项目编号： 1746

乘用车转向工况的制动尖叫发生机理与控制技术

Mechanism and Control technology of Steering Brake Squeal of Passenger car

 

项目研制单位：同济大学 ?上海汽车制动系统有限公司

主要研制人员：孟德建 ?武素荣 ?余学贵 ?奚乐 ?黄家雄 ?匡博 ?李文博

张兴 ?潘剑锋 ?汪子燚 ?董超超 ?吴剑峰 ?卓琳

 

主题词：转向制动尖叫 ?道路试验 ?台架实验 ?多体动力学 ?复模态分析

1、研究内容介绍

1.1 目的与意义

项目背景

从全球的汽车制动器行业发展来看，制动尖叫一直是业界的关注热点和技术焦点。国内外汽车行业权威会议，如美国SAE制动年会、欧洲FISITA制动年会和中国SAECCE，都专门设立制动器振动噪声专题分会深入研讨制动尖叫、抖动、和颤振等技术难题。根据Web of Science数据，在工程技术类顶级期刊《Journal of Sound and Vibration》、《Mechanical Systems and Signal Processing》中，对于制动尖叫的研究热度一直居高不下。这都充分表明，制动器NVH问题依然是行业的技术制高点之一。

从我国汽车行业发展来看， 2018年我国制动器行业市场规模已达647亿元，且呈现连年递增的利好趋势，其市场规模与发展潜力巨大。然而，国内制动器的技术水平和品牌影响力依然和发达国家存在较大的差距，尤其是以轿车制动器为代表的高端市场几乎被外资和合资企业独占。因此，在制动器NVH 技术仍是全球关键技术瓶颈的环境下，自主掌控转向制动尖叫这一新的制动器NVH 核心技术，是使我国制动器产品从中低端向高端化迈进的难得机遇。

研究意义

经调研发现，已有的研究普遍针对直行制动工况，在简单的制动器约束与接触状态下，分析系统模态耦合特性及其与关键参数的敏感性区域。对于转向制动尖叫，既缺少高效可靠的抑制措施，也缺乏有效的预测方法和台架测试规范。因此，转向制动尖叫的研究具有较强的工程价值，成为行业内的重大需求之一。同时，转向制动尖叫频率低，涉及的底盘零部件多，工况依赖性和非线性强，动力学现象极其丰富和复杂。因此，转向制动尖叫的研究，将会大大深化摩擦振动和噪声这一重大前沿领域的研究进展。

综上所述，本项目既瞄准摩擦诱发的振动与噪声这一重大学术前沿问题，又面向现代交通装备关键部件的核心技术需求，兼具极为重要的学术研究价值和广泛的工程应用前景。

1.2 要解决的关键技术

本项目解决的关键技术包括：

（1）转向制动尖叫整车道路试验技术

转向制动噪声整车道路试验中，通过方向盘转角-制动压力联合控制复现转向制动尖叫现象，同时应用车轮六分力传感器、测力方向盘、油压传感器、加速度传感器、麦克风等进行车轮六分力、方向盘转角、制动压力、关键部件加速度、声压等信号协同测量，获取转向制动尖叫具体工况，以及转向制动尖叫的声振特性；

（2）前悬动态K&C特性仿真技术

以悬架K&C特性台架试验结果为基础，以整车试验中获取的车轮六分力与方向盘转角为输入，建立前悬多体动力学刚柔耦合仿真技术；

（3）转向制动噪声台架试验技术；

基于整车道路试验所获取的工况，在台架试验中施加侧向力，复现转向制动尖叫现象，同时对系统加速度、噪声、关键部件ODS进行测量，建立转向制动噪声台架试验技术；

（4）转向制动尖叫多体动力学-有限元联合仿真技术。

通过前悬多体动力学仿真获取关键节点位移特性，作为有限元模型的边界条件，以车轮六分力与制动压力为输入，进行底盘角总成有限元复模态分析，实现转向制动尖叫多体动力学-有限元联合仿真。

1.3 采用的技术路线和方法

本项目采用试验与仿真相结合的方式，逐步开展转向制动尖叫整车道路试验、面向转向制动工况的前悬多体动力学仿真分析与对标、转向制动尖叫台架试验、转向制动噪声复模态分析与对标、转向制动尖叫关键影响因素分析。形成图1所示的技术路线：

图1 项目技术路线

项目技术路线主要包含以下几个部分

（1）转向制动尖叫道路试验

利用故障车辆在典型工况（不同转角、不同制动压力）下进行转向制动尖叫道路试验，辅以在线的车轮六分力、制动油压、方向盘转角、底盘角关键部位振动加速度和噪声的同步测量，获取了转向行驶制动尖叫特性、工况参数和轮胎六分力的具体参数，为悬架K&C特性试验与转向制动尖叫台架试验提供数据支撑（图2）。

a) 左轮力

b) 左轮力矩

图2? 左轮六分力(右转)

（2）转向制动尖叫台架试验

在典型工况（不同转角、不同制动压力）下进行底盘角系统转向制动尖叫台架试验，辅以底盘角总成受力与变形状态的模拟，同时进行在线的制动油压、底盘角总成关键部位振动加速度、关键部件ODS与噪声的同步测量，找出故障车直线制动工况与转向制动工况下制动尖叫特性、工况参数的区别。（图3）

a) 侧向力0N

b) 侧向力200N

c) 侧向力400N

d) 侧向力600N

e) 侧向力800N

图3? 不同侧向力条件下尖叫发生率对比

（3）基于悬架K&C特性试验台

开展前悬架静态K&C特性试验与动态K&C特性试验。其中，静态K&C特性试验主要包括同向/反向平行轮跳试验、同向/反向侧向力加载试验、同向/反向回正力矩加载试验、同向纵向力加载试验，以获取前悬架静态K&C特性；进行前悬架的动态K&C特性试验，试验中以道路试验转向制动工况下所测得的前轴车轮六分力和方向盘转角为输入，通过在转向节与悬架处粘贴应变片获取应力与应变。为底盘角多体动力学建模与分析提供数据支撑。（图4）

图4 方向盘转角与前轮转向角关系曲线

（4）前悬总成刚柔耦合多体动力学建模与仿真

在ADAMS中建立麦弗逊式悬架的多体动力学刚柔耦合模型；进行静态K&C特性仿真，与前悬静态K&C特性试验对比，验证模型有效性；进行动态K&C特性仿真，与前悬动态K&C特性试验对比，验证模型对于底盘角受力变形状态预测的正确性；最终输出柔性体转向节与悬架各节点位移，为底盘角复模态有限元模型提供的边界条件。（图5）

图5 前悬架K&C特性仿真分析模型

（5）基于ABAQUS的底盘角复模态有限元分析

利用ABAQUS仿真平台搭建底盘角总成有限元模型，以转向制动工况下多体动力学模型导出的关键节点位移为边界条件，运用复模态分析法，得到尖叫频率、不稳定模态实部，同时得到不同工况下底盘角各部件的振动特性，并与台架试验进行对比验证模型的有效性；进而可以进行影响因素分析，深入探索转向制动尖叫的特征与关键因素。（图6）

图6 底盘角有限元模型

（6）悬架与轴承对制动尖叫的影响

通过上述分析，初步确定轴承刚度与悬架可能是车辆转向与直线行驶制动条件下尖叫发生与否的关键，进而通过轴承对转向制动尖叫的影响试验，分析轴承刚度对转向制动尖叫的作用；通过悬架对转向制动尖叫的影响试验，分析悬架系统对转向制动尖叫的作用，为转向制动尖叫的发生机理提供依据。

（7）转向制动尖叫的机理分析

通过上述研究，获取了转向制动尖叫的发生机理，即“转向——悬架刚度变化/轴承刚度变化——制动尖叫发生率与发生工况的变化”，该结论可用于指导面向转向制动尖叫的轴承选型与悬架选型。

1.4 达到的效果和成果技术水平

本项目针对制动系统NVH领域中，客户抱怨较多的转向制动尖叫问题，系统的进行了道路试验、台架试验、动/静态K&C特性试验、面向转向制动的多体动力学分析与多体动力学-有限元联合仿真，从试验与仿真两个角度进行研究，分析了转向制动尖叫的发生机理。

（1）建立了规范的转向制动尖叫道路试验方法与数据处理流程，并在试验中，提取了转向制动尖叫的声振特性与具体工况信息。

（2）基于底盘角总成，开展了转向制动尖叫台架试验，建立了规范的转向制动尖叫台架试验方法与数据处理流程，提取了转向制动尖叫的声振特性与工况信息，同时对转向制动尖叫与直线制动尖叫的差异进行了分析。

（3）基于道路试验数据，开展前悬静/动态K&C特性试验，获取了前悬静/动态K&C特性。

（4）建立基于ADAMS 与ABAQUS的转向制动噪声虚拟仿真平台，通过与试验的对比表明该模型具有较好的仿真精度，为下一步的影响因素分析奠定了基础。前悬多体动力学模型对前悬K特性仿真精度可达90%以上。复模态有限元模型对尖叫频率精度预测可达90%以上，对关键部件MAC值预测精度可达70%以上。（如图7-9）

图7 左轮转角与方向盘转角关系曲线

图8 复模态计算结果

图9? 仿真结果与台架试验结果对比分析

（5）分析了悬架对转向制动尖叫的影响，发现悬架存在会使转向制动尖叫发生率变低，这说明转向时，悬架刚度的变化是转向制动尖叫的发生原因之一，且悬架整体刚度较小时，尖叫发生率较低；

（6）分析了轴承对转向制动尖叫的影响，发现轴承的刚度不同，转向制动尖叫的发生率与发生工况存在较大差异，则转向引起的轴承刚度变化是转向制动尖叫的发生机制之一，且轴承刚度较大时，尖叫发生率较低；

（7）转向制动尖叫的发生机制为“转向——悬架刚度变化/轴承刚度变化——制动尖叫发生率与发生工况的变化”，该结论可用于指导面向转向制动尖叫的轴承选型与悬架选型。

本项目的成果可大规模直接应用于上海汽车制动系统有限公司转向制动尖叫问题的解决中，有效的抑制尖叫发生、提升品牌的口碑与车辆舒适性。应用本项目成果获得了上海市科技进步一等奖。

2、技术创新点

（1）创新的提出了转向制动时尖叫道路试验方法。在转向制动尖叫道路试验中使用车轮六分力传感器与测力方向盘获取工况信息，有效的复现出转向制动尖叫现象并获取到精确的发生工况，为仿真分析与台架实验的进一步研究奠定了数据基础。

（2）创新性的提出了转向制动尖叫台架试验方法。以在边界条件中添加了转向引起的侧向力，并以尖叫频率和ODS为评价指标，在台架试验中复现转向制动尖叫现象并开发出转向制动尖叫台架实验方法。

（3）创新的提出了转向制动尖叫仿真方法。开发出转向制动尖叫的多体动力学-有限元联合仿真平台，以关键节点位移为多体动力学模型的输出和有限元模型边界，有效实现了转向制动尖叫的预测。

3、专利/论文/获奖情况

发表论文2篇：

[1] Surong Wu, Kang Fei, Le Xi, et al. Experimental study on steering brake squeal based on bench test[C].EuroBrake, 21 – 23 May, Dresden, Germany 2019.

[2] Ming Song, Xuegui Yu, Wei Li, et al. Experimental study on steering brake squeal based on vehicle road test[C]. EuroBrake, 21 – 23 May, Dresden, Germany 2019.

获得上海市科技进步一等奖1项

张立军; 孟德建; 武素荣; 王晨均; 余卓平;金晓春; 余学贵; 杨晓俊; 蒋玮; 奚乐; 熊璐; 李巍; 张兴林; 李文博. 全频段汽车制动系统动态设计与评价关键技术及应用, 上海市人民政府, 科技进步, 省部一等奖, 2020.

授权发明专利1项

[1] 费康;余学贵;匡博;黄家雄;奚乐. 一种用于汽车转向工况制动噪声的试验与评估方法: 中国，CN201910778399.9. 2019-08-22.

4、成果应用及经济效益预测

应用该项目成果，显著提升了上海汽车制动有限公司在汽车制动系统正向设计与评价的科研能力与产品质量，有效的减小了企业的研发成本。截止目前，使用该项目成果的制动系统产品已累计生产2,437.64万套，应用于近十家整车厂的几十个车型上，为本公司累计增加产值753,321.15万元，累计新增利润71,927.18万元税收12,415.7万元，取得了良好的经济效益与社会价值。