Piszczący hamulec: przegląd literatury

Abstrakcyjny

  Pisk hamulca, który zwykle mieści się w zakresie częstotliwości od 1 do 16 kHz, był jednym z najtrudniejszych problemów związanych z samochodowymi układami hamulcowymi od ich powstania. Powoduje niezadowolenie klienta i zwiększa siękoszty gwarancji. Chociaż od lat 30-tych XX wieku przeprowadzono znaczne badania nad przewidywaniem i eliminowaniem pisku hamulca, nadal trudno jest przewidzieć jego wystąpienie. W tym dokumencie charakterystyka i prądTrudności napotkane w walce z piskaniem hamulca są opisane po raz pierwszy. Dokonano przeglądu analitycznych, eksperymentalnych i numerycznych metod stosowanych do badania pisku hamulca. Niektóre z wyzwań związanych z piszczeniem hamulcabadania są nakreślone. Wszelkie prawa zastrzeżone.

 Wprowadzenie

  Pisk hamulca jest jednym z najtrudniejszych problemów związanych z samochodowymi układami hamulcowymi od ich powstania. Badania dotyczące przewidywania i eliminowania piszczenia hamulców są prowadzone od lat 30. [1,2]. Początkowo bębenhamulce zostały zbadane ze względu na ich szerokie zastosowanie we wczesnych samochodowych układach hamulcowych. Jednak systemy hamulców tarczowych są stosowane szerzej w nowoczesnych pojazdach i stały się przedmiotem badań nad piskami hamulców.

  Ryc. 1 i 2 pokazują typowy układ hamulców tarczowych o konstrukcji zacisku typu "fi". Układ hamulca tarczowego składa się z wirnika, który obraca się wokół osi koła. Zespół zacisku montowany jest do układu zawieszenia pojazduprzez kotwicę

Rys. 1. Typowy układ hamulcowy typu "dzikiego".

Rys. 2. Schemat układu hamulca tarczowego.

wspornik. Obudowa zacisku może przesuwać się na wsporniku kotwiącym przez dwa kołki. Klocki hamulcowe z formowanym materiałem ciernym mogą również przesuwać się na wsporniku kotwiącym. Tłok może ślizgać się wewnątrz obudowy zacisku. Gdy ciśnienie hydrauliczne jestTłok jest przesuwany do przodu, aby docisnąć wewnętrzną podkładkę do wirnika, aw międzyczasie obudowa jest popychana w przeciwnym kierunku, aby docisnąć zewnętrzną podkładkę do wirnika, wytwarzając w ten sposób moment hamujący.

  Podobnie jak wszystkie inne zastosowania z interfejsem ciernym, hałas i wibracje są nieodłącznymi produktami ubocznymi hamowania. Hałas i wibracje hamulca zostały sklasyfikowane zgodnie z częstotliwością: drgania, jęki, szumy, pisk, szumyi szczotka druciana [3]. Piskliwy hałas, który jest szczególnie denerwujący, zazwyczaj mieści się w zakresie częstotliwości od 1 do 16 kHz.

  Piszczący hamulec generowany jest przez drgania niestabilnego trybu wibracji układu hamulcowego. W tym stanie wirnik hamulca może działać jako głośnik, ponieważ ma duże płaskie powierzchnie, które mogą łatwo emitować dźwięk. WystępowaniePisk hamulca to problem, ponieważ powoduje znaczny dyskomfort dla pasażerów pojazdu i prowadzi do niezadowolenia klienta i zwiększenia kosztów gwarancji. Niestety nie udało się przeprowadzić dużego badania nad piskami hamulcówzapewnić pełne zrozumienie lub możliwość przewidywania jego wystąpienia [1-26]. Jest to częściowo spowodowane złożonością mechanizmów, które powodują piszczenie hamulców, a częściowo ze względu na konkurencyjny charakter motoryzacjiprzemysł, co ogranicza ilość wspólnych badań opublikowanych w otwartej literaturze.

  Chociaż kompleksowy przegląd squeal hamulca został przeprowadzony przez Yang i Gibson w 1997 r. [4], był w pewnym stopniu skoncentrowany na istotnych aspektach układu hamulcowego. Celem tego artykułu jest przedstawienie cech ibieżące trudności napotkane w walce z piskiem hamulców i przegląd metod analitycznych, eksperymentalnych i numerycznych stosowanych w badaniu pisku hamulca.

Charakterystyka pisku hamulca

  Jednym z największych czynników przyczyniających się do pisku hamulca jest materiał cierny, ponieważ wzbudzenie piszczące występuje w interfejsie ciernym, a normalnie zajmuje około 12 miesięcy w celu sfinalizowania wyboru materiału ciernego. To na pewnobardzo trudno jest przewidzieć a priori skłonność układu hamulcowego do pisków. Ponadto, często w konstrukcji układu hamulcowego, pierwszeństwo mają wymagania, takie jak skuteczność hamowania, koszt i łatwość wytwarzania. WspólnyPraktyka w zakresie różnych komponentów układu hamulcowego, który ma być wytwarzany przez różnych dostawców, jeszcze bardziej komplikuje sprawę. Duża liczba wyprodukowanych pojazdów oznacza nawet niską skłonność do pisków stwierdzoną podczas wstępnego testowaniaUkład hamulcowy może stać się poważnym problemem, gdy pojazd będzie produkowany z powodu znacznie większego rozmiaru populacji. Modyfikacje pod koniec fazy rozwojowej będą miały dwa potencjalne zagrożenia:

  (1) prowadzące do opóźnień produkcyjnych i zwiększonych kosztów zarówno dla producentów hamulców i pojazdów, jak i (2) prowadzących do produktów nie w pełni zwalidowanych z potencjalnym problemem dotyczącym gwarancji polowych.

  Najistotniejszą komplikacją w badaniach hamulców jest niezorganizowany charakter pisku hamulca; to znaczy, że pisk hamulca może czasami być nieodwracalny. Istnieje wiele potencjalnych częstotliwości pisków (niestabilne tryby) dla układu hamulcowego. Każdyposzczególny składnik ma swoje naturalne tryby. Liczba trybów dla rotora w ludzkim zasięgu słuchu może wynosić maksymalnie 80. Częstotliwości modalne i modalne kształty wirnika, suwmiarki, kotwicy i podkładki zmienią się po zmianie tych częścizainstalowane na miejscu. Podczas hamowania, części te są dynamicznie sprzężone, tworząc szereg sprzężonych trybów drgań, które różnią się od trybów drgań swobodnych. Dodatek tarciaSiły sprzęgające na styku ciernym skutkują macierzą sztywności dla układu zawierającego niesymetryczne niesymetryczne warunki sprzężenia. Z punktu widzenia stateczności sprzężenie to uważane jest za przyczynę hamulcapisk. Układ hamulcowy nie zawsze może pić z powodu "takich samych" warunków. Alternatywnie, małe zmiany temperatury roboczej, ciśnienia hamowania, prędkości obrotowej wirnika lub współczynnika tarcia mogą powodować różne piskiskłonności lub częstotliwości. Ryc. 3 i 4 pokazują procentowe występowanie pisku hamulca uzyskanego w PBR Automotive Pty Ltd za pomocą dynamometru szumowego typu Rubore i matrycy akustycznej AK dla różnych ciśnień i temperatur hamowaniaodpowiednio. Z fig. 3 widać, że nie ma prostej zależności między procentowym występowaniem i częstotliwością pisku hamulca a ciśnieniem klocka hamulcowego. Podobnie wpływ temperatury na oba wystąpieniaa częstotliwość pisku hamulca jest dość złożona (ryc. 4).

  Ze względu na wyżej wspomniane trudności w projektowaniu bezszumowego układu hamulcowego, wysiłki zmierzające do wyeliminowania pisku hamulca były w dużej mierze empiryczne, z problematycznymi układami hamulcowymi traktowanymi w sposób indywidualny. Sukces tychRozliczenia empiryczne zależą od mechanizmu, który jest odpowiedzialny za spowodowanie problemu piski. Najbardziej podstawową metodą eliminacji pisku hamulca jest zmniejszenie współczynnika tarcia materiału podkładki [5-7]. Jednak tooczywiście zmniejsza skuteczność hamowania i nie jest preferowaną metodą. Zastosowanie lepkosprężystego materiału (materiału tłumiącego) z tyłu płytki tylnej może być skuteczne, gdy dochodzi do znacznych wibracji gięcia [8, 9]. Wymiana pieniędzyStwierdzono również, że sprzężenie między poduszką a wirnikiem poprzez modyfikację kształtu klocka hamulcowego jest skuteczne [10,11]. Inne udoskonalone modyfikacje geometryczne obejmują modyfikację sztywności zacisku [12, 13], zaciskuwspornik montażowy [14,15], sposób mocowania podkładki [16] i geometria wirnika [17,18].

Rys. 3. Zmienność występowania pisku hamulca z częstotliwością i naciskiem klocka hamulcowego.

Ryc. 4. Zmienność występowania pisku hamulca z częstotliwością i temperaturą.

Analiza pisku hamulca

  Metody analityczne

  Najwcześniejsze badania nad piskiem hamulców sugerowały, że przyczyną była zmienność współczynnika tarcia przy prędkości ślizgowej [19]. Nie tylko istnieje różnica między statycznym i dynamicznym współczynnikiem tarcia, ale tak właśnie byłouważa się, że spadek tarcia kinetycznego ze zwiększoną prędkością poślizgu może doprowadzić do poślizgu i wytworzyć samowzbudne wibracje. Jednak wykazano, że pisk występuje w układach hamulcowych, gdzie współczynnik kinetycznytarcie jest stałe [20] i doprowadziło do analizy geometrycznych aspektów układu hamulcowego.

Spurr zaproponował wczesny model sprag-slip, który opisuje geometryczną hipotezę sprzężenia w 1961 roku [6]. Rozważ pochylnię nachyloną pod kątem θ do powierzchni ślizgowej, jak pokazano na Rys. 5 (a).gdzie μ jest współczynnikiem tarcia, a L jest ładunkiem. Można zauważyć, że siła tarcia zbliża się do siebie w miarę zbliżania się μ do łóżeczka θ. Kiedy μ = łóżeczko θ, rozpórka "rozpina się" lub blokuje, a powierzchnia nie może się dalej poruszać. Spurr'smodel sprag-slip składał się z podwójnego wspornika, jak pokazano na fig. 5 (b). Ramię O0P jest nachylone pod kątem θ0 do poruszającej się powierzchni. Ramię obraca się wokół elastycznego czopa O0, gdy P porusza się pod wpływem siły tarciaF po osiągnięciu kąta spulchniania. W końcu moment przeciwny obrotowi wokół O0 staje się tak duży, że O00P zastępuje O0P, a kąt nachylenia jest zmniejszony do θ00. Energia sprężysta przechowywana w O0 może teraz zostać uwolnionaa O0P kołysze się w przeciwnym kierunku niż ruchoma powierzchnia. Cykl można teraz wznowić, powodując zachowanie oscylacyjne.

  Inni rozszerzyli ten pomysł, próbując bardziej dokładnie modelować układ hamulcowy. Jarvis i Mills użyli wspornika ocierającego o obracającą się tarczę w 1963 roku [21], Earles i Soar zastosowali model tarczy w 1971 roku [22], a North wprowadziłjego ośmiostopniowy model wolności w 1972 roku [23]. Kulminacją tych wysiłków był model opublikowany przez Millnera w 1978 r. [24]. Millner wymodelował dysk, podkładkę i zacisk jako 6-stopniową swobodę, model parametru z kalibracją i był dobryzgodność między przewidywanym i obserwowanym piskiem. Złożona analiza wartości własnych została wykorzystana do określenia, które konfiguracje będą niestabilne. Badane parametry uwzględniały współczynnik tarcia klocków, moduł Younga materiału podkładki,oraz masę i sztywność zacisku. Stwierdzono, że skłonność do pisków rośnie gwałtownie ze współczynnikiem tarcia, ale pisk nie wystąpiłby poniżej wartości odcięcia 0,28. Stwierdził, że dla stałej wartości tarciawystępowanie częstotliwości piszczącej i piski zależy od sztywności materiału podkładki (modułu Younga). Masa i sztywność zacisku wykazywały również wyraźne wąskie obszary, w których skłonność do pisków była wysoka.

  Wspólnym wnioskiem z tych modeli jest to, że pisk hamulca może być spowodowany przez geometrycznie indukowane niestabilności, które nie wymagają zmiany współczynnika tarcia. Ponieważ te zamknięte formy teoretyczne nie mogąodpowiednio modelować złożone interakcje między komponentami występującymi w praktycznych układach hamulcowych, ich zastosowanie było ograniczone. Zapewniają jednak dobry wgląd w mechanizm piszczącego hamulca, podkreślajączjawiska fizyczne, które występują, gdy hamulec systemowy jest nagrywany.

  metody eksperymentalne

  Częstotliwości piszczącego hamulca są silnie uzależnione od częstotliwości drgań własnych tarczy hamulcowej [17]. W związku z tym niezwykle ważne jest, aby móc określić tryby wibracji wirnika. Nie tylko będziezrozumienie trybów drgań wirnika pomaga przewidzieć, jak układ hamulcowy może wibrować, ale jest również konieczne w opracowywaniu środków zaradczych w celu wyeliminowania problemu. Istnienie trybów w płaszczyźnie oprócz zginaniaTryby są kolejną komplikacją i istnieją dowody na to, że tryby w samolocie mogą być przyczyną pewnego rodzaju pisku hamulca, a także trybów zginania [18].

Rys. 5. (a) Pojedyncza rozpórka ocierająca o poruszającą się powierzchnię; (b) układ sprag-slip.

  Akcelerometry zapewniają skuteczne narzędzie do określania kształtu trybu drgań i wymuszonej reakcji układu. Rys. 6 (a) pokazuje kształt gięcia typowego wirnika hamulca, który został określony doświadczalnie.

  Model został stworzony przy użyciu oprogramowania STAR MODAL, które składało się z 384 punktów siatki na powierzchni wirnika hamulca. Pomiary odpowiedzi częstotliwościowej wykonano za pomocą analizy B & K 2032 FFT przy użyciu przyspieszeniomierza jednoosiowego B & K 4374 i B & K8001 głowa impedancji. Wzbudzenie wprowadzono za pomocą wytrząsarki B & K 4810 napędzanej przez losowy sygnał szumu. Niestety montaż kontaktowy wymagany dla akcelerometrów ogranicza ich użycie na obrotowych elementach hamulca. Mogą być tylkosłuży do analizy stacjonarnych elementów hamulca, co uniemożliwia określenie kształtów trybu piszczącego wirnika hamulca.

  Techniki optyczne są stosowane od niedawna. W szczególności podwójna pulsująca laserowa holograficzna interferometria została z powodzeniem zastosowana w piskliwych układach hamulcowych [16,17,25,26]. Umożliwiło to łączone kształty trybu kompletnegoukład hamulcowy należy określić podczas piszczenia. Obraz holograficzny powstaje w wyniku wyzwolenia lasera o maksymalnej i minimalnej amplitudzie drgającego obiektu. Różnica długości ścieżki optycznej spowodowana odkształceniem kształtudrgający obiekt tworzy wzór prążków interferencyjnych na płycie holograficznej. Kształt trybu można następnie określić, interpretując wzór prążków.

  Zaletą interferometrii holograficznej jest to, że kształty wirnika hamulca można określić podczas piszczenia. W obrazie holograficznym może znajdować się wirnik oraz klocki, wspornik kotwy i zacisk. TheTechnika może być zastosowana do układu hamulcowego zamontowanego na dynamometrze hamulca. Elementy zawieszenia, takie jak wrzeciono, sprężyna i tłumik, mogą być również uwzględnione w celu symulacji osiągów samochodu w układzie hamulcowym.

  Przykładem wartości podwójnej pulsacyjnej holografii w badaniu piszczącego hamulca była praca wykonana przez Nishiwakiego i in. w 1989 r. [17]. W badanym układzie hamulcowym widać było, że tryb drgania drgańWirnik hamulca był nieruchomy względem zacisku hamulca. W związku z tym kształt trybu jest również nieruchomy w odniesieniu do obszaru wzbudzenia. Wirnik został zmodyfikowany przez zmianę symetrii wirnika wokół jego osi obrotu. Thekształty trybu zmodyfikowanego wirnika muszą teraz obracać się względem obszaru wzbudzenia, zapobiegając wibracjom wirnika w oryginalnym trybie wibracji.

Rys. 6. (a) Eksperymentalny kształt zginania; (b) Kształt trybu zgniatania MES.

  Metody numeryczne

  Analiza skończonych elementów (FEA) została wykorzystana w analizie pisku hamulca. Analiza modalna komponentów hamulców jest obszarem, w którym MEA można łatwo zastosować. Fig. 6 (b) pokazuje model elementu bryłowego tarczy hamulcowej. Model składający się z8700 elementów litych Tet92, zostało opracowane przy użyciu komercyjnie dostępnego kodu elementów ANSYS 5.6. Niestety sprzężenie między komponentami hamulca prowadzi do trybów wibracji, które różnią się od tych, które występują dla poszczególnych komponentów. W związku z tym,prawdziwym zainteresowaniem badaczy jest umożliwienie modelowania całego układu hamulcowego.

  Krytycznym aspektem w modelowaniu kompletnego układu hamulcowego jest sprzężenie między komponentami, w szczególności powierzchnia wirnika / podpory. Sama sztywność styku jest korygowana za pomocą wyników eksperymentalnych, ale trudniejszy aspektjest wprowadzenie stycznego sprzężenia ciernego. Lile obejmowały sprzężenie cierne między wirnikiem a padem jako warunki poza przekątną w macierzy sztywności i wykorzystywały złożoną analizę wartości własnej do oceny stabilności układu hamulcowego [5].

  Po opracowaniu modelu można było określić wpływ zmiennych parametrów, takich jak współczynnik tarcia, geometria klocka i sztywność zacisku. Dihua i Dongying również zastosowali podobne podejście, aby poprawić konstrukcję kotwicywspornik [14]. Praca tych i innych badaczy pokazała, że ​​możliwe jest tworzenie modeli, które zawierają sprzężenie cierne między wirnikiem a poduszką. Jednak nie ma wielu dowodów eksperymentalnych do zweryfikowaniadokładność tych modeli. Mogą być przydatne do badania wpływu różnych parametrów w układzie hamulcowym, ale ich zdolność do modelowania ważnego interfejsu ciernego jest ograniczona. Jako niewielkie zmiany temperatury roboczej,ciśnienie hamowania, prędkość obrotowa wirnika lub współczynnik tarcia mogą powodować różne piski lub częstotliwości pisków (ryc. 3 i 4), dokładne przewidzenie pisku hamulca za pomocą metod numerycznych wymaga dokładnego określeniawłaściwości materiału (szczególnie w przypadku materiału ciernego) w różnych warunkach roboczych. Ponadto, właściwe modelowanie warunków brzegowych, zwłaszcza gdy ważne jest sprzężenie różnych składników, pozostajewyzwanie.

Wyzwania na przyszłość

  Obecnie badania nad piskiem hamulców koncentrują się na specyficznych układach hamulcowych lub mechanizmach generujących. Wyzwaniem na przyszłość jest możliwość opracowania ogólnych technik i wytycznych, aby wyeliminować piszczenie hamulców podczas projektowaniaetap. Biorąc pod uwagę złożoność mechanizmów generujących pisk hamulca, wydaje się, że ogólne wytyczne są w niedalekiej przyszłości odległe. Obecnie możliwe jest zmniejszenie hałasu piszczałkowego w przypadku określonych układów hamulcowychdodatkowa wiedza nabyta w każdym przypadku dodając do ogólnego zrozumienia pisk hamulca.

  Teoretyczna analiza układów hamulcowych jest trudna ze względu na złożoność mechanizmów i brak odpowiedniego modelu dla interfejsu ciernego, który powoduje pisk hamulca. Nie powinno to jednak ograniczać rozwoju uproszczonegomodele, dzięki którym można uzyskać cenny wgląd. Zrozumienie uzyskane przez badanie uproszczonych modeli może pomóc w interpretacji wyników eksperymentalnych i opracowaniu ulepszonych narzędzi obliczeniowych.

  Zastosowanie FEA do piskliwego piszczenia wydaje się być pewnym obietnicą. Komercyjne pakiety oprogramowania są stale uzupełniane ulepszonymi funkcjami modelowania, a możliwości łączenia ciernego ulegają poprawie. Szybki rozwójw komputerowo wspomaganych systemach inżynierskich powinno być możliwe analizowanie każdego aspektu układu hamulcowego od hamowania do analizy wibroakustycznej, co pozwala na zaprojektowanie hamulców o minimalnej skłonności do pisków ipożądana skuteczność hamowania.

  Metody eksperymentalne nadal będą odgrywać ważną rolę z wielu powodów. Po pierwsze oferują bardziej skuteczne narzędzia analityczne niż metody numeryczne lub czysto teoretyczne. Po drugie, diagnoza przyczyny problemów z piskiem możeczęsto można je znaleźć jedynie poprzez eksperymenty. Wreszcie, weryfikacja rozwiązań problemów pisków i zastosowanie modeli MES można osiągnąć jedynie za pomocą środków eksperymentalnych. Docelowo przyszłe wyeliminowanie pisku hamulcazostaną potwierdzone przez wyniki eksperymentalne i końcowe testy układów hamulcowych.