CN112199817A - 一种汽车制动振动预测的方法 - Google Patents

一种汽车制动振动预测的方法 Download PDF

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徐旗钊
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Abstract

本发明公开了一种汽车制动振动预测的方法，步骤一、建立盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型；步骤二、根据台架试验获得相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线；步骤三、对步骤二中的相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线进行拟合优化；步骤四、测量制动盘的几何不均匀特性；步骤五、将实测的初始DTV和SRO特性曲线进行叠加；步骤六、进行仿真得出制动压力波动BPV与制动力矩波动BTV时域响应特性；步骤七、根据制动力矩波动BTV和制动压力波动BPV结果，预测制动盘制动振动的产生机率以及振动的程度。有益效果：本发明提高了制动振动的预测精度，能够准确地再现制动振动的发生过程，大幅度降低了研究成本和研究周期。

Description

一种汽车制动振动预测的方法
技术领域
本发明涉及一种振动的预测方法，特别涉及一种汽车制动过程中产生振动预测的方法，属于汽车制动振动研究技术领域。
背景技术
随着汽车行业的快速发展，汽车的安全性以及驾驶和乘坐的舒适性成为人们在选择汽车品牌时考虑的重要指标，然而汽车在使用过程中存在的制动振动问题是破坏舒适性的主要原因之一。制动振动给驾乘者带来的负面影响包括转向盘周向摆动，踏板的振动以及车身底板和座椅的振动。这些负面影响恶化了车辆的安全性和舒适性，还会降低制动系统零部件的使用寿命以及增加车辆维修成本。
目前，对于制动振动问题的解决方法主要是通过改变传递路径中整车子系统的结构参数的方法来减小振动的幅度，但该方法可能会降低车辆其他方面的性能，需要对整车进行合理的设计，提高了研究成本和周期。
目前，也有通过构建制动系统的动力学模型来预测制动振动的发生，以控制制动振动。然而，所建立的模型存在一些不符合实际的过分理性化的假设条件，这些假设条件会大大地增加模型的计算误差，影响模型的预测精度。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种通过建立制动盘与块面弹簧接触动力学模型来预测汽车制动振动的汽车制动振动预测的方法；本发明提高了预测汽车制动振动的精度，同时也减少了研究成本和研究周期。
技术方案：一种汽车制动振动预测的方法，包括以下步骤：
步骤一、建立盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型；
步骤二、根据台架试验获得相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线；
步骤三、对步骤二中的相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线进行拟合优化；
步骤四、测量制动盘的几何不均匀特性：将制动盘装配在制动台架上测得实际的初始端面跳动SRO和厚薄差DTV随时间变化的曲线，并将其转化为随角度变化的曲线；
步骤五、将实测的初始DTV和SRO特性曲线进行叠加：获得DTV和SRO的叠加位移曲线；
步骤六、进行仿真得出制动压力波动BPV与制动力矩波动BTV时域响应特性：将叠加位移分别作用在制动盘与块面弹簧接触动力学模型的左右两侧制动块的质心上作为系统的输入，并输入其它制动系统相关部件参数，即可获得制动盘的BPV和BTV时域响应；
步骤七、根据制动力矩波动BTV和制动压力波动BPV结果，预测制动盘制动振动的产生机率以及振动的程度。
本发明所述的预测制动振动的模型及方法准确地预测制动振动的机率和振动幅度，可以减少了研究成本和研究周期。
优选项，为发提高了制动振动的预测精度，能够准确地再现制动振动的发生过程，所述盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型包括制动盘、内侧制动块、外侧制动块、活塞、卡钳和悬架支架，所述内侧制动块和外侧制动块与制动盘之间分别分布有面接触式弹簧，所述卡钳与外侧制动块之间设有点接触式弹簧，所述活塞两端分别通过点接触式弹簧与卡钳和内侧制动块连接，所述内侧制动块和外侧制动块分别安装在悬架支架上。本发明所提出的制动盘与制动块之间采用面弹簧接触的动力学模型，提高了制动振动的预测精度，能够准确地再现制动振动的发生过程，大幅度降低了研究成本和维修成本，这将大大减少汽车制造商的经济损失。
优选项，所述步骤二中摩擦系数的值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
由对应的制动压力和制动力矩来确定，根据 以下计算公式可得不同制动压力下摩擦系数
Figure 127026DEST_PATH_IMAGE001
随相对滑动速度变化的曲线。
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
式中，T－制动转矩；P－制动压力；A－制动分泵面积；R－等效摩擦半径。
优选项，步骤三中针对实测的
Figure 165870DEST_PATH_IMAGE004
组数据
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 539083DEST_PATH_IMAGE006
，拟合曲线的形式如 下：
Figure 465451DEST_PATH_IMAGE008
式中：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为待定系数；
Figure 607719DEST_PATH_IMAGE010
为拟合曲线的阶数，其中系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
的确定通过以下 迭代法来确定；
设曲线上到点
Figure 23657DEST_PATH_IMAGE012
距离最近的点为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
，可得出数据点到拟合曲线的距离误差 的和为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
当上述曲线拟合产生的距离误差取得最小值时；有
Figure 418253DEST_PATH_IMAGE016
=0
用最速下降法对待定系数
Figure 148312DEST_PATH_IMAGE011
进行迭代求解；
定义D关于
Figure 613928DEST_PATH_IMAGE011
的梯度函数为：
Figure 404030DEST_PATH_IMAGE018
待定系数
Figure 689518DEST_PATH_IMAGE011
组成的系数矩阵为：
Figure 223267DEST_PATH_IMAGE020
假设迭代步长为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
，从而有迭代公式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
设曲线上到点
Figure 605707DEST_PATH_IMAGE012
距离最近的点为
Figure 832289DEST_PATH_IMAGE013
，可推导出坐标间满足关系式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
由数据点
Figure 932969DEST_PATH_IMAGE012
以及系数
Figure 736321DEST_PATH_IMAGE011
，利用以上公式，采用迭代法可求出拟合曲线上对应的点
Figure 894639DEST_PATH_IMAGE013
。
优选项，所述步骤四中所述测得实际的初始端面跳动SRO和厚薄差DTV随时间变化 的曲线，测量在制动初速度对应的转速下匀速测得，将测得的厚薄差和端面跳动随时间的 位移变化量转化为对应时间下制动盘转动角度下的位移特性曲线，并分别取其
Figure 26543DEST_PATH_IMAGE026
圆周上 的位移特性曲线进行后续拟合。
优选项，所述步骤五中将厚薄差和端面跳动的正弦曲线进行叠加，获得的叠加曲线作为模型的输入将其均分到制动盘的内外侧，同时将涉及的制动系统的其它相关参数输入到模型中，进行仿真分析，可获得所测制动盘的制动压力波动和制动力矩波动特性曲线。
优选项，所述预测方法是通过分析仿真所得的制动力矩波动特性曲线的最大幅值除以平均制动力矩的百分比值可预测制动振动是否发生以及其振动的程度；其计算公式如下：
Figure 552203DEST_PATH_IMAGE028
百分比值不超过10% ，BTV超标量越大，振动就越严重。
有益效果：本发明所提出的制动盘与制动块之间采用面弹簧接触的动力学模型，提高了制动振动的预测精度，能够准确地再现制动振动的发生过程，大幅度降低了研究成本和维修成本，这将大大减少汽车制造商的经济损失；发明所述的预测制动振动的模型及方法准确地预测制动振动的机率和振动幅度，可以减少了研究成本和研究周期。
附图说明
图1为本发明面弹簧接触的动力学模型示意图；
图2为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种汽车制动振动预测的动力学模型，所述盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型包括制动盘1、内侧制动块2、外侧制动块3、活塞4、卡钳5和悬架支架6，所述内侧制动块2和外侧制动块3与制动盘1之间分别分布有面接触式弹簧7，所述卡钳5与外侧制动块3之间设有点接触式弹簧8，所述活塞4两端分别通过点接触式弹簧8与卡钳5和内侧制动块2连接，所述内侧制动块2和外侧制动块3分别安装在悬架支架6上。
为了简化模型，制动盘1采用单一厚度的弹性体圆板代替，制动盘1的几何不均匀性以实测的具有制动振动故障的制动盘的DTV以及装配状态下的制动盘SRO的叠加位移等效到内侧制动块2和外侧制动块3的轴向位移，制动盘1与内侧制动块2、外侧制动块3间的接触采用面接触式弹簧7来表现，而卡钳5和外侧制动块3、活塞4和内侧制动块2、活塞4和卡钳5间的接触采用点接触式弹簧8，刚体之间的接触关系等效为线性的接触刚度和接触阻尼。本发明所提出的制动盘1与内侧制动块2、外侧制动块3之间采用面弹簧接触的动力学模型，提高了制动振动的预测精度，能够准确地再现制动振动的发生过程，大幅度降低了研究成本和维修成本，这将大大减少汽车制造商的经济损失。
如图2所示，一种汽车制动振动预测的方法，包括以下步骤：
步骤一、建立盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型：根据动力学运动方程，利用Matlab-Simulink搭建制动盘与块面弹簧接触动力学仿真模型；
步骤二、根据台架试验获得相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线；
步骤三、对步骤二中的相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线进行拟合优化；
步骤四、测量制动盘的几何不均匀特性：将制动盘装配在制动台架上测得实际的初始端面跳动SRO和厚薄差DTV随时间变化的曲线，并将其转化为随角度变化的曲线；
步骤五、将实测的初始DTV和SRO特性曲线进行叠加：获得DTV和SRO的叠加位移曲线；
步骤六、进行仿真得出制动压力波动BPV与制动力矩波动BTV时域响应特性：将叠加位移分别作用在制动盘与块面弹簧接触动力学模型的左右两侧制动块的质心上作为系统的输入，并输入其它制动系统相关部件参数，即可获得制动盘的BPV和BTV时域响应；
步骤七、根据制动力矩波动BTV和制动压力波动BPV结果，预测制动盘制动振动的产生机率以及振动的程度。
首先根据动力学运动方程
Figure DEST_PATH_IMAGE029
建立包括制动盘1、内侧制动块2、外 侧制动块3、活塞4、卡钳5以及悬架支架6的多体动力学仿真模型，刚体之间的关系等效为线 性的接触刚度和接触阻尼。模型假设制动压力不变，忽略压力变化对制动副间的摩擦特性 的影响，而考虑制动盘与制动块间相对滑动速度与摩擦系数静态特性的影响。根据以下摩 擦系数的计算公式以及小波分析方法可获得不同制动压力下的制动盘、制动块之间的摩擦 系数静态特性曲线。
Figure 958913DEST_PATH_IMAGE003
由于摩擦系数波动较大，为方便计算以及减小拟合误差，采用一种拟合曲线到数据点 之间的距离最短的思想的曲线拟合方法来拟合摩擦系数静态特性曲线。针对实测的
Figure 988049DEST_PATH_IMAGE004
组数 据
Figure 559363DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 306739DEST_PATH_IMAGE006
，拟合曲线的形式如下：
Figure 720403DEST_PATH_IMAGE008
式中：
Figure 869625DEST_PATH_IMAGE009
为待定系数；
Figure 608911DEST_PATH_IMAGE010
为拟合曲线的阶数；其中系数
Figure 578004DEST_PATH_IMAGE011
的确定通过上 述迭代法来确定。
接着进行模型输入量初始制动盘厚薄差DTV和端面跳动SRO的测量，测量在制动初 速度对应的转速下匀速测得。将测得的厚薄差和端面跳动随时间的位移变化量转化为对应 时间下制动盘转动角度下的位移特性曲线，并分别取其
Figure 795358DEST_PATH_IMAGE030
圆周上的位移特性曲线进行后 续拟合。然后，运用Matlab编程将厚薄差和端面跳动的正弦曲线进行叠加，获得的叠加曲线 作为模型的输入将其均分到制动盘的内外侧，同时将涉及的制动系统的其它相关参数输入 到模型中，运用Matlab/Simulink进行仿真分析，可获得所测制动盘的制动压力波动和制动 力矩波动特性曲线。由于制动力矩波动是制动振动发生的根本原因，所以通过分析仿真所 得的制动力矩波动特性曲线的最大幅值除以平均制动力矩的百分比值可预测制动振动是 否发生以及其振动的程度。其计算公式如下：
Figure 799087DEST_PATH_IMAGE028
一般规定百分比值不应超过10% ，BTV超标量越大，振动就越严重。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种汽车制动振动预测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型；
步骤二、根据台架试验获得相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线；
步骤三、对步骤二中的相对滑动速度与摩擦系数静态特性曲线进行拟合优化；
步骤四、测量制动盘的几何不均匀特性：将制动盘装配在制动台架上测得实际的初始端面跳动SRO和厚薄差DTV随时间变化的曲线，并将其转化为随角度变化的曲线；
步骤五、将实测的初始DTV和SRO特性曲线进行叠加：获得DTV和SRO的叠加位移曲线；
步骤六、进行仿真得出制动压力波动BPV与制动力矩波动BTV时域响应特性：将叠加位移分别作用在制动盘与块面弹簧接触动力学模型的左右两侧制动块的质心上作为系统的输入，并输入其它制动系统相关部件参数，即可获得制动盘的BPV和BTV时域响应；
步骤七、根据制动力矩波动BTV和制动压力波动BPV结果，预测制动盘制动振动的产生机率以及振动的程度。
2.根据权利要求1所述的汽车制动振动预测的方法，其特征在于：所述盘式制动器的制动盘与块面弹簧接触动力学模型包括制动盘（1）、内侧制动块（2）、外侧制动块（3）、活塞（4）、卡钳（5）和悬架支架（6），所述内侧制动块（2）和外侧制动块（3）与制动盘（1）之间分别分布有面接触式弹簧（7），所述卡钳（5）与外侧制动块（3）之间设有点接触式弹簧（8），所述活塞（4）两端分别通过点接触式弹簧（8）与卡钳（5）和内侧制动块（2）连接，所述内侧制动块（2）和外侧制动块（3）分别安装在悬架支架（6）上。
3.根据权利要求1所述的汽车制动振动预测的方法，其特征在于：所述步骤二中摩擦系 数的值
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由对应的制动压力和制动力矩来确定，根据以下计算公式可得不同制动压力下摩 擦系数
Figure 540142DEST_PATH_IMAGE001
随相对滑动速度变化的曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，T－制动转矩；P－制动压力；A－制动分泵面积；R－等效摩擦半径。
4.根据权利要求1所述的汽车制动振动预测的方法，其特征在于：步骤三中针对实测的
Figure 30160DEST_PATH_IMAGE004
组数据
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure 61570DEST_PATH_IMAGE006
，拟合曲线的形式如下：
Figure 560816DEST_PATH_IMAGE008
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为待定系数；
Figure 377593DEST_PATH_IMAGE010
为拟合曲线的阶数，其中系数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
的确定通过以下 迭代法来确定；
设曲线上到点
Figure 84518DEST_PATH_IMAGE012
距离最近的点为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，可得出数据点到拟合曲线的距离误差 的和为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
当上述曲线拟合产生的距离误差取得最小值时；有
Figure 876326DEST_PATH_IMAGE016
=0
用最速下降法对待定系数
Figure 116945DEST_PATH_IMAGE011
进行迭代求解；
定义D关于
Figure 37497DEST_PATH_IMAGE011
的梯度函数为：
Figure 134897DEST_PATH_IMAGE018
待定系数
Figure 609741DEST_PATH_IMAGE011
组成的系数矩阵为：
Figure 450789DEST_PATH_IMAGE020
假设迭代步长为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，从而有迭代公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
设曲线上到点
Figure 35966DEST_PATH_IMAGE012
距离最近的点为
Figure 304268DEST_PATH_IMAGE013
，可推导出坐标间满足关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
由数据点
Figure 813878DEST_PATH_IMAGE012
以及系数
Figure 645567DEST_PATH_IMAGE011
，利用以上公式，采用迭代法可求出拟合曲线上对应的点
Figure 478394DEST_PATH_IMAGE013
。
5.根据权利要求1所述的汽车制动振动预测的方法，其特征在于：所述步骤四中所述测 得实际的初始端面跳动SRO和厚薄差DTV随时间变化的曲线，测量在制动初速度对应的转速 下匀速测得，将测得的厚薄差和端面跳动随时间的位移变化量转化为对应时间下制动盘转 动角度下的位移特性曲线，并分别取其
Figure 917597DEST_PATH_IMAGE026
圆周上的位移特性曲线进行后续拟合。
6.根据权利要求1所述的汽车制动振动预测的方法，其特征在于：所述步骤五中将厚薄差和端面跳动的正弦曲线进行叠加，获得的叠加曲线作为模型的输入将其均分到制动盘的内外侧，同时将涉及的制动系统的其它相关参数输入到模型中，进行仿真分析，可获得所测制动盘的制动压力波动和制动力矩波动特性曲线。
7.根据权利要求1所述的汽车制动振动预测的方法，其特征在于：所述预测方法是通过分析仿真所得的制动力矩波动特性曲线的最大幅值除以平均制动力矩的百分比值可预测制动振动是否发生以及其振动的程度；其计算公式如下：
Figure 570295DEST_PATH_IMAGE028
百分比值不超过10% ，BTV超标量越大，振动就越严重。
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