陳偉波 黃如波

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

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

中圖分類號：U467.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：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.

制動器作為機(jī)動車重要的安全部件，在機(jī)動車的行駛和停止中起到十分重要的作用。近年來由于人們對于乘用車舒適性的要求越來越高，使得車輛制動抖動現(xiàn)象也逐漸得到重視，輕微的制動抖動現(xiàn)象會被細(xì)心的駕駛員所感知，影響舒適性，嚴(yán)重的會造成車輛失去控制，造成安全事故[1-2]。因此國內(nèi)外針對制動抖動現(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)模型對制動抖動現(xiàn)象進(jìn)行理論闡述與分析，并得出制動抖動現(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非線性模型并分析了振動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和各種參數(shù)對振動特性的影響。文獻(xiàn)[6-8]中給出了引起制動抖動的各種因素，涵蓋了制造工藝、尺寸以及客戶的使用習(xí)慣。當(dāng)前測量盤式制動器抖動的方法主要是在制動耐久試驗(yàn)臺上進(jìn)行，通過控制相關(guān)參數(shù)，考核制動器是否存在抖動現(xiàn)象。此種方式容易執(zhí)行、試驗(yàn)周期較短，但僅考慮了制動器系統(tǒng)（關(guān)注激發(fā)源），沒有考慮到抖動信號的傳遞以及對客戶的影響;其次試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)也被簡化了，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化的模型對制動抖動的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了分析。同時(shí)臺架測試無法模擬抖動信號在整車上的傳遞，因此為了實(shí)時(shí)再現(xiàn)制動抖動信號在實(shí)車上的傳遞以及影響，有必要進(jìn)行整車的制動抖動試驗(yàn)并進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)分析。

1? ? 整車道路試驗(yàn)

1.1? ?測點(diǎn)及儀器設(shè)備安裝

基于文獻(xiàn)[9]中對制動抖動信號傳遞路徑分析，為了客觀測量制動抖動的幅值，在整車上進(jìn)行如下測試點(diǎn)布置：轉(zhuǎn)向盤振動加速度、制動踏板振動加速度以及車身底板振動加速度傳感器。實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛速度、減速度、制動盤的溫度變化等。其中振動加速度信號使用PCB三向加速度計(jì);車輛速度使用VBOX進(jìn)行測量;制動減速度使用減速度計(jì)測量;制動盤溫度使用K型熱電偶測量。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)向盤測量X和Y向的振動;制動踏板的垂直方向?yàn)閆軸，在制動踏板上僅測量Z向振動信號;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，共測量X、Y、Z方向的振動信號。

1.2? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作步驟

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

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

2? ? 數(shù)據(jù)處理及分析

整車制動抖動試驗(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踏板、車身地板、轉(zhuǎn)向盤是否發(fā)生抖動以及抖動的幅值在整個(gè)抖動過程中的變化情況以及對應(yīng)的車速范圍（車輪轉(zhuǎn)速范圍）;考慮到信號的波動，采用均方根值RMS的數(shù)值指標(biāo)來評估振動的幅值。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]到信號的非平穩(wěn)性。通過短時(shí)傅立葉分析得到反映振動階次特征的三維譜陣，考察振動頻率與車輪轉(zhuǎn)速之間的相關(guān)關(guān)系，并考察振動能量的頻率域分布規(guī)律，為分析振動發(fā)生原因及傳遞路徑提供依據(jù)。

2.1? ?制動踏板抖動的數(shù)據(jù)結(jié)果

為了減少振動信號的波動，對信號使用均方根值（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)并開方所得的結(jié)果。其表達(dá)式如下：

其中? ? 是數(shù)組中對應(yīng)的數(shù)值，? 為數(shù)組中數(shù)值的個(gè)數(shù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的制動踏板的Z向振動與車速的關(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。而我們需要在振動信號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）的方法測量信號的頻率定位。以給定加速信號

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

2.2? ?車身底板的抖動特征：

鑒于階次圖可以反映出振動強(qiáng)度和速度、頻率的關(guān)系，車身底板的數(shù)據(jù)分析選取六次制動過程中強(qiáng)度最高的結(jié)果見下圖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)為二階的振動響應(yīng)，振動頻率集中于10Hz到20Hz的范圍內(nèi)，Z向的振動速度范圍明顯比其他兩個(gè)方向要寬，但振動頻率的范圍幾乎一致，振動強(qiáng)度要稍微強(qiáng)一些。

2.3? ?轉(zhuǎn)向盤抖動的數(shù)據(jù)特征

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

從轉(zhuǎn)向盤X向振動強(qiáng)度階次圖10中可以看出，除了初始制動段的振動比較強(qiáng)烈，其它速度段的振動幅值沒有明顯的變化;頻率分析的結(jié)果可以得出振動最強(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 向的振動強(qiáng)度階次圖11得出Y向振動主要集中于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，但是各個(gè)頻率段的振動幅值相對較小，整車的制動抖動現(xiàn)象不明顯。

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

3? ? 制動抖動的影響因素分析

基于實(shí)車測試的數(shù)據(jù)結(jié)果分析可以看出，轉(zhuǎn)向盤的X和Y向的振動強(qiáng)度要明顯高于制動踏板以及車身地板，同時(shí)轉(zhuǎn)向盤Y向振動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向的振動強(qiáng)度作為研究對象，文獻(xiàn)[10]表明了制動盤的溫度上升會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)向盤振動加速度信號的頻譜特性與前輪（制動盤）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)基于制動盤-制動蹄片系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果表明制動盤的厚薄差是影響制動抖動性能的關(guān)鍵因素;因此選取制動盤的溫度、車輛速度、制動盤厚薄差關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，而對摩擦片熱衰退后摩擦系數(shù)變化引起的抖動等不易測量和控制或與實(shí)車試驗(yàn)特點(diǎn)相關(guān)性不強(qiáng)的影響因素沒有進(jìn)行研究。

3.1? ? 制動盤初始溫度的影響

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

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

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)行速度下的振動階次的不一致。

3.3? ?制動盤厚薄差（DTV）的影響

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

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

4? ? 結(jié)論

盤式制動器制動抖動的實(shí)車試驗(yàn)傳感器布置方案及測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)測量可以精準(zhǔn)反饋整車的抖動情況;

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

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

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

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