制动器摩擦颤振的多体多维多尺度非光滑动力学机理与一体化控制方法

This project aim at the critical brake groan problems erupting with the vast application of vehicles equipped with automatic transmission all over the world, target the typical creep groan of disc brake, select the coupling between multibody multidimensional motions and frictional stick-slip motions as study point, and propose a new idea to investigate into brake groan mechanism by using multi-body system dynamics due to friction..This project will conduct multi-level brake groan experiments, including total vehicle road test, bench tests of chassis corner system and brake system, and bench tests of disc-pad system. These experiments will reveal the nature of friction properties, non-smooth stick-slip vibrations, complex three-dimensional motions and vibration transfer properties in chassis system, and the coupling mechanism among them..A one-dimensional single-point-contact lumped parameter model and a surface-contact finite-element model of disc-pad system will be set up, to study the mechanism of brake groan under one-dimension motion condition, and its limitation. At the same time, a three-dimensional surface-contact finite-element model, a multi-point-contact rigid multibody model of brake, and a three-dimensional multi-point-contact rigid flexible coupling multi-body model of chassis corner will be established, to study the interactions mechanisms among multidimensional, multiscale chassis system motions, nonlinear and non-smooth stick-slip motions of brake, and their dependence on friction parameters, physical parameters and operation parameters. Based on these works, an integrated control method, which combines real-time adjustments of driving and braking parameters and optimization of system physical parameters, will be highlighted.

本项目针对随着自动挡汽车大量普及而集中爆发的全球性制动颤振问题，以典型的盘式制动器蠕动颤振为对象，以多体系统多维运动与摩擦粘滑振动的耦合为切入点，提出从多体系统摩擦动力学角度揭示制动颤振机理的新思路。.多层次开展制动颤振的整车道路试验、底盘角系统和制动器台架试验、盘-块的平动和转动台架试验，揭示摩擦特性、非光滑粘滑振动、底盘角系统复杂空间运动和振动传递特性及联合作用机制。.建立1D盘-块单点接触集中参数模型和面接触有限单元模型，研究一维运动下的制动颤振机理及其局限性；建立3D制动器面接触有限元模型和多点接触多刚体动力学模型、3D底盘角系统多点接触刚柔耦合多体动力学模型，研究制动器和底盘角多体系统中多维度、多尺度运动与非线性、非光滑粘滑振动之间的耦合作用机制，及对摩擦参数、物理参数和工况参数的依赖性。在此基础上，建立集成驱/制动工况参数主动调节和系统物理参数优化的一体化控制方法。

制动器摩擦颤振对汽车的安全性、舒适性、环保性、可靠性和耐久性等造成严重影响，导致巨额损失，是工业界与学术界的重点与难点问题。针对既有研究思路均被归结于“制动器粘滑振动激励和底盘系统结构振动传递”机制，几乎完全忽视了颤振过程底盘角和制动器多层次、多维和多时间尺度的综合运动和变形对制动颤振的综合作用这一缺点，从试验研究与分析、机理研究、仿真分析与控制方法四个部分深入探索了制动摩擦颤振的发生与演化机理。.从试验研究与分析的角度，本项目进行了制动颤振主客观道路试验，从时域、频域、相图等角度对制动颤振进行分析，在试验中发现了制动颤振几种的典型非线性运动模式，并基于希尔伯特-黄变换与经验模态分解深入探索了制动颤振的特征与发生机理；进行了制动颤振主客观关联，发现了与主观评分相关的关键客观指标；通过道路试验深入分析了制动颤振的影响因素。进行了基于底盘角系统的制动颤振台架试验，制定了详细的制动台架试验颤振流程，并详细分析了颤振发生时底盘角振动模态。.从机理分析的角度，建立了1/2车6自由度集总参数模型，并提出了制动颤振弓形效应机理；建立了单自由度理想制动器集总参数模型，通过解析法揭示了制动颤振不同非线性运动模式的产生机理，与制动颤振不同阶段的非线性演化机制。进而建立了接触损失函数，揭示了制动颤振不规则相图的产生机制。.从仿真分析的角度，建立了制动器系统、底盘角系统有限元瞬态动力学模型，实现了制动颤振的有效预测，并分析了颤振发生时的接触状态与关键影响因素。建立了底盘角系统多体动力学模型，进行了传递路径分析并分析了悬架K&C特性对制动颤振的影响。.从控制手段的角度，通过控制驱动力与制动力改变了工况条件，改善了车辆弓形效应，实现了制动颤振的主动控制。.本项目研究深入探索了制动颤振试验方法、发生与演化机理、仿真技术与控制手段，深化了对制动颤振的认知，实现了制动颤振的有效控制，具有较高的理论意义与工程价值。