針對制動嘯叫的整車ODS試驗方法介紹

李巍 宋明

摘 要：隨著國內汽車市場的蓬勃發展，汽車舒適性已經成為衡量汽車性能的重要指標之一。汽車舒適性能涵蓋的內容有很多，其中制動嘯叫是舒適性中比較常見的問題。為解決制動嘯叫，傳統的方法是通過臺架試驗獲取制動器發生嘯叫時的工作振型（ODS）。該方法有其局限性。文章提供了一種新方法，可以在整車上獲取制動器發生制動嘯叫時的工作振型。

關鍵詞：汽車;舒適性;制動嘯叫;工作振型

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）15-131-03

Abstract： With the rapid development of the domestic automobile market， automobile comfort has become one of the important indicators for measuring automobile performance. There are many contents of car comfort performance， among which brake squeal is a more common problem in comfort. In order to solve the brake squeal， the traditional method is to obtain the operating deflection shape （ODS） of the brake squeal through a bench test. This method has its limitations. This article provides a new method to obtain the operating deflection shape of the brake when squeal occurs on the vehicle.

Keywords： Automobile; Comfort; Brake squeal; Operating deflection shape

CLC NO.： U467? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）15-131-03

引言

近年來隨著國內汽車市場的日益興起，國內消費者對于車輛制動系統舒適性的要求越來越高，且這方面要求甚至超過了歐美等國外消費者的要求。影響汽車舒適性的因素有很多，其中制動嘯叫是比較常見的問題。顧名思義，制動嘯叫是指當車輛制動時，由剎車片與制動盤摩擦產生振動并經過支架放大發出的一種連續的較尖銳的噪聲。根據頻率范圍可以分為低頻嘯叫（頻率1k～4kHz）和高頻嘯叫（頻率4k～ 16kHz）。其中，低頻嘯叫聲音比較低沉，高頻嘯叫更加尖銳。

為了解決制動嘯叫，傳統的做法是通過臺架試驗復現制動嘯叫，然后通過臺架ODS試驗來采集數據。ODS的全稱是operating deflection shape，中文意思為工作振型，即制動嘯叫發生時制動器的振動變形情況。臺架ODS試驗是通過激光照射的方法獲取振動變形數據，然后經過有限元分析修改制動器的結構已達到減小甚至消除制動嘯叫。臺架ODS試驗的優點是可以獲取制動器上許多點的振動幅值和相位，基本不受數量限制，得到的模型更加完整。缺點是該方法不是在整車上采集的數據，與真實情況存在一定差距;同時，有相當比例的制動嘯叫是發生在車輛轉向時，而轉向工況目前在臺架上還無法模擬。因此，開發一種可以在整車上實施ODS試驗方法很有必要。

1 整車ODS試驗的特點

整車ODS試驗采用的是與臺架ODS試驗完全不同的測試手段，即通過在制動器表面粘貼三向振動加速度傳感器來獲取制動嘯叫發生時的制動器的振動變形情況，如圖1所示。

與臺架ODS試驗相比，該試驗方法是在整車上實施的，制動嘯叫發生時的路試環境更加真實（例如路況和環境溫濕度），所獲取的振動變形更加符合真實情況;另外，該試驗方法可以采集臺架上無法模擬的轉向制動嘯叫，而很多制動嘯叫只發生在車輛轉向時。

整車ODS試驗也存在許多難點。首先，為獲取制動器振動變形，需要在制動器表面粘貼很多三向振動加速度傳感器。過多的加速度傳感器會帶來額外的質量，影響制動器原本的固有頻率;而過少的加速度傳感器則不能提供完整的振型。表1展示的是制動器支架的不同頻率對應傳感器數量多少的偏移量，第7列數字為偏移量最大的固有頻率。因此，在振型的完整性和附加質量之間選取一個平衡點很重要。

其次，由于制動器與輪輞之間的間隙通常都比較狹小，在制動器外表面粘貼傳感器可能會與輪輞內側干涉，傳感器位置的選擇至關重要;同時，傳感器的線束需要良好固定，在直行和轉向的時候都不能碰到輪胎，否則會導致線束損毀。再次，由于采用的每個三向振動加速度傳感器都有獨立的坐標系，而且每個傳感器的安裝面都可能不與系統坐標系三個基準面平行或者正交，因此在建模時需要調整傳感器模型的夾角，與實際安裝角度保持一致。最后，由于使用的三向振動加速度傳感器數量比較多，其與軟件內的模型須一一對應，不能顛倒混亂。

2 試驗流程

2.1 試驗準備

試驗準備分為兩個部分，即車輛準備和設備準備。

發生制動嘯叫的試驗車輛應符合安全駕駛要求。輪輞和制動器之間要有足夠的空間安置傳感器和嫻熟。制動嘯叫必須是穩定的和可持續的（最少1秒），否則無法進行整車ODS試驗。

數采設備必須具備足夠的NVH通道，采樣率應大于20kHz。振動加速度傳感器必須3軸的，可以同時采集x/y/z三個方向的振動信號。為避免額外質量對零件的影響，應選用最小最輕的傳感器。除此以外，制動盤溫度、制動管路壓力、麥克風、方向盤轉角和環境溫濕度都需要傳感器監測。

2.2 安裝調試過程

安裝前需要在制動器上選定傳感器的安裝位置。不同設計的制動器選取的位置并不一致。該位置必須可以反映振動特征，不能選在堅固的節點上。選取的位置還要覆蓋整個零件表面，以便獲取零件振動的完整振型。因此，傳感器的數量越多，獲取的振型越完整。但是，傳感器的數量須受一定的限制，因為過多的附加質量會導致零件的固有頻率漂移。在制動器表面粘貼傳感器前后，須做兩輪模態對比試驗，觀察目標頻率的漂移量是否控制在3%以內。如果超出3%，須減少粘貼的傳感器數量。通常選用粘貼法安裝3向振動加速度傳感器。選擇堅固耐熱的粘接劑。

測試軟件內建模。在軟件內建立與實際安裝位置完全匹配的模型點，見圖2。匹配的內容包含兩個部分：空間坐標和角度。空間坐標是指所有傳感器安裝位置在整車坐標系的坐標值（x，y，z），而角度是指傳感器的三個方向（x，y，z）與坐標系的三個面（xy，yz，xz）的夾角。每個傳感器的空間坐標和歐拉角建議都要從有限元或者其他設計軟件中提取，這是相對最方便和最準確的方法。因為是在整車上做試驗，用三坐標測量設備測量每個傳感器的坐標和角度不現實也不方便;用尺子和量角器也不夠精確，無法體現這些測量點相對之間的關系。用軟件去測算這些點的坐標和角度相對簡單，而且可以有充足的時間準備。為保證試驗精確性，模型中的點與傳感器坐標差異控制在2mm之內，空間角度差異控制在5°之內。除此之外，須將軟件中的模型點與實際粘貼的傳感器一一對應，次序不能混淆。

硬件和軟件調試完畢后，即可進行整車試驗。

2.3 采集過程

制動嘯叫搜尋過程可以分為冷態搜尋和熱態搜尋。

冷態搜尋意味著車輛須在室外停留一夜，第二天清晨開始采集冷態噪聲，此時環境溫度較低。駕駛車輛以不同初速度，不同制動壓力以及不同方向盤轉角制動。同時前進和后退方向也應該嘗試。這會產生很多組合。

熱態搜尋發生在冷態搜尋之后，此時制動盤溫應高于50℃。駕駛方式與冷態搜尋一致。

記錄發生制動嘯叫時的數據，包括振動信號、制動盤溫度、制動管路壓力和方向盤轉角等。其中振動數據作為工作振型的最重要依據，其他信號作為參考依據。

3 試驗結果分析

采集到的振動信號都是時域信號，需要經過快速傅里葉變換（FFT）轉換為頻域信號。每一個通道都可以生成一張頻譜圖。在圖中，1k～6kHz之間的頻域段是關注重點，因為很多制動嘯叫都產生于其中。選擇能量最集中的頻率作為輸出振型的基準頻率。在該頻率下，每個信號都可以在空間模型中輸入為振幅和相位信息，所有的振動信號綜合在一起就可以得到該頻率的振型。振型的數據內容也可以表現為復模態的實部和虛部，見圖3。將結果與有限元模型或者臺架ODS以及做對比，判定兩者的MAC（模態置信判據）值是否滿足要求。當兩個振型完全對應時，MAC理論值應達到100%。通常我們認為MAC達到70%即可認為該振型可以用來作為改進噪聲的模型依據。

4 總結

整車ODS試驗提供了一種新的方法用于采集制動嘯叫發生時的制動器振型。區別于臺架ODS試驗，整車ODS試驗的結果更加貼合整車狀態。其與有限元仿真分析相結合，提高制動噪聲仿真分析的可靠性和有效性，便于快速準確地找出解決制動噪聲的有效措施。除此以外，該方法的工作效率也更高，在進一步降低開發周期和節約研發成本的同時，還提高了解決制動嘯叫的應變能力。

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