文章编号:1006-1355(2008)04-0082-02
汽车制动引起共振的对策研究概述
彭丽君,于学华
(华南理工大学汽车工程学院,广州510641)
摘 要:对某一车型在一定的速度范围内进行低压制动时,车的后制动系统与悬架系统发生共振,最后引起仪表台的强烈振动。在参阅大量文献的基础上,初步分析共振的原因,并进行了方案设计,为后续实际解决问题提供具体的思路。
关键词:振动与波;低频抖动;中频颤振;高频啸叫;机理分析;传递路径分析中图分类号:U463.5 文献标识码:A
Study on the Coun term ea sures of Veh i cle Brake Resonance
PEN G L i 2jun,YU X ue 2hua
(South China University of Technol ogy,Guangzhou 510641,China )
Abstract:W hen a certain vehicle is braking with l o w p ressure at s ome s peed,the instru ment panel vibrates str ongly f or the res onance of the brake syste m and the rear sus pensi on syste m.This paper analyzes s ome reas ons and designs s ome counter measures theoretically t o p r ovide comp lete idea f or res ol 2ving such p r oble m s .
Key words:vibrati on and wave;brake judder;brake chatter;brake squeal;mechanis m analysis;transfer path analysis
收稿日期:2007209226
作者简介:彭丽君(1981-),女,湖北天门人,工学硕士,研究方向为
汽车的噪声与振动控制技术。
制动引起的振动根据其发生机理可分为三类[2]
:低频抖动、中频颤动和高频啸叫。其中低频抖动的频率通常在10-50Hz 的范围内,与车速呈一定的阶次关系,主要是由制动力矩波动引起的低频强迫振动。中频颤振的发生频率为100-1000Hz,是由制动盘和摩擦块表面间的摩擦特性引起。高频啸叫通过空气传播,频率一般在1000Hz 以上,与制动系统元件的模态以及表面辐射系数有关。
制动引起的振动往往会恶化汽车的制动平稳性,对乘员的乘坐舒适性也会造成影响,并且会加大驾驶员误操作的可能,同时这种振动还会降低相关零件的寿命,严重时还会造成承载零件的早期破损,从而影响到行车的安全性能。所以对制动引起的振动现象的研究是非常重要的。目前,国内也有相当一部分车型存在着制动时后轴制动系统和悬架系统共振的问题。所以本文的分析对这类问题的解决有一定的借鉴作用。
1 理论回顾
在对一个问题进行分析时,首先要找出问题的根源,同样在研究制动引起的振动问题时,对于引起振动的机理分析是必不可少的,它有助于从根源上解决问题。对于机理分析,国内外从摩擦学、运动学
等各方面都作了很多的努力。
针对制动产生的低频抖动、中频颤振和高频啸叫的研究已经有了一定的积累。但是由于振动、噪声的产生取决于复杂多变的制动工况,与使用的环境密切相关。所以到目前为止,无论是从发生机理还是分析方法都没有取得很一致的结论。下面针对已有的研究成果作一个机理回顾分析。1.1 低频抖动
低频抖动[1,2,7]
的研究报道最早出现在上世纪80年代,目前对制动抖动现象多是从制动压力和制动力矩的波动着手分析。形成制动压力和制动力矩波动的主要影响因素是:制动盘的厚薄差、端面跳动和摩擦系数的变化。旋转件不平衡和轴承间隙过大等原因对制动抖动也有一定的影响,但这些不是主要的原因,并且这类影响因素也很容易发现并消除。1.2 中频颤振
对中频颤振[3,4]
的研究也有几十年的历史了,无论理论上还是试验分析上,制动颤振的研究都有了很多的成果,但是却没有有效地解决这个问题。最终对颤振的原因分析归结为:模态耦合理论和摩擦力2速度负斜率关系。前者认为制动过程中系统模态发生耦合是诱因,而后者从数学模型的角度分析,认为摩擦力2速度的负斜率给系统提供了负阻尼,使系统处于不稳定状态,导致系统的振动越来越大,从而形成颤振。(当摩擦力2相对滑动速度的负斜率大于系统的阻尼时,摩擦力将对摩擦系统作正
2008年8月 噪 声 与 振 动 控 制 第4期
功从而引起系统的自激振动。)
1.3 高频啸叫
对于高频啸叫[6]的研究始于上世纪三十年代,其机理解释可大致分为两类:自激振动和“热点”理论。
自激振动2最初的研究是从研究摩擦副本身的摩擦特性入手的。该理论认为摩擦特性是引起制动噪声的根本原因。因为摩擦系数有两个特征:静摩擦系数大于动摩擦系数和摩擦系数在一定区间随相对滑动速度的增大而减小。前者可能导致系统出现粘滑现象,后者会导致系统的负阻尼效应,当系统本身的阻尼不太大时,系统振动可能发散,引起制动噪声。但是后来的实践表明这种片面的分析方法远远不能解决制动器的振动噪声问题。随后,M illner证明了无论是鼓式制动器还是盘式制动器,当摩擦系数μ为常数时,制动噪声仍可能发生。所以后期很多通过有限元来分析这种制动过程时,通常假设μ为常数。从80年代中期开始从结构上研究制动振动的发生机理。最初是对单个的零部件进行模态分析研究,结果发现振动噪声发生的频率往往并不是系统中某一单一部件的固有频率。后来通过实验验证,高频啸叫的分析研究应该从整个系统的振动特性考虑。
“热点”理论2这个理论认为制动盘表面在制动过程中产生热点导致振动噪声。但是相关的研究还不完善,利用该理论,无论是用解析模型还是有限元模型对实际制动器热点的仿真,效果都不理想。所以也就没有利用此理论解决实际问题的相关报道。
2 制动引起的共振分析
本课题研究的车型的典型故障是:在一定的车速范围内对该车进行低压制动时,悬架、车身地板、仪表盘都发生剧烈抖动。
2.1 机理分析
从上面对制动引起的低频抖动和中频颤振的机理分析可以看出,引起系统的振动一定有振源,传递振动能量的路径,最后表现为系统的振动。低频抖动[2]是制动力矩的波动作为振动源,对周围环境进行激励,当激励频率和传递路径上某子系统固有频率重合或接近时,形成系统的共振。低频抖动发生在一定的车速范围内,当车轮转动一周,由于制动器本身的结构因素(如盘式制动器的力矩波动是由于制动盘的厚薄差等原因)引起制动力矩的变化。而中频颤振[3]主要是因为摩擦特性的变化引起制动器内部的摩擦振动,并通过周围环境形成系统的振动。且不论是制动力矩的波动还是摩擦力的周期性变化(实质是温度、力矩变化等引起的摩擦系数μ的变化)都是发生在制动系统内部,与制动器的结构以及摩擦材料的特性有关。所以可以确定在振动的传递途径中,制动器是振源,应该从制动器内部各参数的变化中考察是什么原因引起制动器的振动。
在对盘式和鼓式制动器的结构分析过程中,也形成了一些结论。盘式制动器主要是由于制动盘的厚薄差,端面跳动等。厚薄差直接影响到制动力矩的变化,端面跳动则会在一定的行驶里程之后转化为厚薄差。在鼓式制动器方面,也有很多的研究。在鼓式制动器噪声机理及对策研究[8]一文中,通过对制动器的主要部件2制动鼓、制动蹄以及制动底板的有限元分析及模态分析,证实制动噪声与三者之间的相互作用有着密切的关系。而在鼓式制动器制动尖叫的机理及其预防[5]一文中,也得出制动蹄的切向振动是主要的激振源。尽管分析的原因多种多样,但是始终是围绕制动器的结构因素展开的讨论。针对具体的振动问题,还有待于试验的进一步验证,明确振动产生的原因。
2.2 传递途径分析
在共振问题的处理方面,传递路径的分析是一个很实用的解决问题的方式。可以通过优化传递路径上的系统结构的参数来衰减振动。传递路径的分析主要是在频域进行的,通过再现共振现象,在可能的传递路径上布置测点测量相应的加速度信号,对这些信号进行传递函数分析,并进行信号之间的相关分析。通过传递路径分析,可以确定在共振现象中各结构的振动特性,从而明确主要的振动传递路径。
传递路径分析[10][12]一般要通过整车试验再现共振现象。本文由制动引起的共振,最后引起了仪表盘的共振,所以测点的选择可在制动器子系统到仪表盘之间的子系统中考虑。通过测点信号的相关分析可大致判断振动初步的传递路径。通过整车试验再现振动现象,采集各相关系统的加速度信号,对这些加速度信号进行传递函数分析和相关分析,获得各信号的频率特性和信号之间的相干特性。对各结构的振动特性有了初步认识以后,还需要通过台架试验进一步分析。因为整车试验受道路、天气及人为因素等多种条件限制,同时制动压力和制动起始温度也难以准确控制。所以一般在整车试验之后需要进行台架试验[11]来深入研究。通过台架试验可以考察制动压力、制动器的温度等对共振的影响,还可以详细考察产生共振的机理。
当实际解决振源问题不容易实现或考虑成本因素时,通过传递路径的分析可以实现一个短期的解决方法。根据以上的理论及试验结果分析,找出振
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