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(tái)多款車(chē)型制動(dòng)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(chē)股份有限公司，北京 100176）

零部件的通用性是基于開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行車(chē)型及系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的基礎(chǔ)。作為汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)選型的基礎(chǔ)部件，所設(shè)計(jì)的前后制動(dòng)器總成應(yīng)具有最優(yōu)的通用性；另外，制動(dòng)器總成設(shè)計(jì)不僅須滿(mǎn)足制動(dòng)效能的要求，還應(yīng)兼顧汽車(chē)制動(dòng)時(shí)乘員的舒適性和噪聲污染的量級(jí)。針對(duì)2款車(chē)型介紹基于某平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中制動(dòng)器通用化選型設(shè)計(jì)策略，研究制動(dòng)噪聲匹配設(shè)計(jì)的內(nèi)在機(jī)理，并分析所選車(chē)型制動(dòng)噪聲匹配試驗(yàn)的性能表現(xiàn)，為基于同平臺(tái)開(kāi)發(fā)其他車(chē)型提供經(jīng)驗(yàn)。

車(chē)型開(kāi)發(fā)平臺(tái)；零部件通用性；制動(dòng)效能；制動(dòng)噪聲；匹配驗(yàn)證

0 引 言

車(chē)輛的平臺(tái)化開(kāi)發(fā)以大眾汽車(chē)為典型代表，各整車(chē)企業(yè)均不斷借鑒其發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。在基于平臺(tái)的車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，須盡量使所設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)規(guī)劃初期完成，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)為：1）產(chǎn)品系列趨于凝練化，針對(duì)日益多樣化、復(fù)雜化的車(chē)型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，可通過(guò)搭積木方式實(shí)現(xiàn)若干系列零部件選?。?）產(chǎn)品適用性逐漸增強(qiáng)，使開(kāi)發(fā)周期縮短和技術(shù)成本降低。

值得注意的是，汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的匹配和開(kāi)發(fā)需滿(mǎn)足國(guó)際及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制動(dòng)效能的主客觀(guān)要求，同時(shí)考慮車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程中乘員的舒適性和環(huán)境變量對(duì)制動(dòng)噪聲的潛在影響。其中，制動(dòng)噪聲日益受到汽車(chē)工業(yè)界的廣泛關(guān)注，逐漸成為未來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的攻關(guān)難題；其產(chǎn)生機(jī)理十分復(fù)雜，制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)特征、材料特性、裝配精度、摩擦片的磨損、制動(dòng)盤(pán)厚薄差、環(huán)境件的結(jié)構(gòu)特征和環(huán)境溫度、濕度、制動(dòng)力、車(chē)速的變化都會(huì)產(chǎn)生不同頻率和響度的制動(dòng)噪聲[1]。

制動(dòng)噪聲主要分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲2類(lèi)，結(jié)構(gòu)噪聲通過(guò)車(chē)身或底盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播的制動(dòng)噪聲，空氣噪聲通過(guò)汽車(chē)內(nèi)、外循環(huán)的空氣進(jìn)行傳播，這2類(lèi)噪聲不同程度地影響著駕乘人員感受。制動(dòng)噪聲具有隨機(jī)性、時(shí)變性、瞬時(shí)性等特征，依據(jù)自激振動(dòng)理論分析制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理：摩擦耦合引發(fā)制動(dòng)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(dòng)并形成制動(dòng)噪聲。對(duì)人產(chǎn)生影響的制動(dòng)噪聲頻率范圍一般從幾十赫茲至上萬(wàn)赫茲，可按照噪聲頻段及發(fā)生環(huán)境有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。

1 制動(dòng)器選型

基于某平臺(tái)的2款首發(fā)典型基礎(chǔ)車(chē)型的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整車(chē)參數(shù)

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)選型計(jì)算，車(chē)型1和車(chē)型2的制動(dòng)器性能參數(shù)可共用，即所設(shè)計(jì)的制動(dòng)摩擦副具有一定的通用性，其總成關(guān)鍵性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 共用制動(dòng)器總成關(guān)鍵性能參數(shù)

2 制動(dòng)噪聲臺(tái)架匹配的影響因素

SAE J2521 《盤(pán)式制動(dòng)噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[2]是汽車(chē)行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的制動(dòng)噪聲臺(tái)架匹配評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際應(yīng)用中，通常結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。結(jié)合汽車(chē)制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素對(duì)上述2款車(chē)型進(jìn)行進(jìn)一步分析，將環(huán)境因素和車(chē)速等作為固定值，將汽車(chē)結(jié)構(gòu)參數(shù)中的懸架桿系、襯套、輪轂軸承、制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鉗等等效地視為對(duì)照變量，主要對(duì)與螺旋彈簧、減振器和轉(zhuǎn)向節(jié)硬點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)以及試驗(yàn)慣量進(jìn)行分析，具體見(jiàn)表3。

表3 制動(dòng)噪聲臺(tái)架匹配參數(shù)對(duì)比

續(xù)表3

對(duì)比分析表3可知，車(chē)型1和車(chē)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(dòng)噪聲匹配的關(guān)鍵因素，因此初步確定同平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)，2款車(chē)型的制動(dòng)摩擦副具有通用性。鑒于2款車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期不完全重合，同平臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)噪聲臺(tái)架匹配時(shí)，以車(chē)型1為主要開(kāi)發(fā)驗(yàn)證對(duì)象，車(chē)型2為輔助開(kāi)發(fā)驗(yàn)證對(duì)象。

3 制動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)匹配及驗(yàn)證

在制動(dòng)噪聲開(kāi)發(fā)匹配之前，需要了解制動(dòng)噪聲的分類(lèi)及其主要來(lái)源，圖1為制動(dòng)噪聲的主要類(lèi)別及相應(yīng)的潛在激發(fā)源。

圖1 噪聲的主要類(lèi)別及相應(yīng)噪聲源

3.1 噪聲的分類(lèi)

（1）Shudder（judder）（5～100 Hz）：屬于汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的常見(jiàn)噪聲，主要由車(chē)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(shí)，部件旋轉(zhuǎn)不平衡性及制動(dòng)扭矩偏差均增大，產(chǎn)生振動(dòng)。駕乘人員感受到的振動(dòng)不僅與共振頻率相關(guān)，而且與車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)（傳動(dòng)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(chē)輛處于低速行駛狀態(tài)且制動(dòng)壓力很小或幾乎不存在時(shí)極易產(chǎn)生。其產(chǎn)生機(jī)理通常與制動(dòng)零部件、軸和懸架系統(tǒng)的剛性，制動(dòng)與懸架裝置是否處于相對(duì)位置鎖死狀態(tài)，摩擦片和制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鉗與摩擦片的壓力分布，以及非制動(dòng)拖滯力矩等5個(gè)方面有關(guān)。

（3）Groan（500～600 Hz）：通常能被駕駛員直接感受到，汽車(chē)制動(dòng)時(shí)車(chē)身俯仰角發(fā)生明顯變化，自動(dòng)擋汽車(chē)制動(dòng)時(shí)這種現(xiàn)象尤為顯著。這類(lèi)由車(chē)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(dòng)，是由摩擦片與制動(dòng)盤(pán)間的蠕動(dòng)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(dòng)盤(pán)之間、摩擦片與制動(dòng)鉗之間的壓力分布，制動(dòng)盤(pán)的變形效應(yīng)，以及摩擦力、車(chē)速、卡鉗剛性、軸套剛性等。

（4）Squeal（1 000～3 000 Hz）：由車(chē)輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起，可能與摩擦片的材料、制動(dòng)盤(pán)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(chē)懸架系統(tǒng)相關(guān)，汽車(chē)制動(dòng)時(shí)此類(lèi)噪聲出現(xiàn)的概率較大。

3.2 模態(tài)仿真

振動(dòng)分析方法主要基于系統(tǒng)自激振動(dòng)理論，摩擦耦合導(dǎo)致制動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生，最終表現(xiàn)為制動(dòng)噪聲。制動(dòng)噪聲與制動(dòng)盤(pán)的摩擦材料特性及具體結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)，須在制動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期進(jìn)行模態(tài)解耦分析與處理。圖2為制動(dòng)盤(pán)的模態(tài)分析。

3.3 噪聲匹配測(cè)試

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

臺(tái)架匹配共驗(yàn)證17種摩擦片總成方案，最終根據(jù)匹配結(jié)果篩選對(duì)比，分別確定車(chē)型1前、后制動(dòng)摩擦片的產(chǎn)品方案，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

注：ND為垂向，T為切向。

圖3 制動(dòng)噪聲臺(tái)架結(jié)構(gòu)型式及布置方案

將確定的車(chē)型1前、后制動(dòng)摩擦片搭載在車(chē)型2的噪聲匹配臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

對(duì)比車(chē)型1、車(chē)型2的試驗(yàn)結(jié)果，2款車(chē)型的前制動(dòng)器制動(dòng)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(chē)型2較車(chē)型1增加22.3%，不成倍增加通常認(rèn)定不存在風(fēng)險(xiǎn)）。2款車(chē)型的噪聲發(fā)生率相近(車(chē)型1和車(chē)型2的前制動(dòng)器噪聲發(fā)生率分別為0.59%和0.63%，后制動(dòng)器噪聲發(fā)生率分別為0.71%和0.98%)，前、后制動(dòng)器的制動(dòng)噪聲匹配及試驗(yàn)結(jié)果在目標(biāo)允許范圍內(nèi)（SAE J2521中定義的優(yōu)秀等級(jí)為噪聲發(fā)生率≤1.25%）；而且2款車(chē)型的噪聲匹配曲線(xiàn)表現(xiàn)出良好的集中性(圖4～圖7中噪聲發(fā)生點(diǎn)分布都較為集中，未出現(xiàn)多個(gè)散發(fā)點(diǎn))，將其作為通用零部件可能引起安全事故的風(fēng)險(xiǎn)較小?？傮w上，前、后制動(dòng)器的通用化不會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 車(chē)型1前制動(dòng)器的噪聲匹配結(jié)果

圖5 車(chē)型1后制動(dòng)器的噪聲匹配結(jié)果

圖6 車(chē)型2的前制動(dòng)器噪聲匹配結(jié)果

圖7 車(chē)型2的后制動(dòng)器噪聲匹配結(jié)果

3.4 制動(dòng)噪聲道路試驗(yàn)

在黃山專(zhuān)用試驗(yàn)場(chǎng)，對(duì)車(chē)型1和車(chē)型2進(jìn)行16 000 km制動(dòng)噪聲道路測(cè)試，2款車(chē)型試驗(yàn)時(shí)間間隔8個(gè)月，試驗(yàn)行駛路線(xiàn)包括山路和高速路。2款車(chē)型的制動(dòng)噪聲路試結(jié)果整體表現(xiàn)較好，車(chē)型1的前、后制動(dòng)器噪聲發(fā)生率分別為0.231%和0.112%，車(chē)型2的前、后制動(dòng)器噪聲發(fā)生率分別為0.282%和0.087%，2款車(chē)型試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為一致，總體上滿(mǎn)足同平臺(tái)制動(dòng)器總成匹配開(kāi)發(fā)的要求。

4 結(jié) 論

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

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

[2]SAE.盤(pán)式制動(dòng)噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：SAE J2521[S].SAE，2001.

[3]張立軍，陳前銀，刁坤，等. 摩擦襯片開(kāi)槽方式對(duì)盤(pán)式制動(dòng)器摩擦尖叫的影響[C]//中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì).中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，2013.

1002-4581（2021）05-0020-04

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10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.006

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