周奇鄭，王德石，高晟耀，劉 寶

（1.海軍工程大學 兵器工程系 武漢 430033； 2.海軍裝備研究院，北京 100161）

制動摩擦噪聲產生機理與控制方法的研究進展

周奇鄭1，王德石1，高晟耀2，劉 寶1

（1.海軍工程大學 兵器工程系 武漢 430033； 2.海軍裝備研究院，北京 100161）

制動摩擦噪聲對乘坐的舒適性、城市環(huán)境有重要影響。深入研究制動器摩擦噪聲的產生機理對于控制其振動與噪聲非常重要。評述了近30年來制動摩擦噪聲產生機理與控制措施的研究進展，將制動摩擦噪聲的產生機理歸為自激振動、結構不穩(wěn)定和“熱點”理論三類，并從優(yōu)化制動器結構、改善摩擦副材料特性等方面分析了制動摩擦噪聲的控制措施。為了更好地認識制動摩擦噪聲的產生機理和探討其控制措施，建議從摩擦學、動力學與傳熱學多學科交叉的角度研究和分析摩擦噪聲。

振動與波；制動器；摩擦；噪聲；產生機理；控制措施

制動摩擦噪聲是指飛機、軌道交通車輛、汽車等制動過程中，由于制動盤與剎車片之間的相對滑動，兩固體接觸表面間的摩擦力導致的一種頻率或聲壓級不規(guī)則變化的不期望的聲。制動過程中產生的低頻振動、顫振和尖嘯噪聲，會影響乘員的舒適性和降低相關零部件的壽命，還會嚴重干擾城市環(huán)境[1–3]。因此，研究制動摩擦噪聲的產生機理與控制措施有著重要的理論和實際意義。

制動摩擦噪聲的產生與制動器的結構、工況條件以及摩擦振動理論密切相關。制動部件的阻尼、固有頻率，摩擦副材料的老化或制動工況的改變，都可能使整個制動器的振動特性發(fā)生變化，導致制動時產生強烈的振動，并向周圍輻射制動噪聲[4–5]。由于摩擦具有速度的依賴性、存在時滯或臨界滑動位移、零速度附近的多值性等靜態(tài)特性和動態(tài)特性，當構建制動器模型時，必須解決動力學與摩擦之間的強耦合問題，選擇合適的摩擦力模型[6]。雖然在剎車系統(tǒng)實際工作環(huán)境中，摩擦表面可能存在材料老化和氧化膜破損，使得摩擦系數顯著改變，但摩擦力仍可以采用干摩擦的方式處理，主要是因為干摩擦模型比較簡單。丁千等在分析干摩擦力特性的基礎上系統(tǒng)介紹了6種靜態(tài)摩擦模型和7種動態(tài)摩擦模型[7]，對每一種模型的構成、特點和適用范圍等進行了較為詳細的評述，并指出摩擦力模型的建立應該與機械系統(tǒng)動力學方程相結合，建立模型時必須考慮摩擦參數辨識的難易程度及可實施性。

近幾十年來，制動摩擦噪聲的研究取得了可觀的成果，也有許多很好的綜述性文章[1–7]，但制動摩擦噪聲的產生機理仍未清楚，完善的控制手段也尚未形成。本文試圖通過對近30年來制動摩擦噪聲的研究現狀及其控制措施的綜合分析，提出今后研究的方向，以促進制動摩擦噪聲的研究和發(fā)展。

1 制動摩擦噪聲的產生與特征分析

圖1為盤式制動器的結構示意圖[2]。制動過程中，踩下制動踏板，真空助力器推動制動主缸工作，通過管路系統(tǒng)將壓力傳遞給活塞，活塞推動摩擦片夾緊轉動中的制動盤，依靠摩擦片和制動盤之間的摩擦力，實現減速或制動。制動摩擦噪聲產生的主要原因是，制動器工作時由于摩擦片與制動盤之間的摩擦產生的振動，并且振動通過卡鉗、制動底板、扭力梁、穩(wěn)定桿及懸架等部件釋放出去，部件的振動或往復運動帶動周圍空氣介質的脈動產生了制動摩擦噪聲。

圖1 盤式制動器結構示意圖

制動摩擦噪聲的頻率范圍非常寬，可以從十幾赫茲至幾萬赫茲。描述制動摩擦振動與噪聲的英文詞達25個，根據制動器部件的振動頻率可將其分為四類[1–4,7]：

（1）高頻尖嘯聲。頻率在5 kHz～10 kHz范圍內的高頻尖叫，主要是由摩擦片的彈性振動所引起的自激振動產生的。

（2）低頻尖嘯聲。頻率在1 kHz～5 kHz范圍內的低頻尖叫，主要是由摩擦激振引起制動器兩個以上部件模態(tài)耦合產生的振動導致的。

（3）嘎吱聲（Groan）。頻率在100 Hz～1 000 Hz范圍內的低頻噪聲，主要是由制動盤與摩擦材料表面的黏滑運動，引起制動器和汽車底盤的振動，進而輻射出噪聲。

（4）顫抖聲（Judder）。頻率范圍幾十到幾百赫茲的低頻噪聲，主要是由制動力矩的波動導致制動過程產生振動，振動經轉向節(jié)和底盤傳遞至車身，引起車身大面積部件如車門、車頂、風擋的輻射聲。

2 制動摩擦噪聲的產生機理分析

在制動過程中，制動器將機車的大部分動能轉化為制動盤和摩擦片的熱能，小部分摩擦產生的能量轉化為制動器的振動能，振動能通過系列復雜的通道，使制動器的各部件振動并輻射出不期望的聲音，即摩擦噪聲。

理想的制動器是由一對形狀規(guī)則、各向同性的摩擦片和制動盤等結構組成[2]，如圖1所示。制動時，摩擦片依靠摩擦系數擠壓旋轉的制動盤；當制動盤靜止時，接觸面上作用的正向力和切向力是均勻分布的；當制動盤旋轉時，正向力和切向力是非均勻分布的。當接觸表面作用著正向壓力時，摩擦產生的切向力將使制動盤發(fā)生切向振動；產生的切向振動會使制動盤表面發(fā)生變形，改變摩擦片和制動盤的接觸狀態(tài)，從而使摩擦系數發(fā)生變化。事實上，即使假定接觸表面的摩擦系數為常數，摩擦力也會使摩擦片、制動盤及其支撐結構發(fā)生振動。因此，即便在理想的制動器中，振蕩的正向力分量很容易激起制動盤和摩擦片的彎曲振動。

摩擦片或制動盤的形狀不規(guī)則將會導致制動器產生幾何不穩(wěn)定，使摩擦片不但存在剛體位移，還將激勵摩擦片產生振動。摩擦片的振動反過來又帶動卡鉗等其它結構的振動，使系統(tǒng)出現共振，形成其它的噪聲源。

制動摩擦噪聲的產生機理大致分為自激振動機理、結構不穩(wěn)定機理和“熱點”理論三類[1–2,6,8]。

1）摩擦導致的自激振動機理

自激振動機理目前得到大多數人的認同，該機理認為制動摩擦噪聲是以摩擦力為激勵力，因制動系統(tǒng)各部件的模態(tài)參數匹配不當，引起制動器的自激振動導致的[8]。因此，制動摩擦噪聲與制動器的接觸剛度、摩擦材料特性、法向載荷的大小等因素有關[9]。其中，黏著-滑動機理是最早被提出的摩擦噪聲產生機理，黏著-滑動運動產生的原因之一是摩擦系統(tǒng)的靜摩擦系數大于動摩擦系數。Ibrahim在總結基于實驗研究的經典摩擦力模型后，采用質量塊-傳輸帶模型，建立了摩擦系統(tǒng)的動力學模型，研究了摩擦誘導的粘著-滑動運動、咔雜聲、尖嘯聲乃至混沌運動[8]，顯示出動力學基礎對噪聲分析的重要性，并奠定了質量塊-傳輸帶模型在摩擦系統(tǒng)振動分析中的基礎。Ashley等又對單自由度系統(tǒng)與耦合系統(tǒng)中的黏著-滑動運動進行了詳細的分析[10]。賈尚帥、Ashley等研究了剎車系統(tǒng)的摩擦自激振動和控制問題[11–12]，給出了剎車系統(tǒng)Hopf分岔失穩(wěn)的臨界速度，并設計了單輸入單輸出的非線性系統(tǒng)控制器，用于抑制剎車系統(tǒng)中的摩擦自激振動。

粘著-滑動運動產生的另一個原因是摩擦力-相對滑動速度的負斜率關系[13–15]。文[14,15]指出當摩擦力-相對滑動速度的關系為負斜率時，摩擦力激勵剎車系統(tǒng)產生摩擦噪聲時并不要求摩擦系數大于某一特定值，且若摩擦力-相對滑動速度曲線的斜率為正時不可能發(fā)生自激振動。自激振動機理是一種比較完備的摩擦噪聲產生理論，有相當一部分低聲強級噪聲可歸因于系統(tǒng)的粘著-滑動運動。然而，該理論不能解釋全部的摩擦自激振動現象，摩擦自激振動在摩擦系數較大、摩擦力-相對滑動速度的斜率為正值等條件下也可能發(fā)生。因此，自激振動機理存在一定的局限性。

2）模態(tài)耦合導致的結構不穩(wěn)定機理

根據試驗測試，制動噪聲發(fā)生時往往同時有多個結構振動模態(tài)發(fā)生，例如發(fā)生在兩個互相垂直方向的振動模態(tài)的不穩(wěn)定。Aronov根據這一特點，提出了摩擦噪聲發(fā)生的模態(tài)耦合機理[16]，認為噪聲是由于摩擦力導致了非對稱的系統(tǒng)剛度耦合，出現了不穩(wěn)定運動。

Baba等通過試驗研究認為，支架部件的模態(tài)振型對制動尖叫的產生有較大的影響[17]。通過對試驗數據的擬合，得到了尖叫傾向與支架振幅關系的經驗公式。Hoffmann等提出了一種單質量兩自由度的模型，解釋了摩擦引起的模態(tài)耦合和系統(tǒng)的不穩(wěn)定性原理[24]。Zhang等認為一些主要由制動盤面內模態(tài)和面外模態(tài)綜合而成的整體模態(tài)會易于因摩擦力而激發(fā)面外振動，引起輻射尖叫[19]。Giannini等通過實驗發(fā)現，剎車片的接觸使得剎車盤失去了振動的軸對稱性，雙重特征頻率模態(tài)分裂為正弦模態(tài)和余弦模態(tài)，剎車塊的面外自激振動是產生嘯叫的重要因素[20]，而這種自激振動實際上是接觸摩擦界面間的相對運動速度達到一定值時，由Hopf分岔導致的系統(tǒng)失穩(wěn)現象。Hochlenert等通過理論分析和實驗研究指出，摩擦和結構的非線性耦合提高了剎車系統(tǒng)的固有頻率[21]；增加了制動盤的面內旋轉能量向面外振動能量的轉移，使尖叫能量更大。陳小悅在試驗研究的基礎上提出，制動器結構摩擦閉環(huán)耦合系統(tǒng)不穩(wěn)定是制動摩擦噪聲產生的機理，認為結構動參數匹配不當是產生噪聲的重要因素[22]。文獻[23–24]借助有限元和模態(tài)綜合技術，建立了制動尖叫的摩擦耦合模型，揭示了可能產生尖叫的不穩(wěn)定模態(tài)，以及摩擦系數和子結構模態(tài)對制動尖叫的影響。模態(tài)耦合導致的結構不穩(wěn)定機理對摩擦系統(tǒng)的要求比較嚴格，因此該理論也有一定的局限性。

3）摩擦導致的“熱點”機理

制動摩擦噪聲的另一個產生機理為“熱點（Hot Spot）”理論[1]，該理論認為制動盤表面在制動過程中由于摩擦產生熱點導致制動器的振動與噪聲。Abdelhamid通過測試與分析研究了制動器結構參數對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[25]，指出Judder的頻率與車輛速度和熱點數目相關，且Cold Judder由制動盤厚度變化引起，而Thermal Judder則由摩擦副導致的熱點引起。

對“熱點”理論的進一步分析涉及到制動摩擦引起的熱機耦合不穩(wěn)定研究。Kao等采用實驗與三維有限元模型分析了剎車系統(tǒng)的熱-塑性不穩(wěn)定[26]，指出熱塑性不穩(wěn)定是產生熱點和Thermal Judder的關鍵因素。Du等通過有限元分析得到了對應不同階次熱點分布的臨界車速[27]，即不穩(wěn)定車速；并指出對應不同的階次有不同的臨界車速。在此基礎上，Lee等進一步發(fā)現理論分析得到的臨界車速往往很高[28]，這與制動尖嘯噪聲常發(fā)生在中低速的結果不太一致。國內，呂振華，張立軍等在制動器熱機耦合方面也做了比較深入的工作，得到了制動器工作過程中摩擦副間接觸力分布、制動盤瞬態(tài)溫度場、應力場、變形場等重要信息[29–31]。但到目前為止，無論是采用解析模型還是有限元模型，“熱點”理論的研究對實際制動過程中熱點的仿真仍不完善，“熱點”理論解決實際問題的報道也不多見。

近幾年，一些學者開始關注不同制動摩擦噪聲產生機理之間的關系。Kinkaid等綜合考慮摩擦模型特性、模態(tài)耦合、材料物理特性建立了四自由度的制動器模型，對制動盤面內模態(tài)引起制動尖嘯噪聲的機理進行了研究[32]，認為周向摩擦力的瞬間反向沖擊，可能會激起制動盤面內模態(tài)振動。由于制動盤結構、接觸狀態(tài)的不對稱和材料的泊松特性進一步引起制動盤的面外振動，進而產生制動尖嘯噪聲。Elmaian、張立軍等采用唯象模型探討了汽車制動摩擦噪聲產生三種機理之間的關系[33–34]，研究了摩擦系數-速度斜率對模態(tài)耦合不穩(wěn)定的影響，并根據摩擦系數及其速度斜率的符號形成4個區(qū)域，分析了4個區(qū)域的黏-滑運動的特點和極限環(huán)及工況依賴性，并指出在摩擦系數-速度正斜率情況下系統(tǒng)參數改變會導致Hopf分岔。由于摩擦制動噪聲問題涉及摩擦能量傳遞、摩擦的隨機性、摩擦參數的時變性、運動本身的瞬態(tài)性，迄今為止，尚未完全弄清制動摩擦振動和噪聲的產生機理，亦未建立完全行之有效的控制方法。

3 制動摩擦噪聲的控制方法研究

制動摩擦噪聲產生機理研究的最終目的，是控制制動噪聲，即在產品設計與開發(fā)階段，通過合理設計、噪聲預報、主被動控制等方法來抑制制動器摩擦振動與噪聲的產生。目前，主流的研究思路是將制動器看作一個整體，采用模態(tài)分析、有限元、邊界元等方法，提出通過改變制動器結構參數、材料特性等措施，降低或抑制摩擦誘發(fā)制動部件的振動，以降低摩擦噪聲。

控制制動摩擦噪聲最重要的是從設計和制造方面采取措施。陳小悅認為制動器的自激振動是導致制動摩擦噪聲的主要原因，制動器結構參數匹配不當是產生自激振動的關鍵因素[22]。在此基礎上，文獻[35]建立了盤式制動器（包括制動盤、內外制動塊、制動鉗、制動器支架）的有限元模型，利用模態(tài)綜合技術得到了制動器的閉環(huán)耦合模型；該模型較準確地反映了盤式制動器的振動與噪聲現象，由特征值分析計算出的不穩(wěn)定模態(tài)頻率與試驗得到的噪聲頻率相吻合。文獻[36]還進一步提出了利用尖叫模態(tài)頻率構成的子結構模態(tài)幅值影響系數，判斷子結構的各階模態(tài)對系統(tǒng)不穩(wěn)定性傾向的影響，從而找出對系統(tǒng)不穩(wěn)定性最具影響的子結構模態(tài)，并以此為目標進行結構修改。Nossier等發(fā)現通過修改制動塊的形狀，可以改變制動塊和制動盤之間的耦合形式，具有一定的降噪效果[37]。文獻[38–40]給出了從結構優(yōu)化設計方面控制低頻與高頻制動摩擦噪聲的具體措施。

制動摩擦噪聲問題不僅與經典的振動理論、制動器結構和工況條件密切相關，還與摩擦學相關的理論和知識緊密相聯[41–42]。謝友柏從摩擦學所涉及的諸多事實出發(fā)，提出摩擦系統(tǒng)由于摩擦、磨損而造成系統(tǒng)的結構和功能具有時變特性，摩擦學行為涉及熱力學、傳熱學、物理學、化學等多個學科行為間強耦合作用[43]。摩擦副表面的磨損將使表面質量和表面精度下降，改變摩擦系統(tǒng)系數，引起摩擦力的波動，造成制動器運行失穩(wěn)，增大摩擦振動傾向，進而向周圍輻射制動噪聲[44]。因此，制動摩擦噪聲的控制不能離開摩擦學相關理論的研究。黃學文等通過對TiNi形狀記憶合金摩擦學特性及摩擦噪聲特點的研究[45]，發(fā)現該合金具有優(yōu)異的耐磨性能、不傷對偶、摩擦噪聲明顯低于45#鋼。文[46]研究了溝槽和圓坑織構表面對摩擦尖叫噪聲特性的影響及作用機理，指出對摩擦材料滑過織構表面并碰擊其棱邊時，所產生的作用力能起到主動控制界面摩擦噪聲的作用，且能抑制某些特定頻率處尖叫噪聲的產生。因此，開發(fā)具有良好制動性、低熱傳導性、好恢復性、較小磨損性、低噪聲和環(huán)保的制動摩擦材料是降低或抑制制動噪聲的有效措施。

一些文獻更多的是在實際中從增加系統(tǒng)阻尼的角度探討抑制摩擦噪聲問題。文獻[47]研究了在制動器底板上黏貼阻尼層的減振降噪方法，該方法能夠在一定程度上抑制制動器的不穩(wěn)定模態(tài)，降低制動噪聲。Fritz等采用有限元模型研究了阻尼對制動尖嘯噪聲耦合模態(tài)的影響規(guī)律[48]，詳細分析了阻尼的轉移效應和平滑作用。文獻[49]在盤式制動器的制動塊底板上粘貼一層阻尼層，研究了粘彈性材料的阻尼特性對制動器振動與噪聲的影響，阻尼層同樣起到了減振降噪的作用。增加阻尼抑制噪聲主要針對的是頻率在5 kHz以上的高頻噪聲問題，由于阻尼建模和阻尼系數確定的復雜性，目前還沒有人從理論角度對增加阻尼的方法做出具體的分析。如何針對不同情況確定阻尼大小、位置以及在結構中如何實現仍需進一步的研究。

近期有學者從主動控制的方面研究制動摩擦噪聲的抑制問題，雖然振動與噪聲的主動控制在其它領域不乏研究，但是應用于制動器的研究尚不多見。文獻[50]將電子抑噪技術應用于四活塞對置式鉗盤制動器摩擦噪聲的控制中。在內制動塊與活塞之間安裝傳感器，傳感器測得的信號經控制單元控制外制動塊與活塞間的執(zhí)行器，產生消振作用。Chatterjee等討論了基于時滯位移差反饋的兩種主動減振器在控制摩擦自激振動方面的有效性[51]。通過選擇適當的控制增益和時滯，可以得到局部穩(wěn)定的靜態(tài)平衡，并在控制參數平面上劃出了系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域。賈尚帥等研究了剎車系統(tǒng)摩擦自激振動和控制問題[11]，應用基于微分幾何法和線性二次型最優(yōu)控制相結合的方法，設計了單輸入單輸出的非線性控制器，以便通過推遲兩自由度盤式剎車系統(tǒng)Hopf分岔的臨界速度，減少減速型剎車過程中的摩擦顫振，避免剎車嘯叫。Ataei等分析了用新型壓電疊堆脈沖阻尼器控制摩擦混沌運動的可行性[52]，通過適當調整諧阻尼參數，可以迅速有效地使系統(tǒng)遠離混沌運動。制動摩擦噪聲抑制的主動控制一般都是基于試驗研究的，其應用前景尚需未來的實踐來證實。

4 結語

從制動摩擦噪聲的產生與特征分析出發(fā)，介紹和評述了制動摩擦噪聲的產生機理及其控制措施的研究進展。

（1）自激振動、結構不穩(wěn)定、“熱點”理論三種機理都能夠解釋部分制動摩擦噪聲，但是均有一定的局限性。其實三種產生機理并不相互矛盾，建議綜合考慮摩擦過程中的各項因素，將三種機理結合起來研究制動摩擦噪聲的本質。

（2）制動摩擦噪聲與摩擦振動理論、制動器結構、工況條件以及摩擦學理論密切相關，可以從優(yōu)化結構參數、改善摩擦材料特性等方面抑制摩擦噪聲。

盡管制動摩擦噪聲的研究已經超過半個世紀，但仍然還有很多問題尚未解決。制動摩擦噪聲的研究要遵循摩擦系統(tǒng)的動力性、非線性、隨機性、混沌性和分形性等基本特性，兼顧動力學、摩擦學與傳熱學，研究制動摩擦噪聲的產生機理，從制動器結構優(yōu)化設計、改善摩擦副材料等方面消除或抑制制動摩擦噪聲。

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ResearchAdvances of Mechanisms and Control Methods of Friction-induced Braking Noise

ZHOU Qi-zheng1,WANG De-shi1,GAO Sheng-yao2,LIU Bao1
(1.Department of Weaponry Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.NavalAcademy ofArmament,Beijing 100161,China)

The friction-induced brake noise has a severe influence on the riding comfort and urban environment.Therefore,it is significant to study the mechanisms of friction-induced braking noise for preparing the control measures.In this paper,the research advances of the mechanisms and the corresponding control measures of friction-induced braking noise in recent three decades are reviewed.The mechanism theories of the friction induced braking noise can be classified into three classes:self-excited vibration,structure instability,and“hot spot”theory.The control measures are discussed in the aspects of structural design optimization,material performance modification etc.It is suggested that the further study on friction-induced braking noise should be carried out based on the inter-disciplines including tribology,dynamics and heat transfer.

vibration and wave;brake;friction;noise;mechanism;control measures

U463.5

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.001

1006-1355(2017)05-0001-05+218

2017-02-27

國家自然科學基金青年基金資助項目（11602300）；國家自然科學基金資助項目（11372350）

周奇鄭（1985－），男，河南省鄧州市人，助理研究員，主要研究方向為振動與噪聲控制、非線性動力學。

E-mail:zqizheng@126.com