關(guān)于制動(dòng)器振動(dòng)與噪聲分析的材料設(shè)計(jì)與研究

蘇軼

吉林省舒蘭市起重機(jī)配件有限責(zé)任公司 132600

摘要：對(duì)鼓式制動(dòng)器振動(dòng)與噪聲的研究進(jìn)行了綜述。探討了通過(guò)改變摩擦材料和制動(dòng)器結(jié)構(gòu)來(lái)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(dòng)系統(tǒng)上的應(yīng)用，以及結(jié)合力學(xué)，汽車，自動(dòng)化多個(gè)學(xué)科對(duì)整個(gè)制動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行模擬彷真，建立專家系統(tǒng)。并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上綜合考慮對(duì)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與對(duì)形狀和拓?fù)鋬?yōu)化。

關(guān)鍵詞：鼓式制動(dòng)器；噪聲；摩擦材料；專家系統(tǒng)；功能梯度材料

1 制動(dòng)器振動(dòng)與噪聲的分類和性質(zhì)

制動(dòng)噪聲的頻率范圍非常廣，在不同的車型和不同的制動(dòng)情況下噪聲的頻率也不相同?？梢詮膸资掌澋缴先f(wàn)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(jué)劃分的。根據(jù)制動(dòng)器部件振動(dòng)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(dòng)器的各主要部件都以剛體形態(tài)參加振動(dòng)，在中高頻范圍則主要涉及部件彈性模態(tài)，是更為復(fù)雜的情況。按照人的感覺(jué)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(shuō)的制動(dòng)尖叫就屬于高頻噪聲，而制動(dòng)發(fā)啃屬于低頻噪聲。

2、制動(dòng)器振動(dòng)與噪聲的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

整個(gè)五十年代，人們都在認(rèn)為引起制動(dòng)尖叫的根本原因是摩擦材料本身的特性。當(dāng)時(shí)著名的stick-slip現(xiàn)象就是把制動(dòng)尖叫歸結(jié)為當(dāng)靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)或者摩擦系數(shù)隨相對(duì)滑動(dòng)速度的變化率rvf??<0時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)的自激振動(dòng)在1961年制動(dòng)尖叫的機(jī)理又有了重大發(fā)展，就是R.T.Spurr首次使用Sprag-slip現(xiàn)象來(lái)解釋制動(dòng)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(dāng)便會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)尖叫。1969年BARBER發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)緊壓的彈性體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)入摩擦付導(dǎo)致了材料熱彈性的變化，從而引起摩擦面接觸應(yīng)力分布的改變，這些變化對(duì)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(gè)過(guò)程稱為T(mén)EI（thermoelastic instability）。TEI思想的不斷發(fā)展，就 是當(dāng)今世界的熱門(mén)話題——HOT SPOT現(xiàn)象。

進(jìn)入七十年代后，制動(dòng)器尖叫依賴于振動(dòng)理論，有限元方法和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用的研究又有了新的發(fā)展，主要特點(diǎn)是從簡(jiǎn)化模型的研究逐步進(jìn)入對(duì)實(shí)際制動(dòng)器結(jié)構(gòu)的研究。

1980年Felske用純實(shí)驗(yàn)方法研究了鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)尖叫，通過(guò)激光全息技術(shù)觀察了尖叫時(shí)制動(dòng)器各部件的振型，發(fā)現(xiàn)底板在尖叫時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的振動(dòng)模態(tài)。因此，F(xiàn)elske改進(jìn)了底板結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論：增加底板剛度可以抑制尖叫，制動(dòng)鼓本身的模態(tài)對(duì)尖叫沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的影響。最后作者提出質(zhì)疑，對(duì)僅研究摩擦付特性能否解決實(shí)際的尖叫問(wèn)題表示懷疑。

進(jìn)入80年代，國(guó)內(nèi)也開(kāi)始大力展開(kāi)對(duì)制動(dòng)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(duì)鼓式制動(dòng)器的制動(dòng)尖叫和制動(dòng)發(fā)啃進(jìn)行了研究。

通過(guò)采用有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法分析了制動(dòng)尖叫對(duì)于接觸形態(tài)的敏感性以及阻尼對(duì)制動(dòng)尖叫的影響。陳小悅通過(guò)對(duì)制動(dòng)器自激振動(dòng)的研究提出了自激振動(dòng)發(fā)生與否取決于由制動(dòng)作用耦合的只動(dòng)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(dòng)器低頻振動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及譜分析，并建立了動(dòng)力學(xué)模型證明摩擦耦合激振力才是引起制動(dòng)尖叫的關(guān)鍵，彈性耦合激振力并不是主要因素。

1997年制動(dòng)鼓的徑向振動(dòng)導(dǎo)致噪聲，加入阻尼減振，增強(qiáng)制動(dòng)鼓剛度及減小制動(dòng)蹄剛度可達(dá)到降低噪聲的目的也被首次提出。敏度分析方法來(lái)確定影響噪聲發(fā)生的子結(jié)構(gòu)關(guān)鍵模態(tài)參數(shù)，推導(dǎo)了噪聲模態(tài)特征值實(shí)部關(guān)于子結(jié)構(gòu)特征值特征向量的靈敏度計(jì)算公式，并從能量潰入的角度推導(dǎo)了其關(guān)于子結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的靈敏度。

3 制動(dòng)器材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)噪聲的抑制作用

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

從五十年代至今，制動(dòng)器材料上的研究取得了飛速發(fā)展。摩擦材料也取得了質(zhì)的飛躍。在20世紀(jì)20-80年代，石棉有機(jī)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(dòng)器表面溫度可達(dá)300-500c。因?yàn)槭迣?dǎo)熱性和耐熱性能差 所以逐步被新材料取代。針對(duì)本文，這種摩擦材料也產(chǎn)生很刺耳的高頻噪聲，即我們常說(shuō)的制動(dòng)尖叫。

70年代初，美國(guó)本迪斯公司開(kāi)發(fā)了無(wú)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(dòng)噪音。但在低速行駛制動(dòng)的情況下，易產(chǎn)生低頻噪聲，即我們常說(shuō)的發(fā)啃。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)廠家也在批量生產(chǎn)鋼纖維。使用這種纖維的半金屬摩擦襯片在國(guó)產(chǎn)奧迪，桑塔納，夏利等多種車型中使用。

近20年來(lái)研究絕大部分集中在非石棉有機(jī)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(jiàn)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(wú)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(wèn)題。為此開(kāi)始用粉末冶金生產(chǎn)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(wèn)題。但它也有著很多的缺點(diǎn)，其中不可回避的問(wèn)題之一就是制動(dòng)噪聲大。

雖然半個(gè)多世紀(jì)來(lái)人們都在致力于解決制動(dòng)噪聲問(wèn)題。但僅僅通過(guò)改變摩擦材料都未能達(dá)到這一目的。

3.2 結(jié)構(gòu)的改變對(duì)噪聲的抑制作用

在人們?nèi)匀粺嶂杂谕ㄟ^(guò)改變摩擦材料的來(lái)抑制噪聲的時(shí)候，就有人開(kāi)始嘗試用改變制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)來(lái)抑制制動(dòng)噪聲的方法。在那之后國(guó)內(nèi)外均開(kāi)始了通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)來(lái)抑制制動(dòng)噪聲的研究，但迄今為止尚無(wú)令大家意見(jiàn)統(tǒng)一的定論。通常對(duì)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(shí)驗(yàn)，計(jì)算等多種方法都沒(méi)能解決這一問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的研究在開(kāi)始階段大多數(shù)都把噪聲產(chǎn)生的原因歸結(jié)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(dòng)器所有部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)制動(dòng)高頻噪聲均有重要影響，并通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的歸納表明：對(duì)制動(dòng)器起決定作用的是鼓子結(jié)構(gòu)和包含有底版、蹄、分泵及油路操作系統(tǒng)在內(nèi)的PSPO子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的參數(shù)匹配或極點(diǎn)配置。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性修改進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)的方法大概有兩個(gè)方向，一是基于尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其關(guān)鍵是特征值與特征向量對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的靈敏度。另一類是形狀和拓?fù)鋬?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(yīng)用。目前較重要的理論用Homogenizationhe Density Function、Continuum Formulati- ons Evolutionary Structural Optimiz- ation

4 關(guān)于功能梯度材料（FGM）在摩擦材料上應(yīng)用的探討

4.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在摩擦材料以及汽車的其它關(guān)鍵部件都得到了廣泛的應(yīng)用。但是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在具有眾多優(yōu)勢(shì)的時(shí)候，也有著顯著的缺點(diǎn)，既當(dāng)結(jié)構(gòu)承受較高水平的機(jī)械荷載和熱荷載作用時(shí)，在層間容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。功能梯度材料（1984年，日本科學(xué)家運(yùn)用陶瓷和金屬?gòu)?fù)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(méi)有突變，因而可較好的避免或降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。摩擦材料在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而使制動(dòng)器溫度在短時(shí)間內(nèi)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(jié)構(gòu)，使其已被發(fā)展用來(lái)做高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。