張鵬，呂紅明

（224051 江蘇省 鹽城市 鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

汽車制動(dòng)過程中制動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)摩擦可能會(huì)引起刺耳的制動(dòng)尖叫[1-2]，其頻率范圍可從幾百～幾千Hz 甚至上萬Hz，聲壓級(jí)可達(dá)120 dB 以上[3]。制動(dòng)尖叫不僅會(huì)影響汽車乘坐舒適性，降低汽車品質(zhì)和品牌形象，又會(huì)污染環(huán)境，損害人們健康[4]，控制與消除制動(dòng)尖叫噪聲具有重要的工程意義。

汽車制動(dòng)尖叫噪聲試驗(yàn)研究一直是汽車NVH領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，但是目前國內(nèi)專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)較少，且價(jià)格昂貴。本文基于國產(chǎn)VK701H 數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)一種適用于汽車制動(dòng)噪聲道路試驗(yàn)的便攜式測(cè)試系統(tǒng)，以便通過實(shí)車道路試驗(yàn)分析制動(dòng)尖叫噪聲的產(chǎn)生與汽車車速、制動(dòng)壓力之間的聯(lián)系。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

圖1 為所開發(fā)的汽車制動(dòng)噪聲道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖，系統(tǒng)主要由信號(hào)采集相關(guān)硬件及軟件2 部分組成。根據(jù)測(cè)試要求，利用VK701H數(shù)據(jù)采集卡、GPS 車速傳感器[5]、聲壓計(jì)和油壓傳感器等硬件搭建測(cè)試平臺(tái)，采集被測(cè)物理量并將傳感器得到的模擬信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)上傳到上位機(jī)。利用G 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的LabVIEW 作為測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。最后將開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)安裝到試驗(yàn)車上進(jìn)行道路試驗(yàn)測(cè)試。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of test system

1.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

所開發(fā)系統(tǒng)的硬件部分主要包括聲壓傳感器、GPS 車速傳感器、VK701H 采集卡、油壓傳感器、航空插頭數(shù)據(jù)線、USB 數(shù)據(jù)傳輸線及PC 機(jī)。圖2所示為所搭建的系統(tǒng)硬件平臺(tái)。

圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)Fig.2 System hardware platform

按圖2 搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，利用高粘性的納米膠帶將聲壓傳感器以及與油壓傳感器連接的航空插頭數(shù)據(jù)線粘結(jié)于汽車左后輪上方車身處，確保在測(cè)試過程中不會(huì)出現(xiàn)掉落、損壞等危險(xiǎn)情況。

測(cè)試系統(tǒng)選用VK701H 采集卡作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。VK701H 是一款具有4 通道真差分輸入、24 位分辨率、最大采樣率為100 ksps 的USB 型高速數(shù)據(jù)采集卡，可實(shí)現(xiàn)不同被測(cè)物理量的同步采集，而且還配置了精密前置增益放大模塊。傳感器采集的信號(hào)通過差分輸入進(jìn)入前置放大單元，放大后的信號(hào)進(jìn)入干擾過濾抑制單元，然后由ADC 模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳入DSP（Digital Signal Processor）高速處理器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，最后通過高速USB接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure block diagram of data acquisition card system

帶IEPE（內(nèi)含有壓電集成電路）功能的采集卡內(nèi)部集成24 V 電源單元、恒流驅(qū)動(dòng)和接收單元，并且4 個(gè)通道分別可單獨(dú)通過硬件跳線設(shè)置為普通ADC 輸入或者IEPE 傳感器接入。此測(cè)試系統(tǒng)通道1 和通道2 輸入方式為IEPE 模式，通道3 和通道4 輸入方式設(shè)置為ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)模式。

測(cè)試系統(tǒng)利用GPS 測(cè)量汽車車速，由于GPS信號(hào)接收天線模塊只能直接輸出車輛的時(shí)間、位置、速度等數(shù)字信號(hào)，不能直接供數(shù)據(jù)采集卡采集，因此設(shè)計(jì)開發(fā)了GPS 車速傳感器。GPS 車速傳感器主要由GPS 接收模塊、有源天線、電平轉(zhuǎn)換模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊等組成，GPS 車速傳感器內(nèi)部模塊如圖4 所示。

圖4 GPS 車速傳感器內(nèi)部模塊Fig.4 Internal module of GPS vehicle speed sensor

1.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分[6]，本系統(tǒng)開發(fā)采用LabVIEW 軟件平臺(tái)[7-8]，應(yīng)用圖形化編程語言，完成測(cè)試系統(tǒng)的函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析以及存儲(chǔ)路徑設(shè)置等功能[9]。

與NI 數(shù)據(jù)采集卡相比，VK701H 采集卡的程序開發(fā)不能使用DAQ 采集助手，需要編寫底層程序?qū)ζ浜瘮?shù)進(jìn)行調(diào)用。在本系統(tǒng)中通過調(diào)用庫函數(shù)結(jié)點(diǎn)，DLL 動(dòng)態(tài)庫中配置函數(shù)VK701_VK701Init、開始采樣函數(shù)Start Sampling 以及讀取所有通道采樣結(jié)果函數(shù)VK701H-GetAll Channel，完成數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置。數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩部分。從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，首先需進(jìn)行參數(shù)處理和轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)可以送到波形圖表控件中實(shí)現(xiàn)曲線實(shí)時(shí)顯示，也可以保存至文件。數(shù)據(jù)文件的格式可以自行設(shè)定，包括excel和文本格式等。該測(cè)試系統(tǒng)部分程序如圖5 所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)部分程序框圖Fig.5 Partial program block diagram of test system

2 道路試驗(yàn)測(cè)試

將設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)車道路試驗(yàn)，如圖6 所示。VK701H 采集卡通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)USB接口連接，在LabVIEW 軟件程序前面板上可以查看連接狀態(tài)指示燈，以判斷硬件是否連接正常。如果連接狀態(tài)指示燈亮起，表明硬件連接成功。

圖6 傳感器在試驗(yàn)車上安裝示意圖Fig.6 Installation diagram of sensor on test vehicle

在道路試驗(yàn)中，汽車加速到一定速度踩下制動(dòng)踏板，在前面板波形圖表中可以看到汽車車速隨時(shí)間的變化，油壓傳感器測(cè)得的左后輪制動(dòng)輪缸的油壓信號(hào)變化以及在制動(dòng)過程中聲壓傳感器測(cè)得的左后輪制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)噪聲，點(diǎn)擊保存，將測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，供后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

測(cè)試系統(tǒng)采集的信號(hào)通過MATLAB 軟件進(jìn)行后續(xù)處理，相應(yīng)的聲壓、車速和制動(dòng)壓力信號(hào)分別如圖7—圖9 所示。結(jié)果表明，在剛開始逐漸增大制動(dòng)壓力階段(2.3～4.1 s)，制動(dòng)壓力從0.2 MPa 上升到1.4 MPa，車速從23 km/h 下降到18 km/h，但未出現(xiàn)制動(dòng)尖叫現(xiàn)象；施加制動(dòng)力一段時(shí)間后（4.59～6.10 s），汽車車速下降到較低范圍（約10 km/h），制動(dòng)壓力上升到約1.9 MPa 時(shí)，車輛左后輪發(fā)生制動(dòng)尖叫噪聲。從聲壓的頻譜圖中發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)尖叫的主頻為7.95 kHz，該頻率與制動(dòng)盤的固有頻率相近，可能是由于制動(dòng)盤被激勵(lì)，產(chǎn)生共振，從而引起制動(dòng)器產(chǎn)生制動(dòng)尖叫噪聲。

圖7 制動(dòng)噪聲聲壓信號(hào)及頻率特征Fig.7 Sound pressure signal and frequency characteristics of braking noise

圖8 制動(dòng)過程中車速變化情況Fig.8 Speed change during braking

圖9 制動(dòng)過程中制動(dòng)壓力變化情況Fig.9 Change of braking pressure during braking

通過對(duì)噪聲聲壓、行駛車速、制動(dòng)壓力等信號(hào)的分析，說明汽車制動(dòng)器在低速、低壓狀態(tài)下容易產(chǎn)生制動(dòng)尖叫噪聲。并且在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境濕度較大時(shí)，制動(dòng)器發(fā)生尖叫噪聲的傾向顯著增加，這一分析結(jié)果與汽車在早晨以及低速緩慢停車等狀態(tài)下易于出現(xiàn)尖叫噪聲現(xiàn)象相符合。同時(shí)，由于制動(dòng)塊摩擦層表面磨損不均、制動(dòng)盤端面不平或制動(dòng)盤端面存在跳動(dòng)等因素，導(dǎo)致制動(dòng)壓力和摩擦力在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇變化，也容易產(chǎn)生制動(dòng)尖叫噪聲。

3 結(jié)束語

根據(jù)汽車制動(dòng)噪聲道路試驗(yàn)的實(shí)際要求，基于VK701H 數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)了一款汽車制動(dòng)尖叫噪聲道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，此系統(tǒng)與NI 測(cè)試系統(tǒng)相比，能充分有效地獲得相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。該測(cè)試系統(tǒng)具有成本低廉、便于攜帶、可靠性好和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合車載測(cè)試環(huán)境，同時(shí)本系統(tǒng)也可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展的需要，靈活地進(jìn)行功能擴(kuò)展。因此，該制動(dòng)噪聲道路試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。