汽车制动噪声道路试验测试系统开发与应用

张鹏，吕红明

（224051 江苏省 盐城市 盐城工学院 汽车工程学院）

0 引言

汽车制动过程中制动系统的振动摩擦可能会引起刺耳的制动尖叫[1-2]，其频率范围可从几百～几千Hz 甚至上万Hz，声压级可达120 dB 以上[3]。制动尖叫不仅会影响汽车乘坐舒适性，降低汽车品质和品牌形象，又会污染环境，损害人们健康[4]，控制与消除制动尖叫噪声具有重要的工程意义。

汽车制动尖叫噪声试验研究一直是汽车NVH领域的研究重点，但是目前国内专业测试系统较少，且价格昂贵。本文基于国产VK701H 数据采集卡，开发一种适用于汽车制动噪声道路试验的便携式测试系统，以便通过实车道路试验分析制动尖叫噪声的产生与汽车车速、制动压力之间的联系。

1 系统总体功能设计

图1 为所开发的汽车制动噪声道路试验测试系统的总体设计框图，系统主要由信号采集相关硬件及软件2 部分组成。根据测试要求，利用VK701H数据采集卡、GPS 车速传感器[5]、声压计和油压传感器等硬件搭建测试平台，采集被测物理量并将传感器得到的模拟信号通过数据采集卡转化为数字信号上传到上位机。利用G 语言进行程序设计的LabVIEW 作为测试系统的上位机软件，对所测数据进行处理与分析。最后将开发的测试系统安装到试验车上进行道路试验测试。

图1 测试系统的总体设计框图Fig.1 Overall design block diagram of test system

1.1 测试系统硬件组成

所开发系统的硬件部分主要包括声压传感器、GPS 车速传感器、VK701H 采集卡、油压传感器、航空插头数据线、USB 数据传输线及PC 机。图2所示为所搭建的系统硬件平台。

图2 系统硬件平台Fig.2 System hardware platform

按图2 搭建系统硬件平台，利用高粘性的纳米胶带将声压传感器以及与油压传感器连接的航空插头数据线粘结于汽车左后轮上方车身处，确保在测试过程中不会出现掉落、损坏等危险情况。

测试系统选用VK701H 采集卡作为数据采集系统。VK701H 是一款具有4 通道真差分输入、24 位分辨率、最大采样率为100 ksps 的USB 型高速数据采集卡，可实现不同被测物理量的同步采集，而且还配置了精密前置增益放大模块。传感器采集的信号通过差分输入进入前置放大单元，放大后的信号进入干扰过滤抑制单元，然后由ADC 模块将模拟信号转化为数字信号，传入DSP（Digital Signal Processor）高速处理器进行数字信号处理，最后通过高速USB接口将采集的数据传输到上位机处理，系统结构框图如图3 所示。

图3 数据采集卡系统结构框图Fig.3 Structure block diagram of data acquisition card system

带IEPE（内含有压电集成电路）功能的采集卡内部集成24 V 电源单元、恒流驱动和接收单元，并且4 个通道分别可单独通过硬件跳线设置为普通ADC 输入或者IEPE 传感器接入。此测试系统通道1 和通道2 输入方式为IEPE 模式，通道3 和通道4 输入方式设置为ADC(模数转换器)模式。

测试系统利用GPS 测量汽车车速，由于GPS信号接收天线模块只能直接输出车辆的时间、位置、速度等数字信号，不能直接供数据采集卡采集，因此设计开发了GPS 车速传感器。GPS 车速传感器主要由GPS 接收模块、有源天线、电平转换模块、电源转换模块、D/A 转换模块、单片机控制模块等组成，GPS 车速传感器内部模块如图4 所示。

图4 GPS 车速传感器内部模块Fig.4 Internal module of GPS vehicle speed sensor

1.2 测试系统软件设计

软件设计是测试系统设计的核心部分[6]，本系统开发采用LabVIEW 软件平台[7-8]，应用图形化编程语言，完成测试系统的函数调用、数据采集、动态数据分析以及存储路径设置等功能[9]。

与NI 数据采集卡相比，VK701H 采集卡的程序开发不能使用DAQ 采集助手，需要编写底层程序对其函数进行调用。在本系统中通过调用库函数结点，DLL 动态库中配置函数VK701_VK701Init、开始采样函数Start Sampling 以及读取所有通道采样结果函数VK701H-GetAll Channel，完成数据采集参数配置。数据处理模块包括数据实时显示和数据存储两部分。从数据采集模块获取的实时数据，首先需进行参数处理和转化，转化后数据可以送到波形图表控件中实现曲线实时显示，也可以保存至文件。数据文件的格式可以自行设定，包括excel和文本格式等。该测试系统部分程序如图5 所示。

图5 测试系统部分程序框图Fig.5 Partial program block diagram of test system

2 道路试验测试

将设计的测试系统应用于实车道路试验，如图6 所示。VK701H 采集卡通过数据线与上位机USB接口连接，在LabVIEW 软件程序前面板上可以查看连接状态指示灯，以判断硬件是否连接正常。如果连接状态指示灯亮起，表明硬件连接成功。

图6 传感器在试验车上安装示意图Fig.6 Installation diagram of sensor on test vehicle

在道路试验中，汽车加速到一定速度踩下制动踏板，在前面板波形图表中可以看到汽车车速随时间的变化，油压传感器测得的左后轮制动轮缸的油压信号变化以及在制动过程中声压传感器测得的左后轮制动器产生的制动噪声，点击保存，将测试系统采集的数据进行保存，供后续进行数据处理。

测试系统采集的信号通过MATLAB 软件进行后续处理，相应的声压、车速和制动压力信号分别如图7—图9 所示。结果表明，在刚开始逐渐增大制动压力阶段(2.3～4.1 s)，制动压力从0.2 MPa 上升到1.4 MPa，车速从23 km/h 下降到18 km/h，但未出现制动尖叫现象；施加制动力一段时间后（4.59～6.10 s），汽车车速下降到较低范围（约10 km/h），制动压力上升到约1.9 MPa 时，车辆左后轮发生制动尖叫噪声。从声压的频谱图中发现，制动尖叫的主频为7.95 kHz，该频率与制动盘的固有频率相近，可能是由于制动盘被激励，产生共振，从而引起制动器产生制动尖叫噪声。

图7 制动噪声声压信号及频率特征Fig.7 Sound pressure signal and frequency characteristics of braking noise

图8 制动过程中车速变化情况Fig.8 Speed change during braking

图9 制动过程中制动压力变化情况Fig.9 Change of braking pressure during braking

通过对噪声声压、行驶车速、制动压力等信号的分析，说明汽车制动器在低速、低压状态下容易产生制动尖叫噪声。并且在试验过程中发现，当环境湿度较大时，制动器发生尖叫噪声的倾向显著增加，这一分析结果与汽车在早晨以及低速缓慢停车等状态下易于出现尖叫噪声现象相符合。同时，由于制动块摩擦层表面磨损不均、制动盘端面不平或制动盘端面存在跳动等因素，导致制动压力和摩擦力在短时间内发生急剧变化，也容易产生制动尖叫噪声。

3 结束语

根据汽车制动噪声道路试验的实际要求，基于VK701H 数据采集卡和虚拟仪器技术，开发了一款汽车制动尖叫噪声道路试验测试系统，此系统与NI 测试系统相比，能充分有效地获得相关数据并进行分析。该测试系统具有成本低廉、便于携带、可靠性好和操作简单等优点，适合车载测试环境，同时本系统也可以根据技术发展的需要，灵活地进行功能扩展。因此，该制动噪声道路试验测试系统具有重要的应用价值。