交變磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)器摩擦噪聲抑制的試驗(yàn)研究

鮑久圣 董慧麗 陰妍

摘要： 基于摩?磁復(fù)合盤式制動(dòng)器和模擬制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，分析了不同磁場(chǎng)參數(shù)與制動(dòng)器摩擦噪聲及摩擦磨損行為之間的非線性映射關(guān)系，討論了交變磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)器摩擦噪聲的抑制機(jī)理。結(jié)果表明：磁場(chǎng)可明顯抑制制動(dòng)器摩擦噪聲的產(chǎn)生，其中磁感應(yīng)強(qiáng)度的改變對(duì)降噪效果更為明顯;低頻磁場(chǎng)對(duì)噪聲有較好抑制作用，但磁場(chǎng)頻率過(guò)高反而可能會(huì)加劇噪聲的產(chǎn)生。磁場(chǎng)具有穩(wěn)摩降噪、潤(rùn)滑降噪和磁致伸縮的作用機(jī)制，其根本原因是改善了界面摩擦磨損特性，增加了氧化磨損的比例，磨屑被細(xì)化后充當(dāng)了固體潤(rùn)滑劑的作用，使得摩擦界面趨于穩(wěn)定從而達(dá)到降噪的效果。研究結(jié)果解釋了磁場(chǎng)作用下制動(dòng)器摩擦噪聲的發(fā)生規(guī)律及抑制機(jī)理，可為未來(lái)利用磁場(chǎng)治理制動(dòng)器摩擦噪聲污染奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 降噪; 盤式制動(dòng)器; 摩擦噪聲; 磁感應(yīng)強(qiáng)度; 磁場(chǎng)頻率

引 言

制動(dòng)摩擦噪聲是城市噪聲污染的重要組成部分，嚴(yán)重影響著人們的正常生活[1]。隨著汽車數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，大中城市交通擁堵越發(fā)嚴(yán)重，頻繁的起步和剎車大大增加了制動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。影響制動(dòng)摩擦噪聲的因素較復(fù)雜，且噪聲本身具有較大的瞬時(shí)性和隨機(jī)性，故制動(dòng)噪聲的抑制成為目前國(guó)際性難題[2]。汽車制動(dòng)引起的噪聲通常被分為抖動(dòng)、顫振和尖叫等。其中，制動(dòng)尖叫作為一種典型的技術(shù)難點(diǎn)，具有頻率高（1000?16000 Hz）、聲壓級(jí)高（60?120?dB）、瞬時(shí)性等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制動(dòng)尖叫在用戶對(duì)汽車制動(dòng)器的申訴中所占比例高達(dá)60%，各大車企每年有近20%的研發(fā)費(fèi)用均消耗在解決振動(dòng)及噪聲問(wèn)題上[3]。因此，研究如何抑制制動(dòng)噪聲是汽車行業(yè)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在抑制制動(dòng)噪聲領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，例如，Xu等[4]利用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出從改變摩擦片的材料和制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)角度抑制摩擦噪聲。管迪華等[5]得出材質(zhì)較軟、摩擦因數(shù)較小、長(zhǎng)而窄的摩擦片能起到抑制摩擦噪聲的作用。蓋小紅等[6]、莫繼良等[7]證明溝槽的存在可打斷摩擦界面連續(xù)接觸，抑制摩擦尖叫噪聲效果。陳光雄等[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬?金屬摩擦副出現(xiàn)高聲強(qiáng)級(jí)的摩擦噪聲時(shí)，其表面磨痕形貌出現(xiàn)麻坑狀，犁溝出現(xiàn)不均勻斷裂，則摩擦副表面粗糙度較大。對(duì)于噪聲抑制的研究多集中于通過(guò)增加阻尼層、修改制動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、修飾制動(dòng)盤表面、改變摩擦材料等方面，但其僅對(duì)高頻噪聲有較好的抑制效果，對(duì)低頻噪聲的效果較差。近年來(lái)，陸續(xù)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)摩擦磨損特性和噪聲有一定的抑制作用，如魏永輝等[9]發(fā)現(xiàn)隨著磁導(dǎo)率增大，摩擦系數(shù)和磨損率有減小的趨勢(shì);Mansori等[10]研究了外加磁場(chǎng)垂直于滑動(dòng)接觸面時(shí)磁化材料的滑動(dòng)磨損行為;徐敬業(yè)[11]提出磁場(chǎng)可以主動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦界面的磨屑和高低頻噪聲的抑制;在文獻(xiàn)[12?15]中，研究人員研制了新型摩?磁復(fù)合制動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的添加及其靈活調(diào)節(jié)，探索了導(dǎo)磁制動(dòng)副的摩?磁耦合行為及其機(jī)理。然而目前關(guān)于磁場(chǎng)影響摩擦振動(dòng)噪聲的研究較少，尤其對(duì)其抑制機(jī)理的研究存在很大不足。因此，探究交變磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)摩擦噪聲的抑制作用具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和前瞻性，且對(duì)探尋減振降噪方法具有重要的理論指導(dǎo)及實(shí)踐意義。

針對(duì)當(dāng)前研究的不足，本文利用摩?磁復(fù)合制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展大量的制動(dòng)試驗(yàn)，首先重點(diǎn)探究磁場(chǎng)參數(shù)、摩擦噪聲和摩擦磨損等參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系;其次，觀測(cè)磁場(chǎng)干預(yù)下導(dǎo)磁摩擦片的表面形貌及磨屑分布，并分析導(dǎo)磁摩擦片表面元素成分和分布，從而深入研究磁場(chǎng)干預(yù)下制動(dòng)摩擦噪聲的發(fā)生規(guī)律及機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用臺(tái)架試驗(yàn)法模擬真實(shí)的制動(dòng)工況，摩?磁復(fù)合制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。其主要由慣量載荷系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、摩?磁復(fù)合制動(dòng)器和臺(tái)架六部分組成。通過(guò)變頻器和電機(jī)控制轉(zhuǎn)速的大小，采用飛輪模擬汽車后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，測(cè)控系統(tǒng)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)信號(hào)，通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)摩擦制動(dòng)，同時(shí)向勵(lì)磁線圈通電實(shí)現(xiàn)電磁制動(dòng)。測(cè)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制動(dòng)壓力、摩擦轉(zhuǎn)矩、主軸轉(zhuǎn)速和聲振信號(hào)，通過(guò)GB?DTS扭矩傳感器測(cè)量摩擦轉(zhuǎn)矩，并計(jì)算得出摩擦系數(shù);采用AWA?14421型聲學(xué)傳感器和CT1010L ICP/IEPE加速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲振信號(hào)，同時(shí)利用恒流適配器對(duì)聲振信號(hào)分別進(jìn)行放大、濾波，利用NI MCC1608G數(shù)據(jù)采集卡采集、顯示和記錄數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)采用課題組設(shè)計(jì)的摩?磁復(fù)合盤式制動(dòng)器[16]，其主要結(jié)構(gòu)有：背板、勵(lì)磁線圈、導(dǎo)磁摩擦片（特質(zhì)材料）、制動(dòng)鉗支架、制動(dòng)鉗體和制動(dòng)盤等，如圖2所示。

背板被改造成兩塊，并由兩個(gè)圓柱鐵芯連接的結(jié)構(gòu)，鐵芯上纏繞線圈，每個(gè)制動(dòng)器兩側(cè)分別布置2個(gè)勵(lì)磁線圈，每個(gè)線圈匝數(shù)N=438，鐵芯直徑d=24 mm，長(zhǎng)度l=30 mm，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量勵(lì)磁線圈電阻為7.1 Ω，24 V交流電通過(guò)調(diào)壓器、變頻器、勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生的電流范圍為0?5 A;線圈通入電流后，產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以穿過(guò)背板、鐵芯和導(dǎo)磁摩擦片，可使磁場(chǎng)在制動(dòng)副摩擦區(qū)域形成完整的回路，真實(shí)模擬制動(dòng)器在磁場(chǎng)環(huán)境下工作的狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)方案

制動(dòng)摩擦噪聲本身具有不確定性、瞬時(shí)性、多變性，且制動(dòng)工況的變化對(duì)其影響較大。研究表明，摩擦力、摩擦系數(shù)與摩擦噪聲之間存在一定的映射關(guān)系，為全面反映噪聲整體的強(qiáng)度和特征，采用等效連續(xù)A聲級(jí)（LAeq）和尖叫發(fā)生率（Occ）來(lái)表征噪聲特性;采用摩擦系數(shù)μ和摩擦力波動(dòng)系數(shù)α表征摩擦特性。通過(guò)結(jié)合制動(dòng)噪聲和摩擦特性，研究盤式制動(dòng)器的制動(dòng)摩擦噪聲產(chǎn)生機(jī)理。

制動(dòng)尖叫影響因素眾多，發(fā)生機(jī)理復(fù)雜，尖叫的頻率和聲壓級(jí)都存在固有的不可重復(fù)性、時(shí)變性、隨機(jī)性和不確定性等特征，即便是制動(dòng)壓力、速度和溫度都確定，其聲壓峰值也表現(xiàn)出很強(qiáng)的離散性，故尖叫發(fā)生率定義為制動(dòng)試驗(yàn)次數(shù)中制動(dòng)尖叫（LAeq > 70 dB）發(fā)生的頻次[18?19]，其計(jì)算公式如下

（1） 不同工況下制動(dòng)尖叫發(fā)生率試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了定量研究磁場(chǎng)對(duì)摩擦噪聲的影響規(guī)律，選取合適的制動(dòng)工況是試驗(yàn)方案的必要條件。通常低速階段更易產(chǎn)生制動(dòng)摩擦噪聲，故制動(dòng)初速度選取為5，10，15，20，25 km/h。根據(jù)GB 5763?2008《汽車用制動(dòng)器襯片》，本方案選取0.98 MPa為制動(dòng)壓力參考值，考慮試驗(yàn)臺(tái)液壓泵站的能力，取制動(dòng)壓力分別為0.5，0.75，1.0，1.25，1.5 MPa。采用正交試驗(yàn)法，將上述2因素（制動(dòng)初速度和制動(dòng)壓力）5水平進(jìn)行排列組合、交叉分組為25種工況，且為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在每個(gè)工況上進(jìn)行了3次制動(dòng)試驗(yàn)取其平均值。

為模擬真實(shí)的制動(dòng)工況，排除單次制動(dòng)的偶然性，本方案選取了多次連續(xù)制動(dòng)，每次制動(dòng)時(shí)間為5?s，兩次相鄰制動(dòng)時(shí)間間隔為30 s，連續(xù)制動(dòng)次數(shù)為10次。

（2） 不同磁場(chǎng)環(huán)境下制動(dòng)摩擦噪聲試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行大量關(guān)于不同工況對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率試驗(yàn)（具體為試驗(yàn)方案（1））之后，選取以下尖叫發(fā)生率較大的工況如表1所示。將交流電壓調(diào)節(jié)至36 V，通過(guò)高斯計(jì)測(cè)量制動(dòng)器摩擦接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其大小為0.258 T，故選取磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0，0.06，0.12，0.18，0.24 T;磁場(chǎng)頻率為0，25，50，75，100 Hz。

針對(duì)以上三種工況，分別研究磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)頻率對(duì)制動(dòng)噪聲的影響規(guī)律及其機(jī)理。磁感應(yīng)強(qiáng)度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響磁場(chǎng)頻率的效果，因此依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.18 T，研究不同磁場(chǎng)頻率下制動(dòng)噪聲的變化規(guī)律;同理，選取磁場(chǎng)頻率為50 Hz，研究不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)噪聲的變化規(guī)律。此方案采用交叉法開(kāi)展試驗(yàn)，各15組試驗(yàn)，每組開(kāi)展20次制動(dòng)試驗(yàn)，每組重復(fù)3次。記錄并整理制動(dòng)噪聲特征參數(shù)與摩擦特征參數(shù)等。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3.1 制動(dòng)工況參數(shù)對(duì)制動(dòng)器尖叫發(fā)生率的影響

制動(dòng)壓力與制動(dòng)初速度是影響制動(dòng)摩擦噪聲的重要因素，二者共同決定了制動(dòng)尖叫發(fā)生率[21?22]，其關(guān)系如圖3所示。

從圖中可以看出，制動(dòng)壓力為1.25 MPa，制動(dòng)初速度為5?km/h時(shí)，制動(dòng)尖叫發(fā)生率最大（約為35%）;制動(dòng)壓力為0.5 MPa，制動(dòng)初速度為25?km/h時(shí)，制動(dòng)尖叫發(fā)生率最小（約為12%）。不同制動(dòng)工況下，制動(dòng)尖叫發(fā)生率可能相近。例如，制動(dòng)壓力為1?MPa，制動(dòng)初速度為10?km/h;制動(dòng)壓力為0.75?MPa，制動(dòng)初速度為5 km/h;這兩種工況的尖叫發(fā)生率均為23%。

從壓力維度來(lái)看，制動(dòng)初速度一定時(shí)，隨制動(dòng)壓力的增加，制動(dòng)尖叫發(fā)生率表現(xiàn)為先增大后減小。在不同制動(dòng)初速度下，制動(dòng)尖叫發(fā)生率均在制動(dòng)壓力為1.25 MPa時(shí)達(dá)到最大。制動(dòng)壓力為0.5?1.25?MPa時(shí)，摩擦噪聲呈較為平緩的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是由于隨著載荷的增大，微凸體間相互嚙合的程度加深，被切削和脫落的材料增加，磨損率上升，摩擦噪聲隨之增加;超過(guò)1.25 MPa時(shí)，制動(dòng)尖叫發(fā)生率出現(xiàn)了急劇的下降，分析認(rèn)為，隨著磨粒磨屑的增多，其不斷被碾壓成層片狀，在一定程度上減少了摩擦磨損，摩擦界面趨于穩(wěn)定，由此產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)減少，摩擦噪聲也隨之減弱。

從速度的維度來(lái)看，制動(dòng)壓力恒定時(shí)，隨制動(dòng)初速度的增加，制動(dòng)尖叫發(fā)生率基本呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì);但減小的變化率有明顯的差異。制動(dòng)壓力為0.75，1和1.25 MPa時(shí)，變化趨勢(shì)比較明顯。除此之外，制動(dòng)尖叫發(fā)生率在低速階段（0?15 km/h）更為明顯，當(dāng)制動(dòng)初速度較低時(shí)，由于制動(dòng)過(guò)程時(shí)間短，摩擦片的溫度突變較大，表面微凸體之間相互擠壓碰撞產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部過(guò)熱形成冷焊點(diǎn)，發(fā)生剪切脫落，造成黏著磨損且摩擦界面不穩(wěn)定，故低速制動(dòng)時(shí)更容易產(chǎn)生噪聲。同時(shí)，制動(dòng)初速度較高時(shí)，磨屑的產(chǎn)生速度大于排出速度，磨屑產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，摩擦表面產(chǎn)生三體磨粒磨損[23]，隔離了摩擦面的直接接觸，摩擦界面相對(duì)穩(wěn)定，摩擦尖叫發(fā)生率較小。

1.3.2 磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)制動(dòng)器摩擦噪聲的影響

（1） 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)摩擦噪聲的影響研究

三種不同的制動(dòng)工況下，開(kāi)展磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率、等效連續(xù)A聲級(jí)、摩擦系數(shù)和摩擦力波動(dòng)系數(shù)四個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

對(duì)比圖4（a）和（b），從摩擦學(xué)角度分析，摩擦系數(shù)和摩擦力波動(dòng)系數(shù)在有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)有很大的差異，且均隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減小。摩擦表征參數(shù)在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的減小速度不同。在0?0.06 T范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)減小速度較慢;在0.06?0.24 T范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)減小速度較快，該現(xiàn)象表明較小磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)只能輕微的改善制動(dòng)摩擦行為，對(duì)摩擦系數(shù)的影響較小。摩擦力波動(dòng)系數(shù)整體趨勢(shì)在減小，但趨勢(shì)越來(lái)越平緩。從圖4（c）和（d）中可以看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，制動(dòng)尖叫發(fā)生率越小;連續(xù)等效A聲級(jí)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大明顯降低。磁感應(yīng)強(qiáng)度為0和0.24 T的試驗(yàn)工況，對(duì)比其制動(dòng)尖叫發(fā)生率，工況1的尖叫發(fā)生率降低了25%，工況2降低了約18%，工況3降低了約8%;對(duì)比其連續(xù)等效A聲級(jí)，工況1降低了12%;工況2與工況3均降低了8%。由此可見(jiàn)，磁場(chǎng)在抑制摩擦噪聲產(chǎn)生、降低制動(dòng)摩擦噪聲強(qiáng)度方面有積極作用。

（2） 磁場(chǎng)頻率對(duì)制動(dòng)摩擦噪聲的影響研究

三種不同的制動(dòng)工況下，開(kāi)展磁場(chǎng)頻率對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率、等效連續(xù)A聲級(jí)、摩擦系數(shù)和摩擦力波動(dòng)系數(shù)四個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，磁場(chǎng)頻率為25 Hz時(shí)，各制動(dòng)工況的摩擦系數(shù)均達(dá)到最低值;磁場(chǎng)頻率位于25?100 Hz時(shí)，制動(dòng)摩擦系數(shù)隨著頻率的增加而逐漸增大。由圖5（b）中可以看出，隨著磁場(chǎng)頻率的增大，摩擦力波動(dòng)系數(shù)先降低后升高。工況1和工況2在磁場(chǎng)頻率為25 Hz時(shí)，摩擦力波動(dòng)系數(shù)值達(dá)到最小;在25 Hz之后摩擦力波動(dòng)系數(shù)增加，摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。從圖5（c）中可以看出，制動(dòng)尖叫發(fā)生率隨磁場(chǎng)頻率的增大，其變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)先減少后增加，但變化值均不明顯。磁場(chǎng)頻率在一定程度上對(duì)制動(dòng)尖叫發(fā)生率有部分影響，但具有局限性。從圖5（d）可以看出，制動(dòng)摩擦噪聲在不同頻率的交變磁場(chǎng)下表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。三種制動(dòng)工況下，25?Hz交變磁場(chǎng)時(shí)制動(dòng)摩擦噪聲強(qiáng)度最低，高于25?Hz以后制動(dòng)摩擦噪聲等效連續(xù)A聲級(jí)逐漸上升。

綜上所述，低頻磁場(chǎng)噪聲有抑制聲壓的作用，高頻磁場(chǎng)反而增強(qiáng)了噪聲聲壓的大小。磁場(chǎng)頻率的變化對(duì)制動(dòng)摩擦特征影響很小，因?yàn)榇艌?chǎng)頻率雖能改變摩擦特性，但對(duì)摩擦特征的改變幅度較小，不足以引起制動(dòng)噪聲強(qiáng)度的明顯變化。

2 磁場(chǎng)對(duì)摩擦噪聲的抑制規(guī)律及其機(jī)理研究

制動(dòng)摩擦噪聲的產(chǎn)生與制動(dòng)副表面的磨損有關(guān)，分析摩擦副表面磨損特征及元素含量是揭示磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)摩擦噪聲影響機(jī)理的有效手段[24]。雖然無(wú)法直接捕捉在磁場(chǎng)作用下制動(dòng)過(guò)程中的摩擦學(xué)行為，但導(dǎo)磁摩擦片的形貌卻能較好地反映以上信息。觀測(cè)磨屑和摩擦面可以分析磨粒磨損的形態(tài)，摩擦片表面形態(tài)的變化是研究摩擦磨損規(guī)律和機(jī)理的關(guān)鍵。且摩擦片的化學(xué)成分與分布特點(diǎn)反映了摩擦副表面間的化學(xué)反應(yīng)和元素遷移，其對(duì)摩擦機(jī)理的研究同樣十分重要。本文利用SEM（掃描電子顯微鏡）觀測(cè)導(dǎo)磁摩擦片的微觀表面形貌特征，分析磁場(chǎng)下的摩擦磨損行為;利用EDS（能譜儀）和BSE（背散射電子成像技術(shù)）分析導(dǎo)磁摩擦片表面元素成分和分布[25]。通過(guò)對(duì)不同磁場(chǎng)條件下導(dǎo)磁摩擦片的微觀形貌、元素分布的分析，探究磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)噪聲的影響進(jìn)而揭示其機(jī)理。

2.1 不同磁場(chǎng)環(huán)境下導(dǎo)磁摩擦片表面磨損分析

從圖6（a），（b），（c），（d）可以得出，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，摩擦副界面的磨損狀態(tài)逐漸得到明顯改善。

未加入磁場(chǎng)環(huán)境時(shí)，圖6（a）中可以清晰看到表面磨損嚴(yán)重，大塊顆粒狀摩擦材料脫落，凹坑的深度與尺寸較大，總體呈現(xiàn)出麻坑狀，甚至部分磨屑發(fā)生聚集與黏結(jié)并被填充在凹坑中。摩擦界面的磨損過(guò)于劇烈，且此時(shí)的噪聲聲壓最大。制動(dòng)器出現(xiàn)噪聲較大的原因在于摩擦副本身的磨損狀態(tài)嚴(yán)重，產(chǎn)生制動(dòng)性能衰退和顫抖現(xiàn)象。圖6（b）中整個(gè)界面犁溝現(xiàn)象少量存在，但剝落區(qū)域和深度都明顯減小，凹坑中存在細(xì)小的磨屑，部分顆粒被壓入到摩擦界面中。除此之外，噪聲降低2.8?dB。圖6（c）中磨屑數(shù)量減少、尺寸較小，摩擦面由于摩擦壓實(shí)作用整體較平整，犁溝排布較均勻，可明顯觀察到材料剝離與脫落痕跡。凹坑數(shù)量明顯減少，存在部分細(xì)小顆粒，依附在表面或者被填充在溝壑中。圖6（d）中沒(méi)有明顯大塊物質(zhì)脫落，只有零星凹坑分布在摩擦界面，顆粒狀的磨屑均勻分布在摩擦界面，整個(gè)表面光滑致密。摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定性最高，有效抑制了自激振動(dòng)與制動(dòng)摩擦噪聲的產(chǎn)生。

由圖6（e），（f）可以得出，磁感應(yīng)強(qiáng)度不變時(shí)，低頻磁場(chǎng)下，導(dǎo)磁摩擦片表面僅有少量凹坑，磨屑數(shù)量較少且多為細(xì)小的顆粒;高頻磁場(chǎng)下，導(dǎo)磁摩擦片表面存在明顯的凹坑加深，犁溝現(xiàn)象明顯。

綜上所述，磁場(chǎng)緩解了摩擦界面的磨損，且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，磁場(chǎng)減磨效果越明顯，制動(dòng)摩擦噪聲也隨之降低。磁場(chǎng)頻率對(duì)摩擦片減磨效果有一定的改善效果。

2.2 不同磁場(chǎng)環(huán)境下導(dǎo)磁摩擦片表面元素分析

不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下導(dǎo)磁摩擦片磨損表面成分和磨損顆粒分析結(jié)果如圖7所示，導(dǎo)磁摩擦片表面元素存在明顯差異。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，氧元素所占比例增加，這說(shuō)明摩擦表面的氧化磨損情況較多。磨屑作為第三體，在摩擦過(guò)程中不僅能吸收機(jī)械能，而且被反復(fù)研磨細(xì)化，導(dǎo)致表面積增加，較剛脫離母體時(shí)更易于氧化。同時(shí)，鐵和鎳的含量均隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加，這說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)脫落的磨屑具有較強(qiáng)的吸附作用，使得磨屑被填充在凹坑中。

摩擦界面各元素的分布情況與存在形式也發(fā)生了改變。從圖7中可以看出，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加，磨屑變得更為細(xì)小，且分布更為均勻。以Fe元素為例，圖7（a）中Fe元素以較大的顆粒形式存在于導(dǎo)磁摩擦片表面，形狀不規(guī)則。圖7（b）與（c）中Fe元素的顆粒明顯細(xì)化，尺寸較小且均勻分布。這些現(xiàn)象均表明，磁場(chǎng)使得導(dǎo)磁摩擦片表面發(fā)生物理與化學(xué)變化，物質(zhì)成分的比例發(fā)生變化。

2.3 交變磁場(chǎng)影響制動(dòng)噪聲發(fā)生機(jī)理的討論

綜上所述，對(duì)比有無(wú)磁場(chǎng)的試驗(yàn)工況，很明顯添加磁場(chǎng)使得摩擦系數(shù)、摩擦力波動(dòng)系數(shù)以及等效連續(xù)A聲級(jí)均減小，且摩擦界面的磨損狀態(tài)明顯得到緩解;這是由于磁場(chǎng)增強(qiáng)了順磁性物質(zhì)的化學(xué)吸附能力，促進(jìn)了摩擦界面的氧化膜的形成，磨損狀態(tài)被緩和[26]。且磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性材料的吸附作用，磨屑吸附在制動(dòng)盤反復(fù)被研磨，改變了導(dǎo)磁摩擦片表面的微觀狀態(tài)[27]。磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，摩擦系數(shù)與摩擦力波動(dòng)系數(shù)越小，摩擦界面凹坑越少。但當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)摩擦材料的飽和值，導(dǎo)磁摩擦片中的鐵磁性材料在磁場(chǎng)作用下，因磁化現(xiàn)象發(fā)生了幾何尺寸可逆變化，即磁致伸縮效應(yīng)[28]。磁致伸縮現(xiàn)象和摩擦應(yīng)力的結(jié)合，使導(dǎo)磁摩擦片金屬相或組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致其整體的強(qiáng)度和硬度均得到提高，從而耐磨性得到增強(qiáng)[29]。根據(jù)摩擦導(dǎo)致的自激振動(dòng)機(jī)理可知，磁場(chǎng)使得制動(dòng)摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定，制動(dòng)摩擦噪聲以摩擦力為激勵(lì)力，摩擦磨損得到緩解，摩擦力波動(dòng)系數(shù)較小，對(duì)產(chǎn)生其噪聲的能量饋入就會(huì)減小，自激振動(dòng)減弱，因此摩擦噪聲不論從產(chǎn)生概率還是從強(qiáng)度均得到抑制。上述現(xiàn)象共同說(shuō)明了磁場(chǎng)具有減磨降噪的作用。

在磁場(chǎng)作用下，磁化狀態(tài)導(dǎo)致導(dǎo)磁摩擦片產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮效應(yīng)降低了材料內(nèi)應(yīng)力，增加了材料塑性，位錯(cuò)遷移速度的增加相當(dāng)于硬化材料表面的作用，因此變相增強(qiáng)了摩擦副耐磨性。但是磁場(chǎng)頻率過(guò)高時(shí)，位錯(cuò)速度過(guò)快，材料迅速聚集在接觸表面成為裂紋源，加速接觸點(diǎn)斷裂而成為磨屑，從而磨損現(xiàn)象加劇;同時(shí)，由洛倫茲力、線磁致伸縮和體磁致伸縮機(jī)理綜合作用在鐵磁材料中激發(fā)出超聲波，最終超聲波產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為噪聲，導(dǎo)致鐵磁材料產(chǎn)生的聲壓和噪聲發(fā)生率加劇[30]。

此外，制動(dòng)器摩擦磨損是包含黏著磨損、氧化磨損、犁削和剝層等現(xiàn)象的混合磨損機(jī)制，其中黏著磨損是磨損的主要方式。一方面，磁場(chǎng)的添加使磨損的程度減小，摩擦界面更加平整光滑，穩(wěn)定了摩擦系數(shù)，摩擦振動(dòng)與噪聲的傾向降低，如下式所示

F與摩擦副之間的有效接觸面積S成正比，與B的平方成正比，摩擦片與制動(dòng)盤相互嚙合接觸，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與接觸面積S越大，磁吸力F越大，嚙合越嚴(yán)密，因而摩擦副振動(dòng)越小，提高了工作的平穩(wěn)性，降低了振動(dòng)噪聲[31]。磁場(chǎng)的存在使得摩?磁制動(dòng)副相互吸引嚙合接觸，接觸面積的增加使得摩擦系統(tǒng)的波動(dòng)減小。

另一方面，將磁場(chǎng)摩擦學(xué)與摩擦噪聲發(fā)生機(jī)理相結(jié)合，可以通過(guò)磁荷模型解釋振動(dòng)噪聲減弱，由于導(dǎo)磁摩擦片在制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生釹鐵硼、Fe3O4等鐵磁性磨屑，其主軸線與外部磁場(chǎng)方向夾角為θ，兩極分別會(huì)產(chǎn)生+m與-m的磁荷[32];隨著交變磁場(chǎng)對(duì)磨屑的磁化，磨屑受到力偶的作用發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終磁性磨屑顆粒的磁軸方向與外磁場(chǎng)方向平行，磨屑顆粒受力如圖8所示。

交變磁場(chǎng)決定了磁場(chǎng)力，磁場(chǎng)的存在不僅使得鐵磁性磨屑被吸附在摩擦表面，而且也會(huì)夾雜其他顆粒狀磨屑，鐵磁性磨屑產(chǎn)生布朗運(yùn)動(dòng)。且由于磁場(chǎng)對(duì)磨屑的磁吸引作用，降低了摩擦界面間的直接接觸，使磨損狀態(tài)得到緩和。磨屑承擔(dān)摩擦副間的“第三體”的角色，起到隔離作用，阻止了摩擦界面的直接接觸，且第三體磨料對(duì)母體造成磨料磨損的作用微弱，黏著和犁削現(xiàn)象都得到緩和。在高頻磁場(chǎng)下，在磁場(chǎng)力與分子力的作用下，磁性磨屑在交變磁場(chǎng)中的動(dòng)態(tài)行為越顯著，頻繁的磁化導(dǎo)致鐵磁性磨屑產(chǎn)生彈性振動(dòng)及呈現(xiàn)出黏著與聚集的狀態(tài)，相對(duì)低頻磁場(chǎng)作用下，增加了摩擦界面的自激振動(dòng)[33];在低頻磁場(chǎng)的制動(dòng)過(guò)程中，磨屑一直做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，被研磨時(shí)間越長(zhǎng)，磨屑的顆粒體積越小，且不斷被填充在凹坑中，使得摩擦界面更為光滑，同時(shí)細(xì)小的磨屑可起到類似滾珠或固體潤(rùn)滑劑的作用，減少了摩擦磨損，微凸體之間的切削與塑性變形減少，摩擦振動(dòng)的激勵(lì)源隨之減弱，摩擦噪聲相對(duì)降低[34]。磨屑的研磨與細(xì)化作用也是降低制動(dòng)噪聲的原因之一。

3 結(jié)論與展望

本文通過(guò)開(kāi)展不同磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)頻率下的摩擦噪聲及其摩擦磨損性能試驗(yàn)，研究磁場(chǎng)對(duì)不同制動(dòng)工況下制動(dòng)器摩擦噪聲的影響規(guī)律及其機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1） 低速高壓更易于產(chǎn)生制動(dòng)噪聲;磁感應(yīng)強(qiáng)度較大時(shí)，摩擦力波動(dòng)系數(shù)與摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)均得到緩解，摩擦系統(tǒng)自激振動(dòng)也因此減弱，摩擦噪聲聲壓降低。磁場(chǎng)頻率的改變對(duì)降噪有一定的局限性，低頻抑制摩擦噪聲，高頻反而具有促進(jìn)作用。

2） 磁場(chǎng)可明顯抑制摩擦噪聲的產(chǎn)生，原因如下：

a. 磁場(chǎng)具有減磨降噪的作用。磁場(chǎng)通過(guò)促進(jìn)氧化磨損，改善摩擦片摩擦磨損狀態(tài)，使摩擦副相互吸引嚙合接觸，波動(dòng)減小，摩擦振動(dòng)減弱，起到了耐磨的作用，最終降低摩擦噪聲產(chǎn)生的概率和聲壓大小。

b. 磁場(chǎng)具有磁致伸縮效應(yīng)。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)飽和值后，產(chǎn)生體積磁致伸縮效應(yīng)。摩擦材料整體的強(qiáng)度、硬度和耐磨性增強(qiáng);低頻磁場(chǎng)時(shí)材料的位錯(cuò)遷移速度增加而迅速聚集在一起使表面硬化，耐磨性增強(qiáng)。但高頻磁場(chǎng)下，位錯(cuò)遷移速度過(guò)快，接觸表面形成裂紋源，加速接觸點(diǎn)的斷裂，磨損反而加劇。

c. 磁場(chǎng)具有潤(rùn)滑降噪的作用。磁場(chǎng)對(duì)磨屑有吸附作用，磨屑被細(xì)化為更小的顆粒且承擔(dān)固體潤(rùn)滑劑的角色，促進(jìn)氧化膜的形成，降低摩擦力的波動(dòng)，從而導(dǎo)致摩擦噪聲的降低。

本文通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析，掌握了磁場(chǎng)對(duì)盤式制動(dòng)器摩擦噪聲的影響機(jī)理。但是由于制動(dòng)摩擦噪聲受多種因素的影響，且時(shí)間和試驗(yàn)手段有限，本文的研究工作仍然存在不足之處，有待進(jìn)一步研究：

1） 論文主要是交變磁場(chǎng)對(duì)制動(dòng)器摩擦噪聲的試驗(yàn)研究和抑制規(guī)律的總結(jié)，今后宜建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型或統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)一步闡述機(jī)理的研究，且希望在今后的工作中可找出完全抑制摩擦制動(dòng)噪聲的參數(shù);

2） 本研究表明磁場(chǎng)可以抑制制動(dòng)摩擦噪聲，為減輕制動(dòng)摩擦噪聲提供了一種可行的方法，建立磁場(chǎng)力變化引起制動(dòng)尖叫的動(dòng)力學(xué)模型，闡明其機(jī)理及參數(shù)影響規(guī)律是今后亟待研究的問(wèn)題。

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