制動(dòng)工況下圓盤/摩擦襯塊接觸面間動(dòng)態(tài)壓力中心的測量（二）

John D.Fieldhouse Naveed Ashraf Chris Talbot

3.4 初步結(jié)果討論

圖30示作為制動(dòng)壓力的壓力中心跡線（或運(yùn)動(dòng)）是變動(dòng)的，用垂直軸表示偏距，在這種情況，活塞偏移尾端為＋5mm。甚至用該尾端（正）活塞偏移可以看到Cop趨向于活塞前端和大多數(shù)前端摩擦襯塊中心。此外必須注意，低的制動(dòng)壓力導(dǎo)致大的前端Cop和大的不穩(wěn)定。該壓力難以傳到活塞中心尾端一側(cè)。一般經(jīng)驗(yàn)一車輛噪聲最普遍的是制動(dòng)壓力降低，在壓力作用期間，Cop在－11.1mm到＋6.3mm之間移動(dòng)，如圖30所示。該試驗(yàn)程序采用一組假定μ2＝0.3和已知摩擦襯塊摩擦力為0.45繪制的不穩(wěn)定線圖，如圖31所示，附加的包含摩擦襯塊摩擦力0.35和0.45的包絡(luò)線表明對(duì)摩擦力大小變化的敏感性。通常停留在‘揳緊’不穩(wěn)定‘區(qū)’結(jié)果制動(dòng)器發(fā)生噪聲。對(duì)于（μ；μ2）＝（0.45；0.3）揳緊不穩(wěn)定區(qū)，給出δ在－13.3mm和＋6.2mm之間。測出的切向壓力質(zhì)心似乎使系統(tǒng)停留于揳緊區(qū)（基于靜態(tài)模式）。

圖29 制動(dòng)時(shí)典型的壓力分布注明較高的在前端邊的外緣，一般中心在尾端邊注明壓力中心和合力的跡線（見彩色在線型式）Fig.29 Typical pressure distribution during braking.Note the higher pressure being at the outer edge of the leading side and geuerally central on the trailing side.Note track of centre of pressure and resultant force（see online version for colours）

圖30 不同制動(dòng)壓力下制動(dòng)時(shí)壓力中心線圖Fig.30 Plots of centre of pressure during braking under veriable braking pressure

4 壓力中心測量：控制可變制動(dòng)

雖然靜態(tài)壓力分布可以計(jì)算和測量（壓力感傳膜），但在動(dòng)態(tài)制動(dòng)情況，只有很少涉及有關(guān)計(jì)算和測量位置的資料。初期采用Bosch制動(dòng)系統(tǒng)研究，表明在制動(dòng)器使用期間，Cop移動(dòng)明顯，但該研究并未擴(kuò)展到在制動(dòng)器使用期間研究它怎樣移動(dòng)。以前唯一的方法是采用層狀薄膜用來連接一對(duì)立排列12個(gè)活塞卡鉗如圖32所示。通常所有活塞彼此相互聯(lián)接，每對(duì)前端和尾端用真空鑄造聯(lián)接。兩中心活塞不彼此聯(lián)接，而是如圖示用橫向鉆孔與前端和尾端聯(lián)接。提供各活塞的個(gè)別調(diào)整阻塞橫向鉆孔，圖33內(nèi)用交義線‘X’表示。采用這樣安排可改變一對(duì)前端（量表1），外中心活塞（量表2），內(nèi)中心活塞（量表3）和一對(duì)尾端（量表4），它們?nèi)开?dú)立具有它們自已的氣缸。

圖31 對(duì)于不同的摩擦襯塊支座摩擦力（μ2）表示包絡(luò)線變化不穩(wěn)定線圖Fig.31 Instability diagram indicating variation in envelops for different pad abutment friction levels（μ2）

圖32 12個(gè)活塞對(duì)立卡鉗布置總圖Fig.32 General views of 12piston opposed calliper

圖34試驗(yàn)臺(tái)架，由圖可見卡鉗活塞與主氣缸串聯(lián)，壓力量表如圖35所示。

4.2 結(jié)果

4.2.1 均勻但變化的壓力

在變速情況下進(jìn)行試驗(yàn)，壓力沿摩擦襯塊長度改變（均勻）。分別對(duì)于摩擦襯塊內(nèi)裝和外裝Cop縱向變化圖如圖36和37所示。在所有情況，Cop都由摩擦襯塊中心開始測量，采用前端方向?yàn)檎?，在各個(gè)階段（1－7）壓力列于表3。

圖33 活塞的布置和壓力調(diào)整狀況Fig.33 Arrangement of piston（s）and position of pressure adjustment

分別對(duì)于內(nèi)裝和外裝摩擦襯塊徑向Cop位置的變化如圖38和39所示。在所有情況下摩擦襯塊的中心是參考點(diǎn)（零），趨向摩擦襯塊/圓盤外緣測量值為正，徑向趨向內(nèi)心測量值為負(fù)。圖40示典型的力分布圖，壓力圖類似的。

如果平均在圖38內(nèi)各階段的結(jié)果，那么可以繪制一組速度曲線如圖41所示，這些曲線取值按y＝ax3＋bx2＋cx＋d形式，其中a，b，c，d是常數(shù)，x是桿內(nèi)壓力，諸常數(shù)值列于表4。

圖34 12對(duì)活塞對(duì)立型卡鉗（6個(gè)外裝和6個(gè)內(nèi)裝）普通試驗(yàn)臺(tái)架控制壓力圖Fig.34 General test rig arrangement to control the pressure map of a 12piston opposed type caliper（six out board and six inboaxd）

圖35 調(diào)整全部壓力中心的壓力調(diào)整器和測量儀（彩色在線型式）Fig.35 Pressure adjusters and gauges to adjust the overall center of pressure（see online version for colours）

表3 加于各階段的均勻壓力，速度為常數(shù)為10轉(zhuǎn)/分Table3 Uniform pressure setting for each stage.Speed is constant at 10rev/min

圖36 縱向壓力中心隨壓力變化（內(nèi)裝摩擦襯塊）移動(dòng)（見彩色在線型式）Fig.36 Movement of longitudinal centre of pressure with varying pressure （inboard pad）（see online version for colours）

圖37 縱向壓力中心隨壓力變化（外裝摩擦襯塊）移動(dòng)（見彩色在線架式）Fig.37 Movement of longitudinal centre of pressure with varying pressure（out board pad）（see online version for colours）

圖38 徑向壓力中心隨壓力（內(nèi)裝摩擦襯塊）移動(dòng)（見彩色在線型式）Fig.38 Movement of radial centre of pressure with pressure（inboard pad）（see ontine for colour）

如果平均4曲線值并繪成單一曲線，結(jié)果如圖42所示。該曲線是再次用上式的三次方形式為

圖39 徑向壓力中心（外裝摩擦襯塊）移動(dòng)（見彩色在線模式）Fig.39 Movement of radial centre of pressure（out board pad）（see online version for coloar）

圖40 對(duì)于外裝（LHS）和內(nèi)裝（RHS）摩擦襯塊力分布讀數(shù)的典型影像，用陰影方塊表示壓力中心（見彩色在線型式）Fig.40 Typical display of a force distribution map reading for both outboard（LHS）and inboard（RHS）pad.centre of pressure is indicated by shaded diamond（see online version for colour）

表4 圖39示4速度曲線采用的常數(shù)Table4 Constants for the four speed curves shown in Figure39

偏移＝－12.4265x3＋60.8625x2－96.3752x＋57.862

如果制動(dòng)壓力是已知的，那么Cop現(xiàn)在可以預(yù)測。

表4內(nèi)常數(shù)值可以描繪，并由此可包含速度對(duì)Cop有一個(gè)小的影響。該速度的影響如圖43所示。由此可見，速度影響有限，反之隨壓力增大，對(duì)到Cop有移動(dòng)到尾端的傾向更加穩(wěn)定的情況。

圖41 如圖14所示壓力的平均值曲線（見彩色在線型式）Fig.41 Averaged values of pressure curves as presented in Figure14（see online version for Colour）

圖42 圖19表示結(jié)果的平均速度曲線，該曲線取三次方公式的形式并繪制對(duì)立的平均曲線（見彩色在線型式）Fig.42 Average speed curve for the results presented in Figure19.The curve takes the form of a cubic equation and is plotted against the average curve（see onlin eversion for colour）

4.2.2 可變壓力沿著并橫過摩擦襯塊

本試驗(yàn)許可壓力沿摩擦襯塊長度變化，同時(shí)還可沿徑向變化。用均勻壓力建立試驗(yàn)程序，任意改變前端或尾端偏移得出全部結(jié)果。所有試驗(yàn)記錄于一固定速度10r/m?？v向結(jié)果：活塞安排（裝配）如圖33所示，一般的設(shè)定列于表5，極高的噪聲產(chǎn)生于階段3一考慮產(chǎn)生前端中心壓力。在可變壓力下Cop位置控制如圖44所示，記錄的極高噪聲產(chǎn)生于階段3一具有15mm前端偏移。

徑向結(jié)果：一般壓力設(shè)定列于表6，采用的徑向偏移示于圖45?？梢钥吹綐O高的噪聲經(jīng)驗(yàn)發(fā)生于階段3，4和7。在階段3和4情況，Cop考慮導(dǎo)致趨向零或負(fù)的徑向偏移，徑向趨向圓盤中心。在階段7情況偏移不出現(xiàn)，但是造成的噪聲可用度仍很明顯。當(dāng)一般Cop限定為2mm正偏移（徑向向外）時(shí)是最靜音的安排。隨著Cop進(jìn)一步徑向向外移動(dòng)，噪聲再開始重新產(chǎn)生。這個(gè)原因仍然尚不清楚，但可能和摩擦襯塊轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定有關(guān)?？傊梢员砻魍庋b摩擦襯塊對(duì)壓力變化敏感性較小。

圖43 縱向壓力中心隨速度和壓力（內(nèi)裝摩擦襯塊）變化，外裝摩擦襯塊展示相同的特性Fig.43 Variation of longitudinal centre of pressure with speed and pressure（inboard pad）.out board pad exhibits similar characteristics（see online version for coloar）

表5 壓力在各氣缸位置變化和對(duì)噪聲影響傾向的詳細(xì)資料Table5 Details of pressure variation at each cylinder position and the effect on noise propensity

對(duì)于兩摩擦襯塊的典型負(fù)荷圖如圖46所示，由此可見內(nèi)裝摩擦襯塊承受著比外裝摩擦襯塊大得多的負(fù)荷。這樣的監(jiān)測導(dǎo)致可能產(chǎn)生熱量和溫度梯度橫穿圓盤表面。

圖44 壓力中心沿摩擦襯塊變化變壓力沿著并徑向橫過摩擦襯塊，初始靜態(tài)然后在10r/m時(shí)測量見表5（見彩色在線型式）Fig.44 Center of pressure along pad with varying pressure along and a radially across pad.Initially static but then measurement taken at 10rpm see Table5 （see online version for colour）

表6 在各氣缸位置壓力變化一著重徑向變化（圖26）和對(duì)噪聲影響傾向的詳細(xì)資料Table6 Details of variation of pressure at each cylinder position and the effect on noise propensity－emphasis on radial variation（Figure26）

圖45 變壓力壓力中心并沿徑向橫過摩擦襯塊一著重對(duì)徑向壓力調(diào)整參見表6（見彩色在線型式）Fig.45 Radial centre of pressure acrosspad with varying pressure along and a radially－emphasis on radial pressure adjustment.Refer to Table6 （see online version for colour）

圖46 外裝和內(nèi)裝摩擦襯塊力圖，壓力1.0（1），1.0（2），4.0（3）MPa和0.3（4）MPa.極高噪聲，參見表3諧段3（見彩色在線型式）Fig.46 Force map of outboard and inboard pad.pressur 1.0（1），1.0（2），4.0（3）MPa and 0.3（4）MPa.Very loud noise.Refer to Table3 ，stag 3（see online version for colours）

5 討論和結(jié)果

原研究表明前端Cop傾向于有一個(gè)高發(fā)生噪聲的趨勢。這可以用由于在圓盤/摩擦襯塊接觸面上作用合力使其偏移發(fā)生揳緊造成的原因來說明。還說明了一個(gè)很大的前端偏移制動(dòng)器將安靜下來，而隨偏移接近零，制動(dòng)器將更加安靜（圖13和14）。推薦一臨界范圍，可能發(fā)生揳緊，制動(dòng)器發(fā)生噪聲。

結(jié)果清楚表明，隨輕微的制動(dòng)工作，在圓盤/摩擦襯塊接觸面產(chǎn)生前端偏移。但隨壓力增大，Cop將移向摩擦襯塊中心，并且同時(shí)徑向向內(nèi)移動(dòng)，典型如圖30，36和38所示。

Cop有一個(gè)很明確的運(yùn)動(dòng)，Cop通過臨界區(qū)，導(dǎo)致噪聲。一般如果壓力低（圖43），速度對(duì)Cop位置有一個(gè)小的影響。隨壓力增加移動(dòng)變小更明顯。

圖44（和參見表5）示很明顯隨壓力調(diào)整成前端Cop，那么具有間斷性噪聲。如果Cop在10－15 mm區(qū)間內(nèi)，那么將發(fā)生極高噪聲。該預(yù)測結(jié)果示于節(jié)4.2。如果Cop安排很接近零或尾端，那么制動(dòng)器靜音。值得注意的是外裝摩擦襯塊Cop低于內(nèi)裝摩擦襯塊。圖45示徑向移動(dòng)和它在階段6明顯，當(dāng)活塞3（內(nèi)徑向活塞）設(shè)置到零，Cop少量移動(dòng)到摩擦襯塊中心。這里給出了在壓力調(diào)整方面的置信度的程度和最終對(duì)Cop的影響。

結(jié)果的概括可一般示于圖47。隨一大的前端偏移（如圖13和14），制動(dòng)器是靜音的。隨Cop移動(dòng)趨向于摩擦襯塊的中心，噪聲出現(xiàn)，但它是間斷性噪聲。然后它通過臨界偏移區(qū)，它成為間斷性噪聲后再發(fā)極高噪聲，而后隨Cop達(dá)到摩擦襯塊中心再安靜下來。如此情況在結(jié)論可以看到并記載于前期的研究中（圖13和14）。

圖47 一般不穩(wěn)定區(qū)，間斷噪聲和穩(wěn)態(tài)區(qū)Fig.47 General areas of instability，intermittent noise and stable region

Cop的徑向位置也起一部分作用，當(dāng)Cop趨向于摩擦襯塊中心線（圖47）時(shí)，制動(dòng)器更有可能發(fā)生更大噪聲。

6 結(jié)論

摩擦襯塊振動(dòng)的研究表明，內(nèi)裝摩擦襯塊尾端支座可以是噪聲發(fā)生的判據(jù)——圖8和9，并可以作為系統(tǒng)的“觸發(fā)器”。它可能比較大的作用于支座表面，首先對(duì)較低頻率造成阻尼。制動(dòng)器支座布置的理論共面分析指出，這些力將傾向于促使一前端偏移，圓盤和摩擦襯塊之間的摩擦系數(shù)以及摩擦襯塊支座和卡鉗之間的摩擦系數(shù)將影響產(chǎn)生偏移的程度。它還表明卡鉗支架懸臂安裝平面位置是重要的，因?yàn)樗怯绊憮a角的緣故，它必需盡可能緊靠圓盤摩擦表面。該研究表明，摩擦襯塊支座和卡鉗安裝懸臂之間要求一低的摩擦系數(shù)和一低的摩擦材料系數(shù)促使其穩(wěn)定，顯然后者對(duì)于制動(dòng)汽車是不理想的。

本研究提供了一個(gè)理論的方法，并清楚表明，在圓盤/摩擦襯塊接觸面之間引發(fā)一前端Cop時(shí)，那么噪聲多半發(fā)生。它還證明了隨壓力增加，Cop傾向于向摩擦襯塊中心區(qū)移動(dòng)，導(dǎo)致穩(wěn)定狀態(tài)。由普通監(jiān)測證實(shí)，在常態(tài)制動(dòng)下，制動(dòng)壓力增加時(shí)，噪聲降低。

在輕微制動(dòng)下可以看到，隨著均勻壓力的設(shè)置，Cop將常趨向前端，因而噪聲有增大的傾向，不論實(shí)際上結(jié)果噪聲與摩擦系數(shù)或摩擦襯塊磨損或制動(dòng)器安裝幾何學(xué)其中哪一個(gè)有關(guān)。試驗(yàn)臺(tái)架和車輛上兩者試驗(yàn)證明，尾端Cop將傾向于穩(wěn)定和靜音制動(dòng)。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度大大影響了偏移不出現(xiàn)的程度。

前端Cop造成動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的結(jié)果，這是由于系統(tǒng)揳緊造成的。如果Cop向磨擦襯塊中心徑向移動(dòng)，還可監(jiān)測到更大噪聲如圖45所示。前端偏移10mm和15mm之間產(chǎn)生極高噪聲，這極接近節(jié)4.2預(yù)測的結(jié)果。

對(duì)于磨擦襯塊Cop理想位置應(yīng)該是尾端縱向中心和徑向從磨擦襯中心線向外，見圖47。識(shí)別到磨擦襯塊的磨損，可以考慮這樣安排，用調(diào)整活塞位置可達(dá)到防止其作用。

為適應(yīng)這種磨損結(jié)果，用‘手控’（‘handing’）卡鉗和設(shè)定卡鉗（或支架）的裝配點(diǎn)（螺栓）為一前端布置使可能產(chǎn)生一永久的尾端偏移。這樣產(chǎn)生的尾端永久偏移只對(duì)裝配幾何學(xué)而論，不管在圓盤/磨擦襯塊接觸面的Cop。該磨擦襯塊在安裝定位以后實(shí)質(zhì)上已被制動(dòng)?？梢越ㄗh尾端Cop可以解決前進(jìn)方向的噪聲問題，但在反向時(shí)還是個(gè)問題。為了回答反向制動(dòng)這個(gè)問題，已經(jīng)觀察到如果采取過度前端偏移（圖13和14），可以達(dá)到再次靜音制動(dòng)?？梢匝芯窟@樣可能的情況和安排卡鉗/支架的定位點(diǎn)，建立這樣一個(gè)合適的前端偏移。這種安排是正進(jìn)行研究的重點(diǎn)，磨擦襯塊/卡鉗支座接觸的幾何學(xué)也在研究之列。（劉青譯自Int.J.Vehicle Design，Vol.51，Nos.1/2，2009）

感謝

作者感謝Bosch制動(dòng)器機(jī)構(gòu)的Thierry pasquet，pujol Franck和Rejdych Gabriel，新技術(shù)開發(fā)的Drancy。感謝Bosch制動(dòng)器機(jī)構(gòu)允許作者透露和發(fā)表這份材料和提供的初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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