الفرامل الصخري: مراجعة الأدب

نبذة مختصرة

  كانت صرّارة الفرامل ، التي تقع عادة في نطاق الترددات بين 1 و 16 كيلوهرتز ، واحدة من أصعب المخاوف المرتبطة بأنظمة فرامل السيارات منذ إنشائها. يسبب عدم رضا العملاء ويزيدتكاليف الضمان. على الرغم من إجراء أبحاث جوهرية في التنبّؤ والتخلص من صرخات المكابح منذ الثلاثينيات ، إلا أنه لا يزال من الصعب التنبؤ بحدوثها. في هذا البحث ، الخصائص والتياروصفت أول الصعوبات التي واجهتها في معالجة حائل الفرامل. يتم بعد ذلك استعراض الأساليب التحليلية والتجريبية والعددية المستخدمة في التحقق من صرعات الفرامل. بعض التحديات التي تواجه صرخة الفرامليتم تحديد البحوث. كل الحقوق محفوظة.

 المقدمة

  كانت صرّارة الفرامل واحدة من أصعب المخاوف المرتبطة بأنظمة فرامل السيارات منذ إنشائها. وقد أجريت بحوث في التنبؤ والقضاء على صرخة الفرامل منذ 1930s [1،2]. في البداية طبلتمت دراسة الفرامل بسبب استخدامها المكثف في أنظمة المكابح الآلية المبكرة. ومع ذلك ، يتم استخدام أنظمة المكابح القرصية على نطاق أوسع في المركبات الحديثة وأصبحت محورًا لبحوث فرامل الفرامل.

  تين. 1 و 2 إظهار نظام الفرامل نموذجي مع '' فاي نوع الواحد '' تصميم الفرجار. يتكون نظام فرملة القرص من دوار يدور حول محور العجلة. يتم تركيب مجموعة الفرجار على نظام تعليق السيارةمن خلال مرساة

الشكل 1. A 'فاي شارع "نظام الفرامل نوع نموذجي.

الشكل 2. تخطيطي لنظام فرامل قرصية.

قوس. يمكن إسكان الفرجار على قوس التثبيت من خلال الدبابتين. يمكن أيضاً أن تنزلق منصات الفرامل مع مادة الاحتكاك المقولبة على قوس المرساة. يمكن أن ينزلق المكبس داخل إسكان الفرجار. عندما يكون الضغط الهيدروليكيتطبيق ، يتم دفع المكبس إلى الأمام للضغط على لوحة داخلية ضد الدوار وفي الوقت نفسه ، يتم دفع السكن في الاتجاه المعاكس للضغط على وسادة الخارجي ضد الدوار ، وبالتالي توليد عزم الكبح.

  مثل جميع التطبيقات الأخرى ذات واجهة الاحتكاك ، فإن الضوضاء والاهتزازات هما نتاج ثانوي لتطبيق الفرامل. تم تصنيف ضوضاء الفرامل والاهتزازات وفقًا لتكرارها كحكم ، تأوه ، همهمة ، صرير ، سحقوفرشاة السلك [3]. عادةً ما يقع ضجيج الصخب المزعج بشكل خاص في نطاق تردد يتراوح بين 1 و 16 كيلوهرتز.

  يتم إنشاء صخرة الفرامل عن طريق اهتزاز وضع الاهتزاز غير المستقر لنظام الفرامل. في هذه الحالة ، يمكن أن يعمل دوار الفرامل كمكبر صوت نظرًا لأنه يحتوي على أسطح كبيرة يمكن أن تشع الصوت بسهولة. وقوعإن صرخة الفرامل هي مصدر قلق لأنها تسبب عدم ارتياح كبير لركاب السيارة وتؤدي إلى عدم رضا العملاء وزيادة تكاليف الضمان. لسوء الحظ ، فقد فشلت هيئة كبيرة من البحوث في صخرة الفرامل لتوفير فهم كامل ، أو القدرة على التنبؤ بحدوثه [1-26]. ويرجع ذلك جزئياً إلى تعقيد الآليات التي تتسبب في صدمات الكبح والجزء الآخر بسبب الطبيعة التنافسية للسيارة.الصناعة ، مما يحد من كمية البحوث التعاونية التي تنشر في الأدب المفتوح.

  على الرغم من إجراء مراجعة شاملة لصراع الفرامل بواسطة يانغ وجيبسون في عام 1997 [4] ، إلا أنه تم التركيز على درجة ما على الجوانب المادية لنظام المكابح. الهدف من هذه الورقة هو تحديد الخصائص والصعوبات الحالية التي واجهتها في التعامل مع صرخة الفرامل ومراجعة الطرق التحليلية والتجريبية والعددية المستخدمة للتحقيق في الصرير الفرامل.

خصائص الفرامل الصخري

  واحدة من أكبر المساهمين في صرخة الفرامل هي مادة الاحتكاك ، حيث يحدث إثارة الصرير في واجهة الاحتكاك ، وعادةً ما يستغرق الأمر حوالي 12 شهرًا لإدخال اختيار المواد الاحتكاكية. هذا بالتأكيديجعل من الصعب جدا التنبؤ مسبقا بنزوع نظام الفرامل إلى الصراخ. أيضا ، في كثير من الأحيان في تصميم نظام الفرامل ، تعطى الأولوية للمتطلبات مثل أداء الكبح ، والتكلفة وسهولة التصنيع. الشائعالممارسة لمكونات مختلفة من نظام الفرامل ليتم تصنيعها من قبل موردين مختلفين يزيد من تعقيد الأمور. العدد الكبير من السيارات المنتجة يعني أنه حتى وجود نزوة منخفضة في الصواب وجدت أثناء الاختبار الأولي ليمكن أن يصبح نظام الفرامل مصدر قلق كبير بمجرد أن تكون السيارة في الإنتاج بسبب حجم أكبر من السكان. سيكون للتصور تجاه نهاية مرحلة التطوير مخاطران محتملتان:

  (1) مما يؤدي إلى تأخير الإنتاج وزيادة التكاليف لكل من مصنعي الفرامل والسيارات (2) مما يؤدي إلى المنتجات التي لم يتم التحقق منها بشكل كامل مع مخاوف الضمان المحتملة.

  أكثر المضاعفات أهمية في أبحاث الفرامل هي الطبيعة الهاربة لصربة الفرامل. وهذا هو ، يمكن أن تكون الصرير الفرامل في بعض الأحيان غير قابلة للتكرار. هناك العديد من ترددات الصرع المحتملة (وسائط غير مستقرة) لنظام الفرامل. كلالمكون الفردي له صيغه الطبيعية الخاصة. قد يصل عدد أوضاع الدوار داخل نطاق السمع البشري إلى 80. سوف تتغير الترددات الشكلية والأشكال الشكلية للدوار ، الفرجار ، المرساة والوسادة بمجرد أن تصبح هذه الأجزاءمثبت في الموقع. خلال تطبيق الفرملة ، تقترن هذه الأجزاء ديناميكيًا معًا مما يؤدي إلى مجموعة من أوضاع الاهتزاز المتزاوجة ، والتي تختلف عن أوضاع الاهتزاز الحرة المكونة. إضافة الاحتكاكينتج عن قوى الوصلة في واجهة االحتكاك مصفوفة صلابة النظام الذي يحتوي على شروط اقتران غير قطري غير متماثلة. من وجهة نظر الاستقرار ، يعتبر هذا الاقتران هو السبب الجذري للفرامليكبي بسوتا عالي. قد لا يخفق نظام الفرامل دائمًا في ظل ظروف "نفس". بدلا من ذلك ، قد تؤدي الاختلافات الصغيرة في درجة حرارة التشغيل ، ضغط الفرامل ، وسرعة الدوار أو معامل الاحتكاك إلى اختلاف الصئالنزعات أو الترددات. تين. تظهر 3 و 4 النسبة المئوية لحدوث فرامل الفرامل التي تم الحصول عليها في شركة PBR Automotive Pty Ltd باستخدام مقياس ديناميكي لضجيج نوع السحب من روبور ومصفوفة ضوضاء AK لمختلف ضغوط الفرامل ودرجات الحرارةعلى التوالي. ويمكن ملاحظة ذلك من الشكل 3 أنه لا توجد علاقة بسيطة بين حدوث النسبة المئوية وتواتر صخرة الفرامل وضغط وسادة الفرامل. بالمثل ، درجة حرارة درجة الحرارة على حد سواءوتواتر صخرة الفرامل معقدة للغاية (الشكل 4).

  بسبب الصعوبات المذكورة أعلاه في تصميم نظام الفرامل الخالية من الضوضاء ، كانت الجهود المبذولة للقضاء على صر الكبح تجريبية بشكل كبير ، مع معالجة أنظمة المكابح الإشكالية في كل حالة على حدة. نجاح هذهتعتمد xes التجريبية على الآلية المسئولة عن التسبب في مشكلة الصرير. الطريقة الأكثر أساسية في القضاء على صرخة الفرامل هي تقليل معامل الاحتكاك لمادة اللوح [5-7]. ومع ذلك، هذامن الواضح أن يقلل من أداء الفرامل وليس وسيلة مفضلة لتوظيف. يمكن أن يكون استخدام المواد اللزجة (مادة التخميد) على ظهر اللوح الخلفي فعّالاً عندما يكون هناك اهتزاز ذي ثقل هائل [8،9]. متغيركما وجد أن الاقتران بين الوسادة والدوار عن طريق تعديل شكل وسادة الفرامل فعال [10،11]. تتضمن الأشكال الهندسية الأخرى التي نجحت تعديل صلابة الفرجار [12،13] ، الفرجار.قوس المتصاعدة [14،15] ، طريقة ربط الوسادة [16] وهندسة الدوار [17،18].

التين. 3. تباين حدوث صرعات الفرامل مع تردد وضغط وسادة الفرامل.

التين. 4. تباين حدوث تواتر الفرامل مع التردد ودرجة الحرارة.

تحليل صرخة الفرامل

  طرق تحليلية

  اقترح أقرب بحث في حبة الفرامل أن الاختلاف في معامل الاحتكاك مع سرعة الانزلاق كان السبب [19]. ليس هناك فرق بين معامل الاحتكاك الساكن والديناميكي فحسب ، بل كان كذلكيعتقد أن انخفاض الاحتكاك الحركي مع زيادة السرعة الانزلاقية يمكن أن يؤدي إلى حالة انزلاقات الالتصاق وينتج اهتزازًا ذاتيًا. ومع ذلك ، فقد ثبت أن الصرير يحدث في أنظمة المكابح حيث يكون معامل الحركةالاحتكاك ثابت [20] ، وقد أدى إلى تحليل الجوانب الهندسية لنظام الفرامل.

  اقترح Spurr نموذج sprag-slip مبكر يصف فرضية اقتران هندسية في عام 1961 [6]. النظر في تبختر يميل في زاوية θ إلى سطح منزلق كما هو مبين في الشكل 5 (أ).حيث µ هو معامل الاحتكاك و L هو الحمل. يمكن ملاحظة أن قوة الاحتكاك ستقترب من حيث "المقاربات". عندما يكون µ = cot θ يمكن استخدام الدعامات "sprags" أو الأقفال والسطح أكثر من ذلك. في سبريتكون نموذج sprag-slip من ناتئ مزدوج كما هو موضح في الشكل 5 (ب). هنا ، يميل الذراع O0P بزاوية θ0 إلى سطح متحرك. يدور الذراع حول محور O0 المرنة بينما يتحرك P تحت تأثير قوة الاحتكاكF مرة واحدة تم الوصول إلى زاوية spragging. في النهاية ، تصبح اللحظة المتعارضة للدوران حول O0 كبيرة جدًا بحيث يستبدل O00P O0P ، ويتم تقليل زاوية الميل إلى θ00. يمكن الآن إطلاق الطاقة المرنة المخزنة في O0ويتأرجح O0P في الاتجاه المعاكس للسطح المتحرك. يمكن أن تستأنف الدورة الآن مما يؤدي إلى السلوك التذبذب.

  مدد آخرون هذه الفكرة في محاولة لطراز نظام المكابح بشكل كامل. استخدمت جارفيس و ميلز فرك ناتئ ضد قرص دوار في عام 1963 [21] ، إستخدمت إيرلز و سوار نموذج دبوس قرص في عام 1971 [22] ، وقدمت نورثله ثمانية درجة من نموذج الحرية في عام 1972 [23]. كانت تتويج هذه الجهود نموذجًا نشره ميلنر في عام 1978 [24]. طوّر ميلنر القرص والوسادة والفرجار ك 6 درجة من الحرية ، نموذج معلمة مقطوع ووجد جيداتفاق بين الصئ المتنبأ به والملاحظ. تم استخدام تحليل القيم الذاتية المعقدة لتحديد أي من الاختلافات سيكون غير مستقر. تضمنت المعلمات التي تم بحثها معامل الاحتكاك الداخلي ، معامل يانج لمادة الوسادة ،وكتلة وتصلب الفرجار. تم العثور على نزوة براز إلى انحدار حاد مع معامل الاحتكاك ، ولكن الصرير لن يحدث تحت قيمة قطع من 0.28. وجد أن لقيمة الاحتكاك المستمر ، وويتوقف تواتر الصرير وتواتر الصرير على صلابة مادة اللوح (معامل يونغ). كما أظهرت كتلة الفرجار والصلابة مناطق ضيقة متميزة حيث كان نزوع الصرير مرتفعًا.

  الاستنتاجات الشائعة من هذه النماذج هي أن صرخة الفرامل يمكن أن تحدث بسبب عدم الاستقرار المستحث هندسيا التي لا تتطلب اختلافات في معامل الاحتكاك. لأن هذه المقاربات النظرية المغلقة لا يمكنها ذلكنموذج ملائم للتفاعلات المعقدة بين المكونات الموجودة في أنظمة المكابح العملية ، فقد كان قابليتها للتطبيق محدودة. ومع ذلك ، فإنها توفر بعض النظرة الجيدة في آلية صرخة الفرامل عن طريق تسليط الضوء علىالظواهر الفيزيائية التي تحدث عند أنظمة الفرامل.

  طرق تجريبية

  تعتمد ترددات الفرامل الخارقة بشدة على الترددات الطبيعية لدوار الفرامل [17]. وبالتالي فإنه من الأهمية بمكان أن تكون قادرة على تحديد وسائط الاهتزاز في الدوار. ليس فقط سوفيساعد فهم أوضاع الاهتزاز في الدوار على التنبؤ بكيفية اهتزاز نظام الفرامل ، ولكن من الضروري أيضًا تطوير إجراءات مضادة للقضاء على المشكلة. وجود أوضاع في الطائرة بالإضافة إلى الانحناءالأنماط هي تعقيد إضافي ، وهناك دليل على أن الأوضاع داخل الطائرة يمكن أن تكون السبب في نوع من صرعات الفرامل وكذلك أنماط الانحناء [18].

الشكل 5. (أ) دعامة واحدة تحك على سطح متحرك ؛ (ب) نظام sprag-slip.

  توفر مقاييس السرعة أداة فعالة لتحديد أشكال وضع الاهتزاز والاستجابة القسرية لنظام ما. يوضح الشكل 6 (أ) شكل طريقة الانحناء لدوار الفرامل النموذجي الذي تم تحديده تجريبياً.

  تم إنشاء نموذج باستخدام برنامج STAR MODAL الذي يتألف من 384 نقطة شبكة على سطح قرص الفرامل. تم إجراء قياسات الاستجابة الترددية باستخدام تحليل B & amp؛ K 2032 FFT باستخدام مقياس التسارع الأحادي B & amp؛ K 4374 و B & amp؛ Kرئيس مقاومة 8001. تم تقديم الإثارة باستخدام شاكر B & أمبير ؛ K 4810 مدفوعًا بإشارة ضوضاء عشوائية. لسوء الحظ ، فإن تثبيت جهة الاتصال المطلوبة لمقاييس التسارع يحد من استخدامها على مكونات المكابح الدوارة. يمكن أن يكون فقطتستخدم لتحليل مكونات المكابح الثابتة مما يجعل من المستحيل تقريباً تحديد أشكال طريقة دوران الفرامل الخارقة.

  وقد استخدمت تقنيات بصرية في الآونة الأخيرة. على وجه الخصوص ، تم تطبيق التداخل الهولوغرافي بالليزر النبضي المزدوج بنجاح على أنظمة الفرامل الخارقة [16،17،25،26]. هذا وقد سمحت أشكال وضع يقترن من كاملنظام الفرامل ليتم تحديده بينما هو صرخة. يتم إنتاج صورة ثلاثية الأبعاد عن طريق تشغيل ليزر في السعة القصوى والدنيا لجسم يهتز. الفرق في طول المسار البصري ، الناجمة عن شكل مشوه منالكائن المهتز ، يخلق نمط هامش تداخل على لوحة ثلاثية الأبعاد. يمكن بعد ذلك تحديد شكل الشكل من خلال تفسير نمط الهامش.

  تكمن ميزة التداخل الهولوغرافي في إمكانية تحديد أشكال أسلوب دوران الفرامل أثناء الصراخ. المدرجة في الصورة المجسمة يمكن أن يكون الدوار وكذلك منصات ، قوس مرساة والفرجار. التقنية يمكن تطبيقها على نظام الفرامل التي شنت على دينامومتر الفرامل. يمكن أيضًا تضمين مكونات التعليق ، مثل المغزل والربيع والمثبط ، لمحاكاة أداء السيارة على نظام الفرامل.

  مثال على قيمة المجسم النبضي المزدوج في التحقيق في فرامل صاخبة هو العمل الذي قام به Nishiwaki et al. في عام 1989 [17] في نظام المكابح الذي كان يجري التحقيق فيه كان من الواضح أن شكل وضع الاهتزازكان الدوار الفرامل ثابتة فيما يتعلق الفرجار الفرامل. ومن ثم ، شكل الشكل ثابت أيضًا بالنسبة إلى مجال الإثارة. تم تعديل الدوار بتغيير تناظر الدوار حول محور دورانه. اليجب أن تدور الأشكال الوضعية للدوار الموحد فيما يتعلق بمنطقة الإثارة ، مما يمنع الدوار من الاهتزاز في وضع الاهتزاز الأصلي.

الشكل 6. (أ) شكل طريقة الثني التجريبي ؛ (ب) شكل طريقة الانحناء FEA.

  الطرق العددية

  تم استخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) في تحليل صرعات الفرامل. يعد التحليل الشرطي لمكونات المكابح مجالًا يمكن تطبيق FEA فيه بسهولة. يوضح الشكل 6 (ب) نموذج عنصر nite لفرامل الدوار. النموذج ، يتكون منتم تطوير 8700 عنصر ثابت Tet92 باستخدام رمز العنصر التجاري AN nite ANSYS 5.6. لسوء الحظ ، يؤدي الاقتران بين مكوّنات الفرامل إلى أوضاع اهتزاز تختلف عن تلك الموجودة للمكونات الفردية. وبالتالي،الفائدة الحقيقية بين الباحثين هي القدرة على تصميم نظام مكابح كامل.

  الجانب الحاسم في نمذجة نظام المكابح الكامل هو الاقتران بين المكونات ، وخاصة الدوار / padinterface. يتم ضبط صلابة التلامس نفسها باستخدام النتائج التجريبية ، ولكن الجانب الأكثر صعوبةهو تقديم اقتران الاحتكاك العرضي. تضمنت الأذرع اقتران الاحتكاك بين الدوّار والوسادة كمصطلحات قطرية في مصفوفة الصلابة واستخدمت تحليل معقد للقيمة الذاتية لتقييم استقرار نظام المكابح [5].

  وبمجرد تطوير النموذج ، يمكن تحديد تأثير العوامل المتغيرة مثل معامل الاحتكاك ، وهندسة الوسادة ، وصلابة الفرجار. كما استخدم ديهوا ودونغ ينغ نهجًا مماثلًا لتحسين تصميم المرساةقوس [14]. وقد أظهر عمل هؤلاء الباحثين وغيرهم أنه من الممكن إنشاء نماذج تشتمل على اقتران الاحتكاك بين الدوار والوسادة. ومع ذلك ، كان هناك القليل من الأدلة التجريبية للتحققدقة هذه النماذج. قد تكون مفيدة في دراسة تأثير المعلمات المتغيرة في نظام المكابح ، لكن قدرتها على تصميم واجهة الاحتكاك الهامة محدودة. كاختلافات صغيرة في درجة حرارة التشغيل ،قد يؤدي ضغط الفرامل أو سرعة الدوران أو معامل الاحتكاك إلى اختلافات أو ترددات مختلفة من الخوار (الشكلين 3 و 4) ، والتنبؤ الدقيق لصراع الفرامل باستخدام الطرق العددية يتطلب دقة التحديدالخواص المادية (خاصة لمادة الاحتكاك) تحت ظروف التشغيل المختلفة. وعلاوة على ذلك ، فإن النمذجة المناسبة لشروط الحدود لا سيما عندما يكون الاقتران بين المكونات المختلفة مهمًاالتحدي.

تحديات للمستقبل

  في الوقت الحاضر ، يركز البحث في صرعات الفرامل على أنظمة المكابح أو آليات التوليد المحددة. التحدي في المستقبل هو أن تكون قادرة على تطوير التقنيات العامة والمبادئ التوجيهية للقضاء على صرخة الفرامل خلال التصميمالمسرح. بالنظر إلى تعقيد الآليات التي تولد الصرير الفرامل ، يبدو أن المبادئ التوجيهية العامة هي بعض الطريق في المستقبل. في الوقت الحاضر ، يمكن الحد من الضوضاء الصاخبة لنظم المكابح المحددة ، معالمعرفة الإضافية المكتسبة في كل حالة إضافة إلى الفهم العام لصخرة الفرامل.

  يعد التحليل النظري لأنظمة المكابح أمرًا صعبًا نظرًا لتعقيد الآليات وعدم وجود نموذج مناسب للواجهة الاحتكاكية التي تتسبب في صرعات الفرامل. ومع ذلك ، لا ينبغي أن يحد ذلك من تطوير المبسطةيمكن الحصول على نماذج كرؤية قيّمة. يمكن للفهم الذي تم الحصول عليه من خلال دراسة نماذج مبسطة أن يساعد في تفسير النتائج التجريبية وتطوير أدوات حسابية محسنة.

  يبدو أن تطبيق FEA على صخرة الفرامل يقدم بعض الأمل. يتم تحديث حزم البرامج التجارية باستمرار مع ميزات النمذجة المحسنة وقدرات اقتران الاحتكاك تتحسن. التطور السريعفي الأنظمة الهندسية المدعومة بالكمبيوتر ، يجب أن يكون من الممكن تحليل كل جانب من جوانب نظام المكابح من أداء الكبح إلى التحليل الصوتي المرئي ، مما يتيح تصميم الفرامل مع أدنى ميل للالتصاقأداء الفرامل مرغوب فيه.

  ستظل الطرق التجريبية تلعب دورًا مهمًا لعدد من الأسباب. أولاً ، توفر أدوات تحليل أكثر فعالية من الطرق العددية أو النظرية البحتة. وثانيا ، يمكن تشخيص سبب مشاكل الصرير الفراملغالبا ما يتم العثور عليها فقط عن طريق التجريب. أخيراً ، لا يمكن التحقق من حلول مشاكل الصرق ، وتطبيق نماذج FEA ، إلا من خلال الوسائل التجريبية. في نهاية المطاف القضاء في المستقبل من صرخة الفراملسيتم إخفاؤها على الرغم من النتائج التجريبية والاختبار النهائي لأنظمة المكابح.