激光淬火對制動盤摩擦振動噪聲影響的實驗研究*

王書文，趙德玉，嚴晟凱，張 歡

(上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

前言

摩擦引起的振動噪聲廣泛存在于人們的日常生活和工農業(yè)生產實踐中。為消去或減小制動摩擦振動噪聲，國內外的學者和工程師們做了大量的研究工作，并取得了一些成果。目前抑制制動摩擦振動噪聲的方法主要概括為以下4 種:(1)優(yōu)化制動系統(tǒng)結構；(2)增加制動系統(tǒng)阻尼；(3)改變摩擦材料配方和加工工藝；(4)摩擦副界面改性。研究發(fā)現，制動摩擦振動噪聲的產生與摩擦界面的形貌和特性密不可分[1－4]。近年來，很多學者開始利用各種表面處理方法對制動摩擦界面進行改性，研究制動盤/片的表面處理對制動摩擦振動噪聲的影響規(guī)律。Bergman 等[5]利用表面噴丸處理方法對制動盤摩擦表面進行表面處理，使摩擦表面產生系列凹點，然后通過分析觀察制動盤經過制動摩擦實驗后的摩擦表面形貌，以及與制動摩擦噪聲和振動的對應關系。研究表明，制動盤經噴丸處理后其摩擦表面產生的凹點能明顯降低制動盤摩擦表面的摩擦因數，并且使摩擦因數更加穩(wěn)定，從而有效降低制動摩擦振動噪聲。

隨著表面處理技術的發(fā)展，激光表面改性技術是近年來興起的一項新的表面處理技術[6]。Wang等[7]對制動盤振動噪聲的研究表明，激光加工凹槽表面的圓盤具有比未加工凹槽表面更好的表面硬度和殘余應力，制動性能在制動盤厚度變化、摩擦磨損、噪聲和減振等方面均有明顯改善，制動噪聲和振動的降低主要是由摩擦因數降低、阻尼比增大和激光表面開槽改善制動盤厚度變化引起的。

激光淬火技術是比較成熟的提高材料表面硬度、抗磨損、提高材料使用壽命的有效方法，但將激光淬火技術用于改變材料的減振降噪性能的研究卻寥寥無幾。楊久霞等[8]針對鋸片在工作過程中，鋸片表面極易出現裂紋導致鋸片崩齒且易出現振動噪聲的問題，提出采用激光表面淬火技術對鋸片表面進行改性處理。經過鋸片金相組織分析、有限元模擬計算及選擇合理的激光淬火工藝參數對鋸片表面進行激光表面淬火處理。結果發(fā)現，經過合理激光淬火工藝處理后的鋸片其耐磨性能和抗沖擊能力明顯得到提高，并且鋸片激光淬火后其表面殘余應力也發(fā)生了變化，未激光淬火前鋸片表面殘余應力表現為拉應力，激光淬火后其表面殘余應力表現為壓應力，鋸片表面殘余應力的改變對鋸片工作過程中的振動起到了很好的抑制作用，從而減少了鋸片在工作過程中產生的振動和噪聲。

本文中利用激光表面淬火技術對4 個鑄鐵制動盤的摩擦表面進行激光改性處理，測試比較了激光淬火和原盤(非淬火制動盤)表面的殘余應力和模態(tài)阻尼，利用LINK3900 摩擦制動臺架對4 個激光淬火制動盤和1 個原盤進行摩擦制動臺架試驗，比較其制動摩擦振動和噪聲的大小，并探討了制動盤表面激光淬火的減振降噪機理。

1 制動盤表面激光淬火處理

影響激光表面淬火效果的主要工藝參數是激光淬火功率、光斑面積和掃描速度。因為它們會影響工件激光淬火層的組織結構、硬度、淬火深度及其它性能。本文中激光淬火的加工對象為灰鑄鐵制動盤，其主要尺寸參數為:外徑253 mm，內徑158 mm，厚度20 mm。激光淬火加工方案為:掃描速度和光斑尺寸固定，通過改變激光功率，研究不同激光功率對制動盤表面性能和振動噪聲的影響。其中，激光功率從大到小依次為 1＃、4＃、2＃、3＃盤，而 5＃盤為原盤(未進行激光淬火盤)。

摩擦表面加工有多條環(huán)狀激光掃描帶，掃描帶呈圓環(huán)狀，沿制動盤摩擦表面的徑向方向由外向內依次分布。圖1 為制動盤激光淬火設計示意圖，而圖2 為經過激光淬火后的制動盤表面實物圖。

圖1 制動盤表面激光淬火設計示意圖

圖2 激光淬火制動盤實物圖

2 激光淬火對制動盤性能的影響

2.1 激光淬火對制動盤表面殘余應力的影響

本文中殘余應力的測試方法為X 射線衍射法，測試儀器為TEC 4000 型X 射線衍射儀。在對制動盤表面進行殘余應力測試時，在制動盤的3 個激光淬火帶和2 個搭接帶上選取5 個測試點，取該5 個測點的算術平均值作為該制動盤表面激光淬火后的殘余應力值。在測量時，分別測量每個測點的徑向和切向兩個方向的殘余應力值，測試結果如圖3所示。

由圖3 可以看出，各制動盤經激光淬火后其表面的殘余應力均是壓應力，而原盤的表面殘余應力為拉應力。殘余壓應力可減少工件在工作過程中應力集中的出現，進而提高工件的抗疲勞能力并提高工件的使用壽命，而殘余拉應力則將導致工件在工作過程中裂紋產生及擴展[9]。因此鑄鐵制動盤經過激光淬火后產生的殘余壓應力可減少盤面裂紋的產生，從而改善制動盤的抗熱疲勞性，提高摩擦界面的穩(wěn)定性，達到減振降噪的目的。

圖3 制動盤殘余應力測試均值

2.2 激光淬火對制動盤模態(tài)阻尼的影響

制動盤模態(tài)阻尼系數是制動振動和噪聲產生的重要影響因素。本文中對激光淬火制動盤和原盤進行模態(tài)測試。采用北京東方噪聲和振動研究所開發(fā)的數據采集和信號處理(DASP)軟件，對激光淬火前后的制動盤進行模態(tài)測試。本文中采用單激勵法進行錘擊實驗，單激勵法即對制動盤激勵時一次只激勵1 個測試點，每個測試點連續(xù)錘擊3 次取平均值[10]。表 1 所示為 1?！?＃盤前 10 階模態(tài)阻尼系數的測試結果。因為激光淬火對制動盤的模態(tài)頻率影響不大，所以這里沒有列出。由表1 可以看出，制動盤經過激光淬火后，其同階模態(tài)的阻尼系數明顯增加，且隨著激光淬火功率的增大，激光淬火制動盤的各階模態(tài)阻尼系數也隨之增加，其中1＃盤模態(tài)阻尼系數增加最明顯，3＃盤阻尼系數增加最少。

表1 制動盤模態(tài)阻尼系數測試值 %

激光淬火制動盤阻尼系數增大的原因是:制動盤激光淬火后其內部組織發(fā)生了變化，由粗大的奧氏體轉為細密的馬氏體，這可使鑄鐵制動盤內部保持良好的韌性，從而可有效地提高鑄鐵制動盤的阻尼性能，因而制動盤激光淬火后其模態(tài)阻尼系數增加明顯。

3 激光淬火對制動盤摩擦振動噪聲的影響

3.1 摩擦制動臺架與實驗方法

利用LINK3900 臺架對制動盤進行摩擦制動臺架實驗，該實驗臺架可以測量制動系統(tǒng)的制動性能，并記錄下實驗時的各種制動參數；采用ISO 26867:2009《道路車輛 制動襯片摩擦材料 汽車制動系統(tǒng)的摩擦行為評定》。聲壓傳感器的安裝位置依據SAE J2521 標準置于距制動盤外表面軸承中心正前方 10 cm，高 50 cm 處，如圖 4 所示。利用 DASP 軟件，通過放置在卡鉗上的三向加速度傳感器采集卡鉗的振動信號，其中X方向沿著制動盤切向，Y方向垂直于制動盤的盤面，Z方向垂直于地面向上，加速度傳感器的安裝位置如圖5 所示。

3.2 制動壓力對制動噪聲的影響

在150 ℃的溫度下，保持恒定的制動初速度(v＝20 km/h)，研究不同制動壓力(0.5，1.0，2.0 MPa)對噪聲的影響，噪聲分布如圖6 ～圖8 所示。由圖6～圖8 可以看出，在不同制動壓力工況下，與5＃制動盤(原盤)相比，1＃～4＃激光淬火制動盤的噪聲等級明顯下降，產生噪聲的主要頻率為2 100、 4 150、7 700 和 13 500 Hz，與制動盤模態(tài)實驗的第 2、4、5 和10 階固有頻率相吻合，且制動壓力越大制動盤越容易產生噪聲。在同一壓力制動工況下，1＃激光淬火制動盤噪聲等級降低最明顯，2?！?＃盤在不同壓力制動工況下，噪聲等級表現存在差異，但整體噪聲水平低于未加工制動盤。

圖4 聲壓傳感器安裝位置

圖5 三向加速度傳感器安裝位置

圖6 0.5 MPa 壓力下的制動噪聲

圖7 1.0 MPa 壓力下的制動噪聲

圖8 2.0 MPa 壓力下的制動噪聲

圖9 初始溫度100 ℃下的制動噪聲

3.3 初始溫度對制動噪聲的影響

在制動壓力為2.8 MPa 下，保持恒定制動初速度(v＝100 km/h)，研究不同制動初始溫度(100，150，250 ℃)對噪聲的影響，噪聲分布如圖 9 ～圖11 所示。由圖 9 ～圖 11 可知，在不同制動初始溫度下，與 5＃制動盤(原盤)相比，1?！?＃激光淬火制動盤的噪聲等級也明顯下降，產生噪聲的主要頻率是 2 100、4 900、7 700 和 13 500 Hz，與制動盤模態(tài)實驗的第2、4、5 和 10 階固有頻率相吻合，且制動初始溫度越高制動盤越容易產生噪聲。同一制動速度工況下，1＃激光淬火制動盤噪聲等級降低較為明顯，2?！?＃盤在不同制動溫度工況下，噪聲等級表現存在差異，但整體噪聲水平低于未加工制動盤。

圖10 初始溫度150 ℃下的制動噪聲

圖11 初始溫度250 ℃下的制動噪聲

4 激光淬火對制動卡鉗振動的影響

4.1 制動壓力對卡鉗振動的影響

在150 ℃溫度下，保持恒定制動初速度(20 km/h)，研究不同制動壓力(0.5，1.0，2.0 MPa)工況下，不同激光淬火方案對制動盤卡鉗振動信號的影響。其中制動壓力為0.5 MPa 的制動卡鉗振動信號如圖12 所示，其它兩個制動壓力工況下的制動卡鉗振動信號的均方根值(RMS)在表2 中列出。

圖12 0.5MPa 壓力下的制動卡鉗振動信號

表2 部分實驗工況下的制動卡鉗振動加速度均方根(RMS)值 m/s2

通過對比分析可知，激光表面淬火制動盤的摩擦振動信號有了明顯的降低。在上述3 種壓力工況下，1＃盤的減振效果最優(yōu)，摩擦振動均方根值分別降低到原盤的44.5%、20.8%和37.4%。同時，在相同制動壓力工況下，1＃和4＃制動盤較2＃和3＃制動盤的摩擦振動信號降低的明顯。隨著制動壓力增加，制動盤卡鉗的振動增強。

4.2 制動溫度對卡鉗振動的影響

在制動壓力為2.8 MPa，保持恒定的制動初速度(100 km/h)，研究不同制動溫度(100，150，250 ℃)，不同激光淬火方案對制動卡鉗振動的影響，圖13 所示為制動卡鉗在制動溫度150 ℃工況下的振動加速度。由表2 可知，在上述工況下4＃盤的減振效果最優(yōu)，振動加速度RMS 值分別減小到5＃盤的33.4%、35.1%和64.0%。除了制動溫度250 ℃這個工況外，與制動壓力對卡鉗振動的影響相似，1＃和4＃制動盤的減振效果優(yōu)于2＃ 和3＃制動盤。整體來看，隨著制動溫度的升高，制動卡鉗的振動加速度隨之增大。

圖13 初始溫度150 ℃下的制動卡鉗振動信號

5 激光淬火對制動摩擦因數的影響

摩擦因數與制動摩擦噪聲和振動密切相關，并且制動摩擦因數過高或過低都會直接影響著制動系統(tǒng)的制動性能[11]。本文中利用LINK3900 摩擦制動臺架，測試了4 個激光淬火制動盤和1 個原盤(未淬火制動盤)的摩擦振動和噪聲性能，同時也測出了5個制動盤在各種實驗工況下的摩擦因數變化規(guī)律，對研究不同激光淬火方案對制動摩擦振動噪聲的影響機理具有重要意義。

5.1 壓力對制動摩擦因數的影響

在150 ℃制動溫度，保持恒定的制動速度(80 km/h)，研究不同制動壓力工況下，不同激光淬火方案對鑄鐵制動盤摩擦因數變化的影響規(guī)律。圖14 所示為不同制動壓力下，制動盤摩擦因數隨制動壓力的變化情況。從圖14 可以看出，1?！?＃制動盤的制動摩擦因數均隨制動壓力的增大呈減小趨勢，這是由于制動壓力的增大，制動盤和摩擦片接觸面產生的摩擦熱會增大，又因制動時間短熱量來不及散發(fā)而使溫度升高導致摩擦因數降低。同時也可以看出，隨著激光淬火功率的增大，制動盤的摩擦因數逐漸減小，并且1＃和4＃制動盤摩擦因數的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于2＃和3＃盤。這是由于大的激光淬火功率使制動盤(1＃和4＃盤)的表面硬度增大，摩擦表面的磨損減小以及摩擦表面的形貌得到改善的原因。

圖14 制動壓力對制動摩擦因數的影響

5.2 溫度對制動摩擦因數的影響

在制動壓力為2.8 MPa，保持恒定的制動初速度(100 km/h)，在不同制動溫度工況下，研究不同激光淬火方案對鑄鐵制動盤摩擦因數的影響規(guī)律。圖15 所示為制動溫度對制動盤摩擦因數的影響。從圖15 可以看出，1?！?＃制動盤的制動摩擦因數隨著制動溫度的增大，摩擦因數逐漸減小。與5＃未進行激光淬火處理制動盤相比，1?！?＃激光淬火制動盤在整個制動溫度實驗范圍內，其摩擦因數比未淬火盤的摩擦因數都有減小，且穩(wěn)定性更好，尤其1＃盤的摩擦因數在整個實驗溫度范圍內最穩(wěn)定。

圖15 制動溫度對制動摩擦因數的影響

通過比較分析圖14 和圖15 可知，激光淬火使制動盤的摩擦因數有所降低，且其摩擦因數隨著激光淬火功率的增大而減小，在制動過程中制動摩擦因數更加穩(wěn)定，從而可以減小制動摩擦振動噪聲的產生。本實驗研究的結果也證明了摩擦因數的穩(wěn)定性確實跟摩擦振動和噪聲的產生密切相關，激光表面淬火使制動盤的摩擦因數更加穩(wěn)定是其減振降噪的主要原因之一。

6 結論

(1) 激光淬火使制動盤摩擦表面的殘余拉應力變?yōu)閴簯?，當激光掃描速度和光斑面積一定時，淬火表面殘余壓應力隨激光淬火功率的增大而增大。

(2) 激光淬火制動盤在一定程度上降低了制動摩擦噪聲，并且這種降噪效果在本實驗范圍內隨著激光掃描功率的增大而加強。

(3) 激光淬火制動盤顯著降低了制動卡鉗的振動幅值，并且在本實驗范圍內激光淬火功率越大，制動卡鉗的振動幅值越小。

(4) 激光淬火在一定程度上降低了制動盤和摩擦片的摩擦因數，且使摩擦因數更加穩(wěn)定，這是激光淬火使鑄鐵制動盤減振降噪的主要原因之一。