劉 程 鮑久圣 陰 妍 曹靖雨 董慧麗

(中國礦業(yè)大學機電工程學院 江蘇徐州 221116)

制動噪聲不僅是困擾世界各大車企的難題，而且也是一個學術研究領域的熱點和重要技術難點[1-4]。眾多學者對制動噪聲的產(chǎn)生與抑制進行了大量的研究，如王安宇等[5]研究了不同粗糙度下的摩擦噪聲特性；董慧麗等[6]發(fā)現(xiàn)制動尖叫聲壓與摩擦副表面的溝壑與黏著程度呈正相關關系。近年來磁場摩擦學研究表明，磁場可改善摩擦表面特性，具有穩(wěn)定摩擦因數(shù)、調(diào)節(jié)表面粗糙度、降低表面磨損狀態(tài)等作用[7-10]。AMIRAT等[11]、HIRATSUKA[12]認為穩(wěn)恒磁場能夠促進磨屑的氧化，使材料表面的嚴重磨損變?yōu)檩p微磨損；鮑久圣等[13]發(fā)現(xiàn)在交變磁場中，低頻磁場抑制噪聲，高頻磁場卻促進制動噪聲的產(chǎn)生；徐敬業(yè)[14]認為磁場能夠主動實現(xiàn)對摩擦界面噪聲的抑制；BAO等[15]發(fā)現(xiàn)摩擦副的摩擦因數(shù)及穩(wěn)定系數(shù)會隨著穩(wěn)恒磁場強度的增大而增大。由上可知，磁場不僅對摩擦磨損行為具有重要影響，而且也會影響制動噪聲的產(chǎn)生，然而目前對磁場與制動尖叫關系的研究尚較少涉及。因此，研究磁場環(huán)境下制動尖叫的特性及作用機制，對于探索發(fā)展基于磁場的制動器減振降噪技術具有重要的理論意義。

本文作者選用摩擦制動器聲-振試驗臺進行制動試驗，根據(jù)得到的制動尖叫與磁場參數(shù)之間的試驗結果，建立磁場與制動尖叫發(fā)生率之間的非線性映射模型，實現(xiàn)對制動尖叫發(fā)生率的有效預測；同時進一步研究磁場對制動尖叫的影響趨勢，并將預測模型應用到實際當中，為今后基于磁場的制動器制動尖叫智能調(diào)控奠定重要的理論基礎。

1 試驗部分

為了得到磁場對制動尖叫行為的影響規(guī)律，以汽車實際使用最為廣泛的盤式制動器為研究對象，采用臺架試驗法，利用盤式制動器摩擦聲-振試驗臺進行模擬制動試驗，研究穩(wěn)恒磁場的磁感應強度變化與制動尖叫發(fā)生率之間的映射關系。

1.1 試驗裝置

盤式制動器摩擦聲-振試驗臺的結構如圖1所示，主要由動力驅動系統(tǒng)、慣量載荷系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、摩-磁復合制動器和臺架等六大部分組成。制動初速度的大小由動力驅動系統(tǒng)中的電機和變頻器進行控制，汽車的轉動慣量通過慣量載荷系統(tǒng)中的飛輪進行模擬，液壓系統(tǒng)通過液壓站提供制動時需要的壓力，測控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對制動壓力、摩擦轉矩、主軸轉速以及聲振信號的實時監(jiān)測。通過GB-DTS扭矩傳感器對摩擦轉矩進行監(jiān)測，且摩擦因數(shù)可以通過計算得出；采用AWA-14421型聲學傳感器和CT1010L ICP/IEPE加速度傳感器實現(xiàn)對聲振信號的監(jiān)測，并通過恒流適配器對聲振信號進行放大和濾波，通過型號為NIMCC1608G的數(shù)據(jù)采集卡采集、顯示和記錄數(shù)據(jù)；摩-磁復合制動器中的摩擦片為根據(jù)文獻[16]的汽車磁性剎車片配方，按照汽車剎車片實際形狀尺寸，經(jīng)混料、熱壓成型和熱處理制備得到。制備的導磁有機摩擦片如圖2所示，其組成成分與含量列于表1中。制動盤材料選擇HT250，其直徑為300 mm，厚度為20 mm。為了保證制動過程中剎車片與制動盤充分的接觸，在試驗前對制備的導磁有機摩擦片進行了初磨，無其他特殊處理。

表1 導磁有機摩擦片的組成成分及含量

圖1 摩擦制動器聲-振試驗臺結構原理

圖2 導磁有機摩擦片

為滿足研究在磁場干預下制動尖叫發(fā)生率試驗的需求，需要對常用的摩擦制動器進行改造。如圖3所示，改造后的摩擦制動器具有磁場加載系統(tǒng)，能夠保證摩擦片與摩擦盤的工作區(qū)處于可控的磁場環(huán)境中。為保證制動器的穩(wěn)定性與可靠性，將繞有勵磁線圈的骨架固定在一根鐵芯上，兩鐵芯的兩端各連接一個背板，將它們構成的整體對稱地安裝在制動盤的兩側，線圈通入電流后，可實現(xiàn)磁場強度的精確調(diào)節(jié)。圖4為磁場施加方向的示意圖。

圖3 摩擦制動器磁場加載系統(tǒng)

1.2 試驗方案

制動尖叫受到很多因素的影響，其是一個十分復雜的現(xiàn)象并且涉及的學科也很廣泛[16]，并非制動就會產(chǎn)生制動尖叫。制動尖叫為在人耳可以聽到范圍內(nèi)的高頻噪聲(1～16 kHz)[17]，制動尖叫的產(chǎn)生與制動壓力、制動初速度以及制動時間存在一定的映射關系。除此之外，磁場環(huán)境其獨有的磁屬性會對制動尖叫造成不同程度的影響。文中利用制動尖叫發(fā)生率來反映噪聲整體的強度與特征。制動尖叫發(fā)生率為制動過程中尖叫發(fā)生的頻率[18]。文中制動尖叫發(fā)生率是同樣工況下多次連續(xù)制動產(chǎn)生制動尖叫的次數(shù)，其計算公式如下：

式中：Na為連續(xù)制動的制動次數(shù)；Nsq為制動尖叫在試驗中出現(xiàn)的次數(shù)；Occ為制動尖叫發(fā)生率。

1.2.1 制動工況參數(shù)

針對目前的試驗臺架，根據(jù)美國機車工程協(xié)會噪聲測試標準SAE-J2521和國家標準GB 5763—2008《汽車制動器襯片》等有關規(guī)定，摩擦性能試驗中制動壓力為0.98 MPa，且結合試驗臺液壓泵站提供的制動壓力取值范圍，取其值為0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2 MPa。文中選取制動初速度范圍為3～55 km/h，按式(2)計算其相對應制動盤的轉速，具體數(shù)值如表2所示。

式中：n為轉速，r/min；v為制動初速度，km/h；R為制動盤半徑，R=150 mm。

為排除溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，將制動試驗前制動盤的試驗溫度設定為T≈26 ℃，其相對濕度設定為(60±10)%。

根據(jù)選取的制動工況，采用交叉法進行組合，在沒有施加磁場的條件下共進行了42組試驗。在制動初速度較低以及制動壓力較大時更容易發(fā)生制動尖叫，且制動噪聲的聲壓級也高[19]。故選取表3中所示的6種典型制動工況，對其進行磁場作用下的試驗研究。為提高噪聲測量結果的精度，每組試驗都制動20次，且制動的時間間隔為30 s，每種制動工況都進行5組試驗，最后取其平均值。

表3 典型制動工況

1.2.2 磁場參數(shù)

試驗選擇通過直流電源產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，研究直流穩(wěn)恒磁場對制動尖叫的影響規(guī)律，并與無磁場下的結果進行對比。通過改變磁場加載裝置通入電流的大小，可準確調(diào)節(jié)磁感應強度大小，研究磁感應強度變化對制動尖叫發(fā)生率的影響。通過對磁場加載裝置的結構參數(shù)進行分析，得到磁感應強度可分為5個等級，如表4所示。

表4 磁感應強度試驗參數(shù)

1.3 試驗結果

圖5是6種典型制動工況在不同磁感應強度下進行試驗所獲得的制動尖叫發(fā)生率?？梢钥闯觯捍艌鰧χ苿蛹饨邪l(fā)生率有明顯的抑制作用，當磁感應強度小于等于0.24 T時，不同制動工況下的制動尖叫發(fā)生率都會隨著施加的磁感應強度的增加而降低。磁場對制動尖叫發(fā)生率的抑制效果與磁感應強度的大小有關，在磁感應強度較低時抑制效果不明顯，從圖中可以看出，當磁感應強度小于0.06 T時，所有制動工況的制動尖叫發(fā)生率均只有小幅度的變化，尤其是制動工況1在磁感應強度為0.06 T時制動尖叫發(fā)生率基本沒有變化。但是隨著磁感應強度的增強，制動尖叫發(fā)生率最大可降低17%左右。造成這種趨勢的主要原因是磁場對磨屑有一定的吸引作用[14]，當磁感應強度小于一定的閾值時，磁場對磨屑的吸引力較小，幾乎沒有影響，摩擦材料的表面并不能得到明顯的改善，因此，磁場對制動尖叫發(fā)生率的抑制效果不明顯。但是隨著磁場強度的不斷增大，摩擦材料的表面會吸附更多的磨屑，磨屑被細化成更小的顆粒，且磁場會促進磨屑的氧化[20]，使磨屑均勻地分布在摩擦材料的表面，此時的磨屑充當固體潤滑劑，使摩擦表面特性得到改善從而抑制了制動尖叫的發(fā)生率。

圖5 制動尖叫發(fā)生率隨磁感應強度的變化曲線

2 磁場作用下制動尖叫發(fā)生率預測分析

由上述試驗結果可知，磁場對制動尖叫發(fā)生率具有抑制效果。所以磁場與制動尖叫發(fā)生率之間存在著一定的映射關系。為了進一步探究磁場與制動尖叫發(fā)生率之間的映射關系，利用深度學習算法來建立制動尖叫發(fā)生率的預測模型，并通過試驗對預測模型進行驗證與優(yōu)化，進而保證預測模型的準確性和實用性。

2.1 預測模型的建立

選用的深度學習模型是具備良好記憶能力的長短時記憶(Long-Short Term Memory，LSTM)網(wǎng)絡。LSTM可根據(jù)時間尺度對自循環(huán)中數(shù)據(jù)的比重進行動態(tài)調(diào)整，適用于解決制動尖叫發(fā)生率非線性參數(shù)的預測問題。圖6所示為長短時記憶網(wǎng)絡結構示意圖。

圖6 LSTM結構示意

LSTM與傳統(tǒng)的RNN模型相比，增加了3個門控機制，分別為遺忘門、輸入門、輸出門。通過神經(jīng)網(wǎng)絡來控制3個門的開啟和關閉，增加重要信息的權重，過濾掉過時的信息，解決梯度爆炸和消失的問題。

各個門結構的計算公式為

遺忘門

ft=σ(Wf[ht-1，xt]+bf)

(3)

輸入門

it=σ(Wi[ht-1，xt]+bi)

(4)

狀態(tài)更新

輸出門

ot=σ(Wo[ht-1，xt]+bo)

(8)

ht=ottanh(ct)

(9)

制動尖叫發(fā)生率的預測模型構建流程主要有數(shù)據(jù)集的選擇、數(shù)據(jù)集預處理、LSTM模型的參數(shù)設置、LSTM模型的訓練及預測、預測結果的檢驗等。預測模型流程如圖7所示。

圖7 預測模型流程

2.1.1 數(shù)據(jù)集的選擇

將不同制動初速度(10、20 km/h)、不同制動壓力(1.25、1.5、1.75 MPa)和不同磁感應強度(0、0.06、0.12、0.18、0.24 T)采用交叉法進行組合可得30種制動工況下的制動尖叫試驗。每種工況采用上述相同的試驗方案，重復進行80次，以其中27種工況的2 160個數(shù)據(jù)為訓練樣本，其余3種工況(v0=10 km/h、p=1.25 MPa、B=0.18 T，v0=10 km/h、p=1.25 MPa、B=0.24 T，v0=20 km/h、p=1.25 MPa、B=0.24 T)的240個數(shù)據(jù)為檢驗樣本。制動尖叫預測模型的輸入樣本為制動初速度、制動壓力以及磁感應強度，輸入層的節(jié)點數(shù)為3；輸出樣本為制動尖叫發(fā)生率，輸出層的節(jié)點數(shù)為1。

2.1.2 數(shù)據(jù)集預處理

在訓練模型之前，需要先對數(shù)據(jù)集進行整理。因為輸入樣本中有制動壓力、制動初速度與磁感應強度3個不同的物理量，而且樣本數(shù)據(jù)之間也有很大的不同，對模型的可靠性及收斂速度有很大的影響，故將輸入數(shù)據(jù)集中的每個元素按照公式(10)，進行標準化處理，也叫做去中心化加方差縮放，通過把一組數(shù)據(jù)的均值變成0，方差變?yōu)?，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的縮放。標準化處理的數(shù)學公式如下：

式中：μ為數(shù)據(jù)的均值；δ為數(shù)據(jù)的方差。

2.1.3 LSTM模型參數(shù)的確定

LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡模型的精度受隱藏層數(shù)的影響，隱藏層數(shù)越多模型的精度就越高，但層數(shù)過多會增加計算量和計算時間。隱藏層節(jié)點數(shù)也影響模型的精度，節(jié)點數(shù)過少會使數(shù)據(jù)特征學習不足，過多則會導致“過擬合”。通過多次試驗選定隱藏層數(shù)為2，節(jié)點數(shù)為50。學習速率決定了模型的運算速度，學習速率過小會延長訓練時間，降低收斂速度，過大會在最優(yōu)解處出現(xiàn)震蕩但不收斂。文中試驗先選用較大的學習速率進行試驗，然后再降低學習速率，最終找到最優(yōu)的學習速率為0.001。

文中選擇的優(yōu)化算法為Adam，在訓練的過程中Adam會隨著數(shù)據(jù)的改變而不斷地更新權重[21-22]。損失函數(shù)MSE是回歸損失函數(shù)中最常用的誤差。結合以上試驗確定的各個參數(shù)，各層對應的具體參數(shù)如表5所示。

表5 LSTM網(wǎng)絡模型參數(shù)

2.2 預測模型的驗證

為了確保預測模型的準確性，通過檢驗樣本對預測模型進行驗證。由于檢驗樣本的數(shù)據(jù)具有局限性，為了從驗證的全面性角度出發(fā)，結合實際制動工況，擴大試驗的工況樣本范圍，再通過試驗進一步對預測模型進行驗證及優(yōu)化。

2.2.1 樣本檢驗

圖8所示為通過檢驗樣本對制動尖叫發(fā)生率預測模型檢驗得到的結果?？芍?，在檢驗得到的結果中，預測值都在制動尖叫發(fā)生率實際值的最大與最小值之間，且與試驗平均值相差不大，達到了較為理想的區(qū)間范圍。圖8(a)中的制動尖叫發(fā)生率預測值(23.06%)高于圖8(b)中的預測值(20.61%)，符合制動尖叫發(fā)生率隨著磁感應強度的增大而降低的規(guī)律；圖8(b)中的制動尖叫發(fā)生率預測值(20.61%)高于圖8(c)的制動尖叫發(fā)生率預測值(19.34%)，也符合制動初速度越低制動尖叫發(fā)生率就越高的規(guī)律。由此可見，該模型對制動尖叫發(fā)生率的預測是比較準確的。

圖8 檢驗樣本的制動尖叫發(fā)生率

Fig.8 The incidence of brake squeal of the test samples：(a)10 km/h，1.25 MPa，0.18 T；

(b)10 km/h，1.25 MPa，0.24 T；(c)20 km/h，1.25 MPa，0.24 T

2.2.2 試驗驗證

檢驗樣本數(shù)據(jù)遠不足以涵蓋實際制動過程中的制動工況。為了保證模型的準確性，通過試驗對預測模型進一步驗證，故擴大工況樣本范圍對模型進行驗證，從而深入探究不同制動工況下磁場對制動尖叫發(fā)生率的影響趨勢。

利用上述的預測模型開展試驗來驗證模型預測的準確性。結合真實制動過程，選取的試驗參數(shù)是制動初速度為5 km/h，制動壓力分別為1.5和1.75 MPa，共為2種制動工況。為進一步發(fā)現(xiàn)其磁感應強度對制動尖叫發(fā)生率影響的規(guī)律，找到可完全抑制噪聲的磁場參數(shù)，可進一步增大磁感應強度對其進行預測，故選取0、0.12、0.24、0.48、0.6、0.72 T進行試驗。

為降低其他因素對試驗結果的干擾，每組開展20次制動試驗，且每組試驗重復5次，取其平均值。將試驗產(chǎn)生的制動尖叫發(fā)生率的實際值與其預測值進行對比，進一步驗證了所建立的預測模型的效果，試驗結果如表6所示。

表6 LSTM制動尖叫預測模型的驗證試驗結果與偏差

由表6可知，當磁感應強度大于等于0.6 T時模型預測值與實際值的偏差比較大，當磁感應強度小于0.6 T時模型的預測值與實際值的偏差率都不超過10%，并且施加磁場時的制動尖叫發(fā)生率都比沒有施加磁場時的低。由此可初步推測，當磁感應強度大于等于0.6 T時，磁場對制動尖叫發(fā)生率的影響規(guī)律發(fā)生了一些變化。但是，目前的預測模型沒有包含這些變化，即模型在訓練集之外的泛化能力較差，導致誤差較大。因此，為進一步提高模型的準確率，將表6中磁感應強度大于等于0.6 T的實測數(shù)據(jù)添加進模型的訓練樣本，重新對模型進行訓練。然后重新預測制動初速度為5 km/h、制動壓力分別為1.5和1.75 MPa時的制動尖叫發(fā)生率的輸出值，結果如圖9所示。

圖9 新訓練模型預測的制動尖叫發(fā)生率

從圖9可知，重新訓練后的模型，在磁感應強度大于等于0.6 T時，預測值與試驗結果基本吻合?？傮w來說，建立的基于磁場的制動尖叫發(fā)生率的預測模型，可以實現(xiàn)對不同磁場下制動尖叫發(fā)生率的準確預測。

在磁感應強度大于0.5 T之后，制動尖叫發(fā)生率基本穩(wěn)定在5%，推測其原因為：磁場提供的磁吸力對磨屑的影響達到極限，其磁場對摩擦制動器的能量饋入趨于穩(wěn)定，進而使得制動尖叫不再具有明顯下降趨勢。為進一步驗證其原因，新的摩擦片，再次開展制動初速度為5 km/h、制動壓力為1.5 MPa、磁感應強度分別為0.24、0.48、0.6、0.72 T條件下的連續(xù)制動試驗，用掃描電子顯微鏡(SEM)記錄摩擦表面微觀形貌的照片，其結果如圖10所示。

圖10 v0=5 km/h，p=1.5 MPa時不同磁感應強度下的SEM照片

從圖10可知，當B=0.24 T時摩擦表面的磨損程度明顯比其他3個磁感應強度下的嚴重，并且當B=0.48 T、B=0.60 T和B=0.72 T時摩擦表面的磨損狀態(tài)基本一致。該現(xiàn)象間接表明了磁感應強度增加到一定閾值后，對摩擦磨損特性影響程度接近飽和，磁場對摩擦制動器的能量饋入趨于穩(wěn)定，使制動尖叫發(fā)生率不再顯著降低。

2.3 預測模型的應用

利用優(yōu)化后的預測模型對其他制動工況下磁感應強度對制動尖叫發(fā)生率影響趨勢進行預測。為了滿足實際應用，磁感應強度的選擇不再受限于試驗條件，同時選取任意制動初速度與制動壓力進行預測。其中以初始制動速度為45 km/h，制動壓力為1.5、1.75 MPa為例，采用制動尖叫發(fā)生率的預測模型進行了預測，試驗結果如圖11所示。

圖11 磁感應強度對制動尖叫發(fā)生率的影響趨勢

從圖11可以看出，2種工況下，制動尖叫發(fā)生率隨著磁感應強度的增加先下降后逐漸變得平穩(wěn)，基本穩(wěn)定在8%左右。磁感應強度對制動尖叫發(fā)生率的影響趨勢與5 km/h基本一致。除此之外，制動尖叫發(fā)生率趨于穩(wěn)定的磁感應強度閾值與制動初速度為5 km/h相比略微有所增加。由上可得，該預測模型可以實現(xiàn)對不同制動工況下制動尖叫發(fā)生率的精確預測，為以后研究在磁場作用下制動器制動尖叫的智能調(diào)控奠定了重要的理論基礎。

3 結論

(1)在試驗參數(shù)的范圍內(nèi)，穩(wěn)恒磁場對制動尖叫有明顯的抑制作用，且磁感應強度越大對制動尖叫發(fā)生率的抑制效果越明顯，但是當磁感應強度達到一定閾值后，制動尖叫發(fā)生率趨于穩(wěn)定，不再顯著降低。

(2)利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡建立的制動尖叫發(fā)生率預測模型得到的預測值，與試驗結果基本吻合，表明建立的基于磁場的制動尖叫發(fā)生率的預測模型可以實現(xiàn)對制動尖叫發(fā)生率的準確預測。

(3)利用預測模型進一步分析了在更寬范圍內(nèi)穩(wěn)恒磁場對制動尖叫發(fā)生率的影響規(guī)律，預測結果與試驗結果一致，即制動尖叫發(fā)生率隨著磁場強度的增強而降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，但不同制動工況下制動尖叫發(fā)生率達到穩(wěn)態(tài)所需的磁感應強度不同。