除了可靠性和安全性，汽車在制動時的舒適性也受到越來越多消費者的關(guān)注，如何做到“無聲剎車”，對每一家汽車制造商而言無疑是一個重大挑戰(zhàn)。幸運的是德國Polytec公司生產(chǎn)的3D掃描式激光測振儀可以更有效地與有限元模型進行結(jié)合分析，使得這個問題得以解決。本文將簡介德國Polytec公司和德國大陸公司(Continental AG)成功合作案例。
1．引言
噪音和振動的最優(yōu)化控制是產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，并且隨著計算機輔助模擬技術(shù)的快速發(fā)展而取得了很大的進步。
基于本征值分析的制動噪音計算（包含預(yù)估制動噪音），已經(jīng)成為很多汽車生產(chǎn)商和零部件供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)分析流程。然而這種方法計算出的不穩(wěn)定模態(tài)往往與真實情況不符，并且在實驗初期階段很難獲知系統(tǒng)的所有參數(shù)。因此，無論多先進成熟的建模技術(shù)，也離不開過硬的測試技術(shù)作為支撐。只有當(dāng)仿真結(jié)果與實際測量值非常接近時，才能確保有限元模型的有效性。本文旨在將測試技術(shù)和建模技術(shù)充分結(jié)合，最大限度地發(fā)揮出各自優(yōu)勢。
目前市場上的測試手段大致可分為兩類：非接觸式的光學(xué)測試方法，如激光測振技術(shù)或全息攝影技術(shù)；接觸式測試方法，如加速度計。這兩大類測試技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點。
例如，非接觸式光學(xué)測試方法有如下局限性：測試激光必須能直接或間接（如利用反射鏡）地照射到被測表面，隱藏在剎車系統(tǒng)內(nèi)部或激光探測不到的地方將無法進行測量，此時可使用接觸式測量方法進行補充測試。但接觸式測試方法對被測物有影響，耗時耗力，且測點數(shù)量受限?；谏鲜鲈颍瑢嶋H操作過程中，往往以非接觸式測量方法為主，以接觸式測量方法為輔（激光點無法到達的位置）。
在這里，我們使用最新型號的3D掃描式激光測振儀獲得完整的振動數(shù)據(jù)，并與有限元仿真結(jié)果進行對比，再反過來對有限元模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終達到提高產(chǎn)品振動性能的目的。
2. 有限元仿真分析
剎車時，剎車片在剎車盤或剎車鼓上受擠壓產(chǎn)生的強摩擦使得車輛減速止行，但同時也會帶來剎車噪音。
可用如下數(shù)學(xué)方程來描述：
其中：M：質(zhì)量矩陣
D：阻尼矩陣
K：剛度矩陣
q：位移矢量
f(t)：外部激勵，但不是引起剎車片振動所必需
由于剎車盤和剎車片之間存在摩擦，導(dǎo)致回復(fù)力不守恒，剛度矩陣變得不對稱等問題，這就需要帶有復(fù)雜算法的專門軟件來解出該系統(tǒng)方程。通過本征值分析，可定量得出不穩(wěn)定模態(tài)，計算出自激勵振動頻率。第一步要做的是建立包含所有相鄰底座組件的剎車系統(tǒng)的有限元模型（如圖1所示）。
第二步，計算出剎車系統(tǒng)在剎車時的靜變形，該值與剎車壓力、溫度和其它參數(shù)有關(guān)。
第三步，確定每個特定制動系統(tǒng)的本征值。
圖1：用于本征值分析的有限元模型
圖2 部件圖（左）和受夾緊和圓周力的振型（右）
圖3顯示的是本征值分析結(jié)果。在這次試驗中，找到兩個導(dǎo)致尖銳噪音的可疑頻率。最后經(jīng)驗證，僅其中之一是尖銳噪音的產(chǎn)生頻率。
圖3：模型1和模型2的復(fù)雜本征值分析結(jié)果---僅模型1在測試頻率（黃色）會產(chǎn)生尖銳噪音
3 測試技術(shù)簡介
德國Polytec公司生產(chǎn)的3D掃描式激光測振儀，是基于多普勒原理的激光測振技術(shù)，是近十年成熟起來的新型非接觸式測振手段，也是目前公認(rèn)的先進的振動測量技術(shù)，具有精度高，動態(tài)范圍大等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于超聲振動，航空航天結(jié)構(gòu)振動，微機械，精密制造等領(lǐng)域。下圖為激光測振儀的光學(xué)原理。
圖4 激光測振儀的光學(xué)原理圖
基于光學(xué)多普勒效應(yīng)，設(shè)備核心為一臺高精度激光干涉儀，輸出激光照射到被測物表面上，同時收集返回設(shè)備的激光，經(jīng)干涉產(chǎn)生正比于被測物體表面速度的多普勒頻移信號（頻移信號很小，約10-8，這就要求干涉儀具有極高的精度），該信號經(jīng)內(nèi)置于控制器內(nèi)的解碼器運算處理，輸出被測物的速度和位移。
3D掃描式激光測振儀使用三個獨立激光頭，如下圖，測振系統(tǒng)從不同的空間方向獲取每個測量點的振動數(shù)據(jù)。
圖5 3D掃描式激光測振儀的三個掃描頭
測試前，需在被測物體表面上布置測試網(wǎng)格，定義網(wǎng)格的形狀、密度等參數(shù)。測試時，系統(tǒng)將每個點的測量結(jié)果與參考點進行比對，從而得出系統(tǒng)振型。
其它的光學(xué)測試技術(shù)，如全息術(shù)或電子散斑干涉技術(shù)，可在掃描的同時得出振型；但唯有激光測振技術(shù)可獲取整個頻段的頻響，從而準(zhǔn)確地得出物體的復(fù)雜模態(tài)。
3D掃描式激光測振儀測量的是目標(biāo)的三維振動特性，可以在很短的時間內(nèi)完成從建模到測試數(shù)據(jù)的獲取，到振型顯示的全部工作，測試點可多達數(shù)萬個,其數(shù)據(jù)獲取量和速度是傳統(tǒng)方法無法比擬的，一次測試即可同時完成面內(nèi)振動和面外振動的測量，是測量剎車系統(tǒng)聲振特性的強有力工具！這種非接觸式測量技術(shù)大大簡化了測試任務(wù)，只有在激光照射不到的測量區(qū)域才會使用到接觸式傳感器。
4 試驗研究
如圖6所示，為評估噪聲特性，首先在剎車系統(tǒng)上運行自動搜索噪聲程序，即所謂的矩陣測試，這包括駕駛員在實際路途中所經(jīng)歷的所有狀況。在此，我們使用一些參數(shù)來記錄和評估剎車噪聲，如運行方向、速度、制動壓力、溫度、噪聲頻率、噪音等級和持續(xù)時間以及剎車循環(huán)次數(shù)等。一旦這些參數(shù)已知，便可獲知系統(tǒng)振型。
在正式測試之前，需做好一些準(zhǔn)備工作：如激光測振系統(tǒng)的安裝，包括激光頭的擺放，測振系統(tǒng)的三維坐標(biāo)校準(zhǔn)，待測網(wǎng)格的布置（可導(dǎo)入有限元模型或通過現(xiàn)場圖像進行定義），以及測試參數(shù)的設(shè)置等。
在測力計上，將臨界參數(shù)作為導(dǎo)致不良剎車噪聲的目標(biāo)，噪音搜索程序?qū)λ械念l率進行順序搜索。
PSV-3D從不同空間方向測試剎車系統(tǒng)的振動特性，這樣可以盡可能多地獲得測點信息。當(dāng)激光點不能直接到達被測位置時可借助反射鏡，這樣就可以一次完成整個結(jié)構(gòu)的測試，而不用將不同位置獲取的測量結(jié)果進行拼接處理，從而避免了測振系統(tǒng)的重新定位和校準(zhǔn)等測量步驟，測量精度更高。需要注意的是，測量時要確?？梢苿臃瓷溏R組與測振系統(tǒng)處于同一坐標(biāo)系統(tǒng)。若在安裝時已經(jīng)將反射鏡組定位好，三維坐標(biāo)系的統(tǒng)一可由系統(tǒng)自動完成。
圖6 剎車系統(tǒng)在剎車測力計上
為補償光學(xué)測量技術(shù)的局限性，掃描測試的同時在剎車系統(tǒng)散熱部位安裝了三軸加速度傳感器，（如圖7所示）。為此，在剎車系統(tǒng)的內(nèi)部和外部邊緣上安裝4個三軸加速度傳感器，使用耐高溫粘合劑粘結(jié)。
圖7 剎車系統(tǒng)上安裝了三軸向加速度傳感器
為保持測試數(shù)據(jù)的相位一致，加速度計的測試信號也通過3D采集系統(tǒng)來獲取。由RPM傳感器的觸發(fā)脈沖來完成加速度計的同步。在靜態(tài)坐標(biāo)系下將每個循環(huán)的數(shù)據(jù)集時間等分成360份，對每等份做FFT分析，然后將加速度幅值轉(zhuǎn)換為振型。如：典型的轉(zhuǎn)速為10RPM，可以計算出每轉(zhuǎn)4°需要用時67ms，采樣頻率為204.8kHz，FFT為6400線，頻率分辨率為12.5Hz。角度分辨率和頻率分辨率二者只能取其一，更高的角度分辨率就意味著頻率分辨率會降低。例如，若角度分辨率為1°時，頻率分辨率則為50Hz。
圖8 剎車系統(tǒng)的三維模態(tài)振型
該完整的振動數(shù)據(jù)組可與有限元模型進行對比。將測試結(jié)果與模擬分析得到的頻率、模態(tài)進行比對，進而驗證其相關(guān)性和有效性。
5 對策
一旦工作模態(tài)的振型和頻率被確定后，便可采取相應(yīng)的措施防止共振產(chǎn)生，從而抑制剎車噪音的出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是選擇性地改變諧振頻率。只有在這之后，才進行帶有阻尼效應(yīng)的第二次振動測試。通過有限元模型對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化是非常高效的。
從測試的角度來看，選擇不同參數(shù)的組合進行測試是相當(dāng)困難的。真正的剎車系統(tǒng)存在運行磨損，通常只可能統(tǒng)計檢測出散射的噪聲相關(guān)參數(shù)。正因為此，幾乎不可能創(chuàng)建完全程序化的操作步驟。
圖9顯示的是兩種模態(tài)在不同摩擦系數(shù)下的頻率對比。紅色虛線代表其中一個模態(tài)，藍色實線代表另一相鄰頻率模態(tài)。隨著摩擦系數(shù)的增加，兩模態(tài)的頻率也會發(fā)生變化。開始時第一個模態(tài)的頻率降低，而第二個模態(tài)的頻率升高，直到摩擦系數(shù)為0.1時，兩個模態(tài)的頻率出現(xiàn)重合點。這樣一來，本征值更為復(fù)雜。由于負(fù)向阻尼的出現(xiàn)，導(dǎo)致了剎車系統(tǒng)產(chǎn)生尖銳噪聲。
為消除剎車噪聲，轉(zhuǎn)移共振頻率避免模態(tài)耦合，這里采用參數(shù)優(yōu)化來抑制自激振動的產(chǎn)生。該優(yōu)化后經(jīng)實際測試得以證實（如圖10和圖11所示）。
圖9 取決于頻率和摩擦系數(shù)的模態(tài)耦合導(dǎo)致噪聲的出現(xiàn)
圖10 由于附加質(zhì)量的影響導(dǎo)致制動鉗結(jié)構(gòu)性失衡
圖11 由于剎車盤剛度的改變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性失衡（直線型和彎曲型通風(fēng)溝）
6 結(jié)論和展望
如今，工程人員的開發(fā)設(shè)計時間愈來愈短，用戶要求愈來愈高，為適應(yīng)這一現(xiàn)狀必須進一步優(yōu)化產(chǎn)品的聲振特性。這就需要汽車制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商進行跨學(xué)科合作，最好在設(shè)計階段就對噪聲進行定量分析，避免在后續(xù)投入更多的時間和費用進行優(yōu)化；有限元仿真無法替代測試，而只能作為測試的補充手段；
3D掃描式激光測振系統(tǒng)和多通道加速度計互補，分別由德國Polytec公司和德國大陸公司提供，是優(yōu)化剎車系統(tǒng)的聲振特性的可靠方法。
