摘 要

純電動汽車有動力強勁、自重大等特點，這對整車制動性能提出了更高的要求。市場客戶又非常關(guān)注制動時的整車舒適性，因此，如何全面考慮純電動汽車制動場景，如何前期充分識別與驗證各項制動性能，成為困擾目前制動性能設(shè)計的技術(shù)難題。本文以某純電動汽車強度制動后前懸架彈簧顫鳴聲問題為研究對象，系統(tǒng)地介紹了彈簧顫鳴聲的識別與排查過程，基于制動受力分析與彈簧顫振機理，設(shè)計了一種用于驗證動態(tài)復(fù)雜整車問題的靜置試驗方法。通過靜置試驗還原了整車問題并進行了彈簧顫鳴聲的傳遞路徑分析，識別出彈簧座到車身傳遞路徑是彈簧顫鳴聲的關(guān)鍵要素，并且，通過改進彈簧座結(jié)構(gòu)，在靜置試驗與實車驗證了方案的有效性。這為快速解決汽車此類問題和前期制動開發(fā)問題識別提供了借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：制動；彈簧顫鳴聲；傳遞路徑；隔振

作者：

沈龍，男，主任工程師，浙江智馬達智能科技有限公司， 負責(zé)整車NVH性能開發(fā)。

張軍，男，博士，正高級工程師，吉利汽車研究院（寧波）有限公司，主要研究方向：汽車NVH性能開發(fā)。

引 言

近年來，隨著清潔能源領(lǐng)域熱度不斷攀升，純電動汽車產(chǎn)業(yè)也伴隨著契機蓬勃發(fā)展。純電動汽車有著超高動力性、自身重量大等特點，這就對制動性能提出了更高的技術(shù)挑戰(zhàn)。制動過程中的振動噪聲問題不僅嚴重降低消費者的感官體驗，更甚者會讓消費者產(chǎn)生安全方面的顧慮，繼而售后投訴問題頻發(fā)，大大降低了消費者的滿意度及汽車品牌的品牌力，更會導(dǎo)致高昂的售后維護費用。汽車行駛過程中，由于路面不平和動力總成、車輪等旋轉(zhuǎn)部件的激勵會導(dǎo)致汽車產(chǎn)生振動噪聲，路面激勵的輸入是汽車振動的基本輸入，振動頻率一般在0.5-24Hz。往往在汽車開發(fā)過程成中只考慮到了懸架彈簧與該激勵的避頻，忽視了純電動汽車高強度制動效能往往還會對相鄰部件產(chǎn)生高能量沖擊激勵，這會引發(fā)彈簧的顫鳴聲。制動過程中引發(fā)的懸架彈簧顫鳴聲問題屬于系統(tǒng)問題，涉及到彈簧、彈簧座、阻尼器、Top Mount等懸架系統(tǒng)零部件。懸架彈簧顫振發(fā)生時在彈簧中引起很高的應(yīng)力，而懸架彈簧屬于低阻尼系統(tǒng)，導(dǎo)致彈簧顫鳴聲久久不能消散。這是制動性能開發(fā)領(lǐng)域中存在的急需解決的技術(shù)難題之一。

張立軍[1]等在線性假設(shè)的條件下, 利用四端參數(shù)的分析方法, 研究分析了懸架螺旋彈簧的駐波效應(yīng),并發(fā)現(xiàn)降低螺旋彈簧端部襯墊的剛度和增大其內(nèi)部阻尼, 都可以有效的控制螺旋彈簧的駐波效應(yīng)對懸架振動隔離特性的不利影響。W Sun[2]等采用動剛度矩陣法確定了一種軌道車輛主懸架螺旋彈簧的動剛度，并分析了動剛度和螺旋彈簧一階固有頻率相對關(guān)系對車身振動的影響，通過與螺旋彈簧串聯(lián)橡膠層可以有效減弱傳遞至車身振動。Shinichi Nishizawa[3]等人通過有限元分析了懸架螺旋彈簧座幾何形狀及材料對彈簧力線（力線是螺旋彈簧在壓縮過程中與彈簧座相互作用產(chǎn)生的反力軸）的影響，橡膠等彈性材料用于彈簧底座會降低噪聲振動。劉瑤瑤[4]通過建立整車系統(tǒng)多體動力學(xué)模型進行動力學(xué)分析結(jié)果表明，采用側(cè)載螺旋彈簧后車身受到的加權(quán)加速度降低，可提高乘車的舒適性。R. A. Simmons[5]等人的研究表明，彈簧顫振往往是顯著的不能被斷然忽視，彈簧的內(nèi)部施加阻尼對彈簧顫振共振是有效的，在設(shè)計初期彈簧的顫振頻率應(yīng)該與系統(tǒng)中其他零部件固有頻率進行避頻處理。另外，部分文獻[6-8]采用仿真或試驗的方法研究了彈簧的設(shè)計方法。

制動過程中ABS觸發(fā)后的麥弗遜懸架螺旋彈簧顫鳴聲問題與ABS系統(tǒng)控制邏輯和懸架系統(tǒng)復(fù)雜運動形式相關(guān)，屬于非穩(wěn)態(tài)和非線性問題，目前無法通過有效的仿真手段進行前期規(guī)避，整車制動時的滑移率不能通過臺架模擬導(dǎo)致無系統(tǒng)的臺架試驗進行對懸架彈簧顫鳴聲問題進行前期驗證。因此，整車NVH開發(fā)過程中還未形成系統(tǒng)的解決措施和先期控制手段。

本文基于某純電動汽車制動ABS觸發(fā)后，前麥弗遜懸架螺旋彈簧顫鳴聲問題的排查分析過程，闡述了彈簧顫鳴聲產(chǎn)生機理，并通過靜置等效的方法將動態(tài)復(fù)雜的問題現(xiàn)象快速還原成靜態(tài)可分析的問題現(xiàn)象，通過靜置試驗快速的進行傳遞路徑分析查找問題敏感影響因素，通過改進螺旋彈簧上安裝座橡膠厚度和骨架結(jié)構(gòu)，在實車驗證了方案的有效性，這對提高制動舒適性開發(fā)有一定的工程指導(dǎo)價值。

1 前懸架螺旋彈簧顫鳴聲的測試分析

某后驅(qū)純電動汽車在平直路面正常行駛遇到突發(fā)狀況緊急制動時觸發(fā)ABS（制動防抱死系統(tǒng)），當車停住后車內(nèi)前排可聽見持續(xù)的彈簧顫鳴聲。ABS工作原理是在檢測到輪胎與地面產(chǎn)生滑移后，以200-300ms為時間步長不停釋放制動力來達到控制制動力的目的，以保證輪胎以最大的摩擦系數(shù)進行制動，從而獲得最短的制動距離。為了提升車輛駕乘安全，車輛普遍都配備了各式的主動和被動安全系統(tǒng)，ABS系統(tǒng)便是各車型的標配之一。隨著中國汽車保有量的逐步提升，城市路況越來越復(fù)雜，緊急制動觸發(fā)ABS經(jīng)常發(fā)生。且因慣性原因，前軸分配了65%左右的制動力，后軸分配了35%左右的制動力，加大了前懸架的制動激勵，增加了前懸架彈簧顫鳴聲問題發(fā)生率。導(dǎo)致用戶在用車過程中產(chǎn)生大量抱怨，也會帶來高額的售后維護成本。

通過不同車速及路面反復(fù)進行緊急制動評價，發(fā)現(xiàn)60kph進行緊急制動后的彈簧顫鳴聲明顯，且屬于消費者常用工況，因此，在平直瀝青路上60kph勻速行駛工況作為制動前懸架彈簧顫鳴聲問題排查分析的基礎(chǔ)工況。

1.1?整車道路測試的傳感器布置

結(jié)合主觀評價結(jié)果，初步鎖定制動后的噪聲問題發(fā)生在前懸架，且發(fā)聲系統(tǒng)應(yīng)該具有類似彈簧的欠阻尼特征。為了分析此問題的特征與潛在機理，分別在前懸架Knuckle、擺臂、轉(zhuǎn)向器、橫向穩(wěn)定桿、彈簧、Top Mount等懸架零部件結(jié)構(gòu)上和Top Mount車身側(cè)布置加速度振動傳感器，在車內(nèi)前排布置麥克風(fēng)。傳感器布置及坐標系如圖1和圖2所示。

圖1 傳感器布置及坐標示意圖

圖2 整車測試傳感器布置

1.2?顫鳴聲的道路測試與分析

圖3為制動后顫鳴聲時頻域測試分析結(jié)果，通過對聲音數(shù)據(jù)的回放和主觀評價的識別，該制動后的顫鳴聲主要特征是持續(xù)4s左右的125Hz的單頻聲音。其中，在車輛制動至靜止狀態(tài)后125Hz低頻顫鳴聲聲壓級峰值為47dB（A），為頻譜曲線的最高峰值，此頻率噪聲強度大，衰減慢，是此車顫鳴聲問題的關(guān)鍵因素。

圖3  制動后車內(nèi)前排噪聲的時頻域分析

1.3?顫鳴聲振動的道路測試與分析

車輛制動后,彈簧顫鳴聲發(fā)生過程中，前懸架各位置的主方向振動頻譜與車內(nèi)前排噪聲頻譜分析結(jié)果如圖4所示，通過對比噪聲與振動頻譜特征，可以得出：（1）問題車輛在60kph勻速行駛進行緊急制動后，車輛停穩(wěn)后車內(nèi)有嚴重的125Hz噪聲；（2）前麥弗遜懸架各部件均能捕捉到同頻振動峰值，彈簧上振動的主方向為Z向，且振動量級遠遠大于其他部件，屬于聲源；（3）Top Mount車身側(cè)和Knuckle振動的主方向為Y向，說明彈簧顫鳴聲產(chǎn)生及傳遞過程涉及懸架系統(tǒng)及車身的復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)振動。

圖4  顫鳴聲過程中噪聲振動頻譜對比分析

2 螺旋彈簧振動理論分析

彈簧在接近其固有頻率時可以橫向和縱向振動，如果一個一端固定的螺旋彈簧，在另一端被給予一個足夠快的壓縮，在剩余的線圈有時間相應(yīng)位移之前，末端線圈將被推到他的相鄰線圈，以此類推直至傳遞至擾動的另一端，然后擾動將被反射回來，這個過程將不斷重復(fù)，直到運動被阻尼消耗。這種現(xiàn)象即為彈簧顫振，彈簧顫振在彈簧中會產(chǎn)生很高的應(yīng)力，這大約等于彈簧被壓縮到其固體長度時的應(yīng)力。[9]

圖5  兩端固定支承彈簧顫振頻率的分析

螺旋彈簧對于未受到載荷或者載荷量相對較小的兩端固定的情況下，如圖5所示，其顫振計算公式推導(dǎo)如下。令彈簧長度為H，在距離彈簧左端z處取一個微小單元體A,其長度為ds  。A在任意時間t內(nèi)產(chǎn)生的位移為f，微小單元體A會受到彈性力Fs,阻力Fd，慣性力Fa等力的作用。根據(jù)平衡關(guān)系，他們的關(guān)系如下[10]

Fa=Fs-Fd （1）式中慣性量Fa為單元體A的質(zhì)量與加速度的乘積，則Fa可以寫成。在ds長度中F的變化為，一圈的變化為，單圈彈性力的變化

彈簧小段左端z長度內(nèi)的材料長度S為帶入式（2）得到（3）

式中

因瞬態(tài)變形f既是z的函數(shù)，又是t的函數(shù)，即

當彈簧兩端固定，在兩端即z=0和z=H時，因此ω為將α代入v，當彈簧一端固定，另一端為自由狀態(tài)時，彈簧的顫振頻率為

3 前懸架彈簧顫鳴聲的靜置試驗設(shè)計

3.1?受力分析及靜置激勵設(shè)計

該車型問題發(fā)生于ABS觸發(fā)工況，具有一定的危險性，且根據(jù)前文測試結(jié)果，彈簧顫鳴聲影響因素耦合復(fù)雜，在整車上進行分析驗證勢必降低效率。為了簡單和有效的對顫鳴聲問題進行分析及快速進行方案有效性驗證，根據(jù)如圖6所示的受力結(jié)果，設(shè)計靜置試驗。

圖6  制動時懸架的激勵力分析

制動時，摩擦片給制動盤一個順時針摩擦力矩M，ABS觸發(fā)時該力矩以3.3-5Hz頻次進行建立與釋放，將其簡化為沿摩擦片切線方向的激勵力F，這與彈簧顫振產(chǎn)生原理相符合。但是根據(jù)前文測試結(jié)果，顫鳴聲產(chǎn)生過程存在復(fù)雜耦合情況，為了靜置試驗的準確性，在靜置試驗時同時對X、Y、Z向和切向方向進行激勵以便確認最高信噪比的激勵方式。在平板舉升機上使用制動踏板執(zhí)行器將制動踏板踩下以模擬顫鳴聲過程的整車狀態(tài)，用力錘分別激勵制動盤與摩擦片接觸切線方向和制動盤X、Y、Z方向，同步測試彈簧近場和車內(nèi)前排噪聲，前懸架各部件、Top Mount車身側(cè)振動。

3.2?靜置試驗問題復(fù)現(xiàn)及傳遞路徑分析

按照設(shè)計靜置試驗進行問題復(fù)現(xiàn)，分別于摩擦片與制動盤接觸的X、Y、Z三向及切向方向使用力錘進行激勵，同步進行振動和噪聲的數(shù)據(jù)采集，測試噪聲、振動結(jié)果如圖7和圖8所示，彈簧顫鳴聲問題復(fù)現(xiàn)，且切線方向是最容易激勵復(fù)原問題的激勵方向，后續(xù)以該方向為激勵方向。

圖7  靜置試驗顫鳴聲頻譜對比分析

圖8  靜置試驗振動頻譜對比分析

通過靜置試驗復(fù)原問題并測試振動噪聲可知：（1）設(shè)計靜置試驗可以以靜態(tài)方式復(fù)現(xiàn)整車動態(tài)懸架彈簧顫鳴聲問題，顫鳴聲頻率為127Hz與實車相差2Hz，考慮為制動激勵與靜置激勵差異和實車制動時車輛姿態(tài)發(fā)生偏移等差異導(dǎo)致，但問題頻率差異較小，可以進行后續(xù)驗證工作；（2）車內(nèi)前排噪聲問題頻率凸出聲壓級曲線包絡(luò)線20dB（A），遠大于彈簧近場噪聲問題頻率凸出聲壓級曲線包絡(luò)線值，基本排除該噪聲通過空氣傳播。127Hz振動以彈簧為最大，其次是Top mount和Top mount車身側(cè)。懸架其他零件到車身傳動鏈長，問題頻率振動量級偏小不是主要傳遞路徑；（3）顫鳴聲以彈簧127Hz顫振為激勵源，通過Top mount傳遞至車身并在車內(nèi)形成噪聲的結(jié)構(gòu)聲問題。

3.3?基于靜置試驗的問題改進驗證

綜上所述，此車型制動后彈簧顫鳴聲問題主要是由ABS觸發(fā)后，摩擦片對制動盤的制動力矩激勵懸架彈簧產(chǎn)生顫振，并通過Top mount傳遞至車身并在車內(nèi)形成噪聲的結(jié)構(gòu)聲問題。因此，降低懸架彈簧激勵和改進懸架彈簧響應(yīng)傳遞是控制該車型問題的解決思路，考慮可實施性，從以下幾個方面進行改進驗證。

（1）改善主要傳遞路徑在問題頻率的隔振性能，降低彈簧顫振激勵向車身的傳遞。可以增加上彈簧座橡膠厚度或使用阻尼特性更好的硅膠材料等方案進行改進。還可以通過降低Top Mount剛度來提升隔振性能，但該措施可能會對車輛動力學(xué)性能發(fā)生沖突。

（2）顫鳴聲源頭額外附加減振或者降噪措施。在彈簧上添加附加質(zhì)量、動態(tài)吸振器或者使用彈簧表面阻尼材料，使彈簧顫振能量快速衰減。

（3）增大彈簧線徑，提升彈簧顫振所需要的激勵力，使得在現(xiàn)有ABS觸發(fā)激勵力下彈簧不發(fā)生顫振現(xiàn)象。但該措施會對車輛動力學(xué)性能發(fā)生沖突，在項目進行到中后期不建議采取該項措施。

通過前文設(shè)計靜置試驗，快速將以上分析方案進行靜置驗證，結(jié)果如圖9所示，以上分析方案均可改進彈簧顫鳴聲。

圖9  顫鳴聲方案靜置驗證結(jié)果

4 工程化改進措施及驗證

添加吸振器和阻尼結(jié)構(gòu)可以解決彈簧顫鳴聲問題，但會帶來成本增加和可靠性驗證時間增加。此車型如圖10所示方案，將上彈簧座橡膠厚度提升3.25mm，并增加特殊孔洞結(jié)構(gòu)利于隔振；骨架從L形改進成環(huán)形，減小彈簧與骨架的接觸傳遞并防止彈簧脫圈，以提升彈簧顫鳴聲傳遞路徑上的隔振能力。

圖10  彈簧座改進方案示意圖

該方案靜置試驗驗證了有效性，但靜置試驗與整車的還原度還要通過實車驗證。更換改進后的上彈簧座方案樣件，采用相同試驗方法進行主觀評價與客觀測試。如圖11所示，整車試驗結(jié)果與靜態(tài)試驗結(jié)果吻合，改進方案解決了制動后彈簧顫鳴聲的問題。此將動態(tài)復(fù)雜整車問題轉(zhuǎn)換為靜置可快速多方案驗證的試驗思路，為后續(xù)項目彈簧開發(fā)設(shè)計在前期進行驗證提供了條件，降低后續(xù)項目彈簧顫鳴聲發(fā)生的機率。

圖11  工程化方案路試效果

結(jié) 語

本文以某純電動汽車強度制動觸發(fā)ABS后，前懸架彈簧顫鳴聲問題為研究對象，系統(tǒng)闡述了前懸架彈簧顫鳴聲的識別與排查分析過程，結(jié)合彈簧顫振機理和制動時懸架受力分析，設(shè)計能夠高度還原問題現(xiàn)象的靜置試驗，將動態(tài)復(fù)雜的問題驗證等效成簡單靜置的試驗，并通過靜置試驗進行了彈簧顫鳴聲的傳遞路徑分析與多方案驗證，并實車驗證了方案的有效性。由于彈簧顫鳴聲機理復(fù)雜，與懸架各部件多有耦合，需要繼續(xù)深入彈簧顫振與懸架結(jié)構(gòu)的動態(tài)耦合非線性理論的研究，亟需建立高置信度的全面的制動性能仿真分析方法，充分考慮純電動車與燃油車的差異，建立完善的更寬頻域范圍考慮的懸架彈簧設(shè)計與驗證流程。

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[10]陳家瑞.汽車構(gòu)造.第三版[M].北京：人民交通出版社，1997：35-37.

作者簡介

沈龍

主任工程師

浙江智馬達智能科技有限公司

浙江智馬達智能科技有限公司，負責(zé)smart國內(nèi)外車型NVH開發(fā)。

E-mail：sl_wjstx@126.com

張軍

博士，正高級工程師

吉利汽車研究院

上海交通大學(xué)博士，正高級工程師，現(xiàn)任吉利汽車研究院NVH技術(shù)專家，專注于振動噪聲領(lǐng)域研究與工程實踐20多年。

E-mail：zj_zmkm@126.com