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汽车制动噪声的研究.pdf

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汽车 制动 噪声 研究
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? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第 29卷 第 4期 摩 擦 学 学 报 Vol. 29 No. 42009 年 7 月 Tribology July, 2009汽 车 制 动 噪 声 的 研 究刘 伯 威 1, 2 ,杨 阳 1 ,熊 翔 1(1. 中 南 大 学 粉 末 冶 金 国 家 重 点 实 验 室 ,长 沙 410083; 2. 湖 南 博 云 汽 车 制 动 材 料 有 限 公 司 , 长 沙 410205)摘 要 : 近 年 来 ,随 着 人 们 环 保 意 识 的 增 强 ,汽 车 制 动 产 生 的 噪 声 污 染 备 受 关 注 . 本 文 分 析 了 汽 车 制 动 噪 声 产 生 的特 点 ,并 从 实 验 和 理 论 两 方 面 系 统 回 顾 了 制 动 噪 声 的 研 究 工 作 ,重 点 对 各 种 制 动 噪 声 的 机 理 进 行 了 分 析 和 评 述 . 最后 ,指 出 目 前 制 动 噪 声 研 究 工 作 的 不 足 ,并 对 未 来 的 研 究 工 作 提 出 了 一 些 展 望 和 建 议 .关 键 词 : 汽 车 ;制 动 噪 声 ;尖 叫 ;综 述中 图 分 类 号 : U465 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1004 - 0595 (2009) 04 - 0385 - 08自 20世 纪 90年 代 以 来 ,随 着 科 学 技 术 的 进 步 ,汽 车 工 业 正 朝 着 “ 两 低 ” (低 能 耗 、 低 公 害 )、 “ 三 化 ”(车 身 轻 量 化 、 控 制 电 子 化 、 动 力 多 样 化 )和 “ 四 性 ”(行 驶 安 全 性 、 耐 久 性 、 乘 坐 舒 适 性 、 操 作 方 便 性 )的方 向 发 展 [ 1 - 2 ]. 人 们 在 注 重 整 车 性 能 “ 硬 ” 指 标 的 同时 ,越 来 越 倾 向 于 汽 车 的 人 性 化 设 计 ,不 断 提 高 车 辆的 乘 坐 舒 适 性 等 “ 软 ” 性 能 指 标 [ 3 - 4 ]. 汽 车 的 各 项 性能 中 , NVH (噪 声 、 振 动 、 声 振 粗 糙 度 )特 性 是 衡 量 汽车 质 量 “ 软 ” 性 能 指 标 的 一 个 重 要 因 素 ,而 制 动 噪 声又 是 其 中 一 项 非 常 重 要 的 考 核 指 标 . 汽 车 制 动 时 的尖 叫 声 既 产 生 噪 声 污 染 ,又 严 重 影 响 乘 员 的 乘 坐 舒适 性 ,损 害 人 们 的 身 体 健 康 . 因 此 ,降 低 汽 车 制 动 噪声 ,改 善 乘 坐 舒 适 性 以 及 净 化 城 市 环 境 是 汽 车 工 程技 术 人 员 面 临 的 一 项 重 要 任 务 . 在 环 保 意 识 日 益 增强 的 21世 纪 ,开 发 与 研 制 新 一 代 高 性 能 “ 绿 色 ” 刹车 片 成 为 摩 擦 材 料 生 产 企 业 以 及 汽 车 制 造 商 急 需 解决 的 难 题 [ 5 - 7 ].1 制 动 噪 声 的 产 生 和 特 点汽 车 制 动 引 起 的 噪 声 是 一 个 很 复 杂 的 自 然 现象 ,主 要 是 由 于 制 动 器 工 作 中 发 生 振 动 造 成 的 . 制 动噪 声 的 产 生 及 噪 声 声 压 级 的 大 小 与 很 多 因 素 有 关 ,不 仅 与 经 典 的 摩 擦 振 动 理 论 联 系 紧 密 ,还 受 到 自 身结 构 和 复 杂 工 况 的 强 烈 影 响 [ 8 - 9 ] ,如 整 个 制 动 系 统的 刚 度 、 制 动 速 度 、 制 动 压 力 、 对 偶 件 的 材 质 以 及 环境 条 件 (温 度 、 湿 度 、 润 滑 条 件 ) [ 10 - 11 ]等 ,有 时 这 些因 素 的 一 个 或 多 个 发 生 变 化 ,都 会 严 重 影 响 到 制 动噪 声 出 现 的 状 态 及 噪 声 声 压 级 的 大 小 . 由 于 其 影 响因 素 的 复 杂 性 ,尽 管 学 术 界 研 究 摩 擦 噪 声 已 有 相 当长 的 历 史 ,但 仍 有 许 多 问 题 没 有 解 决 . 迄 今 为 止 ,这个 课 题 已 吸 引 了 包 括 摩 擦 学 、 振 动 力 学 、 材 料 学 和 计算 机 模 拟 科 学 等 诸 多 学 者 的 兴 趣 ,并 发 表 了 许 多 研究 成 果 .制 动 噪 声 的 频 率 范 围 非 常 宽 ,从 几 十 赫 兹 到 上万 赫 兹 不 等 . 一 般 根 据 振 动 频 率 的 频 段 可 分 为 低 频振 动 噪 声 (低 于 1 000 Hz) 和 中 高 频 振 动 噪 声(1 000~ 10 000 Hz 以 上 ). 文 献 中 经 常 提 到 的Moan、 Hum、 Judder、 Groan、 Roughness基 本 上 可 归 入低 频 振 动 噪 声 的 范 围 , Squeal则 可 划 为 中 高 频 振 动噪 声 范 围 . 而 Squeal又 可 分 为 低 频 尖 叫 (1~ 3 kHz)和 高 频 尖 叫 ( 5~ 15 kHz) ,高 频 尖 叫 最 高 时 可 达 到120 dB左 右 ,是 人 耳 难 以 忍 受 的 一 种 尖 叫 声 ,对 人们 的 身 心 能 够 产 生 极 大 的 危 害 ,同 时 也 是 城 市 噪 声的 主 要 污 染 源 之 一 [ 12 ].2 国 内 外 汽 车 制 动 噪 声 的 研 究 现 状早 期 的 制 动 噪 声 研 究 关 注 当 时 广 泛 使 用 的 鼓 式制 动 器 ,现 在 盘 式 制 动 器 由 于 其 广 泛 的 应 用 已 成 为研 究 重 点 . 对 制 动 噪 声 的 研 究 20世 纪 30年 代 就 有相 关 报 道 [ 13 ] ,并 已 积 累 了 不 少 解 决 特 定 问 题 的 工 程收 稿 日 期 : 2008 - 11 - 27; 修 回 日 期 : 2009 - 04 - 07; 联 系 人 :刘 伯 威 , e - mail: csuyy00804@126. com基 金 项 目 :国 家 重 点 工 业 试 验 项 目 资 助 (计 高 技 1998 [ 1817 ] ).作 者 简 介 :刘 伯 威 (1966 - ) ,副 教 授 ,从 事 高 性 能 汽 车 制 动 材 料 的 制 备 及 性 能 研 究 .? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net实 用 方 法 和 分 析 问 题 的 各 种 力 学 模 型 . 但 迄 今 为 止 ,对 该 问 题 的 研 究 从 发 生 机 理 到 分 析 方 法 均 未 取 得 一致 结 论 . 一 方 面 因 为 制 动 器 本 身 就 是 涉 及 诸 多 设 计参 数 的 复 杂 动 力 学 系 统 ,噪 声 的 产 生 又 与 制 动 工 况和 使 用 环 境 密 切 相 关 ;另 一 方 面 则 是 汽 车 工 业 的 激烈 竞 争 限 制 了 研 究 工 作 的 公 开 发 表 和 交 流 .2. 1 制 动 噪 声 实 验 研 究 概 况实 验 在 制 动 噪 声 的 研 究 中 有 着 不 可 替 代 的 作用 ,大 多 数 研 究 制 动 噪 声 的 方 法 都 是 实 验 法 . 理 论 研究 主 要 回 答 了 制 动 噪 声 的 激 励 源 问 题 ,但 由 于 理 论研 究 总 是 在 一 些 假 设 的 前 提 下 进 行 推 导 的 ,脱 离 实际 情 况 . 同 时 摩 擦 系 统 参 数 识 别 困 难 ,因 此 理 论 计 算大 多 只 能 定 性 的 说 明 问 题 . 另 外 ,在 实 验 中 发 现 ,条件 都 相 同 的 各 次 试 验 中 并 非 均 能 出 现 摩 擦 尖 叫 声 .很 显 然 ,理 论 模 型 研 究 都 不 能 考 虑 这 些 因 素 ,必 须 在实 验 研 究 中 加 以 解 决 . 因 此 进 行 摩 擦 噪 声 的 实 验 研究 必 不 可 少 .汽 车 制 动 噪 声 实 验 在 国 外 研 究 较 早 ,早 在 20世纪 50年 代 ,英 国 学 者 Fosberry和 Holubecki就 对 盘式 制 动 系 统 的 噪 声 进 行 了 实 验 研 究 ,发 现 大 多 数 制动 噪 声 的 产 生 和 摩 擦 系 数 的 减 少 有 关 ,而 制 动 片 的摩 擦 特 性 和 制 动 噪 声 没 有 必 然 联 系 ,并 总 结 出 了 如图 1所 示 的 模 型 [ 14 - 15 ]. 随 后 , Spurr设 计 了 一 种 实 验装 置 (如 图 2所 示 ) [ 16 ] ,让 制 动 片 和 刹 车 盘 以 带 的 形式 接 触 并 做 往 复 滑 动 , 且 接 触 带 宽 度 少 于3. 175 mm ,发 现 摩 擦 噪 声 只 发 生 在 接 触 带 接 近 制 动片 前 缘 的 时 候 ,而 当 接 触 带 移 到 制 动 片 的 后 缘 时 ,摩擦 噪 声 有 明 显 改 善 .Fig. 1 Sketch map of Fosberry and Holubecki′ s model图 1 Fosberry和 Holubecki的 模 型 示 意 图以 前 由 于 技 术 手 段 的 限 制 ,实 验 中 噪 声 只 能 凭人 耳 去 感 受 ,这 样 测 量 误 差 极 大 ,且 只 能 定 性 的 说 明一 些 问 题 . 现 在 随 着 科 技 的 进 步 ,大 量 先 进 的 声 音 采集 仪 器 相 继 出 现 ,国 外 就 有 专 门 针 对 汽 车 噪 声 的NVH惯 性 台 架 试 验 机 . 但 由 于 其 仪 器 精 密 度 较 高 且对 环 境 要 求 苛 刻 ,所 以 售 价 昂 贵 (通 常 几 百 万 人 民币 ). 国 内 大 多 数 学 校 及 科 研 单 位 都 采 用 销 - 盘(p in - on - disc)型 试 验 装 置 ,或 在 定 速 试 验 机 或 台架 试 验 机 上 添 加 声 级 计 及 一 些 辅 助 设 备 (如 图 3)加以 改 装 . 销 -盘 型 摩 擦 噪 声 试 验 装 置 的 实 验 原 理 及测 量 原 理 见 图 4,摩 擦 噪 声 由 拾 音 器 测 取 ,通 过 频 谱分 析 仪 可 得 到 噪 声 的 自 功 率 谱 图 及 声 压 级 的 值 [ 17 ] .683 摩 擦 学 学 报 第 29卷? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net虽 然 影 响 制 动 噪 声 的 因 素 比 较 复 杂 ,但 是 通 过多 年 实 验 验 证 以 及 经 验 积 累 ,前 人 总 结 出 制 动 噪 声的 发 生 大 致 有 如 下 规 律 [ 18 - 20 ] :(1) 车 辆 在 低 速 制 动 和 临 近 停 车 时 ,容 易 发 生制 动 尖 叫 .(2) 摩 擦 系 数 基 本 相 同 的 摩 擦 材 料 在 产 生 尖 叫倾 向 上 具 有 随 机 性 ,同 一 摩 擦 材 料 安 装 于 某 一 制 动器 可 能 有 尖 叫 倾 向 ,而 安 装 于 另 一 制 动 器 却 极 可 能没 有 噪 声 .(3) 随 着 摩 擦 系 数 的 增 大 ,制 动 尖 叫 的 倾 向 增大 ,且 尖 叫 频 率 随 着 制 动 压 力 的 升 高 而 略 有 增 加 .(4) 鼓 式 和 带 式 制 动 器 通 常 比 盘 式 制 动 器 更 容易 产 生 尖 叫 .(5) 在 制 动 块 底 板 上 (钢 背 )粘 贴 阻 尼 材 料 能在 一 定 程 度 上 抑 制 制 动 高 频 噪 音 ,但 并 不 是 总 能 达到 明 显 的 改 善 效 果 .(6) 产 生 制 动 尖 叫 的 振 动 在 摩 擦 滑 动 方 向 和 法向 总 是 耦 合 的 .从 上 述 分 析 可 以 看 出 ,通 过 摩 擦 噪 声 实 验 ,可 以得 到 很 多 有 用 的 规 律 ,并 可 验 证 现 有 的 制 动 噪 声 理论 . 但 其 局 限 性 也 非 常 明 显 ,如 有 些 系 统 参 数 不 容 易改 变 ,同 时 往 往 试 验 条 件 不 同 ,产 生 的 结 果 也 不 一样 ,这 对 理 论 分 析 产 生 极 大 地 困 难 . 另 外 ,通 过 大 量试 验 总 结 出 来 的 规 律 只 是 经 验 性 的 总 结 ,并 不 能 对一 些 突 发 情 况 提 出 更 改 措 施 及 对 一 些 试 验 结 果 做 出预 测 .2. 2 制 动 噪 声 机 理 研 究 概 况前 面 已 提 及 单 纯 实 验 研 究 的 一 些 不 足 ,很 多科 研 工 作 者 在 实 验 的 基 础 上 ,运 用 现 代 化 的 检 测手 段 对 制 动 噪 声 的 机 理 进 行 分 析 ,并 提 出 了 各 种各 样 的 噪 声 机 理 . 查 阅 以 前 的 文 献 [ 21 - 23 ] ,早 期 对制 动 噪 声 的 研 究 都 是 先 找 出 制 动 噪 声 机 理 ,再 建立 相 应 的 动 力 学 模 型 ,以 减 少 振 动 振 幅 为 目 的 .因 此 研 究 制 动 噪 声 的 工 作 大 部 分 都 转 化 为 对 摩擦 振 动 的 研 究 . 而 从 现 有 的 文 献 [ 24 - 28 ]来 看 ,制 动噪 声 的 研 究 中 对 黏 着 - 滑 动 振 动 及 材 料 摩 擦 特性 的 研 究 占 了 较 大 的 比 重 ,而 且 计 算 机 模 拟 技 术也 越 来 越 多 的 应 用 于 噪 声 机 理 的 分 析 . 其 模 型 经历 了 从 单 自 由 度 自 激 振 动 模 型 到 两 自 由 度 自 激振 动 模 型 ,直 至 现 在 的 多 自 由 度 自 激 振 动 模 型 .到 目 前 为 止 共 形 成 了 七 八 种 不 同 的 理 论 ,被 大 多数 接 受 的 理 论 主 要 有 4种 ,分 别 为 :摩 擦 力 - 相对 速 度 关 系 的 负 斜 率 理 论 、 Sp rag - Slip 理 论 、 模态 耦 合 理 论 和 摩 擦 学 理 论 ,下 面 分 别 予 以 论 述 .2. 2. 1 摩 擦 力 -相 对 速 度 关 系 的 负 斜 率 理 论最 早 提 出 的 摩 擦 噪 声 激 发 机 理 是 黏 着 -滑 动 机理 ,早 在 20世 纪 30年 代 , M ills[ 29 ]通 过 对 不 同 的 鼓式 制 动 器 进 行 研 究 ,发 现 制 动 尖 叫 产 生 的 一 个 必 要条 件 就 是 dμ k /dvs 小 于 0,并 最 终 导 致 了 摩 擦 力 - 相对 速 度 关 系 的 负 斜 率 理 论 的 提 出 . 由 于 摩 擦 力 - 相对 速 度 关 系 的 负 斜 率 机 理 产 生 的 原 因 和 物 理 模 型(如 图 5)与 黏 着 - 滑 动 现 象 产 生 的 原 因 一 样 ,所 以在 很 多 研 究 中 ,把 这 两 种 机 理 归 为 同 一 类 机 理 :摩 擦力 -相 对 速 度 关 系 的 负 斜 率 机 理 .Fig. 5 A single degree - of - freedom modelof friction vibration图 5 摩 擦 振 动 的 单 自 由 度 模 型对 上 面 简 化 的 模 型 建 立 刚 性 摩 擦 材 料 的 运 动 微分 方 程 为 :m ¨x + c x + kx = Fk ( v - x) (1)其 中 m 为 刚 性 摩 擦 片 质 量 , c为 结 构 阻 尼 , k为 弹 簧 刚 度 , Fk 为 摩 擦 力 .由 于 制 动 时 振 动 一 般 为 微 幅 振 动 ,对 公 式 ( 1)用 泰 勒 级 数 按 x的 幂 次 展 开 ,并 去 掉 x二 次 以 上 各项 ,可 将 公 式 (1)改 写 为 :m ¨x + c x + Fk ( v0 ) x + kx = 0 (2)假 定 摩 擦 力 曲 线 在 某 一 区 域 内 具 有 负 斜 率 ,设其 绝 对 值 为 a1 ,则 公 式 (2)可 改 写 为 :m ¨x + ( c - a1 ) x + kx = 0 (3)求 解 可 得 :x =A ea1 - c2m ( cosω t +c - a12mw sinω t) (4)圆 频 率 ω = km - ( c - a1 )24m2 (5)从 公 式 (4)可 以 看 出 ,理 论 公 式 的 解 表 示 的 是一 个 往 复 振 动 ,当 a1 大 于 c时 ,表 示 系 统 的 振 动 将无 限 增 大 ,此 即 摩 擦 力 - 相 对 滑 动 速 度 关 系 的 负 斜率 引 起 摩 擦 振 动 的 理 论 解 释 . 当 a1 小 于 c时 ,则 表示 系 统 的 的 振 动 将 逐 渐 减 少 ,直 至 消 失 . 同 时 ,如 果783第 4 期 刘 伯 威 ,等 :汽 车 制 动 噪 声 的 研 究? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net摩 擦 力 -相 对 滑 动 速 度 曲 线 的 斜 率 为 正 值 ,则 不 可能 发 生 自 激 振 动 .摩 擦 力 -相 对 速 度 关 系 的 负 斜 率 理 论 较 好 地 解释 了 制 动 噪 声 发 生 的 机 理 ,且 能 够 解 释 很 多 实 验 现象 . 在 过 去 的 研 究 中 该 理 论 占 很 大 的 比 重 ,现 在 对 其研 究 的 人 很 少 ,最 近 关 于 这 方 面 的 研 究 报 导 见 于Eriksson和 Jacobson[ 30 ]的 文 章 . 而 且 该 理 论 也 正 受到 越 来 越 多 的 人 的 质 疑 ,因 为 有 的 时 候 制 动 噪 声 也发 生 在 摩 擦 力 - 相 对 滑 动 速 度 关 系 为 正 的 区 域 ,这直 接 与 该 理 论 矛 盾 . 而 M illner[ 31 - 32 ]亦 证 明 了 对 于鼓 式 和 盘 式 制 动 器 ,即 使 摩 擦 系 数 μ 为 常 数 ,制 动 噪声 仍 可 发 生 . 实 际 上 , Lang和 Smales[ 33 ]就 指 出 该 机理 只 在 解 释 振 动 频 率 低 于 100Hz的 时 候 比 较 重 要 .由 于 其 局 限 性 ,所 以 就 导 致 了 其 他 理 论 的 相 继 提 出 .2. 2. 2 Sp rag - Slip理 论Sp rag - Slip理 论 是 Spurr在 1961年 提 出 的 [ 8 ] ,其 基 本 原 理 就 是 摩 擦 面 间 由 于 自 锁 作 用 ( Sp rag)导致 整 个 摩 擦 系 统 结 构 不 稳 定 ,从 而 引 起 振 动 和 摩 擦噪 声 . Spurr[ 34 ]认 为 ,即 使 摩 擦 系 数 μ 为 常 数 ,由 于 外力 的 变 化 导 致 摩 擦 力 的 改 变 也 可 以 引 起 制 动 尖 叫 ,噪 声 的 产 生 与 迅 速 变 化 的 摩 擦 力 有 关 ,因 此 该 理 论可 适 用 于 系 统 出 现 不 稳 定 的 振 动 时 摩 擦 系 数 μ 与 滑动 速 度 v无 关 的 情 况 . Spurr的 理 论 可 用 图 6所 示 的模 型 说 明 .Fig. 6 Model of sp rag - slip图 6 自 锁 -滑 动 机 理 模 型在 图 6所 示 的 模 型 中 ,所 有 的 连 接 均 为 刚 性 连接 ,刚 性 杆 装 在 可 以 旋 转 的 O点 , O点 固 定 ,并 受 到一 个 外 加 载 力 的 作 用 ,同 时 平 面 从 右 向 左 运 动 ,在平 面 和 杆 的 接 触 点 (定 义 为 A 点 )就 会 产 生 一 个 摩擦 力 . 根 据 O点 的 受 力 情 况 ,列 出 力 的 平 衡 方 程 :N = L1 -μk tanθ(6)Ff =μ k N (7)把 公 式 (6)代 入 公 式 (7) ,可 得 :Ff = μ k L1 -μk tanθ(8)从 公 式 (8)可 以 看 出 ,当 θ 满 足 一 定 的 条 件 时 ,即 当μ = cotθ 时 ,此 时 摩 擦 力 Ff 将 趋 向 于 无 穷 大 ,相 对 运动 在 理 论 上 变 得 不 可 能 ,从 而 导 致 自 锁 现 象 的 出 现 .当 然 ,出 现 自 锁 的 前 提 条 件 就 是 O 点 为 刚 性 连 接 ,但 通 常 我 们 的 刹 车 片 属 于 黏 弹 性 材 料 ,当 其 变 形 到一 定 程 度 时 ,又 会 慢 慢 恢 复 到 以 前 的 状 态 ,这 样 自 锁状 态 就 会 解 除 ,重 新 回 到 最 初 的 接 触 状 态 ,于 是 整 个摩 擦 系 统 就 会 出 现 Sp rag - Slip的 无 限 循 环 . 该 模 型由 于 过 于 简 单 ,以 至 于 无 法 直 接 用 于 制 动 噪 声 的 分析 ,但 从 中 可 以 得 出 一 个 重 要 启 示 ,就 是 制 动 器 的 结构 因 素 在 制 动 尖 叫 的 产 生 中 可 能 起 着 重 要 的 作 用 .该 理 论 提 出 后 ,曾 引 起 了 很 多 学 者 的 关 注 ,并 被一 些 研 究 者 所 接 受 [ 35 ]. 也 有 人 把 前 两 种 理 论 结 合 起来 ,提 出 摩 擦 力 - 相 对 滑 动 速 度 关 系 的 负 斜 率 和 自锁 -滑 动 联 合 作 用 机 理 ,这 样 就 能 较 全 面 的 解 释 一些 现 象 . 但 由 于 Sp rag - Slip理 论 只 考 虑 摩 擦 力 方 向的 振 动 ,而 忽 略 了 垂 直 于 摩 擦 面 方 面 的 振 动 ,所 以 有很 明 显 的 缺 陷 .2. 2. 3 模 态 耦 合 理 论前 面 两 种 研 究 制 动 噪 声 的 理 论 都 认 为 噪 声 是 制动 系 统 各 组 件 的 单 自 由 度 自 激 振 动 ,但 根 据 实 验 的研 究 结 果 ,制 动 噪 声 发 生 时 ,往 往 同 时 有 多 个 结 构 振动 模 式 发 生 . 20世 纪 80年 代 以 来 ,研 究 者 们 已 不 再单 纯 地 从 简 单 的 物 理 模 型 出 发 研 究 制 动 噪 声 问 题 ,人 们 开 始 试 图 对 实 际 制 动 器 结 构 建 立 动 力 学 模 型 ,从 理 论 上 进 行 全 面 的 分 析 . Kusano等 [ 36 ]在 实 验 研 究中 发 现 鼓 式 制 动 器 的 蹄 和 鼓 各 有 一 阶 频 率 与 发 生 尖叫 的 频 率 相 近 ,认 为 这 两 阶 模 态 频 率 在 制 动 器 工 作时 发 生 变 化 的 幅 度 不 同 ,可 导 致 两 者 重 合 ,就 形 成 了噪 声 频 率 ,因 此 解 决 问 题 的 思 路 是 避 免 这 两 阶 频 率靠 近 . 这 种 说 法 虽 然 没 有 揭 示 噪 声 发 生 的 机 理 ,但 该文 献 却 提 出 了 一 种 新 的 研 究 思 路 ,即 用 模 态 分 析 的方 法 来 研 究 制 动 噪 声 .近 年 来 ,随 着 电 子 计 算 机 技 术 处 理 数 据 的 能 力大 幅 提 升 ,有 限 元 方 法 日 臻 成 熟 ,计 算 机 辅 助 分 析 得到 了 更 加 广 泛 的 应 用 ,从 单 个 零 件 的 有 限 元 分 析 到对 整 个 制 动 器 进 行 有 限 元 整 体 建 模 (如 图 7) ,最 后形 成 闭 环 耦 合 模 型 . 这 种 方 法 大 大 降 低 了 产 品 的 开发 成 本 ,缩 短 了 开 发 周 期 . 另 外 它 还 具 有 可 重 复 性 ,信 息 量 大 ,方 便 快 捷 等 优 点 . 福 特 公 司 的 研 究 小883 摩 擦 学 学 报 第 29卷? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net组 [ 37 ]在 分 析 盘 式 制 动 器 的 制 动 噪 声 时 ,利 用 有 限 元模 型 表 征 摩 擦 系 数 μ k 随 速 度 vs、 接 触 界 面 温 度 T以及 压 力 P的 变 化 ,同 时 他 们 还 在 制 动 系 统 中 引 入 非线 性 短 暂 动 力 学 分 析 ,并 结 合 实 验 结 果 ,通 过 模 拟 得Fig. 7 Finite element model of brake assembly图 7 制 动 器 有 限 元 整 体 模 型到 了 很 多 有 用 的 结 论 . Baba等 [ 38 ]设 计 了 一 种 所 谓的 无 旋 帽 形 结 构 (非 对 称 ) ,通 过 实 验 结 果 及 有 限 元模 拟 发 现 一 种 改 良 结 构 非 常 有 用 . 同 时 ,他 们 通 过 建立 详 细 的 “ 高 帽 转 子 ” 的 有 限 元 模 型 ,发 现 修 改 “ 帽 ”部 件 的 尺 寸 可 以 抑 制 转 子 环 面 部 分 某 些 类 型 噪 声 的发 生 .由 模 态 藕 合 机 理 的 理 论 可 以 看 出 ,模 态 耦 合 机理 发 生 的 条 件 对 摩 擦 系 统 有 很 严 格 的 要 求 ,理 论 对整 个 制 动 系 统 进 行 了 简 化 ,假 设 较 多 . 另 外 ,由 于 用以 分 析 多 自 由 度 自 激 振 动 模 型 的 有 限 元 方 法 比 前 述单 自 由 度 模 型 复 杂 且 参 数 更 多 ,而 其 分 析 精 度 又 不高 ,因 此 ,该 理 论 的 局 限 性 也 比 较 大 . 但 近 年 来 制 动噪 声 的 研 究 大 多 数 集 中 在 制 动 系 统 的 有 限 元 复 特 征值 分 析 上 ,当 制 动 系 统 的 任 两 个 自 然 频 率 趋 于 一 致时 ,系 统 就 发 生 不 稳 定 振 动 ,产 生 尖 叫 噪 声 ,而 自 然频 率 趋 于 一 致 就 是 模 态 耦 合 . 因 此 ,现 在 国 际 上 普 遍认 为 模 态 耦 合 最 有 可 能 是 尖 叫 噪 声 产 生 的 机 理 .2. 2. 4 摩 擦 学 理 论过 去 研 究 者 很 少 有 从 摩 擦 学 的 角 度 出 发 研 究 制动 噪 声 的 ,其 实 制 动 噪 声 问 题 不 仅 与 经 典 的 摩 擦 振动 理 论 有 关 ,还 与 摩 擦 学 系 统 相 关 理 论 和 知 识 紧 密相 联 .在 制 动 过 程 中 ,摩 擦 副 真 实 接 触 面 积 远 远 小 于名 义 接 触 面 积 . 从 微 观 上 看 ,摩 擦 表 面 是 凹 凸 不 平的 ,当 两 个 表 面 在 压 力 的 作 用 下 接 触 并 发 生 相 对 运动 时 ,摩 擦 表 面 的 微 凸 体 会 受 到 表 面 的 剪 切 应 力 而发 生 弹 性 形 变 ,如 果 剪 切 应 力 大 于 微 凸 体 材 料 的 屈服 应 力 ,微 凸 体 发 生 塑 性 变 形 ,从 而 达 到 一 个 新 的 弹性 变 形 平 衡 点 . 这 样 微 凸 体 不 断 振 动 直 到 所 有 的 弹性 势 能 以 热 量 的 形 式 耗 散 . 这 个 过 程 其 实 就 是 能 量的 相 互 转 化 过 程 ,遵 循 能 量 守 恒 定 理 .最 近 很 多 文 献 中 提 到 的 热 点 理 论 ( Hot SpotTheory) ,其 实 也 可 以 归 属 于 摩 擦 学 理 论 里 面 . 该 理论 认 为 制 动 盘 表 面 在 制 动 过 程 中 产 生 热 点 导 致 振 动噪 声 . 由 于 摩 擦 表 面 具 有 接 触 的 不 均 匀 性 ,造 成 摩 擦副 间 相 对 较 小 的 真 实 面 积 上 承 担 相 当 大 的 载 荷 ,其接 触 微 凸 体 上 的 温 度 高 于 周 围 表 面 温 度 ,形 成 “ 热点 ” . 在 一 个 典 型 的 制 动 过 程 中 ,由 于 制 动 初 期 相 互接 触 的 微 凸 体 数 目 较 少 ,摩 擦 系 数 和 局 部 “ 热 点 ” 温度 升 高 较 快 ,随 着 微 凸 体 承 载 数 目 的 增 加 以 及 自 然散 热 ,“ 热 点 ” 温 度 又 迅 速 降 低 . 摩 擦 热 的 存 在 可 引起 材 料 表 面 黏 着 并 改 变 材 料 表 面 层 的 接 触 刚 度 ,从而 直 接 影 响 制 动 过 程 中 系 统 的 稳 定 性 . 在 摩 擦 力 导致 的 振 动 中 ,激 励 来 自 于 连 续 滑 动 过 程 中 黏 滑 转 换以 及 微 凸 体 连 接 的 啮 合 和 脱 离 . 因 此 ,从 材 料 摩 擦 学的 角 度 研 究 制 动 噪 声 至 关 重 要 . 近 年 来 ,很 多 学者 [ 7, 39 ]也 都 展 开 了 这 方 面 的 工 作 ,并 得 出 了 不 少 有益 的 结 论 .总 的 说 来 ,经 过 多 年 的 理 论 研 究 ,有 两 点 结 论 被对 大 多 数 学 者 接 受 : ① 摩 擦 噪 声 是 由 于 黏 着 - 滑 动效 应 以 及 摩 擦 力 -速 度 曲 线 的 负 斜 率 特 性 诱 发 制 动系 统 的 某 些 部 件 的 自 激 振 动 引 发 的 ,不 是 部 件 自 锁产 生 的 ; ② 制 动 片 与 制 动 盘 之 间 的 接 触 刚 度 、 摩 擦 系数 及 制 动 盘 与 制 动 片 的 刚 度 对 摩 擦 噪 声 有 重 要影 响 .2. 3 抑 制 制 动 噪 声 采 取 的 措 施为 解 决 上 述 问 题 ,通 过 大 量 的 理 论 研 究 及 实 验验 证 ,人 们 提 出 了 各 种 各 样 的 方 法 来 降 低 制 动 噪 声 .文 献 [ 40 ]指 出 通 过 在 制 动 块 底 板 上 (包 括 内 制 动 块和 外 制 动 块 )粘 贴 阻 尼 材 料 层 ,由 于 阻 尼 材 料 本 身的 迟 滞 性 ,形 成 接 触 摩 擦 并 导 致 能 量 损 耗 ,能 够 在 一定 程 度 上 起 减 振 降 噪 的 作 用 . 文 献 [ 41 ]提 出 改 变 制动 盘 帽 的 形 状 ,破 坏 制 动 盘 的 对 称 性 来 抑 制 制 动 噪声 . 文 献 [ 42 ]等 用 高 频 扰 动 方 法 来 消 除 噪 声 ,通 过对 安 装 在 活 塞 上 的 压 电 传 感 器 施 加 高 频 电 压 引 起 底板 和 制 动 摩 擦 块 振 动 ,利 用 这 种 振 动 来 光 滑 摩 擦 力 ,从 而 消 除 制 动 尖 叫 .上 述 方 法 归 纳 起 来 可 分 为 3类 . ① 从 结 构 因 素入 手 ,修 改 制 动 器 部 件 ,如 制 动 衬 片 和 制 动 蹄 的 几 何参 数 和 形 状 . ② 从 制 动 器 材 料 因 素 入 手 ,通 过 改 变 刹车 盘 的 微 观 组 织 及 调 整 制 动 材 料 的 配 方 组 成 来 消 除制 动 噪 音 . ③ 前 面 2种 方 法 的 结 合 ,改 变 制 动 器 的983第 4 期 刘 伯 威 ,等 :汽 车 制 动 噪 声 的 研 究? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net振 动 特 性 . 如 优 化 制 动 器 部 件 的 刚 度 、 阻 尼 等 . 对 于已 设 计 定 型 的 制 动 器 ,不 可 能 通 过 改 变 其 结 构 设 计来 解 决 制 动 噪 声 问 题 ,唯 一 可 调 整 的 就 是 改 进 摩 擦材 料 的 配 方 . 所 以 在 解 决 制 动 噪 声 问 题 上 ,摩 擦 材 料不 是 制 动 噪 声 产 生 的 主 要 原 因 ,但 却 是 解 决 此 类 问题 的 主 要 方 法 . 因 此 ,很 多 汽 车 摩 擦 材 料 生 产 厂 家 都是 通 过 调 整 材 料 的 配 方 去 消 除 制 动 噪 声 .3 汽 车 制 动 噪 声 研 究 存 在 的 问 题 及 展 望迄 今 为 止 ,对 制 动 噪 声 的 研 究 内 容 主 要 集 中 在汽 车 盘 式 和 鼓 式 制 动 器 这 两 方 面 . 理 论 研 究 思 路 都一 样 ,都 是 从 摩 擦 系 统 振 动 的 角 度 出 发 去 研 究 . 目 前绝 大 部 分 研 究 都 是 从 动 力 学 角 度 来 分 析 噪 声 ,并 总结 出 了 多 种 理 论 和 振 动 模 型 ,但 无 论 是 摩 擦 振 动 理论 ,还 是 有 限 元 分 析 ,都 局 限 在 判 断 系 统 的 稳 定 性 方面 ,能 外 延 的 结 论 不 多 ,许 多 理 论 能 解 释 一 些 制 动 噪声 现 象 ,但 却 不 能 解 释 另 一 些 现 象 ,更 不 能 预 测 摩 擦噪 声 的 发 生 和 消 失 . 目 前 关 于 制 动 噪 声 理 论 研 究 的前 沿 问 题 主 要 有 : ① 制 动 噪 声 发 生 后 是 如 何 演 化的 ? 稳 定 性 理 论 只 能 说 明 噪 声 的 起 始 ,不 能 说 明 噪声 是 有 界 的 . 一 般 认 为 制 动 系 统 发 生 噪 声 后 ,随 着 振动 幅 值 的 增 大 ,系 统 遇 到 了 非 线 性 因 素 ,但 这 个 非 线性 因 素 又 是 什 么 ? ② 制 动 尖 叫 噪 声 的 有 限 元 预 测(复 特 征 值 分 析 )得 到 很 多 不 稳 定 模 态 ,但 为 何 制 动尖 叫 噪 声 一 般 都 是 单 频 率 噪 声 ,并 且 这 个
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