陳小剛，熊丹

泰明頓摩擦材料技術(上海)有限公司，上海 201807

0 引言

汽車制動噪聲，根據(jù)其噪聲頻率范圍和頻率分布的集中程度大致可以分為：低頻/高頻尖叫(1～3 kHz/4～16 kHz)，呻吟(moan)噪聲(<1 kHz)，蠕動(creep groan)噪聲(<500 Hz)等[1-3]。

所謂蠕動噪聲，是指在極低的車速和較低的制動壓力下發(fā)生的一種低頻振動噪聲。常見的工況為自動擋車型的起步瞬間[3-4]，在車輛即將發(fā)生位移時，來自摩擦副的制動力和車輛起步扭矩的驅(qū)動力同時作用，摩擦片與制動盤的摩擦界面發(fā)生黏-滑運動。這種黏-滑振動通過車輛懸架系統(tǒng)和車身船體到車內(nèi)，駕駛員同時感知到噪聲與車身的振動，這種現(xiàn)象就被稱為蠕動噪聲[2，4]。

對于蠕動噪聲的發(fā)生機制，一般認為是由于摩擦副在滑移面上產(chǎn)生的黏-滑運動，進而發(fā)生明顯的振動噪聲[4-10]。而這種黏-滑運動是由于摩擦副的動摩擦因數(shù)(μk)和靜摩擦因數(shù)(μs)的差異(Δμ)過大導致的。近年來，國內(nèi)外學者在黏-滑機制研究、蠕動噪聲等方面做了大量研究，取得了眾多成果[11-18]。

張立軍等[11]研究了蠕動顫振發(fā)生時的振動和懸架變形特征，提出了“弓形效應理論”并通過試驗證明了弓形效應對于起步蠕動顫振具有一定的影響，同時發(fā)現(xiàn)制動力分配因數(shù)對于起步蠕動顫振現(xiàn)象具有顯著的影響。Yoon等[14]研究了摩擦副在不同法向正壓力載荷及滑動速度下的摩擦因數(shù)波動性能。研究結果表明，黏-滑振動幅度隨著摩擦副受到的法向載荷增大而增大，而隨著摩擦副滑動速度增大而降低。Fuadi等[15]設計了一種卡鉗-滑板裝置，并研究了黏-滑現(xiàn)象的影響因素。研究結果表明，蠕動噪聲在如下條件下可以被消除：①結構剛度與摩擦副接觸剛度比大于40；②低頻黏-滑指數(shù)大于400。Jang等[16]研究了酚醛樹脂、硅酸鋯、摩擦粉、巖棉等原材料對動靜摩擦因數(shù)的影響。研究結果表明：硅酸鋯、鋼棉和酚醛樹脂會增大動、靜摩擦因數(shù)差異，而腰果殼油摩擦粉、芳綸纖維、巖棉等材料則可以降低動、靜摩擦因數(shù)差異。他們基于研究成果得出了最優(yōu)配方組合，獲得了最小動、靜摩擦因數(shù)差異的配方材料。

然而，過往研究往往集中在摩擦片材料方面，或者通過車身結構方面，而對于摩擦副重要組件——制動盤對蠕動噪聲的研究很少有報道。本文采用不同表面特性的制動盤匹配相同配方的摩擦片，對摩擦副的蠕動噪聲、摩擦因數(shù)以及磨損性能等方面進行了深入研究，探討了不同工況下的摩擦磨損機制，對摩擦副開發(fā)提供了良好的指導意義。

1 試驗設計

本文采用的摩擦片是由成熟的NAO(無石棉有機型)摩擦材料配方生產(chǎn)而得。摩擦材料的主要組分見表1。摩擦片的生產(chǎn)過程采用常規(guī)的摩擦片制程生產(chǎn)，其工序主要包括混料、壓制、固化、機加工、燒蝕等，摩擦片型號基于現(xiàn)有某中型SUV的量產(chǎn)產(chǎn)品。

表1 摩擦材料的主要組分

本研究采用的制動盤為某OEM車型的量產(chǎn)產(chǎn)品，其原始加工狀態(tài)為磨削方式，加工紋路為雜亂的發(fā)射狀，磨削制動盤表面狀態(tài)及加工紋路示意如圖1所示。為了研究不同制動盤表面狀態(tài)的性能，對制動盤進行車削加工處理，得到同心圓型加工紋路，車削制動盤表面狀態(tài)及加工紋路示意如圖2所示。

圖1 磨削制動盤表面狀態(tài)及加工紋路示意

圖2 車削制動盤表面狀態(tài)及加工紋路示意

對蠕動噪聲進行實車測試，測試程序為：摩擦副安裝完成后，首先做0 km坡道蠕動噪聲測試。然后在規(guī)定的城市路線上進行日常駕駛、制動，使摩擦副逐步磨合。為了保證兩組制動盤測試結果的一致性，本測試嚴格規(guī)定了磨合過程中的行車路線，每天行駛里程為100 km，每天制動次數(shù)約80次。每次的制動工況為：初速度約為60 km/h，約0.2 m/s2的減速度，末速度約為20 km/h。為了排除溫度及濕度等氣候因素，測試選擇在氣溫和大氣濕度都比較穩(wěn)定的秋季(10月)進行。

每天磨合完成后，于次日早晨分別在平地和20%坡道上做冷態(tài)起步噪聲評價。連續(xù)進行5 d不間斷測試，總計摩擦里程為500 km。冷態(tài)坡道起步噪聲評價方式為：掛D擋，緩慢松開制動踏板，于駕駛員頭枕位置，采集音頻分貝值，連續(xù)進行10次測試后取其平均分貝值記錄。

對蠕動噪聲的臺架模擬測試，測試程序為：首先采用SAE J2522 AK-Master (Issued 2014—6)的測試程序進行磨合，磨合完成后進行蠕動噪聲測試。蠕動噪聲測試原理為：控制驅(qū)動扭矩為恒定值，緩慢降低制動壓力，在制動壓力降低到一定值后，摩擦開始出現(xiàn)緩慢滑移，驅(qū)動扭矩在控制扭矩值附近產(chǎn)生波動，對扭矩波動絕對值進行求和，得到的數(shù)值越小，意味著起步過程產(chǎn)生的黏-滑運動幅度小，則蠕動噪聲表現(xiàn)越好。

采用Link 3900臺架研究產(chǎn)品的摩擦磨損性能，摩擦因數(shù)評價運行程序為SAE J2522 AK-Master (Issued 2014—9)，磨損性能評價的運行程序為SAE J2707A，并采用LEICA125體式顯微鏡對摩擦副表面狀態(tài)進行研究。

2 結果與討論

2.1 蠕動噪聲整車測試

圖3是兩種制動盤匹配相同的摩擦片在平地和20%坡道上的蠕動噪聲。蠕動噪聲結果顯示，車削制動盤的蠕動噪聲總體上低于磨削制動盤，但是無論是哪種制動盤，在平地上的蠕動噪聲均較20%坡道上好。

圖3 兩種制動盤匹配相同的摩擦片在平地和20%坡道上的蠕動噪聲

圖4為車輛在平地和坡道上的受力分析。當車輛處于平地起步時，車輛前進的驅(qū)動力來自于發(fā)動機的初始輸出力F1，相應的摩擦界面將形成與之相近的制動力f≈F1。而當車輛處于坡道上時，除了發(fā)動機的初始輸出力F1，還有來自車身自重在坡道方向上的分量GX，相應的摩擦界面將形成與之相近的制動力f≈F1+GX。因此在坡道上起步時，摩擦界面的動、靜切換產(chǎn)生的能量更大，導致蠕動噪聲較大。

圖4 車輛在平地和坡道上的受力分析

對比兩種制動盤的蠕動噪聲可見，車削制動盤的結果明顯優(yōu)于磨削制動盤。這是因為車削盤的條紋與摩擦方向一致，有利于摩擦副快速進入磨合狀態(tài)，因而產(chǎn)生的黏-滑振動能量較小。

此外，隨著磨合里程數(shù)的增加，蠕動噪聲逐漸降低并保持平穩(wěn)，且兩者差異也逐漸減小。主要原因是：隨著不斷的摩擦，摩擦副的有效接觸面積逐漸增大，摩擦界面的貼合性越來越好。因此黏滑振動的幅度也隨著降低，以致蠕動噪聲逐漸得到改善并保持穩(wěn)定。

2.2 蠕動噪聲臺架測試

為了更加客觀反映蠕動噪聲發(fā)生時的界面行為，在臺架進行300次磨合制動后測試模擬蠕動噪聲得到扭矩波動值總和如圖5所示。圖中結果顯示，模擬坡道測試記錄的扭矩波動值的總和為800～1 200 N·m，顯著大于模擬平地的300～400 N·m。而車削制動盤產(chǎn)生的扭矩波動值之和顯著低于磨削制動盤，在平地模擬測試中，車削制動盤產(chǎn)生的扭矩波動值總和比磨削制動盤低17%；而在20%坡道模擬測試中，兩者差異達到了22%。以上結果意味著，使用車削制動盤可以顯著降低起步過程中的制動扭矩波動，即摩擦副將具有更好的蠕動噪聲性能，這一結果與實車測試結果具有良好的一致性。

圖5 臺架模擬蠕動噪聲的扭矩波動值總和

圖6和圖7分別為臺架模擬蠕動噪聲測試后的制動盤和摩擦片。車削制動盤的外觀光滑平整，原始的車削紋路變小，產(chǎn)生了一些制動摩擦紋路，總體比較平整光滑。而磨削制動盤表面依然可以看到原始的發(fā)散狀的加工紋路，且出現(xiàn)了兩條暗色的同心圓。進一步觀察摩擦片的顯微鏡照片，車削制動盤所用的摩擦片表面形成了連續(xù)、光滑的摩擦面，而磨削制動盤所用的摩擦片表面相對粗糙，摩擦膜并未形成整體。由此可見，車削制動盤的條紋與摩擦方向一致，有利于摩擦界面盡快進入良好的貼合狀態(tài)，因此在蠕動噪聲上產(chǎn)生了顯著的差異。

圖6 臺架模擬蠕動噪聲測試后的制動盤

圖7 臺架模擬蠕動噪聲測試后的摩擦片

2.3 摩擦性能

圖8是兩種制動盤分別匹配相同的摩擦片得到的SAE J2522 AK-Master摩擦因數(shù)。由圖可以看出，該摩擦材料配方的摩擦因數(shù)整體比較穩(wěn)定，在不同的壓力、速度和溫度下，均體現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，平均摩擦因數(shù)為0.38～0.40。根據(jù)SAE J2522名義摩擦因數(shù)計算方式，兩種狀態(tài)的制動盤，在匹配相同的摩擦材料配方，兩者的名義摩擦因數(shù)分別為0.383和0.385，且在各個測試章節(jié)中，均有一致的變化趨勢。

圖8 SAE J2522 AK-Master摩擦因數(shù)

兩者的差異(圖8的柱狀圖)主要體現(xiàn)在第1至第4.5章節(jié)，采用車削制動盤的初始摩擦因數(shù)，略低于磨削制動盤的初始摩擦因數(shù)，兩者差異為負值。造成這個差異的原因是磨削盤表面雜亂的條紋，增大了制動盤的粗糙度，與摩擦片表面容易形成較多的接觸點。而車削制動盤表面紋路為同心圓形式，與制動盤的轉動方向一致，因此不利于摩擦片表面與制動盤的咬合。但是，隨著制動次數(shù)的不斷增加，制動盤表面的加工紋路逐漸消失，被摩擦產(chǎn)生的制動劃痕所替代，因此當程序進入第4.4章節(jié)后，兩種制動盤在的摩擦因數(shù)逐漸接近一致。

2.4 磨損性能

對不同種類的制動盤，采用SAE J2707A的程序研究了摩擦副的磨損性能，如圖9所示。由圖可以看到，磨削制動盤對應的摩擦片在第1至第3章節(jié)的磨損量，均高于用車削制動盤的摩擦片，這與其前期摩擦因數(shù)較高的結果是一致的。

圖9 采用兩種制動盤的磨損性能

微觀上看，制動盤表面的加工紋路是具有一定深度的溝槽，這些溝槽不斷與摩擦片摩擦、切割，從而產(chǎn)生摩擦因數(shù)和摩擦副的磨損。兩種制動盤的摩擦界面微觀示意如圖10所示，車削制動盤的紋路與摩擦方向一致，有利于摩擦片和制動盤的磨合，在摩擦界面上較快地形成穩(wěn)定連續(xù)的摩擦面。而磨削制動盤不僅有摩擦平行方向，還有垂直方向的溝槽，這些垂直方向的溝槽對摩擦片表面有較大的切削作用，因此其摩擦因數(shù)相對較高，但同時也加大了摩擦片的磨損。這種條件下，摩擦片表面的磨損機制為切削磨損，即摩擦片表面在硬度較大的制動盤表面的切削作用下產(chǎn)生摩擦犁溝，從而造成摩擦片表面的材料從基體上脫落。磨削盤表面垂直方向的紋路，使制動盤表面難以形成連續(xù)的摩擦面，從而使摩擦片的磨損量相對較大。隨著制動次數(shù)的增加，摩擦界面都達到了較高的有效接觸面積，因此兩種制動盤的摩擦因數(shù)差異和磨損差異都越來越小，直至基本一致。

圖10 兩種制動盤的摩擦界面微觀示意

3 結論

本文采用一種成熟的摩擦材料配方，研究了不同表面特性的制動盤性能。基于本研究的數(shù)據(jù)，得到以下結論：

(1)車輛蠕動噪聲受車輛狀態(tài)影響較大，當車輛處于坡道上，由于摩擦力需要平衡發(fā)動機的初始輸出力和車輛自身重力分量，因此車輛在坡道上會表現(xiàn)出更加惡劣的蠕動噪聲性能。

(2)具有同心圓加工紋路的車削制動盤，其加工紋路與摩擦方向一致，因而摩擦片表面較快地形成連續(xù)的摩擦面，因此其蠕動噪聲性能較好。

(3)具有發(fā)射狀態(tài)加工紋路的磨削制動盤，由于加工條紋形成了垂直于摩擦方向的溝槽，這些溝槽對摩擦片形成了較大的切削作用，摩擦片的磨損機制主要為切削磨損，因此磨削盤的前期摩擦因數(shù)和磨損量相對較大。同時，這些垂直方向的溝槽使摩擦片表面難以形成連續(xù)的摩擦膜，不利于摩擦因數(shù)穩(wěn)定，因此起步噪聲性能相對較差。

(4)隨著制動次數(shù)的增加，兩種制動盤在摩擦因數(shù)、磨損性能以及蠕動噪聲方面的差異均逐漸減小。

(5)基于本實驗結果，在摩擦副開發(fā)過程中，可以根據(jù)實際需求，選擇相應表面特性的制動盤。