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基于Stick-slip運(yùn)動的汽車異響控制技術(shù)

2020-03-05 17:32:11·  來源：汽車異響B(tài)SR  
　
車輛使用過程中發(fā)生的吱吱嘰嘰這類噪聲，在汽車工業(yè)中通常稱之為摩擦異響，其根本原因是由于內(nèi)飾、密封系統(tǒng)或底盤部件相互摩擦產(chǎn)生粘滑（Stick-slip）現(xiàn)象而引起

車輛使用過程中發(fā)生的“吱吱…嘰嘰…”這類噪聲，在汽車工業(yè)中通常稱之為摩擦異響，其根本原因是由于內(nèi)飾、密封系統(tǒng)或底盤部件相互摩擦產(chǎn)生粘滑（Stick-slip）現(xiàn)象而引起的。目前，大多數(shù)汽車公司采用的是隔離的辦法，避免兩個部件之間的直接接觸，從而可以消除由于材料的異響性能不兼容而產(chǎn)生的摩擦異響，但是該控制辦法多數(shù)情況下只有在生產(chǎn)后期才能發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行臨時解決，并且對成本的控制是一個挑戰(zhàn)。基于材料之間發(fā)生摩擦異響的特性，以及環(huán)境溫、濕度對隔離層影響的綜合考慮，本文提出在設(shè)計階段對兩種異響性能兼容性差的相鄰材料進(jìn)行特殊的表面處理工藝要求，以達(dá)到在設(shè)計前期有效地消除這種摩擦異響的目的，從而節(jié)約開發(fā)成本和方案的驗證周期。

Research on the Control Technology of Automotive Squeaking noise based on Stick-slip Motion
ABSTRACT: The noise perceived as squeak or itch generated during vehicle driving, it is referred to as a kind of unwanted noise, which results from stick-slip motion caused by interactively frictional contact between two adjacent parts, like interior, sealing system or chassis components, etc. At present, the solutions adopted by the majority of OEMs are to take some isolations to avoid to direct contacting, so as to eliminate the squeaking noise. However, at times, it is infeasible considering the pressure of full production launch time, moreover, it is really a challenge for cost saving. Taking into account the characteristics of squeaking noise and other influence factors, such as environmental temperature and relative humidity, therefore, the specific surface treatment process are proposed in this paper, for the sake of getting rid of such disturbing noise in the early design phase, and thus, the development cost can be saved,simultaneously, to reduce the solution validation period as well.

1 引言

現(xiàn)代汽車噪音控制工程的發(fā)展趨勢已經(jīng)進(jìn)入了近乎苛刻要求的階段，而異響更是成為衡量汽車質(zhì)量品質(zhì)的一個重要指標(biāo)。加之，由于混合動力和純電動汽車的發(fā)展，使得來自汽車內(nèi)飾、密封系統(tǒng)和底盤的異響問題就顯得尤為突出，因為沒有一個客戶能忍受讓人煩躁的異響。而在所有的異響問題中由于摩擦而產(chǎn)生的這類異響問題尤其讓汽車使用者抱怨更大，也相對難解決。

目前，國內(nèi)大多數(shù)汽車公司采用的是隔離的辦法，避免兩個部件之間的直接接觸，從而可以消除由于材料的異響性能不兼容而產(chǎn)生的摩擦異響，但是該控制辦法多數(shù)情況下只有在生產(chǎn)后期才能發(fā)現(xiàn)并只有進(jìn)行臨時解決，并且對成本的控制是一個挑戰(zhàn)。其次，對控制由于材料之間的摩擦而產(chǎn)生的異響，通常是通過測量相互接觸的材料匹配對，進(jìn)而對測試數(shù)據(jù)采用N10響度等級或者RPN（Risk Priority Number）的方法來判斷兩個材料對之間在一定的條件下（法向力、速度和溫濕度）摩擦是否會發(fā)生異響現(xiàn)象。

此外，摩擦異響的控制也可以通過計算機(jī)輔助工程（CAE）的辦法進(jìn)行一定程度的預(yù)防，但是，由于缺乏一個精確可靠的滑動摩擦模型，因此，在產(chǎn)品下線之前就必須對材料匹配對進(jìn)行預(yù)先的測試，然后在模型中通過輸入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)仿真，進(jìn)而求得兩個材料對之間的相對位置作為異響風(fēng)險指標(biāo)。

然后，通過與試驗測試數(shù)據(jù)的相關(guān)值進(jìn)行對比來確定摩擦異響的風(fēng)險大小。但是該預(yù)測的方法受多個因素的影響，加之，從上文我們了解到這種摩擦的發(fā)生是由于相互作用的部件表面之間的粘滑行為而導(dǎo)致的，而該行為取決于大量參數(shù)，包括但不限于材料本身，還有溫度、濕度、正常負(fù)載、系統(tǒng)合規(guī)性、零件幾何結(jié)構(gòu)、速度、表面粗糙度、磨損、污染物等。所以，實(shí)際效果并不明顯，而且可計算的部件有限，通常為儀表板車門，但是塑料材料在整車上應(yīng)用的區(qū)域很廣。

所以，也就導(dǎo)致發(fā)生這種摩擦異響的風(fēng)險的幾率更大。而塑料材料的應(yīng)用不只是儀表板和車門，在現(xiàn)代汽車工業(yè)越來越向輕量化方向發(fā)展過程中，復(fù)合塑料材料的應(yīng)用會越來越普遍，也就導(dǎo)致了摩擦異響必然會成為困擾汽車使用者的一個長期問題，亟待解決。

2 存在異響的材料應(yīng)用分布

最常見的車內(nèi)摩擦類噪音是由汽車內(nèi)飾材料或橡膠材料的摩擦而導(dǎo)致的，而這類復(fù)合材料是汽車內(nèi)飾中應(yīng)用最廣的材料。

根據(jù)統(tǒng)計，商用車輛的塑料含量占所有內(nèi)部部件的約50％，包括子系統(tǒng)，門和座椅等組件。研究統(tǒng)計分析，平均車輛使用約150公斤塑料和塑料復(fù)合材料，而鋼鐵和鋼材鋼材總重量為1163公斤，而且目前它的總重量約占汽車總重量的10-15％【2】。

例如，盡管在一輛汽車內(nèi)飾材料中可以使用多達(dá)13種不同的聚合物，但有三種塑料占汽車總塑料的66%左右：聚丙烯PP（32%）、聚氨酯PU（17%）和聚氯乙烯PVC（16%）【3】，如下圖1列表所示。

圖1. 汽車內(nèi)飾中塑料材料的使用

由于塑料材料的廣泛應(yīng)用，從而導(dǎo)致引起摩擦異響的幾率就比較高，由Dr. Hans Daams【4】等人基于對11輛樣車的拆解分析得出，材料組合對可達(dá)298對，而這些材料組合的匹配中有283種情況會發(fā)生摩擦異響，發(fā)生撞擊異響的材料組合為263對（見圖2），也就是超過一半的異響問題是由于摩擦而產(chǎn)生的。

圖2.整車內(nèi)部接觸點(diǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由此可知，控制汽車的摩擦類異響問題顯得尤為重要。本文提出通過設(shè)計階段針對部分材料匹配對進(jìn)行表面處理的方法來防御摩擦異響。在實(shí)施該控制技術(shù)之前，需要了解摩擦異響產(chǎn)生的理論背景，從而對理解如何控制該類異響有很大的幫助。

3 摩擦異響的基本原理

究其原因，摩擦異響在學(xué)術(shù)上解釋就是，由于相互接觸面之間由于相對運(yùn)動而產(chǎn)生粘滑現(xiàn)象，接觸面的彈性變形會儲存能力，當(dāng)靜摩擦超過動摩擦是這種能量就會釋放，從而產(chǎn)生人們可以聽到的摩擦異響。文中提到的粘滑（Stick-slip）往復(fù)運(yùn)動通常是由低頻率下發(fā)生的，但是這種由低頻的粘滑運(yùn)動而產(chǎn)生的表面振動能夠釋放出范圍在200- 10,000Hz的噪音【1】。

由于粘滑是一個反復(fù)發(fā)生的事件，它可能被視為諧波振動或噪聲。粘滑效應(yīng)是日常生活中的一種常見現(xiàn)象，例如，當(dāng)一張桌子在地板上推動時，它的桌腿可能會開始振動，或者當(dāng)濕手指沿著邊緣移動時，酒杯也會開始振動，還有，運(yùn)動員穿的運(yùn)動鞋，當(dāng)在急速的啟動和停止時，與地面摩擦?xí)r也會產(chǎn)生我們熟知的這種聲音。

根據(jù)庫侖實(shí)驗可知，克服物體運(yùn)動的摩擦力與法向載荷成正比。該臨界力可以定義為如下公式所示：


兩個相互接觸的物體，接觸面的粗糙度是影響滑動摩擦的一個主要的因素，決定了物體表面如何真是地接觸。

其次，導(dǎo)致摩擦發(fā)生的兩個主要的摩擦學(xué)概念是附著力和變形量。首先，附著力源于相互接觸的兩種材料之間的化學(xué)或物理結(jié)合，那么，為了讓獲得粘合，表面區(qū)域就必須相互靠近。這就意味著兩個表面的脊線之間必須相互接觸，然后，這些脊線將發(fā)生彈性或者塑性變形，從而形成真實(shí)的接觸面。如下圖3所示：

圖3.兩個材料的真是接觸情況

附著是指局部接觸點(diǎn)的剪切，而切向方向上的變形量是粗糙面上產(chǎn)生滑動的主要因素。而從以往的試驗證明，絕大多數(shù)情況下，摩擦表現(xiàn)為一個不連續(xù)的過程，當(dāng)靜摩擦大于動摩擦，且速度很小的情況就會引起接觸面之間的粘滑（stick-slip）運(yùn)動。

(未完待續(xù)....)
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