汽車制動噪聲道路試驗測試系統開發與應用

張鵬，呂紅明

（224051 江蘇省 鹽城市 鹽城工學院 汽車工程學院）

0 引言

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

汽車制動尖叫噪聲試驗研究一直是汽車NVH領域的研究重點，但是目前國內專業測試系統較少，且價格昂貴。本文基于國產VK701H 數據采集卡，開發一種適用于汽車制動噪聲道路試驗的便攜式測試系統，以便通過實車道路試驗分析制動尖叫噪聲的產生與汽車車速、制動壓力之間的聯系。

1 系統總體功能設計

圖1 為所開發的汽車制動噪聲道路試驗測試系統的總體設計框圖，系統主要由信號采集相關硬件及軟件2 部分組成。根據測試要求，利用VK701H數據采集卡、GPS 車速傳感器[5]、聲壓計和油壓傳感器等硬件搭建測試平臺，采集被測物理量并將傳感器得到的模擬信號通過數據采集卡轉化為數字信號上傳到上位機。利用G 語言進行程序設計的LabVIEW 作為測試系統的上位機軟件，對所測數據進行處理與分析。最后將開發的測試系統安裝到試驗車上進行道路試驗測試。

圖1 測試系統的總體設計框圖Fig.1 Overall design block diagram of test system

1.1 測試系統硬件組成

所開發系統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、航空插頭數據線、USB 數據傳輸線及PC 機。圖2所示為所搭建的系統硬件平臺。

圖2 系統硬件平臺Fig.2 System hardware platform

按圖2 搭建系統硬件平臺，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據線粘結于汽車左后輪上方車身處，確保在測試過程中不會出現掉落、損壞等危險情況。

測試系統選用VK701H 采集卡作為數據采集系統。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 型高速數據采集卡，可實現不同被測物理量的同步采集，而且還配置了精密前置增益放大模塊。傳感器采集的信號通過差分輸入進入前置放大單元，放大后的信號進入干擾過濾抑制單元，然后由ADC 模塊將模擬信號轉化為數字信號，傳入DSP（Digital Signal Processor）高速處理器進行數字信號處理，最后通過高速USB接口將采集的數據傳輸到上位機處理，系統結構框圖如圖3 所示。

圖3 數據采集卡系統結構框圖Fig.3 Structure block diagram of data acquisition card system

帶IEPE（內含有壓電集成電路）功能的采集卡內部集成24 V 電源單元、恒流驅動和接收單元，并且4 個通道分別可單獨通過硬件跳線設置為普通ADC 輸入或者IEPE 傳感器接入。此測試系統通道1 和通道2 輸入方式為IEPE 模式，通道3 和通道4 輸入方式設置為ADC(模數轉換器)模式。

測試系統利用GPS 測量汽車車速，由于GPS信號接收天線模塊只能直接輸出車輛的時間、位置、速度等數字信號，不能直接供數據采集卡采集，因此設計開發了GPS 車速傳感器。GPS 車速傳感器主要由GPS 接收模塊、有源天線、電平轉換模塊、電源轉換模塊、D/A 轉換模塊、單片機控制模塊等組成，GPS 車速傳感器內部模塊如圖4 所示。

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

1.2 測試系統軟件設計

軟件設計是測試系統設計的核心部分[6]，本系統開發采用LabVIEW 軟件平臺[7-8]，應用圖形化編程語言，完成測試系統的函數調用、數據采集、動態數據分析以及存儲路徑設置等功能[9]。

與NI 數據采集卡相比，VK701H 采集卡的程序開發不能使用DAQ 采集助手，需要編寫底層程序對其函數進行調用。在本系統中通過調用庫函數結點，DLL 動態庫中配置函數VK701_VK701Init、開始采樣函數Start Sampling 以及讀取所有通道采樣結果函數VK701H-GetAll Channel，完成數據采集參數配置。數據處理模塊包括數據實時顯示和數據存儲兩部分。從數據采集模塊獲取的實時數據，首先需進行參數處理和轉化，轉化后數據可以送到波形圖表控件中實現曲線實時顯示，也可以保存至文件。數據文件的格式可以自行設定，包括excel和文本格式等。該測試系統部分程序如圖5 所示。

圖5 測試系統部分程序框圖Fig.5 Partial program block diagram of test system

2 道路試驗測試

將設計的測試系統應用于實車道路試驗，如圖6 所示。VK701H 采集卡通過數據線與上位機USB接口連接，在LabVIEW 軟件程序前面板上可以查看連接狀態指示燈，以判斷硬件是否連接正常。如果連接狀態指示燈亮起，表明硬件連接成功。

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

在道路試驗中，汽車加速到一定速度踩下制動踏板，在前面板波形圖表中可以看到汽車車速隨時間的變化，油壓傳感器測得的左后輪制動輪缸的油壓信號變化以及在制動過程中聲壓傳感器測得的左后輪制動器產生的制動噪聲，點擊保存，將測試系統采集的數據進行保存，供后續進行數據處理。

測試系統采集的信號通過MATLAB 軟件進行后續處理，相應的聲壓、車速和制動壓力信號分別如圖7—圖9 所示。結果表明，在剛開始逐漸增大制動壓力階段(2.3～4.1 s)，制動壓力從0.2 MPa 上升到1.4 MPa，車速從23 km/h 下降到18 km/h，但未出現制動尖叫現象；施加制動力一段時間后（4.59～6.10 s），汽車車速下降到較低范圍（約10 km/h），制動壓力上升到約1.9 MPa 時，車輛左后輪發生制動尖叫噪聲。從聲壓的頻譜圖中發現，制動尖叫的主頻為7.95 kHz，該頻率與制動盤的固有頻率相近，可能是由于制動盤被激勵，產生共振，從而引起制動器產生制動尖叫噪聲。

圖7 制動噪聲聲壓信號及頻率特征Fig.7 Sound pressure signal and frequency characteristics of braking noise

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

圖9 制動過程中制動壓力變化情況Fig.9 Change of braking pressure during braking

通過對噪聲聲壓、行駛車速、制動壓力等信號的分析，說明汽車制動器在低速、低壓狀態下容易產生制動尖叫噪聲。并且在試驗過程中發現，當環境濕度較大時，制動器發生尖叫噪聲的傾向顯著增加，這一分析結果與汽車在早晨以及低速緩慢停車等狀態下易于出現尖叫噪聲現象相符合。同時，由于制動塊摩擦層表面磨損不均、制動盤端面不平或制動盤端面存在跳動等因素，導致制動壓力和摩擦力在短時間內發生急劇變化，也容易產生制動尖叫噪聲。

3 結束語

根據汽車制動噪聲道路試驗的實際要求，基于VK701H 數據采集卡和虛擬儀器技術，開發了一款汽車制動尖叫噪聲道路試驗測試系統，此系統與NI 測試系統相比，能充分有效地獲得相關數據并進行分析。該測試系統具有成本低廉、便于攜帶、可靠性好和操作簡單等優點，適合車載測試環境，同時本系統也可以根據技術發展的需要，靈活地進行功能擴展。因此，該制動噪聲道路試驗測試系統具有重要的應用價值。