噪聲特性，探索阻尼器在抑制制動(dòng)低鳴噪聲方面的應(yīng)用，研究阻尼器抑制低鳴噪聲的工作原理和阻尼器的關(guān)鍵特性要求，通過六西格瑪設(shè)計(jì)方法優(yōu)化選配阻尼器，從而在有低鳴噪聲的車輛上快速解決問題。

1 低鳴噪聲機(jī)理及解決措施探索

制動(dòng)低鳴噪聲近年來在學(xué)術(shù)界和工程界受到普遍關(guān)注，越來越多的人探索其發(fā)生機(jī)理和穩(wěn)健的解決措施。

文獻(xiàn)[1]認(rèn)為制動(dòng)低鳴噪聲是由摩擦片和制動(dòng)盤之間的相互作用而引起的，這種現(xiàn)象稱為粘滑。制動(dòng)時(shí)，摩擦片和制動(dòng)盤之間產(chǎn)生粘滑，導(dǎo)致摩擦片振動(dòng)，通過制動(dòng)鉗及周邊懸架系統(tǒng)傳播引起噪聲；介紹了采用貢獻(xiàn)分析法來提取懸架系統(tǒng)中對(duì)傳遞低鳴噪聲有很大貢獻(xiàn)的部分，通過優(yōu)化懸架模塊的支架改善低鳴噪聲。

文獻(xiàn)[2]提出了一種分析建模方法來處理制動(dòng)低鳴噪聲，建立了摩擦片預(yù)選流程，旨在通過識(shí)別摩擦系數(shù)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)變化很小的摩擦材料來解決低鳴噪聲。從推導(dǎo)和案例研究中可以看出，摩擦系數(shù)的變化是引起低鳴噪聲的誘因，然而摩擦系數(shù)與制動(dòng)鉗狀態(tài)、車輛的行駛狀態(tài)以及工作環(huán)境有非常大的關(guān)系，同時(shí)也意識(shí)到基于摩擦片動(dòng)靜態(tài)摩擦系數(shù)變化的設(shè)計(jì)不足以防止低鳴噪聲的發(fā)生。低鳴噪聲涉及多學(xué)科零部件設(shè)計(jì)工作，制動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車輪/輪胎、車軸總成的設(shè)計(jì)對(duì)于防止低鳴噪聲非常必要。

文獻(xiàn)[3]詳細(xì)論述了摩擦片切向偏磨是引起制動(dòng)低鳴噪聲的主要原因。隨著摩擦片偏磨程度增大，系統(tǒng)的負(fù)阻尼比增大，產(chǎn)生噪聲的趨勢(shì)增大。在制動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)初期，需要加強(qiáng)制動(dòng)卡鉗的剛度分析，同時(shí)對(duì)摩擦片磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)，優(yōu)化制動(dòng)鉗設(shè)計(jì)，減少摩擦片出現(xiàn)偏磨；在磨損或者偏磨情況下，對(duì)制動(dòng)低鳴噪聲進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，使得制動(dòng)系統(tǒng)噪聲性能在生命周期內(nèi)表現(xiàn)更加穩(wěn)健，不容易發(fā)生制動(dòng)噪聲。

文獻(xiàn)[4]通過模態(tài)分析技術(shù)，可以在試驗(yàn)和操作上確認(rèn)哪一個(gè)零件的固有頻率是引起低鳴噪聲的原因。對(duì)包含制動(dòng)器的后懸架模型進(jìn)行計(jì)算分析，其優(yōu)化方案降低了結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)，從而消除低鳴噪聲。

綜上所述，低鳴噪聲是由摩擦片的摩擦系數(shù)變化誘發(fā)，因制動(dòng)器及懸架相關(guān)部件的固有頻率匹配不當(dāng)，出現(xiàn)頻率耦合，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生噪聲。低鳴噪聲的產(chǎn)生與摩擦片和制動(dòng)盤以及制動(dòng)鉗與摩擦片的壓力分布有關(guān)，當(dāng)制動(dòng)器和懸架系統(tǒng)之間處于耦合鎖死狀態(tài)時(shí)，低鳴噪聲會(huì)持續(xù)發(fā)生，即使不再輸入制動(dòng)壓力也會(huì)發(fā)生。

當(dāng)前制動(dòng)低鳴噪聲還不能完全通過前期的摩擦片預(yù)選和有限元分析進(jìn)行預(yù)防，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需要做抑制噪聲的阻尼器設(shè)計(jì)保護(hù)。當(dāng)發(fā)生低鳴噪聲時(shí)，可以更改懸架系統(tǒng)或者制動(dòng)器，但其變動(dòng)影響大，解決方案的設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證周期長(zhǎng)，實(shí)施比較困難，通常采用調(diào)諧阻尼器來抑制低鳴噪聲更快速、更具有經(jīng)濟(jì)可行性。

2 調(diào)諧阻尼器解決低鳴噪聲的原理

阻尼器消聲原理是基于理想的機(jī)械裝置，利用阻尼來吸能減振，耗減振動(dòng)能量，從而使能量從原始結(jié)構(gòu)消失。該原理不是使能量真正消失，更應(yīng)該看作是一種能量轉(zhuǎn)換。

阻尼器一般安裝在噪聲激勵(lì)源，針對(duì)低鳴噪聲來說，阻尼器主要安裝在制動(dòng)器上。

2.1 橡膠減振器原理

橡膠減振器以阻止振動(dòng)和沖擊的傳遞，起緩沖作用為目的，利用振動(dòng)時(shí)橡膠聚合物分子鏈內(nèi)摩擦，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到減振目的。橡膠的阻尼性能對(duì)減振器的減振效果有著重要的影響。為了提高調(diào)諧減振器的減振效果，制動(dòng)調(diào)諧減振器選擇具有高阻尼特性的硅膠作為減振材料。硅膠等高分子聚合物，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，常被用來制成粘彈性材料，其分子和分子之間依靠化學(xué)鍵或者物理鍵相互連接，構(gòu)成三維分子網(wǎng)，高分子聚合物的分子之間很容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；另外，這類材料分子內(nèi)部的化學(xué)單元也能自由旋轉(zhuǎn)；因此，受到外力時(shí)，曲折狀的分子鏈會(huì)產(chǎn)生拉伸、扭曲等變形，分子間的鏈段也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的滑移和扭轉(zhuǎn)；當(dāng)外力除去后，變形的分子鏈要恢復(fù)原位，分子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)部分復(fù)原，釋放外力做的功。通過硅膠的高阻尼特性，減小激勵(lì)的幅值，抑制激勵(lì)的傳遞以降低強(qiáng)迫振動(dòng)的強(qiáng)度。

減振用阻尼材料不僅要求損耗系數(shù)較高，而且要求具有一定的撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。由于制動(dòng)鉗在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，因此在開發(fā)過程中需要考慮硅膠的熱穩(wěn)定性。

2.2 調(diào)諧阻尼器的結(jié)構(gòu)

制動(dòng)調(diào)諧阻尼器主要由前外殼、后外殼、硅膠、芯軸及輔助零件（前后防塵罩和緊固螺栓）組成，如圖1所示。

圖1 阻尼器結(jié)構(gòu)圖

硅膠和芯軸是調(diào)諧阻尼器的核心部件，主要通過調(diào)整硅膠和芯軸的形狀、尺寸和材料來調(diào)節(jié)阻尼器的阻尼和不同方向的固有頻率。

制動(dòng)器周邊零件眾多，阻尼器殼體的尺寸大小影響零件的布置，同時(shí)考慮到增加的阻尼器重量對(duì)制動(dòng)器性能的影響，其重量也有選配要求。制動(dòng)器位于底盤，阻尼器的殼體需要具有耐腐蝕性、耐疲勞強(qiáng)度和制造可行性的特征，一般選擇鋁合金材料作為阻尼器的殼體。阻尼器重量根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)。調(diào)整不同的芯軸和尺寸設(shè)計(jì)，阻尼器在軸向和徑向上呈現(xiàn)不同的固有頻率。

3 調(diào)諧阻尼器的應(yīng)用

以某整車出現(xiàn)的373 Hz低鳴噪聲為例，詳細(xì)描述如何通過調(diào)整阻尼器參數(shù)，設(shè)計(jì)和選擇適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品，使低鳴噪聲得到改善。

3.1 失效工況標(biāo)準(zhǔn)化探測(cè)

目前，低鳴噪聲的采集和測(cè)試主要通過整車道路試驗(yàn)進(jìn)行。從眾多失效數(shù)據(jù)及失效零件分析中，歸納出低鳴噪聲的出現(xiàn)主要與制動(dòng)鉗狀態(tài)、整車行駛狀態(tài)和工作環(huán)境有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)化失效工況測(cè)試有利于更準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)制動(dòng)噪聲。根據(jù)車輛的車速（3 km/h或5 km/h）、制動(dòng)方向（前進(jìn)或后退）、是否轉(zhuǎn)向（是或否）、制動(dòng)減速度（0.05或0.1）、工作環(huán)境（潮濕或干燥）、摩擦片磨損情況（0.5 mm偏磨或1 mm偏磨）共6個(gè)維度，制成了64種測(cè)試工況，見表1。通過水淋試驗(yàn)復(fù)現(xiàn)潮濕工況，并且對(duì)水淋后的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行了限制，盡量保證試驗(yàn)工況的一致性。對(duì)失效車輛在64種工況下測(cè)試，選擇出現(xiàn)噪聲最明顯的工況進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并作為抑制噪聲的標(biāo)準(zhǔn)考核工況。64個(gè)復(fù)現(xiàn)噪聲測(cè)試結(jié)果顯示該車型在潮濕工況、車速3 km/h、制動(dòng)減速度為0.05、倒車轉(zhuǎn)向時(shí)低鳴噪聲最大。

表1 64種測(cè)試工況

3.2 噪聲數(shù)據(jù)采集

低鳴噪聲不僅與制動(dòng)模塊（制動(dòng)鉗、制動(dòng)盤、摩擦片）有關(guān)，與懸架系統(tǒng)也有關(guān)系。針對(duì)該低鳴噪聲，分別采集制動(dòng)器噪聲信號(hào)以及制動(dòng)器與懸架系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)，確定影響低鳴噪聲的固有頻率。振動(dòng)信號(hào)的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，分別布置在制動(dòng)鉗殼體、制動(dòng)鉗支架、制動(dòng)底板和后橋兩端。

圖2 振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)布置

圖3為沒有低鳴噪聲時(shí)各零部件的振動(dòng)信號(hào)，圖4為出現(xiàn)了低鳴噪聲時(shí)各零部件的振動(dòng)信號(hào)。從圖中可以看出，出現(xiàn)低鳴噪聲時(shí)，制動(dòng)鉗殼體在整車坐標(biāo)軸的向和向上振動(dòng)加速度增大。振動(dòng)加速度的幅值和振動(dòng)頻率決定了阻尼器的選擇。

圖3 沒有低鳴噪聲的振動(dòng)信號(hào)

圖4 有低鳴噪聲的振動(dòng)信號(hào)

3.3 調(diào)諧阻尼器選擇

阻尼器選擇有4個(gè)重要參數(shù)，重量、阻尼、軸向和徑向固有頻率，以這4個(gè)參數(shù)作為六西格瑪設(shè)計(jì)優(yōu)化的控制因子。

由于制造系列化的原因，阻尼器重量選擇2個(gè)水平，阻尼系數(shù)和固有頻率各自選擇3個(gè)水平，見表2。

表2 控制因子和控制因子水平

阻尼器的應(yīng)用應(yīng)該保證整車的整個(gè)生命周期。在車輛生命周期內(nèi)，摩擦片的偏磨對(duì)制動(dòng)鉗性能影響很大，一般當(dāng)摩擦片的偏磨大于1 mm時(shí)，應(yīng)該更換摩擦片。選擇摩擦片的偏磨作為噪聲因子，選擇0.5 mm、1 mm作為噪聲因子水平。

圖5顯示了該優(yōu)化項(xiàng)目的信號(hào)、噪聲因子、控制因子和響應(yīng)等參數(shù)的相互關(guān)系。

用L18陣列測(cè)得的振動(dòng)幅值結(jié)果見表3，其中E、F、G、H為其他部件，不需要考慮不同的水平，計(jì)算出的各參數(shù)水平的信噪比和噪聲平均值見表4、表5。

圖5 參數(shù)圖

表3 L18陣列測(cè)試結(jié)果

表4 信噪比 dB

表5 噪聲平均值 m/s2

信噪比是指由噪聲信號(hào)引起的系統(tǒng)變化，換言之，通過最大化信噪比值，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更一致的功能，從而在有噪聲的情況下，輸出變化更小。所提出的魯棒優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小激勵(lì)源的振幅，用“越小越好”的響應(yīng)計(jì)算信噪比。

優(yōu)化目標(biāo)選擇最小化平均值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的信噪比。主要目標(biāo)是減小振幅，同時(shí)兼顧到成本的影響，從圖3測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，振幅小于0.1 m/s2，系統(tǒng)不出現(xiàn)低鳴噪聲。從L18陣列測(cè)試結(jié)果可以看出，阻尼器的阻尼是最重要的影響因素，阻尼器不同方向的固有頻率也會(huì)產(chǎn)生影響。按照測(cè)試結(jié)果選擇出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案A2B3C3D2。

根據(jù)確定的優(yōu)化方案A2B3C3D2和L18陣列測(cè)試結(jié)果，將預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，并在表6中計(jì)算優(yōu)化收益，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)使低鳴噪聲有較大的改善。預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值的平均偏差由增加系統(tǒng)阻尼引起，通過信噪比的增益數(shù)值可以確認(rèn)A2B3C3D2設(shè)計(jì)方案的參數(shù)選擇合理。

表6 優(yōu)化收益確認(rèn)

4 結(jié) 論

通過標(biāo)準(zhǔn)化的整車試驗(yàn)工況，采集低鳴噪聲和振動(dòng)信號(hào)，并應(yīng)用六西格瑪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化方案選擇，運(yùn)用調(diào)諧阻尼器快速解決制動(dòng)低鳴噪聲問題。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)存在問題，調(diào)諧阻尼器布置在制動(dòng)器上，改變了制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，如果選擇的位置不對(duì)，有增加摩擦片偏磨的可能。目前阻尼器的成本比較高，需要深入研究如何提升低鳴噪聲的早期探測(cè)手段，從制動(dòng)器早期開發(fā)過程中消除低鳴噪聲發(fā)生的隱患。

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A

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