基于道路和台架的制动器振动噪声试验方法研究
余卓平 孟德建 张立军
同济大学
[摘要] 介绍了汽车制动器振动噪声试验方法的研究状况，针对基于整车的道路试验和基于试验台的台架试验，从试验方法的特点及适用性、评价方法、具体试验操作程序、测试手段及数据分析与处理等方面对两种试验进行了阐述和对比分析，指出了制动器振动与噪声试验方法的发展趋势。
[主题词] 制动器 振动与噪声 道路试验 台架试验
1 引言
汽车制动引起的振动噪声通常分为低频抖动、中频颤振和高频尖叫3类。低频抖动会导致制动踏板、转向盘、仪表板及底板的剧烈振动；中频颤振能引起悬架及传动系统的振动，并在汽车舱内产生低频噪声；高频尖叫具有声压级高、单频、窄带、突发的特点，是城市交通噪声的重要组成部分之一。因此，制动振动噪声问题既会影响汽车乘坐舒适性，降低汽车品质和品牌形象，又会污染环境，损害人们的健康。而制动器设计参数众多，摩擦、振动与热动力学效应复杂，使用期间摩擦副特性时变、制动工况复杂多变，加之低阻尼耐高温新材料使用及结构的轻量化改变等因素，使得制动器振动与噪声问题非常复杂。
针对制动器振动噪声问题的复杂性，通常采用理论分析与试验相结合的研究方法。理论分析主要从摩擦振动、自激振动、磨损、热及热机耦合分析等角度展开发生机理和影响因素的研究，具有初始条件明确、求解过程缜密、分析深刻透彻的特点。但是，理论研究中出于简化分析和突出主要矛盾的需要，必须采取很多理想化和单一化假设条件，影响了分析结果的可靠性与工程应用。而试验研究方法从实际条件出发，能够直接获得制动器振动噪声的实际特征，发现并初步分析影响因素及其贡献率，能够较快提出改进措施，具有简明、直接、可靠的特点及较好的工程应用价值。同时，试验测试与分析也是建立合理理论分析假设条件及建立可靠分析模型的基础，是检验控制措施实际效果的有效手段。
对于制动器振动噪声试验方法，从试验对象角度考虑可分为制动器性能试验、部件试验及部件材料特性试验3类；从试验手段考虑可分为基于整车道路试验和基于试验室台架试验2类。本文主要基于整车道路试验和试验室台架试验，从特点及适用性、评价方法、具体试验操作程序、测试手段及数据分析与处理等方面进行制动器振动噪声试验方法的研究。
2 基于整车道路试验的试验方法
2.1 特点及适用性
由于影响因素的复杂性及使用工况的多变性，使得制动振动噪声具有随机发生的特性，现象再现及问题捕捉试验特性统计难度较大。因此，多数汽车生产商和制动器供应商通常采用周期较长的整车道路试验来研究制动器振动噪声问题。另外，基于整车道路试验的方法能够真实地反映制动振动噪声产生的状况，有利于提出可行的控制措施，因此目前许多制动器振动噪声的法规都是基于整车道路试验制定的。
但是，基于整车道路试验的方法也存在以下缺点：
a．容易受天气、道路状况、背景噪声及驾驶员和试验操作人员主观因素的影响与限制，使得速度、制动压力、环境温度及湿度等参数比较难于控制，影响试验工况的控制精度和试验结果的一致性。
b．由于制动器在整车上安装空间的限制，导致一些先进的测试装置难以得到应用，制动力矩、制动盘端面跳动（SRO，Sideface Runout）、制动盘和摩擦衬片瞬时温度等参数的测量比较困难，对试验结果的准确性、可重复性及不同信号之间的相关分析带来了不利影响。
c．整车道路试验的费用较高，耗时较长。如单个LACT（Los Angeles City Traffic）测试就需要6周的准备时间、300～500h试验时间，费用高达20万元。
2.2 评价方法
2.2.1 主观评价方法
最初，制动器振动噪声主要通过主观等级量表（Rating scale）来评定。主观等级量表参照标准SAE J1060将制动噪声分为10个等级，第1级代表噪声最恶劣，第10级代表没有噪声，1～4级表示无法接受，第5级表示边界线，6～10级表示可以接受。这种主观评价方法要求评估者不仅要具备高超的驾驶技术，能够实现拟定的行驶工况，而且还要深刻理解如何提供等级量表的数值，如估计噪声的强度和品质，甚至估计振动的频率。由于评估者的感觉经常受个人主观因素和环境的影响，所以不同的评估团队对同一辆车的评价结果可产生很大的差别。
2.2.2 客观评价方法
为克服主观评价的不足，研究者们逐渐尝试通过客观数据来评估制动振动噪声。目标噪声指标ONI（Objective Noise Index）已经被很多制动器供应商采用，它将试验测量的客观数据融合为单一的评估值，包括噪声声压级、频率、开始时间、结束时间、位置及等级等。目标噪声指标的定义主要基于试验数据，但也参照了与此相关的主观等级量表。
但是，关于主观评价方法与客观评价方法之间的对应关系的建立进展不大。文献［11］将基于客观数据的声压级与噪声主观评价等级进行了对比分析，指出同一车辆在同一试验程序下，客观评价与主观评价的相关性极低。文献［12］中的目标噪声指标ONI具有不明确性，而且会产生不同的试验数据得到相似的评估值的现象。针对制动噪声随机性大、重复性差的特点，文献［13］综合考虑速度、制动减速度、制动次数等参数，应用模糊数学理论建立了制动噪声模糊综合评价方法，但是有效性尚需进一步验证。因此，必须建立一种基于整车道路试验的系统的评估标准，以满足汽车制动器振动噪声问题研究的需要。
2.3 试验程序
确定性的试验程序有利于精确控制车辆与制动器的运行工况，便于试验分析与评价。目前，北美和欧洲的汽车生产商和制动器供应商基本认同LACT试验程序和Mojacar试验程序。文献［10，14，15］就利用LACT试验程序进行了制动器振动噪声的研究。表1为2种试验程序的比较。由表1可知，Mojacar试验和LACT试验的路线和路况完全不同，制动速度和制动强度等初始条件也存在很大区别，因此同一辆车应用2种试验程序得出的试验结果往往存在不一致的问题。另外，Mojacar试验中不包括城市交通工况，与普通人的驾车行驶工况不符，而且过分强调了低速下的制动振动噪声，因此其试验结果没有LACT试验结果具有说服力。另外，这2种试验方法都没有考虑低温（＜0℃）条件下制动振动噪声的情况。
我国虽然制定了机动车辆噪声测量方法的相关标准，但尚缺少制动器振动噪声测量方法的相关标准，甚至在汽车行业内也没有形成统一的测量方法。反而日本Akebono公司和美国Link公司在我国的上海和苏州2个城市，针对开阔的高速公路、拥挤的高速公路、城市街道、乡村道路等行驶工况进行了制动振动噪声整车道路试验，并将试验结果与采用LACT试验程序取得的结果相比较，试图建立一种适合我国汽车发展的制动器振动噪声整车道路试验程序标准。因此，我国必须自主建立制动器振动噪声道路试验标准。
在进行制动振动噪声研究过程中，国内外研究者设计了不同的试验程序。文献［5］研究制动抖动现象时将制动速度控制在140～40km/h范围内，控制制动踏板力为轻微制动、中等强度制动和紧急制动工况，研究悬架、转向系抖动特征及其与速度、制动强度的关系。有研究者将制动压力和温度控制在1.5～2.0MPa、24～35℃及2.0～2.8MPa、65～71℃ 2种工况进行制动中频颤振的试验研究。也有研究者指出了制动尖叫试验中工况设置的方法：在小于车轮抱死时管路压力的范围内选择5个典型压力作为试验时的恒定管路压力值；在小于汽车最高车速80％的速度范围内选择5个典型车速作为试验制动车速；恒温值取95±5～200±5℃范围内的5个典型值，前者相当于汽车在平直路面上随机制动时制动器的工作温度，后者相当于汽车频繁制动、下坡连续制动时的高温状态。显然，不同学者根据研究问题的不同，结合研究对象的特殊性，通过控制制动压力、制动速度和制动温度等条件进行整车道路试验，但是试验程序存在很大的离散性，尚未统一。
2.4 测试手段
在制动器振动噪声试验过程中，振动信号与噪声信号的测试手段直接影响试验结果的准确性。
2.4.1 振动信号
振动信号由振动加速度传感器测得，包括单向振动加速度传感器和三向振动加速度传感器。为测量振源振动特征，通常将单向振动加速度传感器布置在制动器保持架、钳体及两侧制动衬片上。为测量振动可能的传递途径，通常将单向加速度传感器布置在A柱、前纵梁、底板、顶盖、横向稳定杆、螺旋弹簧、制动踏板等关键部件上，在转向盘上经常安装三向振动加速度传感器。在布置传感器时单向振动加速度传感器要布置在振动敏感的方向，如制动钳沿制动盘平面法向方向的振动灵敏度较高，而沿切向振动灵敏度仅为法向振动灵敏度的4％。另外，在靠近车轮附近布置的传感器应对尘土、沙砾、湿度具有一定的耐受。
2.4.2 噪声信号
制动噪声分为车内噪声和车外噪声两部分，主要由声级探头测得。为提高车内噪声测量的准确性，通常采用增加声级探头数量的方法，严格按照法规布置。另外，可使用仿真人头测量装置，但是在汽车行驶时不能应用于驾驶员位置处，此时可让驾驶员佩戴双通道麦克风耳机测量噪声。车外噪声包括近场噪声和远场噪声两部分。测量近场噪声的声级探头布置在靠近制动器车轮罩的内侧；远场制动噪声的测量非常困难，振源噪声辐射方向不能确定，且受声音的多普勒频移效应及环境噪声的干扰等，可使用单指向性声级探头来减少以上原因带来的测量误差。同时，道路试验中长期应用的声级探头也应对尘土、沙砾、湿度和振动具有较强的耐受性。
为满足汽车制动器基于整车道路试验的需求，需要开发应用特殊的车载数据采集与记录系统。这种车载数据采集系统除满足数据采集基本功能外，还应具备以下特点：适应不同道路和天气等试验环境的剧烈变化；适应试验行驶里程长、耗时长的特点；具有强大的数据存储能力，每天采集原始数据量可达到2～3GB；具有强大的数据管理功能和简洁的报告形式；具有快速的数据处理功能和良好的可视界面，便于工程师及时对试验进行调整。
2.5 数据分析与处理
试验数据处理对获得试验结论非常重要。目前，传统的幅值域、频率域和相关域分析方法广泛应用，同时短时傅立叶分析方法、小波分析方法等时频分析方法也得到了一定的应用。
幅值域的分析通常采用时域分析技术，得到信号在时间历程上的整体特征、极值和需了解的区域。频率域分析则利用傅立叶变换（FFT）或短时傅立叶变换（STFT）等信号处理技术，将时域信号转变为频域信号，再应用频谱分析技术获得信号特定频段的频率结构、相位信息和噪声声压级及振动幅值。小波分析技术因其高频处时间细分、低频处频率细分的特点，在时域和频域分析中得到了广泛的应用。
为分析试验现象与各种因素之间的关系，常运用阶次分析技术、三维谱振分析技术和相干分析技术等方法处理试验数据。阶次分析能够反映振动频率与转速的关系；三维谱振分析能够反映制动过程中振动频率幅值和声压级随时间及车速等参数的变化情况；相干分析可表明输出与输入之间的相关性，运用此方法可寻找振源和声源，初步分析振动噪声传递途径。
3 基于台架试验的试验方法
3.1 特点及适用性
相对于整车道路试验，台架试验的优点在于：减少了道路、天气及多种人为因素的干扰，充分利用了先进的试验测试技术及控制方法，试验工况的设置更方便和准确，试验所需场地小，有利于节约试验成本和时间；研究目的更具有针对性。因此，台架试验结果对制动振动噪声理论分析具有更高的指导价值。
3.2 试验台架分类与分析
按照试验系统结构的不同，制动振动噪声台架试验分为牵引式台架试验（Drag Dynamometer）、底盘测功机台架试验（Chassis Dynamometer）和单轮胎-转子台架试验（One Tire-Roller Dynamometer）等3种。3.2.1 牵引式台架试验方法
牵引式台架试验系统结构如图1所示。该系统包括电机和模拟制动惯量的质量飞轮，有时还配有减速器以获得更高的转矩。制动器通过法兰等装置与主轴连接，一般不包括悬架等结构，制动力由制动油路提供。该试验系统的结构简单，传感器布置方便，试验重复性好，且该试验方法具有容易改进的特点，从而使研究更具有针对性。为研究制动盘变形及温度对制动振动噪声的影响，可将多个位移传感器或温度传感器安装在一个刚性薄板上，让薄板靠近制动盘表面以测量其不同径向位置厚度变化（DTV，Disc Thickness Variation）及温度。为研究制动力矩的波动性和随机性，利用图2所示的测试装置可测量制动力矩。为研究轮胎对鼓式制动器低频振动的影响，文献［22］设计了一种轮胎刚度等效装置，利用弹簧刚度模拟了轮胎垂向刚度，如图3所示。
但是，该试验方法具有一定的局限性：
a．需要改变和控制的试验参数多，而且试验中模拟的制动力矩远小于整车道路试验中的制动力矩，即台架试验如何再现实际道路试验问题需要解决。
b．被测制动器系统中不包括悬架系统，只有极少文献考虑了轮胎的作用，因此台架试验中模拟的制动器工作条件较之实际复杂边界条件大大简化。
该试验台的优点在于充分利用了底盘测功机来模拟整车的制动力矩，利用复杂的控制系统模拟实际的道路工况和制动工况，考虑了悬架和轮胎等边界条件的影响，是最接近整车道路试验的台架试验方法。
但是，这种试验方法仍然具有局限性：
a．要求具备底盘测功机和试验车辆等基础试验条件，否则无法利用此方法进行制动器振动噪声试验。
b．高速时产生的轮胎噪声对制动器制动噪声的测量干扰极大。
c．由于制动器在车上的安装结构复杂，限制了先进测试技术的应用，传感器的布置和试验参数的测量不方便。
3.2.3 单轮胎一转子台架试验方法
单轮胎-转子台架试验方法是悬架测功机试验方法的一种改进，它的结构包括整车的1/4悬架和一个车轮，如图5所示。
该试验方法除具有悬架测功机试验方法的优点外，还克服了对试验车辆的要求，且结构更简单，降低了试验成本，提高了试验的可行性，同时为传感器的安装和先进测试技术的使用提供了足够的空间。但是，为避免试验中轮胎跳动引起试验数据的失效，该试验方法对轮胎及悬架的固定要求较高，如制动盘厚度变化和端面跳动的范围在0～200μm内。
通过以上分析可得出，牵引式台架试验方法以其结构简单、测量方便、成本低廉、适于控制和改进的显著特点，更适合我国高校和研究单位对制动振动噪声研究的需要。另外，这3种试验方法都需要风扇对制动器进行冷却，以模拟制动器在汽车行驶中的散热环境。
3.3 评价方法和数据分析与处理
台架试验只采用客观评价方法，其数据分析处理基本与整车道路试验类似，常采用时域分析、频域分析及三维谱阵分析技术，通过获得振动噪声等参数的频率、幅值、相位、声压级等信息，评价制动振动噪声的特征及关键的影响因素。
3.4 试验程序
在振动噪声评价试验中，最初台架试验程序是模拟LACT和西班牙Mojacar道路试验程序，保证不丢失制动噪声事件；其次，采用在恒定的速度下寻找制动噪声产生条件的方法，如温度和压力的范围。但这种试验方法得到的制动噪声较高，另外模拟的车速范围较小，一般仅为3～10km/h。后来，欧洲的汽车生产商、制动器供应商和摩擦材料供应商共同提出了AK噪声台架试验程序，这种试验程序已扩展到停止制动（In-stop brake）工况下制动器振动噪声的测量。在1998年，美国SAE组织提出了SAEJ2521制动器振动噪声台架试验程序。德国Bosch公司为评估和关联台架试验和道路试验的试验数据，基于SAEJ2521提出了对制动器振动噪声台架试验程序的建议。
而在振动噪声的基础研究领域，采用了在恒定制动压力或制动温度下，制动转速在某一范围内变化，持续制动若干次或较短时间后，制动压力或制动温度达到某一数值后重复试验的方法。如，鼓式制动器低频振动噪声的试验程序为：在初始制动温度为250℃、转速为10r/min条件下制动，制动压力从2.5MPa逐渐减小至0，然后恢复到初始制动压力重新制动。如果制动振动噪声获得比较困难，将转速降为5r/min，重复以上试验。可见，采用整车道路试验程序和台架试验程序是基本相似的。试验条件设置见表2。
3.5 测试手段
牵引式台架试验的测试条件非常优越：在电机与制动器之间安装扭矩传感器可测量制动力矩和转速；在制动管路中安装液压变送器可测量制动油压，进而获得制动压力；热电偶温度传感器可采用预置热电偶技术或预埋热电偶技术测量制动温度；非接触式电容或涡流位移传感器可测量制动盘厚度变化和端面跳动，但要求探头距制动盘表面0.5～2mm，且满足高温条件；振动加速度传感器不仅可布置在制动钳上，还可布置于制动盘的通风孔内测量制动盘的振动信号；使用单个麦克风测量噪声信号，当背景噪声声压级接近60～70dB时，麦克风应放置在高于制动毂中心轴500mm且距制动盘平面100mm处。结合控制系统可有效地控制上述参数，有利于试验的重复进行。文献［26］利用Parajust速度控制器控制转速，利用线性驱动器控制制动主缸的位置，利用PID控制器控制制动压力，从而保证了试验的可重复性。
台架试验中可利用很多先进的测试技术，这些测试技术有利于试验数据的测量和处理，试验研究目的的针对性和试验的可行性。
a．全息技术、ESPI技术。全息技术能够提供整个制动系统的可视化振动图像，再根据条纹的形状和强度分布可得出振动状态及物体表面各点的振幅。全息技术必须利用银盐干板作记录介质，冲洗过程费时费力，条纹处理更是复杂，实际应用中存在一定的困难。ESPI技术除具有非接触、灵敏度高、全场同时测量的特点外，还具有测量迅速、简便等优点。但是ESPI的分辨率较差，测量的振幅范围较小，其发展方向主要集中在紧凑、用户友好性激光器和3D连续测量技术及测振方法研究上。
b．激光多普勒测振技术。该技术可测量结构的动态响应，特别是高速运动的物体，测量结果经过模态分析处理后可获得系统的振动模态。相对于ESPI技术，它具有精度高、空间分辨率高、动态响应快、测量范围宽等特点。其发展趋势主要集中在小型化、实用化及实时测量技术等方向上。
c．近场声全息技术。利用麦克风阵列技术测量结构表面声音强度和空气粒子位移，捕捉噪声的瞬态响应，通过变换技术在部件结构图像构建三维声压场、振速场、声强矢量场，并能预报远场指向性，是研究制动器结构与噪声产生之间关系的有效手段。空间分辨率和快速连续的扫描是其一大难题，麦克风阵列网格的大小和其相对被测物体的距离会对测得的噪声特性有较大的影响。
d．热成像技术。该技术主要是指红外热成像技术，可测量制动过程中制动器热点的形成、温度场的分布等热现象。热成像技术关心的是所观察物体的等效温差，具有响应速度快、非接触、不破坏被测对象的温度场及可在线检测某些难以接触或禁止接触的被测目标等特点。
4 总结与展望
通过以上分析可见，制动振动噪声整车道路试验具有很多局限性和不足，其发展趋势如下：
a．建立基于多目标的试验程序。试验程序不仅要考虑到制动振动噪声的特征，而且还要预测关键的影响因素、可能的传递途径及其对驾驶员、乘客、行人造成的影响。同时，多目标的试验程序应尽可能地降低试验时间和成本。
b．制定系统的、清楚可信的客观评价标准。由于主观评价仍然被广泛使用，所以首先应增强主观评价与客观测试相关性，制定出主观评价和客观测试相关性强的评价方法，进而制定出完全基于试验数据的客观评价标准，这种标准要具有系统性、说服性和便于结果的比较性。
c．完善识别振动噪声事件的检测算法。由于制动振动噪声只有在某些制动过程中出现，具有很强的随机性，这就要求车载测试系统不仅能够采集信号、储存数据和分析处理，而且还要具有识别振动噪声发生事件的功能。只有在制动振动噪声产生时采集数据，才能降低数据存储量和数据处理的工作强度，并且能够清楚地展现事件开始发生时的瞬态特征。
虽然再现整车道路试验是台架试验的基本要求，但根据不同的研究目的，其发展趋势如下：
a．试验台架多功能化。对于整车生产商和制动器供应商来说，台架试验要同时满足制动低频抖动、中频颤动和高频尖叫的研究要求，甚至是制动器性能试验、制动器摩擦材料性能试验的要求，以尽可能降低试验成本和缩短试验时间。
b．提高试验结果的可靠性。一般来说，试验中包含的制动系统部件及其边界条件越多，台架试验的结果越可靠。同时，试验程序的制定应该向有利于台架试验与整车道路试验数据对比及两者数据相关函数识别的方向发展，增强试验结果的可靠性。
c．测试系统的方便化。试验测试系统趋于综合，以实现多种测试技术的集成．并为有限元分析和科学仿真等商业软件提供数据接口，充分提高试验和数据处理的效率，为理论分析提供更多的帮助。
d．对于高校等研究单位，台架试验应沿着研究目标单一、分析方法深刻、低成本、可行性强的方向发展，目的在于揭示制动振动噪声产生的机理。
