劉銘倩， 王東偉， 李建熹， 朱章楊， 莫繼良

(西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

盤形制動(dòng)器對(duì)車輛的行駛安全性具有決定性作用，但是如果制動(dòng)器動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)不合理會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的制動(dòng)噪聲問題。制動(dòng)噪聲的存在嚴(yán)重影響車輛的乘坐舒適性和行駛安全性，同時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲污染。至上世紀(jì)三十年代以來(lái)，摩擦引起的振動(dòng)和噪聲一直是機(jī)械學(xué)科領(lǐng)域中具有較大學(xué)科深度和難度的前沿性科學(xué)問題[1]?？紤]到摩擦制動(dòng)噪聲源于摩擦界面的自激振動(dòng)[2-3]，許多學(xué)者通過研究制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)磨副的結(jié)構(gòu)及摩擦界面的摩擦磨損特性，對(duì)接觸界面的結(jié)構(gòu)形貌和摩擦振動(dòng)噪聲的關(guān)系進(jìn)行了深入的研究[4-5]。這些研究結(jié)果使得我們更加深入的了解摩擦振動(dòng)噪聲的一些特性，并對(duì)今后摩擦振動(dòng)噪聲方面的研究提供了重要的理論依據(jù)。

近年來(lái)，表面織構(gòu)憑借其優(yōu)異的摩擦學(xué)性能及幾何可重復(fù)性，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-7]。有部分學(xué)者通過對(duì)摩擦片表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，研究了織構(gòu)化界面和摩擦制動(dòng)噪聲的相互關(guān)系，并提出了一些降低摩擦噪聲的織構(gòu)化處理手段[8-9]。但是，關(guān)于制動(dòng)盤表面進(jìn)行織構(gòu)化處理與摩擦尖叫噪聲關(guān)系的研究則鮮見報(bào)道。Wang等[10]利用試驗(yàn)及有限元分析相結(jié)合的方法提出了在球-面接觸模式下制動(dòng)盤表面織構(gòu)化處理抑制摩擦尖叫噪聲的機(jī)理。Hammerstr?m等[11]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過噴砂處理的制動(dòng)盤能夠明顯的降低制動(dòng)尖叫噪聲，但是由于噴砂層會(huì)隨著制動(dòng)盤的磨損而逐漸消失，所以其降噪效果會(huì)逐漸減弱甚至消失。Lin等[12]利用有限元模擬分析的方法模擬19種制動(dòng)盤的修改方式(包括：制動(dòng)盤表面開槽及打孔、通風(fēng)肋形狀、厚度及角度的修改等)以探究更優(yōu)異的降噪方法，但是其研究只限定在有限元分析模擬階段，沒有進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證及降噪機(jī)理的探究。

綜上所述，通過對(duì)制動(dòng)盤表面進(jìn)行織構(gòu)化處理，并研究其與摩擦振動(dòng)噪聲之間的關(guān)系具有很好的創(chuàng)新性。本文在列車制動(dòng)盤材料銑削出不同角度分布的溝槽，以列車制動(dòng)片為對(duì)磨材料在銷-盤試驗(yàn)裝置上進(jìn)行摩擦磨損振動(dòng)噪聲試驗(yàn)，研究了帶溝槽的制動(dòng)盤表面對(duì)界面摩擦磨損及摩擦振動(dòng)噪聲的影響規(guī)律及機(jī)理，并為降低界面摩擦振動(dòng)噪聲提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 銷-盤式試驗(yàn)及測(cè)量裝置

本次研究所用的銷-盤式試驗(yàn)及測(cè)量裝置如圖1所示，該裝置主要由摩擦學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和信號(hào)采集分析系統(tǒng)組成。摩擦片試樣(上試樣)通過上夾具與CETR DHF-50二維應(yīng)變式力傳感器(測(cè)量精度為：0.025 N，測(cè)量范圍為5～500 N)連接，并由其采集摩擦力及載荷信號(hào)；安裝在上夾具上的瑞士 KISTLER 8688A50三維加速度傳感器(靈敏度為：100 mV/g，量程為：±50g，頻響為：0.5 Hz～5 kHz)和KISTLER 9712B500單向力傳感器(靈敏度為：2.23 mV/N，量程為：2 225 N，固有頻率為：70 kHz)分別采集三個(gè)方向上的振動(dòng)加速度信號(hào)及法向載荷波動(dòng)范圍信號(hào)；MTGMK250聲學(xué)傳感器固定在摩擦界面附近約40 mm處，其靈敏度為：50 mV/g，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為15～146 dB，頻響為：3.5 Hz～20 kHz，采集試驗(yàn)過程中的摩擦界面產(chǎn)生的噪聲信號(hào)。采用Müller-BBM 32通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MKII對(duì)試驗(yàn)過程的中的摩擦振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行同步采集分析，設(shè)置采樣頻率為12.8 kHz。

圖1 銷-盤式試驗(yàn)及測(cè)量裝置示意圖

1.2 材料及參數(shù)條件

本研究所用摩擦片試樣(上試樣)取自列車剎車片(復(fù)合材料，密度ρ=(1±0.5) g/cm3，硬度HRC 50～90，彈性模量E≤1.0×103MPa)，尺寸為7 mm×7 mm×15 mm。制動(dòng)盤試樣(下試樣)取自列車制動(dòng)盤(蠕墨鑄鐵材料，硬度HV0.03240,彈性模量E=158 GPa)，尺寸為Ф25 mm×3 mm。

用銑削加工的方式對(duì)制動(dòng)盤試樣進(jìn)行開溝槽處理，溝槽分別與盤試樣旋轉(zhuǎn)方向呈45°、90°、135°分布，如圖2所示。三種溝槽表面的詳細(xì)幾何參數(shù)如表1所示，其中T-α表示溝槽型制動(dòng)盤表面的溝槽分布為α°。試驗(yàn)前，對(duì)制動(dòng)盤試樣進(jìn)行研磨、拋光等處理保證其表面粗糙度Ra≈0.04 μm，并用酒精、丙酮對(duì)盤試樣進(jìn)行超聲清洗干燥。在正式試驗(yàn)開始前，對(duì)片試樣進(jìn)行30 min跑合，以保證其與盤試樣具有良好的面-面接觸狀態(tài)。

試驗(yàn)條件為大氣下干態(tài)(溫度T=24～27 ℃)，法向載荷Fn=100 N (約2.04 MPa)，制動(dòng)盤試樣轉(zhuǎn)速v=60 r/min (約0.079 m/s)，試驗(yàn)時(shí)間t=1800 s。試驗(yàn)前對(duì)本底噪聲進(jìn)行測(cè)試分析，得出其強(qiáng)度約為55 dB(A)主頻約為300 Hz。考慮到本研究關(guān)注的重點(diǎn)為頻率較高且強(qiáng)度較大(≥78 dB)[13]的界面摩擦振動(dòng)噪聲，因此本底噪聲不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，考慮到摩擦學(xué)試驗(yàn)具有一定的隨機(jī)性，為保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，每種參數(shù)下的試驗(yàn)均重復(fù)三次以上。在試驗(yàn)結(jié)束后，采用超景深三維顯微系統(tǒng)(基恩士，VHX-5000)觀察試樣表面的磨痕形貌及摩擦磨損特性。

圖2 溝槽型表面織構(gòu)示意圖

試樣角度α/(°)寬w/mm深h/mm長(zhǎng)l/mmT-4545±11±0.020.3±0.0211T-9090±11±0.020.3±0.0211T-135135±11±0.020.3±0.0211

2 結(jié)果與討論

2.1 不同角度分布的溝槽表面對(duì)摩擦振動(dòng)噪聲的影響

為研究光滑表面和三種不同角度分布的溝槽制動(dòng)盤表面在整個(gè)試驗(yàn)過程中的噪聲水平，以100 s為一個(gè)等效時(shí)間，對(duì)不同參數(shù)下的試驗(yàn)噪聲進(jìn)行連續(xù)等效聲壓級(jí)分析，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，光滑表面的等效聲壓級(jí)強(qiáng)度在試驗(yàn)過程中始終保持在95 dB左右，而溝槽制動(dòng)盤表面的噪聲強(qiáng)度較光滑表面均有明顯降低。其中T-90溝槽表面在試驗(yàn)的初始階段具有很好的降噪效果，但是其等效聲壓級(jí)在450 s以后明顯上升，說(shuō)明其降噪效果逐漸減弱。而T-135溝槽表面的聲壓級(jí)在1 300 s之后才出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)但始終保持在83 dB以下。T-45溝槽表面的降噪效果最為顯著，其等效聲壓級(jí)在整個(gè)試驗(yàn)過程中始終處于較低水平值，且沒有出現(xiàn)明顯劇烈的波動(dòng)。

為進(jìn)一步探究光滑表面和不同角度分布的溝槽制動(dòng)盤表面摩擦噪聲頻率及強(qiáng)度隨摩擦進(jìn)程的演變特性，對(duì)光滑表面和3種溝槽織構(gòu)表面的噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯龉饣砻婧?種溝槽制動(dòng)盤表面均產(chǎn)生了主頻為830 Hz左右的摩擦振動(dòng)噪聲信號(hào)，因此，溝槽表面的存在并不會(huì)影響界面摩擦噪聲的主頻。但其摩擦噪聲特性與光滑表面相比具有明顯的差異，光滑表面出現(xiàn)了除主頻外的多階諧波響應(yīng)，而溝槽表面不僅抑制了噪聲在主頻處的能量，

圖3 摩擦噪聲等效聲壓級(jí)隨時(shí)間變化

(a)光滑表面(b)T-45溝槽表面(c)T-135溝槽表面(d)T-90溝槽表面

圖4 摩擦噪聲信號(hào)時(shí)頻分析

Fig.4 Time-frequency analysis of the friction noise

而且抑制了其多階諧波響應(yīng)的產(chǎn)生。特別是T-45溝槽表面，其主頻處的能量始終低于光滑表面和其他兩種溝槽表面，且該界面完全抑制了多階諧波響應(yīng)的發(fā)生。

2.2 不同角度分布的溝槽織構(gòu)化處理對(duì)界面振動(dòng)及相關(guān)力信號(hào)的影響

為探究不同溝槽表面對(duì)界面振動(dòng)及相關(guān)力信號(hào)的影響，圖5列出了光滑表面和不同溝槽表面在穩(wěn)定階段一個(gè)周期 (1 700.0～1 701.0 s) 內(nèi)的動(dòng)態(tài)法向力、聲壓和振動(dòng)加速度的時(shí)域信號(hào)特征。對(duì)于光滑表面，其動(dòng)態(tài)法向力信號(hào)、聲壓信號(hào)和振動(dòng)加速度信號(hào)在整個(gè)周期內(nèi)均出現(xiàn)了較大幅度的高頻波動(dòng)，即摩擦系統(tǒng)在整個(gè)周期內(nèi)都發(fā)生了強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，并輻射出高強(qiáng)度的摩擦尖叫噪聲。相比于光滑表面，溝槽制動(dòng)盤表面時(shí)域信號(hào)的高頻成分顯著減少，波動(dòng)幅度也明顯降低。特別是T-45溝槽表面幾乎沒有高頻信號(hào)產(chǎn)生，由此可以進(jìn)一步證明，溝槽織構(gòu)化處理能夠很好的減少摩擦界面的自激振動(dòng)，抑制其高頻成分的產(chǎn)生，從而達(dá)到抑制界面摩擦尖叫噪聲的效果。

(a)動(dòng)態(tài)法向力(b)聲壓(c)法向振動(dòng)加速度(d)切向振動(dòng)加速度

圖5 一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)態(tài)法向力、聲壓、法向振動(dòng)加速度及切向振動(dòng)加速度時(shí)間歷程曲線

Fig.5 Time history records of fluctuation of normal force, sound pressure, vibration acceleration in normal direction and vibration acceleration in tangential direction

2.3 溝槽織構(gòu)對(duì)磨痕形貌的影響

試驗(yàn)結(jié)束后，使用三維顯微系統(tǒng)對(duì)光滑表面和降噪效果最好的T-45溝槽表面磨損形貌進(jìn)行分析，從圖6可以看出光滑表面存在明顯的磨屑堆積、黏著和撕裂特征，表面磨損比較嚴(yán)重，而T-45溝槽表面的磨屑主要集中在溝槽內(nèi)，且磨痕形貌主要以犁溝為主，磨損比較輕微。由于磨屑堆積、黏著和撕裂等特征是摩擦界面出現(xiàn)高頻自激振動(dòng)的一個(gè)重要原因，而織構(gòu)表面的溝槽發(fā)揮著收集和排出磨屑的作用，這在一定程度上抑制了摩擦界面的高頻自激振動(dòng)(如圖5(c)、(d)所示)，并最終抑制摩擦振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。此外，對(duì)比三種溝槽織構(gòu)表面的磨損狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，T-45溝槽表面和T-135溝槽表面磨損較為輕微(主要以較淺的犁溝為主)，而T-90磨損較為嚴(yán)重(局部磨屑堆積，較深的犁溝)。因此，溝槽制動(dòng)盤試樣表面不同的摩擦磨損特性是造成不同角度分布的溝槽降噪效果出現(xiàn)差異的原因之一。

(a) 光滑表面

(b) T-45溝槽表面

3 溝槽降噪機(jī)理探討

大量研究表明，當(dāng)制動(dòng)界面的接觸應(yīng)力集中在摩擦片前角(leading point)時(shí)，制動(dòng)尖叫噪聲產(chǎn)生的傾向明顯加強(qiáng)，而通過對(duì)接觸界面應(yīng)力進(jìn)行重新分布，改善前角(leading point)側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象，能明顯降低制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的尖叫噪聲傾向[14-15]。考慮到在本研究中，當(dāng)溝槽滑過摩擦片表面時(shí)，將會(huì)改變界面的接觸狀態(tài)，進(jìn)而影響界面接觸應(yīng)力的分布，因此本研究對(duì)接觸界面的應(yīng)力在滑動(dòng)過程中的變化進(jìn)行分析研究，以進(jìn)一步探究溝槽型織構(gòu)表面的降噪機(jī)理。

根據(jù)試驗(yàn)裝置建立摩擦系統(tǒng)三維模型(如圖7(a)所示)。該模型主要由法蘭盤，力傳感器，上夾具，摩擦片試樣，制動(dòng)盤試樣及下夾具組成。對(duì)三個(gè)部件分別賦予實(shí)際的材料參數(shù)，忽略摩擦過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)的影響。該模型采用C3D8R單元種類劃分網(wǎng)格，其模型有限元網(wǎng)格見圖7(b)。根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)置該摩擦模型的約束及邊界條件：約束法蘭盤頂部X方向與Z方向自由度，法向載荷沿Y方向作用于法蘭盤，速度邊界條件作用在制動(dòng)盤夾具繞Y軸旋轉(zhuǎn)的方向。

(a)摩擦系統(tǒng)三維模型(b)有限元網(wǎng)格

圖7 有限元模型

Fig.7 The finite element model

對(duì)制動(dòng)盤與摩擦片在滑動(dòng)一個(gè)周期內(nèi)的界面應(yīng)力信號(hào)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8(a)可以看出，當(dāng)摩擦片與光滑制動(dòng)盤發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸應(yīng)力主要集中在摩擦片的前角(leading point)，即摩擦片的前角處產(chǎn)生了持續(xù)的應(yīng)力集中，因此摩擦系統(tǒng)有足夠的能量產(chǎn)生持續(xù)的自激振動(dòng)，并可能對(duì)外輻射出高強(qiáng)的摩擦尖叫噪聲。相反的，當(dāng)摩擦片與T-45溝槽制動(dòng)盤表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，界面接觸應(yīng)力分布如圖8(b)所示?？梢钥闯?，當(dāng)其滑過制動(dòng)片試樣表面時(shí)，由于溝槽的存在，對(duì)集中分布在片試樣上的接觸應(yīng)力進(jìn)行打斷、分散及重新排布，摩擦界面無(wú)法產(chǎn)生持續(xù)的能量堆積，所以無(wú)法產(chǎn)生持續(xù)的自激振動(dòng)，因此起到了降低界面摩擦尖叫噪聲的效果。

(a) 光滑表面接觸狀態(tài)下摩擦片表面應(yīng)力分布

(b) T-45溝槽表面接觸狀態(tài)下摩擦片表面應(yīng)力分布

綜上，推測(cè)織構(gòu)降低摩擦尖叫噪聲的機(jī)理為：表面溝槽的存在能夠打斷和分散了摩擦片表面的接觸應(yīng)力分布，并改善接觸界面的磨損特性，因此阻礙了摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動(dòng)，抑制摩擦界面尖叫噪聲的發(fā)生。同時(shí)，考慮到不同角度分布的溝槽對(duì)接觸應(yīng)力打斷和分散程度不同，這也是造成本研究中不同角度分布的溝槽降噪效果出現(xiàn)差異的原因。

4 結(jié) 論

(1)本試驗(yàn)所選取的不同角度分布的表面織構(gòu)化處理試樣較光滑表面均具有明顯的降噪效果，其中45°角度的溝槽降噪效果最佳。

(2)溝槽織構(gòu)不僅能抑制噪聲在主頻處的能量而且能抑制其多階諧波響應(yīng)的發(fā)生；同時(shí)溝槽具有良好的集屑和排屑作用，改善了摩擦界面的摩擦磨損特性進(jìn)而抑制摩擦系統(tǒng)的高頻自激振動(dòng)，最終達(dá)到降低摩擦尖叫噪聲的效果。

(3)當(dāng)摩擦系統(tǒng)輻射出高強(qiáng)度的摩擦尖叫噪聲時(shí)，摩擦界面的接觸應(yīng)力主要集中在摩擦片的前角上，溝槽的存在可以打斷和分散接觸界面的應(yīng)力集中并對(duì)其進(jìn)行重新排布，從而抑制摩擦系統(tǒng)持續(xù)不穩(wěn)定振動(dòng)的發(fā)生，進(jìn)一步抑制摩擦尖叫噪聲的產(chǎn)生。

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