关于制动器振动与噪声分析的材料设计与研究

苏轶

吉林省舒兰市起重机配件有限责任公司 132600

摘要：对鼓式制动器振动与噪声的研究进行了综述。探讨了通过改变摩擦材料和制动器结构来抑制噪声的方法。并提出了陶瓷金属功能梯度材料的发展在汽车制动系统上的应用，以及结合力学，汽车，自动化多个学科对整个制动器系统进行模拟彷真，建立专家系统。并在结构设计上综合考虑对尺寸参数的优化设计与对形状和拓扑优化。

关键词：鼓式制动器；噪声；摩擦材料；专家系统；功能梯度材料

1 制动器振动与噪声的分类和性质

制动噪声的频率范围非常广，在不同的车型和不同的制动情况下噪声的频率也不相同。可以从几十赫兹到上万赫兹。其分類方法也各不相同，有按频率范围划分的，有按人的感觉划分的。根据制动器部件振动频率的频段可分为低频振颤噪声（约几十到几百赫兹）和中高频尖叫噪声（约几百到十几千赫兹）。这样划分的主要依据是：在低频范围鼓式制动器的各主要部件都以刚体形态参加振动，在中高频范围则主要涉及部件弹性模态，是更为复杂的情况。按照人的感觉我们可以把噪声分为尖叫、发啃、挤压等六类。我们通常所说的制动尖叫就属于高频噪声，而制动发啃属于低频噪声。

2、制动器振动与噪声的国内外研究进展

整个五十年代，人们都在认为引起制动尖叫的根本原因是摩擦材料本身的特性。当时著名的stick-slip现象就是把制动尖叫归结为当静摩擦系数大于动摩擦系数或者摩擦系数随相对滑动速度的变化率rvf??<0时制动系统的自激振动在1961年制动尖叫的机理又有了重大发展，就是R.T.Spurr首次使用Sprag-slip现象来解释制动尖叫的形成，它表明不论摩擦材料特性如何，仅由于摩擦付的几何特性匹配不当便会导致制动尖叫。1969年BARBER发现当两个紧压的弹性体发生相对滑动时，摩擦产生的热量进入摩擦付导致了材料热弹性的变化，从而引起摩擦面接触应力分布的改变，这些变化对摩擦材料的摩擦特性影响巨大，使摩擦面上的接触压力变的不均匀，最终使系统趋于不稳定，整个过程称为TEI（thermoelastic instability）。TEI思想的不断发展，就 是当今世界的热门话题——HOT SPOT现象。

进入七十年代后，制动器尖叫依赖于振动理论，有限元方法和电子计算机技术的应用的研究又有了新的发展，主要特点是从简化模型的研究逐步进入对实际制动器结构的研究。

1980年Felske用纯实验方法研究了鼓式制动器的制动尖叫，通过激光全息技术观察了尖叫时制动器各部件的振型，发现底板在尖叫时表现出强烈的振动模态。因此，Felske改进了底板结构并进行了试验验证，得到结论：增加底板刚度可以抑制尖叫，制动鼓本身的模态对尖叫没有实质性的影响。最后作者提出质疑，对仅研究摩擦付特性能否解决实际的尖叫问题表示怀疑。

进入80年代，国内也开始大力展开对制动器噪声的研究并取得了很大的突破。1988年陈世雄和陈小悦分别对鼓式制动器的制动尖叫和制动发啃进行了研究。

通过采用有限元计算和实验分析相结合的方法分析了制动尖叫对于接触形态的敏感性以及阻尼对制动尖叫的影响。陈小悦通过对制动器自激振动的研究提出了自激振动发生与否取决于由制动作用耦合的只动系统闭环稳定性的理论，并根据这一理论建立了鼓式制动器低频振动的数学模型。通过对制动器进行实验及谱分析，并建立了动力学模型证明摩擦耦合激振力才是引起制动尖叫的关键，弹性耦合激振力并不是主要因素。

1997年制动鼓的径向振动导致噪声，加入阻尼减振，增强制动鼓刚度及减小制动蹄刚度可达到降低噪声的目的也被首次提出。敏度分析方法来确定影响噪声发生的子结构关键模态参数，推导了噪声模态特征值实部关于子结构特征值特征向量的灵敏度计算公式，并从能量溃入的角度推导了其关于子结构模态参数的灵敏度。

3 制动器材料与结构的优化设计

3.1 材料的优化设计对噪声的抑制作用

通过研究摩擦材料来分析制动噪声产生机理的最初的模型就是stick-slip现象，这也是在早期解决制动噪声问题的典型模型，它主要是立足于摩擦材料的固有性质。

从五十年代至今，制动器材料上的研究取得了飞速发展。摩擦材料也取得了质的飞跃。在20世纪20-80年代，石棉有机摩擦材料几乎是统一天下，但随着现代汽车速度的提高，使制动器表面温度可达300-500c。因为石棉导热性和耐热性能差 所以逐步被新材料取代。针对本文，这种摩擦材料也产生很刺耳的高频噪声，即我们常说的制动尖叫。

70年代初，美国本迪斯公司开发了无石棉摩擦材料，它是以纤维或金属粉代替石棉纤维。这种材料大大降低了制动噪音。但在低速行驶制动的情况下，易产生低频噪声，即我们常说的发啃。现在国内厂家也在批量生产钢纤维。使用这种纤维的半金属摩擦衬片在国产奥迪，桑塔纳，夏利等多种车型中使用。

近20年来研究绝大部分集中在非石棉有机摩擦材料方面。在代替石棉的纤维中，除了钢纤维外，比较常见的还有玻璃纤维和碳纤维，芳纶纤维以及这些纤维的混杂纤维等。

目前，无论是钢纤维还是碳纤维等制作的摩擦材料都面临着热衰退和热磨损问题。为此开始用粉末冶金生产的铁基，铜基金属陶瓷摩擦材料。这种摩擦材料虽然一定程度上解决了热衰退和热磨损问题。但它也有着很多的缺点，其中不可回避的问题之一就是制动噪声大。

虽然半个多世纪来人们都在致力于解决制动噪声问题。但仅仅通过改变摩擦材料都未能达到这一目的。

3.2 结构的改变对噪声的抑制作用

在人们仍然热衷于通过改变摩擦材料的来抑制噪声的时候，就有人开始尝试用改变制动器的结构来抑制制动噪声的方法。在那之后国内外均开始了通过优化结构来抑制制动噪声的研究，但迄今为止尚无令大家意见统一的定论。通常对某一款车型适用的方法换到其他车上却有可能全部失效。人们采用了理论，实验，计算等多种方法都没能解决这一问题。国内的研究在开始阶段大多数都把噪声产生的原因归结为蹄与鼓之间参数匹配不正确上造成。朱新潮等指出制动器所有部件的结构参数对制动高频噪声均有重要影响，并通过对计算结果的归纳表明：对制动器起决定作用的是鼓子结构和包含有底版、蹄、分泵及油路操作系统在内的PSPO子结构系统的参数匹配或极点配置。

目前国内外针对结构动态特性修改进行优化和设计的方法大概有两个方向，一是基于尺寸参数的优化设计方法，其关键是特征值与特征向量对结构尺寸参数的灵敏度。另一类是形状和拓扑优化的方法，这种方法虽然目前也得到了广泛的重视和研究，但仍然为能在工程上得到广泛的应用。目前较重要的理论用Homogenizationhe Density Function、Continuum Formulati- ons Evolutionary Structural Optimiz- ation

4 关于功能梯度材料（FGM）在摩擦材料上应用的探讨

4.1 纤维增强复合材料在摩擦材料以及汽车的其它关键部件都得到了广泛的应用。但是纤维增强复合材料在具有众多优势的时候，也有着显著的缺点，既当结构承受较高水平的机械荷载和热荷载作用时，在层间容易产生应力集中。功能梯度材料（1984年，日本科学家运用陶瓷和金属复合而成一种新型非均匀材料）各组份材料的体积含量在空间位置上是连续变化的，其物理性能没有突变，因而可较好的避免或降低应力集中现象。摩擦材料在制动时会产生大量的热，从而使制动器温度在短时间内升高到100-500c。而功能梯度材料由于材料组成以及特有的体分比结构，使其已被发展用来做高温环境下的结构构件。