制動(dòng)盤(pán)特性對(duì)摩擦性能與蠕動(dòng)噪聲的影響

陳小剛，熊丹

泰明頓摩擦材料技術(shù)(上海)有限公司，上海 201807

0 引言

汽車(chē)制動(dòng)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(dòng)(creep groan)噪聲(<500 Hz)等[1-3]。

所謂蠕動(dòng)噪聲，是指在極低的車(chē)速和較低的制動(dòng)壓力下發(fā)生的一種低頻振動(dòng)噪聲。常見(jiàn)的工況為自動(dòng)擋車(chē)型的起步瞬間[3-4]，在車(chē)輛即將發(fā)生位移時(shí)，來(lái)自摩擦副的制動(dòng)力和車(chē)輛起步扭矩的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)作用，摩擦片與制動(dòng)盤(pán)的摩擦界面發(fā)生黏-滑運(yùn)動(dòng)。這種黏-滑振動(dòng)通過(guò)車(chē)輛懸架系統(tǒng)和車(chē)身船體到車(chē)內(nèi)，駕駛員同時(shí)感知到噪聲與車(chē)身的振動(dòng)，這種現(xiàn)象就被稱(chēng)為蠕動(dòng)噪聲[2，4]。

對(duì)于蠕動(dòng)噪聲的發(fā)生機(jī)制，一般認(rèn)為是由于摩擦副在滑移面上產(chǎn)生的黏-滑運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生明顯的振動(dòng)噪聲[4-10]。而這種黏-滑運(yùn)動(dòng)是由于摩擦副的動(dòng)摩擦因數(shù)(μk)和靜摩擦因數(shù)(μs)的差異(Δμ)過(guò)大導(dǎo)致的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在黏-滑機(jī)制研究、蠕動(dòng)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(dòng)顫振發(fā)生時(shí)的振動(dòng)和懸架變形特征，提出了“弓形效應(yīng)理論”并通過(guò)試驗(yàn)證明了弓形效應(yīng)對(duì)于起步蠕動(dòng)顫振具有一定的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)制動(dòng)力分配因數(shù)對(duì)于起步蠕動(dòng)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(dòng)速度下的摩擦因數(shù)波動(dòng)性能。研究結(jié)果表明，黏-滑振動(dòng)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(dòng)速度增大而降低。Fuadi等[15]設(shè)計(jì)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(jié)果表明，蠕動(dòng)噪聲在如下條件下可以被消除：①結(jié)構(gòu)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(shù)脂、硅酸鋯、摩擦粉、巖棉等原材料對(duì)動(dòng)靜摩擦因數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：硅酸鋯、鋼棉和酚醛樹(shù)脂會(huì)增大動(dòng)、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(dòng)、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(dòng)、靜摩擦因數(shù)差異的配方材料。

然而，過(guò)往研究往往集中在摩擦片材料方面，或者通過(guò)車(chē)身結(jié)構(gòu)方面，而對(duì)于摩擦副重要組件——制動(dòng)盤(pán)對(duì)蠕動(dòng)噪聲的研究很少有報(bào)道。本文采用不同表面特性的制動(dòng)盤(pán)匹配相同配方的摩擦片，對(duì)摩擦副的蠕動(dòng)噪聲、摩擦因數(shù)以及磨損性能等方面進(jìn)行了深入研究，探討了不同工況下的摩擦磨損機(jī)制，對(duì)摩擦副開(kāi)發(fā)提供了良好的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用的摩擦片是由成熟的NAO(無(wú)石棉有機(jī)型)摩擦材料配方生產(chǎn)而得。摩擦材料的主要組分見(jiàn)表1。摩擦片的生產(chǎn)過(guò)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(jī)加工、燒蝕等，摩擦片型號(hào)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(dòng)盤(pán)為某OEM車(chē)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(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)表面狀態(tài)的性能，對(duì)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行車(chē)削加工處理，得到同心圓型加工紋路，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)表面狀態(tài)及加工紋路示意如圖2所示。

圖1 磨削制動(dòng)盤(pán)表面狀態(tài)及加工紋路示意

圖2 車(chē)削制動(dòng)盤(pán)表面狀態(tài)及加工紋路示意

對(duì)蠕動(dòng)噪聲進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，測(cè)試程序?yàn)椋耗Σ粮卑惭b完成后，首先做0 km坡道蠕動(dòng)噪聲測(cè)試。然后在規(guī)定的城市路線上進(jìn)行日常駕駛、制動(dòng)，使摩擦副逐步磨合。為了保證兩組制動(dòng)盤(pán)測(cè)試結(jié)果的一致性，本測(cè)試嚴(yán)格規(guī)定了磨合過(guò)程中的行車(chē)路線，每天行駛里程為100 km，每天制動(dòng)次數(shù)約80次。每次的制動(dòng)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(cè)試選擇在氣溫和大氣濕度都比較穩(wěn)定的秋季(10月)進(jìn)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(píng)價(jià)。連續(xù)進(jìn)行5 d不間斷測(cè)試，總計(jì)摩擦里程為500 km。冷態(tài)坡道起步噪聲評(píng)價(jià)方式為：掛D擋，緩慢松開(kāi)制動(dòng)踏板，于駕駛員頭枕位置，采集音頻分貝值，連續(xù)進(jìn)行10次測(cè)試后取其平均分貝值記錄。

對(duì)蠕動(dòng)噪聲的臺(tái)架模擬測(cè)試，測(cè)試程序?yàn)椋菏紫炔捎肧AE J2522 AK-Master (Issued 2014—6)的測(cè)試程序進(jìn)行磨合，磨合完成后進(jìn)行蠕動(dòng)噪聲測(cè)試。蠕動(dòng)噪聲測(cè)試原理為：控制驅(qū)動(dòng)扭矩為恒定值，緩慢降低制動(dòng)壓力，在制動(dòng)壓力降低到一定值后，摩擦開(kāi)始出現(xiàn)緩慢滑移，驅(qū)動(dòng)扭矩在控制扭矩值附近產(chǎn)生波動(dòng)，對(duì)扭矩波動(dòng)絕對(duì)值進(jìn)行求和，得到的數(shù)值越小，意味著起步過(guò)程產(chǎn)生的黏-滑運(yùn)動(dòng)幅度小，則蠕動(dòng)噪聲表現(xiàn)越好。

采用Link 3900臺(tái)架研究產(chǎn)品的摩擦磨損性能，摩擦因數(shù)評(píng)價(jià)運(yùn)行程序?yàn)镾AE J2522 AK-Master (Issued 2014—9)，磨損性能評(píng)價(jià)的運(yùn)行程序?yàn)镾AE J2707A，并采用LEICA125體式顯微鏡對(duì)摩擦副表面狀態(tài)進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠕動(dòng)噪聲整車(chē)測(cè)試

圖3是兩種制動(dòng)盤(pán)匹配相同的摩擦片在平地和20%坡道上的蠕動(dòng)噪聲。蠕動(dòng)噪聲結(jié)果顯示，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)的蠕動(dòng)噪聲總體上低于磨削制動(dòng)盤(pán)，但是無(wú)論是哪種制動(dòng)盤(pán)，在平地上的蠕動(dòng)噪聲均較20%坡道上好。

圖3 兩種制動(dòng)盤(pán)匹配相同的摩擦片在平地和20%坡道上的蠕動(dòng)噪聲

圖4為車(chē)輛在平地和坡道上的受力分析。當(dāng)車(chē)輛處于平地起步時(shí)，車(chē)輛前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)的初始輸出力F1，相應(yīng)的摩擦界面將形成與之相近的制動(dòng)力f≈F1。而當(dāng)車(chē)輛處于坡道上時(shí)，除了發(fā)動(dòng)機(jī)的初始輸出力F1，還有來(lái)自車(chē)身自重在坡道方向上的分量GX，相應(yīng)的摩擦界面將形成與之相近的制動(dòng)力f≈F1+GX。因此在坡道上起步時(shí)，摩擦界面的動(dòng)、靜切換產(chǎn)生的能量更大，導(dǎo)致蠕動(dòng)噪聲較大。

圖4 車(chē)輛在平地和坡道上的受力分析

對(duì)比兩種制動(dòng)盤(pán)的蠕動(dòng)噪聲可見(jiàn)，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)的結(jié)果明顯優(yōu)于磨削制動(dòng)盤(pán)。這是因?yàn)檐?chē)削盤(pán)的條紋與摩擦方向一致，有利于摩擦副快速進(jìn)入磨合狀態(tài)，因而產(chǎn)生的黏-滑振動(dòng)能量較小。

此外，隨著磨合里程數(shù)的增加，蠕動(dòng)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(lái)越好。因此黏滑振動(dòng)的幅度也隨著降低，以致蠕動(dòng)噪聲逐漸得到改善并保持穩(wěn)定。

2.2 蠕動(dòng)噪聲臺(tái)架測(cè)試

為了更加客觀反映蠕動(dòng)噪聲發(fā)生時(shí)的界面行為，在臺(tái)架進(jìn)行300次磨合制動(dòng)后測(cè)試模擬蠕動(dòng)噪聲得到扭矩波動(dòng)值總和如圖5所示。圖中結(jié)果顯示，模擬坡道測(cè)試記錄的扭矩波動(dòng)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(chē)削制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)值之和顯著低于磨削制動(dòng)盤(pán)，在平地模擬測(cè)試中，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)值總和比磨削制動(dòng)盤(pán)低17%；而在20%坡道模擬測(cè)試中，兩者差異達(dá)到了22%。以上結(jié)果意味著，使用車(chē)削制動(dòng)盤(pán)可以顯著降低起步過(guò)程中的制動(dòng)扭矩波動(dòng)，即摩擦副將具有更好的蠕動(dòng)噪聲性能，這一結(jié)果與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果具有良好的一致性。

圖5 臺(tái)架模擬蠕動(dòng)噪聲的扭矩波動(dòng)值總和

圖6和圖7分別為臺(tái)架模擬蠕動(dòng)噪聲測(cè)試后的制動(dòng)盤(pán)和摩擦片。車(chē)削制動(dòng)盤(pán)的外觀光滑平整，原始的車(chē)削紋路變小，產(chǎn)生了一些制動(dòng)摩擦紋路，總體比較平整光滑。而磨削制動(dòng)盤(pán)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(jìn)一步觀察摩擦片的顯微鏡照片，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)所用的摩擦片表面相對(duì)粗糙，摩擦膜并未形成整體。由此可見(jiàn)，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)的條紋與摩擦方向一致，有利于摩擦界面盡快進(jìn)入良好的貼合狀態(tài)，因此在蠕動(dòng)噪聲上產(chǎn)生了顯著的差異。

圖6 臺(tái)架模擬蠕動(dòng)噪聲測(cè)試后的制動(dòng)盤(pán)

圖7 臺(tái)架模擬蠕動(dòng)噪聲測(cè)試后的摩擦片

2.3 摩擦性能

圖8是兩種制動(dòng)盤(pán)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(jì)算方式，兩種狀態(tài)的制動(dòng)盤(pán)，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(gè)測(cè)試章節(jié)中，均有一致的變化趨勢(shì)。

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(chē)削制動(dòng)盤(pán)的初始摩擦因數(shù)，略低于磨削制動(dòng)盤(pán)的初始摩擦因數(shù)，兩者差異為負(fù)值。造成這個(gè)差異的原因是磨削盤(pán)表面雜亂的條紋，增大了制動(dòng)盤(pán)的粗糙度，與摩擦片表面容易形成較多的接觸點(diǎn)。而車(chē)削制動(dòng)盤(pán)表面紋路為同心圓形式，與制動(dòng)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，因此不利于摩擦片表面與制動(dòng)盤(pán)的咬合。但是，隨著制動(dòng)次數(shù)的不斷增加，制動(dòng)盤(pán)表面的加工紋路逐漸消失，被摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)劃痕所替代，因此當(dāng)程序進(jìn)入第4.4章節(jié)后，兩種制動(dòng)盤(pán)在的摩擦因數(shù)逐漸接近一致。

2.4 磨損性能

對(duì)不同種類(lèi)的制動(dòng)盤(pán)，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(dòng)盤(pán)對(duì)應(yīng)的摩擦片在第1至第3章節(jié)的磨損量，均高于用車(chē)削制動(dòng)盤(pán)的摩擦片，這與其前期摩擦因數(shù)較高的結(jié)果是一致的。

圖9 采用兩種制動(dòng)盤(pán)的磨損性能

微觀上看，制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)的摩擦界面微觀示意如圖10所示，車(chē)削制動(dòng)盤(pán)的紋路與摩擦方向一致，有利于摩擦片和制動(dòng)盤(pán)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(dòng)盤(pán)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(duì)摩擦片表面有較大的切削作用，因此其摩擦因數(shù)相對(duì)較高，但同時(shí)也加大了摩擦片的磨損。這種條件下，摩擦片表面的磨損機(jī)制為切削磨損，即摩擦片表面在硬度較大的制動(dòng)盤(pán)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(pán)表面垂直方向的紋路，使制動(dòng)盤(pán)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(duì)較大。隨著制動(dòng)次數(shù)的增加，摩擦界面都達(dá)到了較高的有效接觸面積，因此兩種制動(dòng)盤(pán)的摩擦因數(shù)差異和磨損差異都越來(lái)越小，直至基本一致。

圖10 兩種制動(dòng)盤(pán)的摩擦界面微觀示意

3 結(jié)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(dòng)盤(pán)性能?；诒狙芯康臄?shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)車(chē)輛蠕動(dòng)噪聲受車(chē)輛狀態(tài)影響較大，當(dāng)車(chē)輛處于坡道上，由于摩擦力需要平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的初始輸出力和車(chē)輛自身重力分量，因此車(chē)輛在坡道上會(huì)表現(xiàn)出更加惡劣的蠕動(dòng)噪聲性能。

(2)具有同心圓加工紋路的車(chē)削制動(dòng)盤(pán)，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(dòng)噪聲性能較好。

(3)具有發(fā)射狀態(tài)加工紋路的磨削制動(dòng)盤(pán)，由于加工條紋形成了垂直于摩擦方向的溝槽，這些溝槽對(duì)摩擦片形成了較大的切削作用，摩擦片的磨損機(jī)制主要為切削磨損，因此磨削盤(pán)的前期摩擦因數(shù)和磨損量相對(duì)較大。同時(shí)，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(duì)較差。

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

(5)基于本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在摩擦副開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際需求，選擇相應(yīng)表面特性的制動(dòng)盤(pán)。