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创新的预测技术解决了通用汽车公司的制动鸣叫问题

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通用汽车公司和LMS工程咨询服务部合作开发解决制动鸣叫问题的新预测方法

没有什么比穿过一条拥挤的商业街道或者汽车在行驶时发出刺耳的制动鸣叫声更让人烦恼的了。制动系统发出的单调响声很容易觉察，并且在技术上也很难攻克，因此这对汽车厂商和制动系统供给商来讲是一直存在的质量问题。通用汽车公司（GM）同LMS一起合作开发了新的流程，能有效地将先进的试验与系统相关的静力学和动力学仿真联合起来，以达到在设计过程的早期就能够识别并确定制动鸣叫问题的目的。世界上最大的汽车制造商通过13千赫的间断鸣叫试验验证了这种方法，从此将其运用在几个新的开发项目中。GM工程师Mark Riefe评论道，“测量和模拟制动鸣叫动力学的功能为我们减少振动噪声提供了有效的台阶，并节约了工程成本和开发时间。”

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制动鸣叫建模的挑战

制动鸣叫是操作时制动系统产生的噪声，是一种极其复杂的现象，因此其模型很难建立。不同制动系统部件的特性，这些部件的组装方法，用于润滑部件和连结部位的油脂，制动衬垫的温度，制动衬垫和转子间的摩擦力，这些都会影响制动鸣叫。另外，单个部件的共振也会产生部件间的相互影响，这使得制动鸣叫现象更加难以控制。传统上，制动鸣叫问题是一个不断进行重复设计-建造-测试的过程，因为常规的有限元分析还不够精确。运用这个耗时的方法，问题的确定就要付出昂贵的代价，因为通常只有在设计过程中相对比较晚的时候才能确定问题所在。

GM的工程师Mark Riefe和Tinghui Steven Shi，以及LMS的工程师顾问Steven Dom，成功开发了一种严格的系统化相关性和更新流程，能够再生并预测高频制动鸣叫动力学。这个过程从完全制动角初始有限元模型的创建开始，用于决定制动角装配上的一组最佳测量位置。制动系统主要单独部件上进行的实验模态分析通过手动调整和自动优化程序，来更新其各自的有限元部件模型。然后，在整个制动装配上进行一系列相似的模态试验和模型更新。作为最后一步，制动装配的工作变形（ODS）将在制动鸣叫产生时测量。这些ODS与从复杂的特征值有限元分析中得到的稳定结果进行比较，一旦结果相匹配，工程师就能够确定从与在ODS上显示的鸣叫装置相同测试描述中得到的不稳定模态。

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所有模拟制动系统各个部件有限元模型的爆炸分离图

验证新方法

显示13千赫制动鸣叫的制动角可以用于验证这项新的预测方法。在这种特别的情况下，短期鸣叫在制动转子的每一旋转过程中出现一到两次。

第一步包括创建有限元模型，选择测量位置，运用LMS Gateway创建试验几何体。初始有限元模型的模态被用作决定网格是否足够详细以支持精确的模态仿真，并帮助决定试验几何体及其空间分布的自由度的适当数目。软件也可以为每一对模态生成模态确认准则（MAC），用于测量相似性或相关线性度。选择正确测量点的目的是在作为结果的MAC矩阵中使非对角元素的值最小化。这样做可以确保从所选测量点中获得的数据能够有效提供完整和精确的模态结果。在制动转子的每一边，挑选出有36个测量点的两个同心圆周。其他的测量点选在制动衬垫、测径器、肋板和轮轴上。

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已装配制动系统的完整有限元模型，用于制动尖叫预测

动力学工作偏差形态（ODS）

因为方便，ODS测量在下一步进行，而不是在流程的末尾进行。LMS CADA-X运转模态模块用于ODS评估。制动噪音测功机使工程师能够对引起鸣叫所需的操作条件进行手动复制。激光多普勒振动器（LDV）用于捕获平面外的转子偏差，同时小型轻量的加速度计用于追踪平面内的转子偏差和不回转部件上的偏差。轮轴和联合装置器安装在一个大的固定板上，应用三种不同的制动压力等级，与鸣叫产生时的压力范围相对应。系统的条件，特别是轮的转速和制动压力，在试验中保持恒定。测量完整制动装配上的待测点需要同一参考通道下的不同测量法，这一通道对应于测径器上的一个特殊点。分析过程分为三部分：轮盘外侧和内侧的颊板（都是在平面外的）测量，以及平面内的测量。部分划分的必要性是由于颊板的前面和后面不能用LDV同时测量。一个48通道的LMS数据采集系统（包括LMS CADA-X TMON和SMON后处理模块），一个扩音触发器，加速度计，和LDV可以用于获得ODS数据。测出的数据作为与参考信号和参考信号自功率谱相关的响应互功率谱被保存下来。修正了振幅的互功率谱被使用来创建ODS。获得平面内数据的同时，还需要跟踪与鸣叫产生时间记录相关的轮盘位置，这样可以对空间测量进行精确的定位。

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在制动尖叫产生时模拟制动装配的工作变形

静态模态分析

先前用于ODS测量的相同位置同样可以用于独立的实验部件评价。LMS CADA-X模态分析模块就被用于这一系列的评价。通过对单独部件模型的几何体和材料特性进行修正，直到与已测模态响应有很好的相关性时，系统模型才算调好。

一旦所有部件的模型经过验证和更新，工程师就运用与先前在ODS测量过程中产生鸣叫时相似的操作和边界条件对整体装配的模态特性进行分析。完整装配的相关性分析从更低的频率开始进行，在此频率范围，部件间的相互作用在分析中趋于主导地位。所有连接的刚度都使用LMS Gateway的LinkSolver程序进行调整。此外，还进行复杂的特征值分析以确定不稳定模态，随后再与先前测量的ODS相比较。经过考虑的制动角有限元模型显示出三个振型几乎相同的不稳定模态，所有这些模态都停留在实验ODS的150赫兹频率范围之内。试验和分析振型都很相似，并且在两个转子颊板之间表现出相关的步行运动。

制动鸣叫问题的确定

这些结果证明，采用适当的验证，分析可以作为预测和诊断的工具，在设计过程早期帮助确定高达15千赫的制动鸣叫问题。GM工程师Tinghui Steven Shi陈述道，“这个流程成功的关键是在静态和动态条件下，在部件级和系统级上，物理试验和虚拟有限元建模之间的严格的系统相关性。一旦我们彻底校验了分析模型，我们就可以在设计周期的更早阶段，使用该模型来识别和确定制动鸣叫问题。在本文描述的实际运用中验证了这种方法后，我们就将其移植到GM的主流开发过程，同时还用于其它几个实际的项目。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/14/2010)


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