胡利鴻　莫繼良　王東偉　陽江舟　陳光雄　朱旻昊

西南交通大學，成都，610031

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溝槽和圓坑織構抑制摩擦尖叫噪聲研究

胡利鴻莫繼良王東偉陽江舟陳光雄朱旻昊

西南交通大學，成都，610031

在列車制動盤試樣表面加工出不同寬度的發(fā)散型溝槽織構和不同直徑與間距的發(fā)散型圓坑織構后，將其與光滑表面進行摩擦噪聲對比試驗，并利用數(shù)值分析方法進行模擬分析，研究織構表面對摩擦尖叫噪聲特性的影響及作用機理。結果表明，兩種織構表面均能降低摩擦系統(tǒng)高頻尖叫噪聲，且尺寸分布合理的溝槽織構能明顯地抑制噪聲的產(chǎn)生。利用數(shù)值分析方法能較好地揭示織構影響界面摩擦噪聲的機理，即對摩材料滑過織構表面并碰擊其棱邊時，所產(chǎn)生的作用力能起到主動控制界面摩擦噪聲的作用，且能抑制某些特定頻率的尖叫噪聲的產(chǎn)生。

表面織構；圓坑；溝槽；摩擦噪聲；摩擦磨損；主動控制

0　引言

摩擦尖叫噪聲是兩個物體在一定法向載荷作用下發(fā)生相互滑動并引起系統(tǒng)的自激振動而產(chǎn)生的，國際上通常將頻率介于(1～20)kHz的噪聲稱為高頻尖叫噪聲[1]，其特點是頻率高、強度大、影響因素眾多、發(fā)生機理不明、可重現(xiàn)性差等。摩擦尖叫噪聲的存在嚴重影響各種摩擦系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及精度，并導致嚴重的噪聲污染，因此，一直以來都是國內外科學界和工業(yè)界研究的熱點和難點。

近年來，大多數(shù)學者認為摩擦尖叫噪聲是由摩擦界面導致的自激振動引起的，因此，抑制摩擦尖叫噪聲的根本途徑是從摩擦界面入手[2-4]。如文獻[5-6]指出噴丸和噴砂處理后的表面具有降低摩擦尖叫噪聲的效果，但對于圖案化噴砂處理降噪機理未作深入揭示，且兩種表面處理方式均存在磨損壽命低、降噪作用壽命十分有限的問題。Magnier等[7]研究了摩擦接觸界面不均勻性對汽車制動噪聲的影響，結果表明接觸界面的不均勻分布對摩擦系統(tǒng)的模態(tài)耦合特性具有重要的影響，并影響摩擦噪聲的產(chǎn)生。Oberst等[8]采用復模態(tài)方法計算不穩(wěn)定復模態(tài)頻率以及聲輻射功率，對比分析了摩擦襯片上不同開槽方式對不穩(wěn)定模態(tài)以及噪聲特性的影響，但由于模型過于簡化，對實際工程的指導價值十分有限。張立軍等[9]用有限元方法對比分析了不同開槽方式對摩擦尖叫噪聲特性的影響，指出開槽方式不同會引起制動片結構變化和界面接觸壓力分布的變化，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)數(shù)量、頻率及不穩(wěn)定性的差異，使得不同制動片系統(tǒng)產(chǎn)生的制動尖叫噪聲不同。

總的來說，目前對于界面特征對摩擦尖叫噪聲的影響及其機理方面的研究報道較少，本課題組在前期研究中通過在盤試樣上加工一系列溝槽型織構來改變摩擦界面，研究了溝槽型織構表面對摩擦尖叫噪聲的影響，結果表明溝槽型織構能有效地抑制摩擦尖叫噪聲的產(chǎn)生[10]，但該研究織構化表面樣品單一且對于機理的探討尚且不足。為進一步探究不同織構化表面對摩擦尖叫噪聲的影響，本文在盤試樣上加工出與溝槽型織構表面相同分布的圓坑型織構，對兩種織構表面的降噪效果進行對比，并用主動控制的思想來解釋織構降低摩擦尖叫噪聲的機理，為抑制界面摩擦尖叫噪聲的表面設計及處理提供參考依據(jù)。

1　試驗過程

1.1試驗裝置簡介

在自行搭建的新型摩擦尖叫噪聲試驗機上進行摩擦尖叫噪聲試驗，見圖1。該摩擦噪聲試驗裝置主要由夾具系統(tǒng)、摩擦學試驗系統(tǒng)、信號采集及分析系統(tǒng)組成。制動片試樣通過夾具與應變式力傳感器連接，制動盤試樣通過夾具安裝在轉動裝置上。試驗采用銷-盤(面-面接觸)模式，采用電腦控制二維移動平臺，Z向移動調整接觸區(qū)域，Y向移動進行加載。應變式力傳感器實時監(jiān)測摩擦力和法向力的變化情況，其型號為CETR DFH-50，測量范圍為5～500 N，測量精度為0.025 N；三向加速度傳感器固定在制動片夾具的外表面上，采集X、Y、Z三個方向的振動加速度信號，其型號為KISTLER 8688A50，測量范圍為-50g～50g，采樣頻率范圍為(0.5～5)kHz，靈敏度為100 mV/g；聲學傳感器放置在距離摩擦接觸界面約40 cm的位置以采集摩擦噪聲聲壓信號，其型號為MTG MK250，測量范圍為15～146 dB，頻率范圍為(3.5～20) kHz，靈敏度為50 mV/Pa。摩擦振動和噪聲信號采用德國MUELLER-BBM 32通道振動噪聲測量分析系統(tǒng)進行采集及分析，由于本試驗所關注的頻率在0～5 kHz范圍內，故將采樣頻率設為12.8 kHz。

圖1　試驗裝置示意圖

1.2試樣制備和試驗參數(shù)

本試驗的盤試樣為列車制動盤上切割下來的蠕墨鑄鐵圓片，其硬度為2352HV0.03，彈性模量E為158 GPa，尺寸為φ25 mm×3 mm，盤試樣表面經(jīng)過研磨及拋光，表面粗糙度Ra約0.04 mm。在盤試樣表面銑削加工出3種具有不同槽寬的溝槽織構以及3種具有不同直徑的圓坑織構，其尺寸及分布見圖2，兩種類型織構的深度均為0.3 mm。

(a)溝槽型織構

(b)圓坑型織構P-2-1圖2　兩種表面織構尺寸示意圖

后文中T-α-w表示溝槽織構，溝槽間夾角α為30°，溝槽寬度為w(分別取0.5 mm、1 mm和2 mm) 。P-D-d表示圓坑織構，D為同一列織構中相鄰圓坑的間距，d為圓坑直徑(分別取0.5 mm、1 mm、2 mm),D=2d,每列圓坑間夾角為30°，且根據(jù)摩擦接觸面積大小將圓坑分布在φ7 mm和φ22 mm的圓之間，d分別為0.5 mm、1 mm、2 mm的織構每列圓坑分布數(shù)目分別為8、4和2。對摩材料為列車制動片上切割下來的復合材料，加工成尺寸為15 mm×10 mm×10 mm的方塊，其密度ρ=1±0.5 g/cm3，彈性模量E≤1 GPa，洛氏硬度為50～90HR。

試驗環(huán)境為大氣下干態(tài)(室溫保持約24～27 ℃，相對濕度為60%± 10%)。試驗設定法向載荷為100 N，盤試樣的旋轉速度為60 r/min，試驗時間為1800 s。試驗前對盤試樣用酒精和丙酮進行超聲清洗和干燥，并進行預跑合試驗以確保界面間良好的面-面接觸。試驗前對本底噪聲進行采集分析，得出其強度約56.4 dB，主頻約590 Hz，此頻率與試驗主要考察的高頻尖叫噪聲頻率(f>1 kHz)相差較大，可認為本底噪聲不影響試驗的結果及分析?？紤]到摩擦尖叫噪聲具有一定的隨機性，每組參數(shù)的試驗均重復3次以上，以確保試驗結果的重復性。

2　試驗結果與討論

2.1織構化表面對摩擦尖叫噪聲的影響

摩擦尖叫噪聲總是隨時間不斷起伏變化，對噪聲信號每100 s進行一次A計權等效聲壓級分析(本文將主頻高于1 kHz、強度大于78 dB的噪聲稱為尖叫噪聲)。圖3所示為不同織構表面與光滑表面的摩擦尖叫噪聲等效聲壓級隨時間的變化，可見兩種織構表面對界面摩擦尖叫噪聲強度及演變規(guī)律都產(chǎn)生了明顯的影響，兩種織構表面均較光滑表面的等效聲壓級有不同程度的降低。

(a)溝槽型織構

(b)圓坑型織構圖3　摩擦尖叫噪聲等效聲壓級隨時間的變化

溝槽織構表面等效聲壓級隨時間變化曲線見圖3a，溝槽織構的槽寬為0.5 mm時，T-30°-0.5織構表面較光滑表面噪聲強度有一定的下降，降低了約5 dB；當溝槽寬度增加到1 mm時，T-30°-1織構表面的噪聲強度明顯降低了約13 dB；當溝槽寬度進一步增大到2 mm時，T-30°-2織構表面的降噪效果相比T-30°-0.5有所減弱，即便如此，其噪聲強度仍比光滑表面的噪聲強度更低，可見在特定的尺寸范圍內，溝槽織構的降噪效果隨著溝槽寬度的增大而增強，但當溝槽寬度增大到一定值時其降噪效果反而明顯減弱，溝槽寬度為1 mm的織構表面降噪效果明顯。圓坑織構表面(圖3b)的三種尺寸同樣具有一定的降噪效果，降噪效果由好到差依次為P-4-2、P-1-0.5、P-2-1。

由此可見，本試驗條件下同形狀和尺寸的表面織構對摩擦噪聲的影響各不相同，織構表面的降噪效果與溝槽/圓坑尺寸和分布等參數(shù)變化有一定關系，某些特定參數(shù)的織構能明顯抑制噪聲的產(chǎn)生。

(a)光滑平面

(b)T-30°-1

(c)P-4-2圖4　三種接觸表面摩擦尖叫噪聲信號時頻分析

進一步考察摩擦尖叫噪聲能量分布及頻率隨時間的變化過程，在兩種織構表面中分別選擇具有明顯降噪效果的織構表面T-30°-1和P-4-2與光滑表面進行對比，結果如圖4所示?？梢钥吹焦饣砻嬖谠囼為_始階段就出現(xiàn)了1200 Hz、2400 Hz、3600 Hz、4800 Hz這4個明顯的主頻，且這些高頻成分一直持續(xù)到試驗結束。與光滑平面相比，T-30°-1的3個主頻能量都大大降低，并且2400 Hz和3600 Hz主頻出現(xiàn)的時間延后到500 s，4800 Hz主頻得到完全抑制。P-4-2在1200 Hz主頻的能量分布有明顯降低，且4800 Hz主頻也得到完全抑制。主頻處能量分布降低說明溝槽織構和圓坑織構均能有效地降低摩擦尖叫噪聲，在本試驗條件下，溝槽織構T-30°-1的降噪效果尤其是對于高頻尖叫噪聲的抑制效果要優(yōu)于圓坑織構P-4-2的降噪效果。

2.2織構化表面對界面摩擦力的影響

由前文可知，兩種不同類型的織構對摩擦尖叫噪聲的影響程度是不同的。為探究不同織構對界面摩擦尖叫噪聲的影響機理，即探究織構的存在如何改變接觸界面并最終影響摩擦尖叫噪聲特性，需對界面摩擦力信號進行分析。

1.光滑面　2.T-30°-0.5　3.T-30°-1　4.T-30°-2(a)光滑表面與溝槽織構

1.光滑面　2.P-1-0.5　3.P-2-1　4.P-4-2(b)光滑表面與圓坑織構圖5　摩擦力曲線

光滑表面與兩種織構表面在摩擦穩(wěn)定階段一個周期內的摩擦力信號見圖5。由圖5可見兩種織構表面的摩擦力整體均比光滑表面的摩擦力小。對比各種織構表面的摩擦力水平與其等效聲壓級結果，可以看出摩擦力大小與摩擦噪聲大小并沒有必然關聯(lián)。此外，在一個周期內兩種織構表面的摩擦力信號波形均出現(xiàn)12個明顯波峰，正好與對摩材料一個周期內滑過的12條溝槽和12列圓坑相對應，這表明當對摩材料每經(jīng)過一條溝槽或一列圓坑時，會與織構的邊緣棱邊發(fā)生碰擊從而使摩擦力產(chǎn)生波動，這可能是導致織構表面比光滑表面摩擦尖叫噪聲更低的一個原因。在此引入一個摩擦力波動系數(shù)M，一個周期內用每個波峰值減去相鄰波谷值，然后取12個數(shù)的平均值，可表示為

式中，fP為曲線波峰幅值；fV為曲線波谷幅值。

波動系數(shù)M可表征曲線的波動性，M值越大，曲線的波動越大。

計算出各曲線的波動系數(shù)M及對應周期內的等效聲壓級平均值，具體數(shù)值見表1。可見兩種織構表面條件下波動系數(shù)M值越大，對應的等效聲壓級則越小，即摩擦力波動越大，對應產(chǎn)生的摩擦噪聲更小。

表1　1700～1701 s周期內摩擦力波動系數(shù)和等效聲壓級

2.3織構化表面對摩擦磨損的影響

為了解織構的存在如何影響接觸面摩擦特性并最終影響界面摩擦振動噪聲特性，通過光學顯微鏡觀測磨痕形貌，結果如圖6所示，光滑表面和織構表面都存在明顯的犁溝以及剝落現(xiàn)象，但是光滑表面的這些損傷特征更為明顯，說明溝槽/圓坑織構的存在一定程度上改善了界面的磨損情況。

在織構表面溝槽/圓坑的棱邊處可以觀察到棱邊存在一定的碰撞沖擊磨損痕跡，但這些棱邊都保持較為完好，這是因為對摩材料耐磨性相對較低，損傷主要出現(xiàn)在摩擦片試樣表面。此外，通過觀察對比不同溝槽/圓坑的棱邊未能與摩擦片試樣完全接觸對摩的區(qū)域(亮白區(qū)域)的形態(tài)及分布，可以看出當盤試樣順時針轉動時，亮白區(qū)域主要集中在織構棱邊右側，即在對摩過程中織構樣品與對摩材料的碰擊及磨損主要集中在織構棱邊的左側。降噪效果較好的溝槽織構T-30°-1(圖6b)的棱邊磨損現(xiàn)象比降噪效果較弱的溝槽織構T-30°-2(圖6c)更明顯，同理，對于降噪效果較好的圓坑織構P-4-2(圖6e)，其棱邊磨損現(xiàn)象比降噪效果較弱的圓坑織構P-2-1(圖6d)更加明顯，即碰撞沖擊更強烈的降噪效果更好。

2.4織構對噪聲影響的機理討論

近年來，利用主動控制的思想來抑制摩擦系統(tǒng)高頻振動噪聲的方法得到了廣泛的研究[2,11-14]。Cunefare等[11]在制動器上安裝高頻激振器，激振器發(fā)射的力產(chǎn)生的能量抑制了摩擦系統(tǒng)對外發(fā)射噪聲能量，從而達到抑制甚至消除特定頻率的尖叫噪聲的目的。從前文可知，溝槽/圓坑織構對系統(tǒng)的主頻均存在抑制作用，并且4800 Hz的主頻被完全消除。在本試驗系統(tǒng)中，當系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦振動噪聲時，對摩材料與制動盤試樣上的溝槽或圓坑相碰擊，碰擊同樣也會產(chǎn)生一個力，因此，本文認為該力產(chǎn)生的能量對主頻能量的抑制效果與激振器發(fā)射的力的效果作用機理一致[11]?；谝陨纤枷?，本文提出一個離散二自由度的數(shù)學模型，用于模擬試驗過程并解釋試驗現(xiàn)象，如圖7所示。

(a)光滑表面

(b)T-30°-1

(c)T-30°-2

(d)P-2-1

(e)P-4-2圖6　磨痕光學形貌圖

圖7　二自由度制動模型

圖7中，m表示摩擦靜件的質量，它受到水平方向的彈簧K1和阻尼C1，豎直方向的阻尼C2，以及與水平方向成θ角的彈簧K和阻尼C的共同作用。法向力N沿豎直方向施加在m上。

根據(jù)牛頓第二定律，忽略系統(tǒng)阻尼，可得系統(tǒng)的運動方程：

設置參數(shù)m=1kg，K1=9×108，K2=0.5×107，K=3×107，μ=0.1，N=100N，應用數(shù)值計算方法求解出摩擦靜件在豎直方向上的振動信號及其功率譜密度，如圖8所示。從振動加速度信號可以看出，摩擦靜件隨著時間的推移發(fā)生了強烈的自激振動。從振動信號進功率譜密度可以看出該信號主要包括2個頻率，即1300 Hz和4800 Hz。對比試驗結果可以看出，該數(shù)學模型無法完全預測出摩擦系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動的主頻數(shù)目，但是它依然可以反映出試驗過程的一些振動特性，有助于進行下一步的研究和對機理的探討。

(a)法向振動加速度曲線

(b)功率譜密度曲線圖8　初始計算結果

當界面存在溝槽/圓坑織構的碰擊效應時，可以認為產(chǎn)生了一個與力N方向相反的力F，系統(tǒng)動力學方程改寫為

(a)法向振動加速度曲線

(b)功率譜密度曲線圖9　加入擾動后計算結果

其他參數(shù)保持不變，將F設置為一個脈沖力，進行求解運算，得到施加力F后模型法向的振動加速度與其功率譜密度，如圖9所示。與圖8相比，施加力F后模型法向振動加速度幅值在0.2 s以后明顯降低，說明系統(tǒng)的自激振動得到抑制，并且4800 Hz主頻幾乎被消除。因此，適當?shù)厥┘右粋€力對降低振動加速度幅值以及主頻處的能量有重要作用，而在本試驗系統(tǒng)中，對摩的摩擦片材料與制動盤試樣上的溝槽或圓坑邊緣相碰擊，碰擊產(chǎn)生的力是降低噪聲的一個重要原因，力的能量對主頻能量的抑制效果與激振器發(fā)射的力的效果作用機理一致，對主頻能量有抑制作用，進而取得降低摩擦尖叫噪聲的效果。

3　結論

(1)在本文試驗條件下，溝槽和圓坑織構均能有效地降低摩擦尖叫噪聲，且在一定范圍內，隨著溝槽寬度的增大，溝槽織構的降噪效果更加明顯，即當溝槽寬度由0.5 mm增大到1 mm時，降噪效果明顯增強。而圓坑織構降噪效果與圓坑直徑的關系則沒有很明顯的規(guī)律可循，圓坑織構降噪效果由好到差依次為圓坑直徑為2 mm、0.5 mm、1 mm。

(2)對摩材料滑過溝槽或圓坑時，會與織構的棱邊發(fā)生碰擊從而使摩擦力產(chǎn)生波動，結果顯示同種織構摩擦力波動越大，則織構對噪聲的抑制作用越強。

(3)織構的存在均能夠改善界面的摩擦磨損特性，織構能夠明顯改善盤試樣上的犁溝以及剝落現(xiàn)象。盤試樣磨損主要表現(xiàn)為溝槽/圓坑的棱邊處的兩條/一圈亮白區(qū)域，且亮白區(qū)域越大，與摩擦片試樣的碰撞沖擊磨損，碰擊越強烈，降噪效果也更好。

(4)利用數(shù)值分析方法可以較好地模擬試驗現(xiàn)象，即光滑表面振動加速度信號出現(xiàn)連續(xù)的劇烈波動，摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生連續(xù)的自激振動并對外發(fā)射噪聲；而織構表面的振動信號的幅值在對摩材料和織構棱邊發(fā)生撞擊時產(chǎn)生衰減。這種撞擊力可能對摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定振動起了主動控制的效應，它抑制了摩擦系統(tǒng)不穩(wěn)定振動的產(chǎn)生，進而抑制了摩擦系統(tǒng)對外發(fā)射噪聲。

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(編輯陳勇)

Groove-Textured and Pit-Textured Surfaces to Suppress Friction-Induced Squeal Noise

Hu LihongMo JiliangWang DongweiYang JiangzhouChen GuangxiongZhu Minhao

Southwest Jiaotong University,Chengdu,610031

Groove-textured surface with different widths and pit-textured surface with different diameters were manufactured on brake disc materials of the trains. Experimental test and numerical simulation were performed to investigate the influences of textured surface on friction noise by comparing the case of smooth surface, and consequently revealed the mechanism of the effects of textured surface on the friction vibration and noise. The results show that high-frequency squeal will be significantly suppressed by the two textured surfaces, and the groove-textured surfaces with specific dimensional distribution show good potential in reducing and suppressing squeal. Numerical analysis might be used to reveal the mechanism of the effects of textured surface on interfacial friction noise. A impulse force between the specimens is generated when friction material sliding across the edges of the grooves or pits, which plays a key role in friction noise active control at interface and suppresses the generation of some specific high-frequency squeal.

surface texture; pit; groove; friction noise; friction and wear; active control

2015-06-16

國家自然科學基金資助項目(51375408)；教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-13-0974)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2682014CX129)

TH117.1

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.09.004

胡利鴻，男，1990年生。西南交通大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為摩擦磨損振動噪聲。莫繼良，男，1982年生。西南交通大學機械工程學院副研究員、博士研究生導師。王東偉，男，1988年生。西南交通大學機械工程學院博士研究生。陽江舟，男，1987年生。西南交通大學機械工程學院碩士研究生。陳光雄，男，1962年生。西南交通大學機械工程學院教授、博士研究生導師。朱旻昊，男，1968年生。西南交通大學材料科學與工程學院教授、博士研究生導師。