李愛(ài)紅 李康 龍江虹 吳耀慶 許喜偉 楊永盛

（珠海格萊利摩擦材料股份有限公司，珠海 519110）

1 前言

汽車制動(dòng)器摩擦蠕動(dòng)噪聲是一種在極低車速和較低制動(dòng)壓力下，頻率通常＜1000 Hz 的低頻噪音，由制動(dòng)器摩擦振動(dòng)激發(fā)的非線性振動(dòng)噪聲問(wèn)題。近年來(lái)，隨著全球范圍內(nèi)自動(dòng)變速汽車的加速普及和城市交通擁堵情況日益加劇，制動(dòng)器蠕動(dòng)低頻噪音問(wèn)題日益突出，成為困擾業(yè)界的前沿技術(shù)難題。因此，制動(dòng)器的蠕動(dòng)低頻噪音控制水平成為汽車制動(dòng)器設(shè)計(jì)、摩擦材料開(kāi)發(fā)水平的重要標(biāo)志，備受業(yè)界重視。

摩擦蠕動(dòng)噪聲的發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，影響因素眾多，業(yè)界普遍認(rèn)為其根本原因是制動(dòng)盤摩擦塊間的粘滑自激振動(dòng)，可以通過(guò)空氣或者車輛底盤系統(tǒng)傳遞到車內(nèi)。通常情況下車內(nèi)蠕動(dòng)噪聲比車外蠕動(dòng)噪聲大，所以一般都是通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞到車內(nèi)。因此針對(duì)蠕動(dòng)評(píng)價(jià)方法也主要集中在測(cè)試其傳遞過(guò)程及傳遞之后的聲音/振動(dòng)表現(xiàn)情況來(lái)評(píng)估噪聲，如臺(tái)架評(píng)價(jià)、整車評(píng)價(jià)等方法；業(yè)界尚未建立制動(dòng)器蠕動(dòng)的試驗(yàn)規(guī)范或測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，不同研究者按照各自研究目的建立了不同的試驗(yàn)方法與相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)。綜合來(lái)看，目前研究雖然對(duì)蠕動(dòng)的發(fā)生工況和基本特征有了較為全面的認(rèn)識(shí)，但對(duì)其發(fā)生機(jī)理和關(guān)鍵影響因素仍缺乏深刻認(rèn)識(shí)，尚未建立切實(shí)有效的控制措施。其中的關(guān)鍵原因之一就是目前的試驗(yàn)分析與評(píng)價(jià)以主觀評(píng)價(jià)為主，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、重復(fù)性差，而且由于沒(méi)有建立主觀評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀測(cè)量指標(biāo)之間的映射關(guān)系，嚴(yán)重影響了關(guān)鍵因素的診斷和有效控制措施的開(kāi)發(fā)。BRECHT J[1]認(rèn)為粘滑現(xiàn)象與速度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是說(shuō)盤和片在極低轉(zhuǎn)速下的粘滑現(xiàn)象是產(chǎn)生蠕動(dòng)噪聲的主要因素。一些學(xué)者如CHAO G[2]、LEINE R I[3]、DENNY[4]、KANG J[5]、BEHRENDT J[6]等建立模型和理論來(lái)解釋粘滑現(xiàn)象，另外YOON S W[7]、VELDE F 和BAETS P D[8]、KIM S S[9]用試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了粘滑現(xiàn)象的影響。最近，NEIS P D[10-11]用磨損試驗(yàn)機(jī)模擬粘滑現(xiàn)象過(guò)程并與實(shí)車取得了好的相關(guān)性。

本研究旨在模擬極低轉(zhuǎn)速下盤和片之間的微振動(dòng)，并提取合適量化指標(biāo)；經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方法具有重復(fù)性，且提取的5 個(gè)量化指標(biāo)均與整車蠕動(dòng)噪聲評(píng)分有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

本文采用縮比試驗(yàn)臺(tái)，縮比試驗(yàn)臺(tái)是以相似制動(dòng)理論為基礎(chǔ)的試驗(yàn)方法，以1∶5 的比例將全尺寸的產(chǎn)品和流程按照比例縮小，采用與全尺寸試驗(yàn)相同的程序，模擬實(shí)際工況進(jìn)行測(cè)試；其試驗(yàn)結(jié)果與全尺寸試驗(yàn)有很好的一致性。圖1 為設(shè)備外觀，制動(dòng)鉗為定鉗，如圖2 所示，定鉗所用的制動(dòng)盤、樣件夾和樣件如圖3 所示。

圖1 設(shè)備外觀

圖2 定鉗和盤

圖3 縮比臺(tái)專用制動(dòng)器配件

為了模擬極低轉(zhuǎn)速，縮比試驗(yàn)臺(tái)加裝了第2 電機(jī)，轉(zhuǎn)速可低至0.2～0.01 r/min，使極低轉(zhuǎn)速成為可能。表1 為設(shè)備參數(shù)表。

表1 縮比試驗(yàn)參數(shù)表

2.2 整車介紹

整車為乘用車高爾夫-嘉旅車型，試驗(yàn)車參數(shù)如表2，外觀如圖4 所示。整車試驗(yàn)的樣件安裝在整車的2 個(gè)前輪上，后輪采用同一個(gè)樣件排除后輪干擾。

表2 整車參數(shù)

圖4 整車和坡道

整車試驗(yàn)分為3 個(gè)場(chǎng)景，平地、10%坡道和20%的坡道；環(huán)境因素有冷態(tài)、環(huán)境維持態(tài)、濕態(tài)、熱態(tài)，為了和縮比試驗(yàn)粘滑特征的環(huán)境維持態(tài)做對(duì)比，這里只選擇環(huán)境維持態(tài)整車評(píng)分來(lái)和縮比結(jié)果做對(duì)比。整車評(píng)價(jià)是由有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)對(duì)不同配方進(jìn)行蠕動(dòng)噪聲（Creep Groan）的整車評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)時(shí)，整車工程師不知道縮比粘滑試驗(yàn)的表現(xiàn)，用V3802 系統(tǒng)進(jìn)行采集不同工況下Groan 出現(xiàn)的壓力并記錄，采集系統(tǒng)面板如圖5。

圖5 V3802數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面板

2.3 樣件準(zhǔn)備

準(zhǔn)備4 個(gè)典型配方的樣件，配方本身差異明顯。4 組樣品分別取樣做縮比粘滑試驗(yàn)和裝車試驗(yàn)。配方如表3所示，分別為半金屬配方A、低金屬配方B、NAO配方C和NAO高摩擦系數(shù)配方D。

表3 4個(gè)樣件的配方組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.4 試驗(yàn)程序

縮比粘滑試驗(yàn)程序包括3 個(gè)部分，分別是基準(zhǔn)粘滑、環(huán)境維持粘滑和恢復(fù)粘滑特征，如表4 所示。粘滑試驗(yàn)開(kāi)始前，磨合200 次，保證摩擦片與制動(dòng)盤之間充分磨合，接觸良好。本文只對(duì)環(huán)境維持段的粘滑特征進(jìn)行分析，因?yàn)榄h(huán)境維持段的粘滑特征最為明顯，與整車環(huán)境維持相對(duì)應(yīng)。

表4 粘滑特征測(cè)試程序（采樣頻率250 Hz）

整車坡道蠕動(dòng)噪聲試驗(yàn)程序包含磨合、磨合后熱態(tài)、磨合后環(huán)境維持10 h（放置一夜），因只對(duì)比環(huán)境維持段的評(píng)價(jià)，所以表5 僅截取磨合和環(huán)境維持段試驗(yàn)程序。磨合程序?yàn)?00 km/h 減速至80 km/h，減速度為0.35g，磨合150 次。環(huán)境維持10 h，環(huán)境溫度為室溫，環(huán)境相對(duì)濕度在65%～90%。和縮比粘滑試驗(yàn)的試驗(yàn)條件形成對(duì)等，可直接進(jìn)行比較。

表5 整車坡道Creep Groan試驗(yàn)程序

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

2.5.1 粘滑曲線解讀

在縮比試驗(yàn)臺(tái)極低的轉(zhuǎn)速（0.05 mm/s 線速度，有效摩擦半徑處）下，模擬出一個(gè)個(gè)連續(xù)的鋸齒狀力矩曲線。圖6a 為軟件輸出的扭矩圖，圖6b 為圖6a 中3 個(gè)鋸齒的放大圖；此圖為配方C 在2 MPa 壓力條件下相對(duì)濕度85%環(huán)境維持10 h 后的試驗(yàn)曲線。在圖6b 放大圖中更能清晰的看到鋸齒狀，這種鋸齒狀的圖被稱為Stick-Slip（粘-滑）圖。在圖6b 中的粘著段，力矩爬上，制動(dòng)盤和制動(dòng)片之間相對(duì)靜止，力矩增大，能量積累；當(dāng)力矩達(dá)到最大值時(shí)，制動(dòng)盤和制動(dòng)片之間產(chǎn)生滑移，同時(shí)伴隨聲音和能量的釋放，這為滑動(dòng)段。在極低轉(zhuǎn)速下，可以清晰觀察到這種粘滑現(xiàn)象存在并伴隨“吱吱”的低頻噪音。

圖6 軟件試驗(yàn)扭矩（采樣頻率250 Hz）

2.5.2 粘滑曲線量化指標(biāo)

在粘滑試驗(yàn)中，很多研究者運(yùn)用粘滑機(jī)理都使用了靜摩擦系數(shù)μs和動(dòng)摩擦系數(shù)μd[7-9]和能量釋放速率[10-11]來(lái)評(píng)價(jià)粘滑現(xiàn)在和蠕動(dòng)噪聲。本文對(duì)連續(xù)的、均勻的3個(gè)鋸齒進(jìn)行分析計(jì)算，提取指標(biāo)有力矩差ΔT、粘滑功ΔE、動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值Δμ、摩擦系數(shù)率Δμ/μd和能量釋放速率SP，根據(jù)圖7 鋸齒示意圖進(jìn)行計(jì)算，圖中，ta為粘著時(shí)間；tb為滑動(dòng)時(shí)間。

圖7 鋸齒示意

動(dòng)靜力矩差計(jì)算見(jiàn)公式（1）。

式中，Ts為靜力矩；Td為動(dòng)力矩。

粘滑功是粘著段能量的積累，能量積累越大，蠕動(dòng)噪音的趨勢(shì)會(huì)越明顯。

粘滑功計(jì)算見(jiàn)公式（2）。

式中，n為采樣點(diǎn)數(shù)；Rf為有效摩擦半徑。

動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值被認(rèn)為是影響蠕動(dòng)噪聲產(chǎn)生的最主要因素，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值越大，其波動(dòng)或者振動(dòng)振幅越大，那么蠕動(dòng)噪音趨勢(shì)會(huì)越明顯。

動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值計(jì)算見(jiàn)公式（3）。

摩擦系數(shù)率ζ是動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值與動(dòng)摩擦系數(shù)的比值，見(jiàn)公式（4），排除了因摩擦系數(shù)本身帶來(lái)的高和低。

能量釋放速率SP是滑動(dòng)段動(dòng)靜力矩差值與釋放時(shí)間的比值，是單位時(shí)間力矩的釋放速率，見(jiàn)公式（5）。如果釋放速率大，蠕動(dòng)噪音的趨勢(shì)會(huì)明顯。

式中，250 為采樣頻率250 Hz。

目前本文用以上5 個(gè)參數(shù)去評(píng)價(jià)樣件的粘滑特征，試驗(yàn)結(jié)果在3.3 節(jié)進(jìn)行討論。

3 結(jié)果與討論

3.1 縮比粘滑試驗(yàn)結(jié)果

圖8 為縮比粘滑試驗(yàn)測(cè)試的4 個(gè)配方的曲線，從圖中可以明顯看出4 個(gè)材料是有較大差異的。將4 條曲線放在一張圖上進(jìn)行對(duì)比，如圖9 所示，明顯可以看到4 條曲線的鋸齒差異較大。圖中表明，半金屬配方（A 樣件）和低金屬配方（C 樣件）的鋸齒比較大，其次是高摩擦系數(shù)的NAO（D 樣件），鋸齒最小的是NAO 材料（B 樣件）。

圖8 不同配方在相同條件下的粘滑曲線（采樣頻率250 Hz）

圖9 4條粘滑曲線對(duì)比（采樣頻率250 Hz）

從表6 中可以看出，配方A 和配方C 的粘著時(shí)間幾乎相同，分別為9.07 s 和9.23 s，動(dòng)靜力矩差也比較接近，分別為11.95 N·m 和12.35 N·m。

表6 粘滑試驗(yàn)量化結(jié)果

3.2 整車蠕動(dòng)噪聲試驗(yàn)結(jié)果與評(píng)價(jià)

表7 是整車評(píng)價(jià)的主觀評(píng)分，評(píng)價(jià)分別在平地、10%的坡道和15%的坡道上進(jìn)行；每個(gè)條件下分前進(jìn)和后退評(píng)價(jià)；表7 中最后一列平均值為所有工況的平均值，所有評(píng)分為整車在磨合后停放一個(gè)晚上（10 h），第二天早上的評(píng)分，測(cè)試環(huán)境條件與縮比試驗(yàn)的高濕環(huán)境維持10 h 保持一致。

表7 整車坡道蠕動(dòng)噪聲主觀評(píng)分 分

蠕動(dòng)噪聲對(duì)坡道非常敏感，在大坡道下，壓力增高，蠕動(dòng)噪聲大評(píng)分低；不同配方對(duì)蠕動(dòng)噪聲影響較大，高鐵纖維含量的配方蠕動(dòng)噪聲大、評(píng)分低。

3.3 粘滑試驗(yàn)和整車蠕動(dòng)噪聲試驗(yàn)相關(guān)性

由于整車評(píng)分涉及到系統(tǒng)因素，影響因素復(fù)雜，無(wú)法與粘滑試驗(yàn)結(jié)果簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)；因此本文采用將4 個(gè)代表材料的粘滑試驗(yàn)結(jié)果的排序與整車評(píng)分的排序做對(duì)比，并做相關(guān)性對(duì)比。如表8所示，整車評(píng)分與粘滑試驗(yàn)量化指標(biāo)排序呈強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

從表8 中可以看出，整車蠕動(dòng)噪聲評(píng)分由低到高分別為A、C、D、B，粘滑試驗(yàn)按動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值由大到小順序排列為C、A、D、B，整車蠕動(dòng)噪聲評(píng)分與粘滑試驗(yàn)各參數(shù)排序的相關(guān)性為強(qiáng)負(fù)相關(guān)，相關(guān)關(guān)系由小到大排序分別為動(dòng)靜力矩差值ΔT、動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值Δμ、粘滑功ΔE、摩擦系數(shù)率ζ、能量釋放速率SP，相關(guān)系數(shù)分別為-0.9979，-0.9911，-0.9849，-0.9764和-0.9759。粘滑試驗(yàn)的5 個(gè)參數(shù)均與整車蠕動(dòng)噪聲評(píng)分呈強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)關(guān)系，難以分辨哪個(gè)參數(shù)評(píng)價(jià)更優(yōu)，需要更多試驗(yàn)篩選甄別。

表8 整車評(píng)分與粘滑試驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)性

4 結(jié)論

本方案的成功實(shí)施，記錄并量化了摩擦副在極低轉(zhuǎn)速條件下的粘滑特性，并且方法能與整車蠕動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)有強(qiáng)烈相關(guān)關(guān)系，該方法可應(yīng)用于配方開(kāi)發(fā)階段，作為配方預(yù)選，加速配方開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

a.縮比試驗(yàn)臺(tái)用第2 電機(jī)模擬極低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可達(dá)到0.02 r/min，線速度低至0.045 mm/s，這為捕捉襯片粘滑過(guò)程提供了必備條件；

b.縮比試驗(yàn)臺(tái)成功捕捉并記錄粘滑過(guò)程，通過(guò)分析，提取5 個(gè)量化指標(biāo)，分別為動(dòng)靜力矩差ΔT、動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值Δμ、粘滑功ΔE、摩擦系數(shù)率ζ和能量釋放速率SP；

c.4 個(gè)典型配方的試驗(yàn)結(jié)果表明：粘滑試驗(yàn)提取的5 個(gè)量化指標(biāo)和整車蠕動(dòng)噪聲主觀評(píng)分有強(qiáng)烈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)關(guān)系由小到大排序分別為動(dòng)靜力矩差值ΔT、動(dòng)靜摩擦系數(shù)差值Δμ、粘滑功ΔE、摩擦系數(shù)率ζ、能量釋放速率SP，相關(guān)系數(shù)分別為-0.9979，-0.9911，-0.9849，-0.9764和-0.9759；

d.整車蠕動(dòng)噪聲是個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，但從摩擦材料方面來(lái)講，蠕動(dòng)噪聲受材料組成和環(huán)境影響很大。本文的主旨在于建立一個(gè)評(píng)價(jià)摩擦粘滑特征的方法，并能與整車結(jié)果有相關(guān)性。結(jié)果表明該方法與整車蠕動(dòng)噪聲評(píng)價(jià)有相關(guān)性，可應(yīng)用于配方開(kāi)發(fā)階段，作為配方預(yù)選，加速配方開(kāi)發(fā)進(jìn)度。