[摘要] 制動(dòng)摩擦振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和控制技術(shù)是學(xué)術(shù)界和工程技術(shù)人員多年來一直在努力解決的世界性難題。本文中采用激光表面淬火技術(shù)對(duì)4 個(gè)鑄鐵制動(dòng)盤的摩擦表面進(jìn)行激光改性處理，實(shí)驗(yàn)研究了激光淬火功率對(duì)制動(dòng)盤殘余應(yīng)力、阻尼系數(shù)、摩擦因數(shù)以及摩擦振動(dòng)和噪聲的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光淬火后制動(dòng)盤的表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力；阻尼系數(shù)隨著淬火功率的增大而增大；摩擦因數(shù)隨著淬火功率的增大有所降低但更趨穩(wěn)定，有效地減小了制動(dòng)摩擦振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生，尤其對(duì)制動(dòng)卡鉗的減振效果明顯，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)將制動(dòng)卡鉗的振動(dòng)加速度均方根值最大降低到原盤的30%。本研究對(duì)制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲的控制、減少制動(dòng)磨損進(jìn)而改善環(huán)境都具有重要意義。前言
摩擦引起的振動(dòng)噪聲廣泛存在于人們的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。為消去或減小制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和工程師們做了大量的研究工作，并取得了一些成果。目前抑制制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲的方法主要概括為以下4 種:(1)優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；(2)增加制動(dòng)系統(tǒng)阻尼；(3)改變摩擦材料配方和加工工藝；(4)摩擦副界面改性。研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生與摩擦界面的形貌和特性密不可分。近年來，很多學(xué)者開始利用各種表面處理方法對(duì)制動(dòng)摩擦界面進(jìn)行改性，研究制動(dòng)盤/片的表面處理對(duì)制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲的影響規(guī)律。Bergman 等利用表面噴丸處理方法對(duì)制動(dòng)盤摩擦表面進(jìn)行表面處理，使摩擦表面產(chǎn)生系列凹點(diǎn)，然后通過分析觀察制動(dòng)盤經(jīng)過制動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)后的摩擦表面形貌，以及與制動(dòng)摩擦噪聲和振動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究表明，制動(dòng)盤經(jīng)噴丸處理后其摩擦表面產(chǎn)生的凹點(diǎn)能明顯降低制動(dòng)盤摩擦表面的摩擦因數(shù)，并且使摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，從而有效降低制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲。隨著表面處理技術(shù)的發(fā)展，激光表面改性技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)新的表面處理技術(shù)。Wang等對(duì)制動(dòng)盤振動(dòng)噪聲的研究表明，激光加工凹槽表面的圓盤具有比未加工凹槽表面更好的表面硬度和殘余應(yīng)力，制動(dòng)性能在制動(dòng)盤厚度變化、摩擦磨損、噪聲和減振等方面均有明顯改善，制動(dòng)噪聲和振動(dòng)的降低主要是由摩擦因數(shù)降低、阻尼比增大和激光表面開槽改善制動(dòng)盤厚度變化引起的。激光淬火技術(shù)是比較成熟的提高材料表面硬度、抗磨損、提高材料使用壽命的有效方法，但將激光淬火技術(shù)用于改變材料的減振降噪性能的研究卻寥寥無幾。楊久霞等針對(duì)鋸片在工作過程中，鋸片表面極易出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致鋸片崩齒且易出現(xiàn)振動(dòng)噪聲的問題，提出采用激光表面淬火技術(shù)對(duì)鋸片表面進(jìn)行改性處理。經(jīng)過鋸片金相組織分析、有限元模擬計(jì)算及選擇合理的激光淬火工藝參數(shù)對(duì)鋸片表面進(jìn)行激光表面淬火處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過合理激光淬火工藝處理后的鋸片其耐磨性能和抗沖擊能力明顯得到提高，并且鋸片激光淬火后其表面殘余應(yīng)力也發(fā)生了變化，未激光淬火前鋸片表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，激光淬火后其表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，鋸片表面殘余應(yīng)力的改變對(duì)鋸片工作過程中的振動(dòng)起到了很好的抑制作用，從而減少了鋸片在工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲。本文中利用激光表面淬火技術(shù)對(duì)4 個(gè)鑄鐵制動(dòng)盤的摩擦表面進(jìn)行激光改性處理，測(cè)試比較了激光淬火和原盤(非淬火制動(dòng)盤)表面的殘余應(yīng)力和模態(tài)阻尼，利用link3900 摩擦制動(dòng)臺(tái)架對(duì)4 個(gè)激光淬火制動(dòng)盤和1 個(gè)原盤進(jìn)行摩擦制動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，比較其制動(dòng)摩擦振動(dòng)和噪聲的大小，并探討了制動(dòng)盤表面激光淬火的減振降噪機(jī)理。1 制動(dòng)盤表面激光淬火處理
影響激光表面淬火效果的主要工藝參數(shù)是激光淬火功率、光斑面積和掃描速度。因?yàn)樗鼈儠?huì)影響工件激光淬火層的組織結(jié)構(gòu)、硬度、淬火深度及其它性能。本文中激光淬火的加工對(duì)象為灰鑄鐵制動(dòng)盤，其主要尺寸參數(shù)為:外徑253 mm，內(nèi)徑158 mm，厚度20 mm。激光淬火加工方案為:掃描速度和光斑尺寸固定，通過改變激光功率，研究不同激光功率對(duì)制動(dòng)盤表面性能和振動(dòng)噪聲的影響。其中，激光功率從大到小依次為 1＃、4＃、2＃、3＃盤，而 5＃盤為原盤(未進(jìn)行激光淬火盤)。摩擦表面加工有多條環(huán)狀激光掃描帶，掃描帶呈圓環(huán)狀，沿制動(dòng)盤摩擦表面的徑向方向由外向內(nèi)依次分布。圖1 為制動(dòng)盤激光淬火設(shè)計(jì)示意圖，而圖2 為經(jīng)過激光淬火后的制動(dòng)盤表面實(shí)物圖。圖1 制動(dòng)盤表面激光淬火設(shè)計(jì)示意圖2 激光淬火對(duì)制動(dòng)盤性能的影響
2.1 激光淬火對(duì)制動(dòng)盤表面殘余應(yīng)力的影響
本文中殘余應(yīng)力的測(cè)試方法為X 射線衍射法，測(cè)試儀器為TEC 4000 型X 射線衍射儀。在對(duì)制動(dòng)盤表面進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試時(shí)，在制動(dòng)盤的3 個(gè)激光淬火帶和2 個(gè)搭接帶上選取5 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取該5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的算術(shù)平均值作為該制動(dòng)盤表面激光淬火后的殘余應(yīng)力值。在測(cè)量時(shí)，分別測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)的徑向和切向兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力值，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3 可以看出，各制動(dòng)盤經(jīng)激光淬火后其表面的殘余應(yīng)力均是壓應(yīng)力，而原盤的表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可減少工件在工作過程中應(yīng)力集中的出現(xiàn)，進(jìn)而提高工件的抗疲勞能力并提高工件的使用壽命，而殘余拉應(yīng)力則將導(dǎo)致工件在工作過程中裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展。因此鑄鐵制動(dòng)盤經(jīng)過激光淬火后產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可減少盤面裂紋的產(chǎn)生，從而改善制動(dòng)盤的抗熱疲勞性，提高摩擦界面的穩(wěn)定性，達(dá)到減振降噪的目的。圖3 制動(dòng)盤殘余應(yīng)力測(cè)試均值2.2 激光淬火對(duì)制動(dòng)盤模態(tài)阻尼的影響
制動(dòng)盤模態(tài)阻尼系數(shù)是制動(dòng)振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的重要影響因素。本文中對(duì)激光淬火制動(dòng)盤和原盤進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。采用北京東方噪聲和振動(dòng)研究所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理(DASP)軟件，對(duì)激光淬火前后的制動(dòng)盤進(jìn)行模態(tài)測(cè)試。本文中采用單激勵(lì)法進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn)，單激勵(lì)法即對(duì)制動(dòng)盤激勵(lì)時(shí)一次只激勵(lì)1 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)連續(xù)錘擊3 次取平均值。表 1 所示為 1?！?＃盤前 10 階模態(tài)阻尼系數(shù)的測(cè)試結(jié)果。因?yàn)榧す獯慊饘?duì)制動(dòng)盤的模態(tài)頻率影響不大，所以這里沒有列出。由表1 可以看出，制動(dòng)盤經(jīng)過激光淬火后，其同階模態(tài)的阻尼系數(shù)明顯增加，且隨著激光淬火功率的增大，激光淬火制動(dòng)盤的各階模態(tài)阻尼系數(shù)也隨之增加，其中1＃盤模態(tài)阻尼系數(shù)增加最明顯，3＃盤阻尼系數(shù)增加最少。表1 制動(dòng)盤模態(tài)阻尼系數(shù)測(cè)試值 %激光淬火制動(dòng)盤阻尼系數(shù)增大的原因是:制動(dòng)盤激光淬火后其內(nèi)部組織發(fā)生了變化，由粗大的奧氏體轉(zhuǎn)為細(xì)密的馬氏體，這可使鑄鐵制動(dòng)盤內(nèi)部保持良好的韌性，從而可有效地提高鑄鐵制動(dòng)盤的阻尼性能，因而制動(dòng)盤激光淬火后其模態(tài)阻尼系數(shù)增加明顯。3 激光淬火對(duì)制動(dòng)盤摩擦振動(dòng)噪聲的影響
3.1 摩擦制動(dòng)臺(tái)架與實(shí)驗(yàn)方法
利用link3900 臺(tái)架對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行摩擦制動(dòng)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可以測(cè)量制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能，并記錄下實(shí)驗(yàn)時(shí)的各種制動(dòng)參數(shù)；采用ISO 26867:2009《道路車輛 制動(dòng)襯片摩擦材料 汽車制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦行為評(píng)定》。聲壓傳感器的安裝位置依據(jù)SAE J2521 標(biāo)準(zhǔn)置于距制動(dòng)盤外表面軸承中心正前方 10 cm，高 50 cm 處，如圖 4 所示。利用 DASP 軟件，通過放置在卡鉗上的三向加速度傳感器采集卡鉗的振動(dòng)信號(hào)，其中X 方向沿著制動(dòng)盤切向，Y 方向垂直于制動(dòng)盤的盤面，Z 方向垂直于地面向上，加速度傳感器的安裝位置如圖5 所示。3.2 制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)噪聲的影響
在150 ℃的溫度下，保持恒定的制動(dòng)初速度(v＝20 km/h)，研究不同制動(dòng)壓力(0.5，1.0，2.0 MPa)對(duì)噪聲的影響，噪聲分布如圖6 ～圖8 所示。由圖6～圖8 可以看出，在不同制動(dòng)壓力工況下，與5＃制動(dòng)盤(原盤)相比，1＃～4＃激光淬火制動(dòng)盤的噪聲等級(jí)明顯下降，產(chǎn)生噪聲的主要頻率為2 100、 4 150、7 700 和 13 500 Hz，與制動(dòng)盤模態(tài)實(shí)驗(yàn)的第 2、4、5 和10 階固有頻率相吻合，且制動(dòng)壓力越大制動(dòng)盤越容易產(chǎn)生噪聲。在同一壓力制動(dòng)工況下，1＃激光淬火制動(dòng)盤噪聲等級(jí)降低最明顯，2＃～4＃盤在不同壓力制動(dòng)工況下，噪聲等級(jí)表現(xiàn)存在差異，但整體噪聲水平低于未加工制動(dòng)盤。圖6 0.5 MPa 壓力下的制動(dòng)噪聲圖7 1.0 MPa 壓力下的制動(dòng)噪聲圖8 2.0 MPa 壓力下的制動(dòng)噪聲3.3 初始溫度對(duì)制動(dòng)噪聲的影響
在制動(dòng)壓力為2.8 MPa 下，保持恒定制動(dòng)初速度(v ＝100 km/h)，研究不同制動(dòng)初始溫度(100，150，250 ℃)對(duì)噪聲的影響，噪聲分布如圖 9 ～圖11 所示。由圖 9 ～圖 11 可知，在不同制動(dòng)初始溫度下，與 5＃制動(dòng)盤(原盤)相比，1?！?＃激光淬火制動(dòng)盤的噪聲等級(jí)也明顯下降，產(chǎn)生噪聲的主要頻率是 2 100、4 900、7 700 和 13 500 Hz，與制動(dòng)盤模態(tài)實(shí)驗(yàn)的第2、4、5 和 10 階固有頻率相吻合，且制動(dòng)初始溫度越高制動(dòng)盤越容易產(chǎn)生噪聲。同一制動(dòng)速度工況下，1＃激光淬火制動(dòng)盤噪聲等級(jí)降低較為明顯，2?！?＃盤在不同制動(dòng)溫度工況下，噪聲等級(jí)表現(xiàn)存在差異，但整體噪聲水平低于未加工制動(dòng)盤。圖10 初始溫度150 ℃下的制動(dòng)噪聲圖11 初始溫度250 ℃下的制動(dòng)噪聲4 激光淬火對(duì)制動(dòng)卡鉗振動(dòng)的影響
4.1 制動(dòng)壓力對(duì)卡鉗振動(dòng)的影響
在150 ℃溫度下，保持恒定制動(dòng)初速度(20 km/h)，研究不同制動(dòng)壓力(0.5，1.0，2.0 MPa)工況下，不同激光淬火方案對(duì)制動(dòng)盤卡鉗振動(dòng)信號(hào)的影響。其中制動(dòng)壓力為0.5 MPa 的制動(dòng)卡鉗振動(dòng)信號(hào)如圖12 所示，其它兩個(gè)制動(dòng)壓力工況下的制動(dòng)卡鉗振動(dòng)信號(hào)的均方根值(RMS)在表2 中列出。圖12 0.5MPa 壓力下的制動(dòng)卡鉗振動(dòng)信號(hào)
表2 部分實(shí)驗(yàn)工況下的制動(dòng)卡鉗振動(dòng)加速度均方根(RMS)值 m/s2
通過對(duì)比分析可知，激光表面淬火制動(dòng)盤的摩擦振動(dòng)信號(hào)有了明顯的降低。在上述3 種壓力工況下，1＃盤的減振效果最優(yōu)，摩擦振動(dòng)均方根值分別降低到原盤的44.5%、20.8%和37.4%。同時(shí)，在相同制動(dòng)壓力工況下，1＃和4＃制動(dòng)盤較2＃和3＃制動(dòng)盤的摩擦振動(dòng)信號(hào)降低的明顯。隨著制動(dòng)壓力增加，制動(dòng)盤卡鉗的振動(dòng)增強(qiáng)。4.2 制動(dòng)溫度對(duì)卡鉗振動(dòng)的影響
在制動(dòng)壓力為2.8 MPa，保持恒定的制動(dòng)初速度(100 km/h)，研究不同制動(dòng)溫度(100，150，250 ℃)，不同激光淬火方案對(duì)制動(dòng)卡鉗振動(dòng)的影響，圖13 所示為制動(dòng)卡鉗在制動(dòng)溫度150 ℃工況下的振動(dòng)加速度。由表2 可知，在上述工況下4＃盤的減振效果最優(yōu)，振動(dòng)加速度RMS 值分別減小到5＃盤的33.4%、35.1%和64.0%。除了制動(dòng)溫度250 ℃這個(gè)工況外，與制動(dòng)壓力對(duì)卡鉗振動(dòng)的影響相似，1＃和4＃制動(dòng)盤的減振效果優(yōu)于2＃ 和3＃制動(dòng)盤。整體來看，隨著制動(dòng)溫度的升高，制動(dòng)卡鉗的振動(dòng)加速度隨之增大。圖13 初始溫度150 ℃下的制動(dòng)卡鉗振動(dòng)信號(hào)5 激光淬火對(duì)制動(dòng)摩擦因數(shù)的影響
摩擦因數(shù)與制動(dòng)摩擦噪聲和振動(dòng)密切相關(guān)，并且制動(dòng)摩擦因數(shù)過高或過低都會(huì)直接影響著制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。本文中利用link3900 摩擦制動(dòng)臺(tái)架，測(cè)試了4 個(gè)激光淬火制動(dòng)盤和1 個(gè)原盤(未淬火制動(dòng)盤)的摩擦振動(dòng)和噪聲性能，同時(shí)也測(cè)出了5個(gè)制動(dòng)盤在各種實(shí)驗(yàn)工況下的摩擦因數(shù)變化規(guī)律，對(duì)研究不同激光淬火方案對(duì)制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲的影響機(jī)理具有重要意義。5.1 壓力對(duì)制動(dòng)摩擦因數(shù)的影響
在150 ℃制動(dòng)溫度，保持恒定的制動(dòng)速度(80 km/h)，研究不同制動(dòng)壓力工況下，不同激光淬火方案對(duì)鑄鐵制動(dòng)盤摩擦因數(shù)變化的影響規(guī)律。圖14 所示為不同制動(dòng)壓力下，制動(dòng)盤摩擦因數(shù)隨制動(dòng)壓力的變化情況。從圖14 可以看出，1?！?＃制動(dòng)盤的制動(dòng)摩擦因數(shù)均隨制動(dòng)壓力的增大呈減小趨勢(shì)，這是由于制動(dòng)壓力的增大，制動(dòng)盤和摩擦片接觸面產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)增大，又因制動(dòng)時(shí)間短熱量來不及散發(fā)而使溫度升高導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低。同時(shí)也可以看出，隨著激光淬火功率的增大，制動(dòng)盤的摩擦因數(shù)逐漸減小，并且1＃和4＃制動(dòng)盤摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于2＃和3＃盤。這是由于大的激光淬火功率使制動(dòng)盤(1＃和4＃盤)的表面硬度增大，摩擦表面的磨損減小以及摩擦表面的形貌得到改善的原因。圖14 制動(dòng)壓力對(duì)制動(dòng)摩擦因數(shù)的影響5.2 溫度對(duì)制動(dòng)摩擦因數(shù)的影響
在制動(dòng)壓力為2.8 MPa，保持恒定的制動(dòng)初速度(100 km/h)，在不同制動(dòng)溫度工況下，研究不同激光淬火方案對(duì)鑄鐵制動(dòng)盤摩擦因數(shù)的影響規(guī)律。圖15 所示為制動(dòng)溫度對(duì)制動(dòng)盤摩擦因數(shù)的影響。從圖15 可以看出，1＃～5＃制動(dòng)盤的制動(dòng)摩擦因數(shù)隨著制動(dòng)溫度的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小。與5＃未進(jìn)行激光淬火處理制動(dòng)盤相比，1?！?＃激光淬火制動(dòng)盤在整個(gè)制動(dòng)溫度實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，其摩擦因數(shù)比未淬火盤的摩擦因數(shù)都有減小，且穩(wěn)定性更好，尤其1＃盤的摩擦因數(shù)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)最穩(wěn)定。圖15 制動(dòng)溫度對(duì)制動(dòng)摩擦因數(shù)的影響通過比較分析圖14 和圖15 可知，激光淬火使制動(dòng)盤的摩擦因數(shù)有所降低，且其摩擦因數(shù)隨著激光淬火功率的增大而減小，在制動(dòng)過程中制動(dòng)摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，從而可以減小制動(dòng)摩擦振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果也證明了摩擦因數(shù)的穩(wěn)定性確實(shí)跟摩擦振動(dòng)和噪聲的產(chǎn)生密切相關(guān)，激光表面淬火使制動(dòng)盤的摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定是其減振降噪的主要原因之一。6 結(jié)論
(1) 激光淬火使制動(dòng)盤摩擦表面的殘余拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，當(dāng)激光掃描速度和光斑面積一定時(shí)，淬火表面殘余壓應(yīng)力隨激光淬火功率的增大而增大。(2) 激光淬火制動(dòng)盤在一定程度上降低了制動(dòng)摩擦噪聲，并且這種降噪效果在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)隨著激光掃描功率的增大而加強(qiáng)。(3) 激光淬火制動(dòng)盤顯著降低了制動(dòng)卡鉗的振動(dòng)幅值，并且在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)激光淬火功率越大，制動(dòng)卡鉗的振動(dòng)幅值越小。(4) 激光淬火在一定程度上降低了制動(dòng)盤和摩擦片的摩擦因數(shù)，且使摩擦因數(shù)更加穩(wěn)定，這是激光淬火使鑄鐵制動(dòng)盤減振降噪的主要原因之一。作者：王書文，趙德玉，嚴(yán)晟凱，張 歡
上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
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