織構(gòu)表面影響制動(dòng)盤材料尖叫噪聲的試驗(yàn)及有限元分析

王曉翠， 莫繼良, 陽江舟， 胡利鴻， 陳光雄， 朱旻昊

(西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，成都　610031)

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織構(gòu)表面影響制動(dòng)盤材料尖叫噪聲的試驗(yàn)及有限元分析

王曉翠， 莫繼良, 陽江舟， 胡利鴻， 陳光雄， 朱旻昊

(西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，成都610031)

摩擦噪聲是兩個(gè)有摩擦接觸的物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并引起摩擦系統(tǒng)自激振動(dòng)而產(chǎn)生的，根據(jù)頻率的不同可分為低頻振顫噪聲(頻率f≤1 000 Hz)和高頻尖叫噪聲(頻率f=1 000 Hz～20 000 Hz)。摩擦噪聲嚴(yán)重影響摩擦系統(tǒng)的精度、可靠性、使用壽命，并導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲污染，其中高頻尖叫噪聲由于響度大、頻率高、機(jī)理復(fù)雜和難控制等問題而備受關(guān)注[1]。

近年來的研究表明，摩擦界面特征是影響摩擦尖叫噪聲眾多因素的關(guān)鍵因素之一[2-8]。Oberst等[4]在制動(dòng)片表面進(jìn)行開溝處理，結(jié)果表明溝槽的位置、寬度等參數(shù)對(duì)降低尖叫噪聲有重要影響。Nouby等[5]與Lin等[6]嘗試通過改變制動(dòng)片表面形貌特征(如開溝槽、倒角處理等)的方式來降低尖叫噪聲。張立軍等[7]從模態(tài)角度研究制動(dòng)片表面開不同數(shù)量溝槽對(duì)尖叫噪聲的影響。盡管這些研究指明通過改變制動(dòng)盤界面特征可以影響摩擦制動(dòng)尖叫噪聲，而對(duì)于這些界面特征的改變是如何影響摩擦尖叫噪聲，即作用機(jī)理方面的報(bào)道很少[4-8]。另一方面，由于摩擦噪聲產(chǎn)生的影響因素的復(fù)雜性，試驗(yàn)與有限元相結(jié)合的方法將能更好的研究摩擦振動(dòng)噪聲，其中采用的有限元分析法主要包括復(fù)特征值法和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)法。復(fù)特征值法通過計(jì)算系統(tǒng)在穩(wěn)定階段的特征值和特征向量，預(yù)測(cè)出摩擦系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)和摩擦噪聲主頻。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)法考慮了摩擦系統(tǒng)的非線性影響因素，可以很有效的在時(shí)域范圍內(nèi)預(yù)測(cè)摩擦系統(tǒng)的摩擦力、法向力和加速度等信號(hào)。因此，結(jié)合這兩種數(shù)值分析方法對(duì)研究摩擦振動(dòng)噪聲具有重要的意義[9-12]。

本課題組在前期研究中曾在球-平面往復(fù)滑動(dòng)模式下對(duì)具有溝槽型織構(gòu)表面的制動(dòng)盤材料進(jìn)行了摩擦噪聲試驗(yàn)，研究溝槽織構(gòu)表面對(duì)摩擦噪聲的影響，得出平行間隔分布的溝槽織構(gòu)表面對(duì)摩擦尖叫噪聲具有重要影響，特定尺寸參數(shù)的織構(gòu)表面能很好的抑制尖叫噪聲。但該研究在接觸方式、相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式、摩擦副材料、樣品形狀等方面與真實(shí)盤形制動(dòng)的情況有較大差異，也未能從織構(gòu)表面降低制動(dòng)尖叫噪聲的角度進(jìn)行研究，并為降低制動(dòng)尖叫提供有效的理論依據(jù)[12]。因此，本研究在列車制動(dòng)盤材料(圓片)表面加工出徑向均勻分布的溝槽型織構(gòu)，選用列車制動(dòng)片材料為對(duì)磨副，采用面-面接觸方式進(jìn)行銷-盤式摩擦尖叫噪聲試驗(yàn)。此外，結(jié)合利用有限元軟件ABAQUS/Standard復(fù)特征值分析法和ABAQUS/Explicit瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究經(jīng)過表面織構(gòu)化處理的制動(dòng)盤材料對(duì)摩擦尖叫噪聲的影響及其作用機(jī)理。

1試驗(yàn)部分

摩擦尖叫噪聲試驗(yàn)在自行搭建的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦噪聲試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，如圖1所示。該試驗(yàn)裝置由夾具系統(tǒng)、信號(hào)采集分析系統(tǒng)和摩擦學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)面-面接觸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦過程中摩擦振動(dòng)噪聲信號(hào)、摩擦力和振動(dòng)加速度的精確測(cè)量與分析。試驗(yàn)過程中，上臺(tái)架帶動(dòng)制動(dòng)片試樣向下移動(dòng)與制動(dòng)盤試樣接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置帶動(dòng)制動(dòng)盤試樣轉(zhuǎn)動(dòng)與制動(dòng)片試樣產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦運(yùn)動(dòng)。界面摩擦力的測(cè)量采用安裝在緩沖裝置上的CETR DFH-50型二維壓電式力傳感器(靈敏度為0.025 N，量程為5 N~500 N)。振動(dòng)加速度的測(cè)量采用安裝在上夾具上的KISTLER 8688A50型三維加速度傳感器(量程為± 50 g，靈敏度為100 mV/g，頻響為0.5 Hz~5 kHz)。位于摩擦界面附近的MTG MK250型傳聲器(靈敏度為50 mV/Pa,頻響為3.5~2 0000 Hz,動(dòng)態(tài)范圍為15~146 dB)采集摩擦噪聲信號(hào)。信號(hào)的采集及分析采用德國MUELLER-BBM 公司的32通道振動(dòng)噪聲測(cè)量分析系統(tǒng)。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the test apparatus

制動(dòng)盤試樣選用列車蠕墨鑄鐵制動(dòng)盤材料(~3.5 wt% C,~2.5 wt% Si,~1.5 wt% Mn，硬度為HV0.05240，彈性模量為158 GPa)，加工成直徑為25 mm，厚度為3 mm的圓片，并用電火花加工方法在其表面上加工出3種不同尺寸及分布的溝槽型表面織構(gòu)，見圖2。其中溝槽寬度為w，溝槽中心線夾角為30°，溝槽深度控制0.3 mm左右，溝槽為等夾角均勻發(fā)散分布。后文中將用S表示光滑表面，T-30°-w表示溝槽織構(gòu)表面(溝槽夾角30°，溝寬為w)，本文所選樣品織構(gòu)表面參數(shù)為T-30°-0.5、T-30°-1、T-30°-2。對(duì)磨副選用列車制動(dòng)片復(fù)合材料(密度為1±0.5 g/cm3, 彈性模量E≤1×103MPa, 硬度為HR 50~90)，其尺寸為10×10×15 mm。試驗(yàn)前用丙酮和酒精對(duì)試樣進(jìn)行超聲清洗并干燥。摩擦學(xué)試驗(yàn)參數(shù)如下：法向載荷100 N，轉(zhuǎn)速6.28 rad/s。試驗(yàn)環(huán)境為大氣下干態(tài)環(huán)境，溫度24~27 ℃,相對(duì)濕度為60%±10%。

圖2　溝槽型織構(gòu)表面示意圖Fig.2 Schematic of groove-textured surfaces

2有限元模型

通過實(shí)測(cè)連接部件、上夾具、被動(dòng)部件—制動(dòng)片試樣、主動(dòng)部件—制動(dòng)盤試樣和下夾具的尺寸建立系統(tǒng)簡化三維實(shí)體模型，如圖3(a)所示，制動(dòng)盤/片試樣始終保持摩擦接觸。此簡化模型具有減小模態(tài)密度和自由度的優(yōu)點(diǎn)：模態(tài)密度的減小會(huì)減少模態(tài)耦合的發(fā)生，因此可重點(diǎn)研究少數(shù)發(fā)生模態(tài)耦合的不穩(wěn)定模態(tài)；減少自由度可縮短計(jì)算時(shí)間提高效率[7,11]。

各部件的材料特性分別賦予實(shí)際的材料參數(shù)，由于試驗(yàn)過程中法向力和轉(zhuǎn)速都較小，因此忽略熱效應(yīng)對(duì)摩擦振動(dòng)噪聲的影響。法向力加載方式及模型邊界約束條件根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)定，如圖3(b)所示。法向力沿Y方向均勻分布在連接部件頂端，約束連接部件以及下夾具的X和Z方向自由度，速度邊界條件作用在下夾具的繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向，螺紋連接部分采用tie連接。根據(jù)試驗(yàn)中制動(dòng)盤試樣表面上的溝槽棱邊和制動(dòng)片試樣接觸面內(nèi)的棱邊存在的磨損情況，在制動(dòng)盤試樣表面的各溝槽棱邊做半徑為0.1 mm的倒角處理，制動(dòng)片試樣接觸面內(nèi)的四條棱邊做半徑為0.6 mm的倒角處理。

圖3　有限元模型與約束條件Fig.3 Finite element model of the experimental system ，load and boundary conditions

模型采用C3D8R單元類型劃分網(wǎng)格，定義接觸方式為surface-to-surface,其中主面(master surface)為制動(dòng)盤試樣表面,從面(slave surface)為制動(dòng)片試樣表面。在ABAQUS/Explicit瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析過程中，滑移方式定義為有限滑移，并且采用動(dòng)力學(xué)接觸算法。依據(jù)試驗(yàn)，在上夾具上定義一點(diǎn)(三維加速度傳感器安裝處)為一個(gè)集合，該點(diǎn)作為所計(jì)算的振動(dòng)信號(hào)輸出點(diǎn)。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究光滑平面和溝槽織構(gòu)表面摩擦系統(tǒng)在整個(gè)試驗(yàn)過程中隨時(shí)間的變化摩擦尖叫噪聲水平的變化，將4種表面每間隔100 s內(nèi)的摩擦尖叫噪聲信號(hào)進(jìn)行等效聲壓級(jí)分析，結(jié)果如圖4所示?？煽闯鲈谠囼?yàn)初始階段，溝槽織構(gòu)化表面所產(chǎn)生的摩擦尖叫噪聲強(qiáng)度均較光滑表面的低，隨著試驗(yàn)時(shí)間的持續(xù)，光滑表面、T-30°-0.5、T-30°-2的聲壓級(jí)呈一定的上升趨勢(shì)，而T-30°-1的等效聲壓級(jí)基本保持在75 dB，且波動(dòng)較小。縱觀整個(gè)試驗(yàn)階段，織構(gòu)表面所產(chǎn)生摩擦尖叫噪聲的聲壓級(jí)遠(yuǎn)較光滑表面的小，且T-30°-1所產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度最低。因此，在制動(dòng)盤試樣表面加工出溝槽型表面織構(gòu)可以有效的降低界面摩擦尖叫噪聲。

圖4　等效聲壓級(jí)隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Equivalent sound pressure level verses time

為確定摩擦振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的具體時(shí)間及其頻率，對(duì)比研究了光滑表面和降噪效果最好的T-30°-1織構(gòu)表面噪聲信號(hào)的時(shí)域分析結(jié)果，如圖5所示。從圖中可看出，兩種表面在試驗(yàn)初始階段均產(chǎn)生了摩擦尖叫噪聲，并且一直持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。不同的是光滑表面產(chǎn)生了主頻分別為1 200 Hz，2 200 Hz，3 300 Hz和4 500 Hz的高頻尖叫噪聲，且主頻1 200 Hz所對(duì)應(yīng)的能量最強(qiáng)。而溝槽表面僅產(chǎn)生了主頻為1 200 Hz，2 300 Hz，3 500 Hz的摩擦尖叫噪聲，且其能量均明顯較低，其中主頻為4 500 Hz的噪聲被完全抑制。這表明溝槽型織構(gòu)表面能有效的降低了各階高頻尖叫噪聲。

圖5　光滑(a)及T-30°-1(b)表面摩擦系統(tǒng)摩擦尖叫噪聲信號(hào)在時(shí)域內(nèi)分析結(jié)果Fig.5 The result of the friction-induced squeal noise signal of the smooth (a) and T-30°-1 (b) surfaces friction systems in time domain

由于摩擦尖叫噪聲主要由摩擦系統(tǒng)的自激振動(dòng)產(chǎn)生，為進(jìn)一步研究溝槽型織構(gòu)化表面對(duì)摩擦尖叫噪聲的影響，本文對(duì)比分析了光滑和T-30°-1表面在穩(wěn)定階段1 7001 701 s一個(gè)周期內(nèi)的摩擦力和振動(dòng)加速度，分析結(jié)果如圖6所示。由圖可看出，光滑表面在整個(gè)周期內(nèi)，摩擦力大小變化平緩，沒有明顯波動(dòng)，而切向振動(dòng)加速度出現(xiàn)了較大的連續(xù)振動(dòng)幅值，摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生了連續(xù)自激振動(dòng)并激發(fā)出摩擦尖叫噪聲。相比之下，T-30°-1表面的摩擦力均值較低，且在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)了12次明顯波動(dòng)，其對(duì)應(yīng)于一個(gè)周期(一圈)內(nèi)制動(dòng)片試樣所滑過的12個(gè)溝槽，對(duì)應(yīng)的切向振動(dòng)加速度也可觀察到12次明顯的波動(dòng)，沒有形成明顯的連續(xù)的振動(dòng)幅值。因此可推斷，制動(dòng)片試樣滑過每個(gè)溝槽與其棱邊碰擊時(shí)會(huì)使得摩擦力出現(xiàn)明顯波動(dòng)，這將對(duì)摩擦系統(tǒng)連續(xù)自激振動(dòng)形成一定抑制作用，進(jìn)而降低摩擦尖叫噪聲強(qiáng)度。溝槽存在于摩擦界面所引起的系統(tǒng)的摩擦力波動(dòng)是導(dǎo)致溝槽表面摩擦尖叫噪聲特性不同于光滑表面的主要原因。

圖6　摩擦力和切向振動(dòng)加速度Fig.6 The friction force and the tangential vibration acceleration of two kinds of surfaces

4復(fù)特征值分析

4.1復(fù)特征值分析方法介紹

本文通過有限元軟件ABAQUS/Standard求解摩擦系統(tǒng)復(fù)特征值。摩擦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程表示為[11]

(δ2[M]+δ[C]+[KNS]){φ}=0

(1)

式中:[M]表示質(zhì)量矩陣。[C]表示阻尼矩陣，[KNS]為系統(tǒng)的剛度矩陣，δ為特征值，{φ}為相應(yīng)的特征向量。由于摩擦力的存在，導(dǎo)致剛度矩陣產(chǎn)生不對(duì)稱性。因此，根據(jù)模態(tài)理論，系統(tǒng)的特征值為復(fù)數(shù)。復(fù)特征值的通解可表示為：

δ=α+iω

(2)

式中:α為特征值實(shí)部，表示系統(tǒng)部穩(wěn)定程度。ω為特征值虛部，表示系統(tǒng)的模態(tài)頻率，當(dāng)特征值出現(xiàn)為正實(shí)部時(shí)，表示系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定振動(dòng)。

4.2復(fù)特征值分析結(jié)果

圖7所示為光滑和T-30°-1表面兩種摩擦系統(tǒng)的復(fù)特征值分析結(jié)果，從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)由0增大到0.1時(shí)，兩種摩擦系統(tǒng)的第一階與第二階特征模態(tài)分別發(fā)生了模態(tài)耦合，且其所形成的主頻分別為1 383 Hz及1 388 Hz。兩種摩擦系統(tǒng)發(fā)生模態(tài)耦合的臨界摩擦系數(shù)值為0.1。圖8為光滑和T-30°-1表面兩種摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定模態(tài)，從圖中可看光滑和T-30°-1表面摩擦系統(tǒng)不穩(wěn)定模態(tài)分別在Z和X軸方向發(fā)生了彎曲變形，且光滑表面摩擦系統(tǒng)發(fā)生的彎曲變形更大，說明光滑表面摩擦系統(tǒng)更不穩(wěn)定。本文后續(xù)部分將進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析以更深入研究兩種摩擦系統(tǒng)所產(chǎn)生不穩(wěn)定程度的不同。

從以上結(jié)果可以看出，復(fù)特征值分析所預(yù)測(cè)的摩擦系統(tǒng)主頻(1 383 Hz/1 388 Hz)雖然與試驗(yàn)測(cè)得的摩擦系統(tǒng)主頻(1 200 Hz)很接近，但由于模型簡化，且螺紋連接處采用了tie連接，使得系統(tǒng)剛度增大，導(dǎo)致了預(yù)測(cè)的摩擦系統(tǒng)主頻比試驗(yàn)測(cè)得的主頻略大。盡管如此，此誤差很小，不影響所建立的有限元模型的正確性，此模型可很好的用于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

圖7　光滑(a)與T-30°-1(b)表面摩擦系統(tǒng)復(fù)特征值分析結(jié)果Fig.7 Rerult of complex eigenvalues analysis for the smooth (a) and T-30°-1 (b) surfaces friction systemes

圖8　光滑(a)與T-30°-1(b)表面摩擦系統(tǒng)的不穩(wěn)定模態(tài)Fig.8 The unstable modes for the smooth (a) and T-30°-1 (b) surfaces friction systems

5瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

5.1瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法介紹

本文通過有限元軟件ABAQUS/Explicit(顯示動(dòng)力學(xué)求解器)對(duì)摩擦系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可表示為[11]：

(3)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，I(t)為系統(tǒng)內(nèi)力，P(t)為包含接觸力的外加載荷，下標(biāo)t表示時(shí)間增量步長。利用中心差分法將速度和位移的計(jì)算結(jié)果分別推進(jìn)到t+Δt/2和t+Δt。

中心差分法求解器無法自發(fā)進(jìn)行計(jì)算，需定義初始時(shí)刻t=0 的速度和加速度，本文中t=0 時(shí)刻的速度和加速度值均設(shè)置為零。

5.2瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

依據(jù)試驗(yàn)工況，在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，施加在從動(dòng)件(連接部件、上夾具和制動(dòng)片試樣)上的法向載荷和施加在主動(dòng)件(制動(dòng)盤試樣與下夾具)上轉(zhuǎn)動(dòng)速度的時(shí)間歷程曲線，如圖9所示。初始階段施加在從動(dòng)件上的法向力逐步增大，直到t0時(shí)刻法向力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值100 N并隨后保持恒定，此時(shí)主動(dòng)件開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐步增大，直到t1時(shí)刻轉(zhuǎn)速達(dá)到試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 6.28 rad/s并在此之后保持恒定。考慮到計(jì)算時(shí)長及模型的對(duì)稱性，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)間設(shè)定為半個(gè)周期 0.5 s，計(jì)算時(shí)長約為 75 h。

圖9　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法向力與速度加載曲線Fig.9 Time history of the normal load and the rotational speed of the disc specimen in the dynamic transient analysis

圖10　瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算的摩擦力與切向振動(dòng)加速度Fig.10 Dynamic transient analysis result of friction force and the tangential vibration acceleration in time domain

圖10所示為瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)法計(jì)算所得的光滑和T-30°-1表面摩擦系統(tǒng)在時(shí)域內(nèi)的摩擦力和切向振動(dòng)加速度(摩擦力方向)。從圖中可看出，光滑表面的摩擦力在時(shí)間t=0.04 s 時(shí)開始出現(xiàn)明顯的持續(xù)的高頻成分，相應(yīng)的切向振動(dòng)加速度信號(hào)出現(xiàn)明顯的連續(xù)的幅值，這表明摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的連續(xù)自激振動(dòng)并發(fā)射出摩擦尖叫噪聲。而對(duì)于T-30°-1表面，摩擦力并未出現(xiàn)持續(xù)的高頻成分，僅在制動(dòng)片試樣滑過6個(gè)溝槽(半個(gè)周期)時(shí)出現(xiàn)6次較大的波動(dòng)，其相應(yīng)的切向振動(dòng)加速度在滑過相應(yīng)溝槽處有較大波動(dòng)，但持續(xù)時(shí)間較短，并迅速衰減，沒有出現(xiàn)連續(xù)的幅值，這表明系統(tǒng)沒有產(chǎn)生連續(xù)的自激振動(dòng)，抑制了摩擦尖叫噪聲的形成。

將瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果(圖6)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出兩者有很好的一致性：光滑表面的摩擦力有明顯的持續(xù)的高頻成分，其切向振動(dòng)加速度有明顯的連續(xù)的幅值。而T-30°-1表面的摩擦力沒有持續(xù)的高頻成分，僅在制動(dòng)片試樣滑過溝槽時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，其切向振動(dòng)加速度也沒有出現(xiàn)連續(xù)的幅值。表明了溝槽會(huì)打斷摩擦界面的連續(xù)接觸，對(duì)摩擦系統(tǒng)連續(xù)自激振動(dòng)形成一定的抑制作用，并最終降低摩擦尖叫噪聲。

6結(jié)論

本文結(jié)合試驗(yàn)及有限元分析手段，研究了溝槽型織構(gòu)化表面處理對(duì)列車制動(dòng)盤試樣摩擦尖叫噪聲的影響，所得結(jié)論如下：

(1) 本試驗(yàn)條件下的光滑表面和3種織構(gòu)表面的摩擦噪聲特性存在顯著差異：整個(gè)試驗(yàn)過程中3種織構(gòu)表面所產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度均明顯較光滑表面的低，且T-30°-1表面所產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度最低。

(2) 試驗(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果均表明摩擦過程中溝槽表面的摩擦力無持續(xù)的高頻成分，僅在制動(dòng)片試樣滑過溝槽撞擊溝槽棱邊時(shí)有波動(dòng)，對(duì)應(yīng)的切向振動(dòng)加速度在溝槽處產(chǎn)生較大波動(dòng)，但其持續(xù)時(shí)間短暫，并迅速衰減，摩擦系統(tǒng)未能形成連續(xù)的自激振動(dòng)，一定程度上抑制了摩擦尖叫噪聲的產(chǎn)生。而未經(jīng)處理的光滑表面的摩擦力存在明顯的持續(xù)高頻成分，切向振動(dòng)加速度有明顯的連續(xù)的幅值，摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的連續(xù)自激振動(dòng)并激發(fā)出摩擦尖叫噪聲。

(3) 溝槽織構(gòu)表面降低尖叫噪聲的主要機(jī)理為：制動(dòng)片滑過并撞擊溝槽時(shí)引起摩擦力的明顯波動(dòng)，即溝槽的存在打斷了摩擦界面的連續(xù)接觸，這使得摩擦系統(tǒng)無法形成連續(xù)的自激振動(dòng)，進(jìn)而抑制了摩擦尖叫噪聲的形成。因此在列車制動(dòng)盤試樣表面加工出溝槽型表面織構(gòu)可以具有抑制摩擦尖叫噪聲的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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第一作者 王曉翠 女，碩士，1988年生

摘要：用電火花加工方法在列車制動(dòng)盤試樣表面上加工出不同尺寸徑向均勻分布的溝槽，選用列車制動(dòng)片材料為對(duì)磨副，采用面-面接觸模式，對(duì)溝槽表面和光滑表面進(jìn)行摩擦噪聲對(duì)比試驗(yàn)，研究溝槽型織構(gòu)化表面對(duì)摩擦尖叫噪聲的影響，并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用復(fù)特征值分析法和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。試驗(yàn)與數(shù)值分析結(jié)果均表明相比原始未處理光滑表面，溝槽型表面織構(gòu)能降低制動(dòng)盤試樣的界面摩擦尖叫噪聲。制動(dòng)片試樣滑過溝槽織構(gòu)表面并碰撞溝槽棱邊時(shí)將引起摩擦力的波動(dòng)，進(jìn)而打斷摩擦界面的連續(xù)接觸并擾亂系統(tǒng)的連續(xù)自激振動(dòng)，摩擦力和振動(dòng)加速度無法形成連續(xù)的高頻成分并最終降低摩擦尖叫噪聲。

關(guān)鍵詞：摩擦尖叫噪聲；有限元；表面織構(gòu)；數(shù)值模擬

Experimental and numerical study on the effect of surface texturing on squeal noise of brake disc materials

WANGXiao-cui,MOJi-liang,YANGJiang-zhou,HULi-hong,CHENGuang-xiong,ZHUMin-hao(Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract:Groove-textured surfaces with different dimensions grooves and regular angle intervals were manufactured by electromachining and used as train brake disc materials. An experimental contrast study was conducted to investigate the influence of groove-textured surfaces on friction-induced noise in a flat-on-flat contact mode with train brake pad as a counterface. Moreover, a numerical study was performed to simulate the experimental process by using the methods of complex eigenvalue analysis and dynamic transient analysis. Both the experimental and numerical results show that the existence of groove-textured surfaces on brake disc materials can reduce the squeal generation, comparing with the case of untreated smooth surface. The interface friction force fluctuates when the brake pad specimen slides across the groove-textured surface, and the collision between the edges of groove and pad specimen will interrupt the continuous contact between the friction surfaces and disturb the continuous self-excited vibration of the friction system. No continuous high frequency components of friction force and vibration acceleration will be generated and consequently the squeal noise is significantly reduced.

Key words:friction squeal noise; finite element; surface texturing; numerical simulation

中圖分類號(hào):TH117.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.030

通信作者莫繼良 男，博士，副研究員，1982年出生

收稿日期：2014-12-25修改稿收到日期：2015-03-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375408);教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃基金(NCET-13-0974);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2682014CX129)