蘇軼

吉林省舒蘭市起重機配件有限責任公司 132600

摘要：對鼓式制動器振動與噪聲的研究進行了綜述。探討了通過改變摩擦材料和制動器結構來抑制噪聲的方法。并提出了陶瓷金屬功能梯度材料的發(fā)展在汽車制動系統(tǒng)上的應用，以及結合力學，汽車，自動化多個學科對整個制動器系統(tǒng)進行模擬彷真，建立專家系統(tǒng)。并在結構設計上綜合考慮對尺寸參數(shù)的優(yōu)化設計與對形狀和拓撲優(yōu)化。

關鍵詞：鼓式制動器；噪聲；摩擦材料；專家系統(tǒng)；功能梯度材料

1 制動器振動與噪聲的分類和性質

制動噪聲的頻率范圍非常廣，在不同的車型和不同的制動情況下噪聲的頻率也不相同。可以從幾十赫茲到上萬赫茲。其分類方法也各不相同，有按頻率范圍劃分的，有按人的感覺劃分的。根據(jù)制動器部件振動頻率的頻段可分為低頻振顫噪聲（約幾十到幾百赫茲）和中高頻尖叫噪聲（約幾百到十幾千赫茲）。這樣劃分的主要依據(jù)是：在低頻范圍鼓式制動器的各主要部件都以剛體形態(tài)參加振動，在中高頻范圍則主要涉及部件彈性模態(tài)，是更為復雜的情況。按照人的感覺我們可以把噪聲分為尖叫、發(fā)啃、擠壓等六類。我們通常所說的制動尖叫就屬于高頻噪聲，而制動發(fā)啃屬于低頻噪聲。

2、制動器振動與噪聲的國內外研究進展

整個五十年代，人們都在認為引起制動尖叫的根本原因是摩擦材料本身的特性。當時著名的stick-slip現(xiàn)象就是把制動尖叫歸結為當靜摩擦系數(shù)大于動摩擦系數(shù)或者摩擦系數(shù)隨相對滑動速度的變化率rvf??<0時制動系統(tǒng)的自激振動在1961年制動尖叫的機理又有了重大發(fā)展，就是R.T.Spurr首次使用Sprag-slip現(xiàn)象來解釋制動尖叫的形成，它表明不論摩擦材料特性如何，僅由于摩擦付的幾何特性匹配不當便會導致制動尖叫。1969年BARBER發(fā)現(xiàn)當兩個緊壓的彈性體發(fā)生相對滑動時，摩擦產生的熱量進入摩擦付導致了材料熱彈性的變化，從而引起摩擦面接觸應力分布的改變，這些變化對摩擦材料的摩擦特性影響巨大，使摩擦面上的接觸壓力變的不均勻，最終使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，整個過程稱為TEI（thermoelastic instability）。TEI思想的不斷發(fā)展，就 是當今世界的熱門話題——HOT SPOT現(xiàn)象。

進入七十年代后，制動器尖叫依賴于振動理論，有限元方法和電子計算機技術的應用的研究又有了新的發(fā)展，主要特點是從簡化模型的研究逐步進入對實際制動器結構的研究。

1980年Felske用純實驗方法研究了鼓式制動器的制動尖叫，通過激光全息技術觀察了尖叫時制動器各部件的振型，發(fā)現(xiàn)底板在尖叫時表現(xiàn)出強烈的振動模態(tài)。因此，F(xiàn)elske改進了底板結構并進行了試驗驗證，得到結論：增加底板剛度可以抑制尖叫，制動鼓本身的模態(tài)對尖叫沒有實質性的影響。最后作者提出質疑，對僅研究摩擦付特性能否解決實際的尖叫問題表示懷疑。

進入80年代，國內也開始大力展開對制動器噪聲的研究并取得了很大的突破。1988年陳世雄和陳小悅分別對鼓式制動器的制動尖叫和制動發(fā)啃進行了研究。

通過采用有限元計算和實驗分析相結合的方法分析了制動尖叫對于接觸形態(tài)的敏感性以及阻尼對制動尖叫的影響。陳小悅通過對制動器自激振動的研究提出了自激振動發(fā)生與否取決于由制動作用耦合的只動系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性的理論，并根據(jù)這一理論建立了鼓式制動器低頻振動的數(shù)學模型。通過對制動器進行實驗及譜分析，并建立了動力學模型證明摩擦耦合激振力才是引起制動尖叫的關鍵，彈性耦合激振力并不是主要因素。

1997年制動鼓的徑向振動導致噪聲，加入阻尼減振，增強制動鼓剛度及減小制動蹄剛度可達到降低噪聲的目的也被首次提出。敏度分析方法來確定影響噪聲發(fā)生的子結構關鍵模態(tài)參數(shù)，推導了噪聲模態(tài)特征值實部關于子結構特征值特征向量的靈敏度計算公式，并從能量潰入的角度推導了其關于子結構模態(tài)參數(shù)的靈敏度。

3 制動器材料與結構的優(yōu)化設計

3.1 材料的優(yōu)化設計對噪聲的抑制作用

通過研究摩擦材料來分析制動噪聲產生機理的最初的模型就是stick-slip現(xiàn)象，這也是在早期解決制動噪聲問題的典型模型，它主要是立足于摩擦材料的固有性質。

從五十年代至今，制動器材料上的研究取得了飛速發(fā)展。摩擦材料也取得了質的飛躍。在20世紀20-80年代，石棉有機摩擦材料幾乎是統(tǒng)一天下，但隨著現(xiàn)代汽車速度的提高，使制動器表面溫度可達300-500c。因為石棉導熱性和耐熱性能差 所以逐步被新材料取代。針對本文，這種摩擦材料也產生很刺耳的高頻噪聲，即我們常說的制動尖叫。

70年代初，美國本迪斯公司開發(fā)了無石棉摩擦材料，它是以纖維或金屬粉代替石棉纖維。這種材料大大降低了制動噪音。但在低速行駛制動的情況下，易產生低頻噪聲，即我們常說的發(fā)啃。現(xiàn)在國內廠家也在批量生產鋼纖維。使用這種纖維的半金屬摩擦襯片在國產奧迪，桑塔納，夏利等多種車型中使用。

近20年來研究絕大部分集中在非石棉有機摩擦材料方面。在代替石棉的纖維中，除了鋼纖維外，比較常見的還有玻璃纖維和碳纖維，芳綸纖維以及這些纖維的混雜纖維等。

目前，無論是鋼纖維還是碳纖維等制作的摩擦材料都面臨著熱衰退和熱磨損問題。為此開始用粉末冶金生產的鐵基，銅基金屬陶瓷摩擦材料。這種摩擦材料雖然一定程度上解決了熱衰退和熱磨損問題。但它也有著很多的缺點，其中不可回避的問題之一就是制動噪聲大。

雖然半個多世紀來人們都在致力于解決制動噪聲問題。但僅僅通過改變摩擦材料都未能達到這一目的。

3.2 結構的改變對噪聲的抑制作用

在人們仍然熱衷于通過改變摩擦材料的來抑制噪聲的時候，就有人開始嘗試用改變制動器的結構來抑制制動噪聲的方法。在那之后國內外均開始了通過優(yōu)化結構來抑制制動噪聲的研究，但迄今為止尚無令大家意見統(tǒng)一的定論。通常對某一款車型適用的方法換到其他車上卻有可能全部失效。人們采用了理論，實驗，計算等多種方法都沒能解決這一問題。國內的研究在開始階段大多數(shù)都把噪聲產生的原因歸結為蹄與鼓之間參數(shù)匹配不正確上造成。朱新潮等指出制動器所有部件的結構參數(shù)對制動高頻噪聲均有重要影響，并通過對計算結果的歸納表明：對制動器起決定作用的是鼓子結構和包含有底版、蹄、分泵及油路操作系統(tǒng)在內的PSPO子結構系統(tǒng)的參數(shù)匹配或極點配置。

目前國內外針對結構動態(tài)特性修改進行優(yōu)化和設計的方法大概有兩個方向，一是基于尺寸參數(shù)的優(yōu)化設計方法，其關鍵是特征值與特征向量對結構尺寸參數(shù)的靈敏度。另一類是形狀和拓撲優(yōu)化的方法，這種方法雖然目前也得到了廣泛的重視和研究，但仍然為能在工程上得到廣泛的應用。目前較重要的理論用Homogenizationhe Density Function、Continuum Formulati- ons Evolutionary Structural Optimiz- ation

4 關于功能梯度材料（FGM）在摩擦材料上應用的探討

4.1 纖維增強復合材料在摩擦材料以及汽車的其它關鍵部件都得到了廣泛的應用。但是纖維增強復合材料在具有眾多優(yōu)勢的時候，也有著顯著的缺點，既當結構承受較高水平的機械荷載和熱荷載作用時，在層間容易產生應力集中。功能梯度材料（1984年，日本科學家運用陶瓷和金屬復合而成一種新型非均勻材料）各組份材料的體積含量在空間位置上是連續(xù)變化的，其物理性能沒有突變，因而可較好的避免或降低應力集中現(xiàn)象。摩擦材料在制動時會產生大量的熱，從而使制動器溫度在短時間內升高到100-500c。而功能梯度材料由于材料組成以及特有的體分比結構，使其已被發(fā)展用來做高溫環(huán)境下的結構構件。