偏磨状态制动尖叫产生机理及抑制方法的研究

It is well known that a harsh squeal noise sometimes may be generated when a brake works. However, brake squeal is still a challenging problem for researchers due to its immense complexity. Our previous studies have found that it is easier to generate brake squeal noise when the brake pad is in a tangential taper wear condition, and the occurrence of brake squeal correlates well with the contact position between the brake disc and pads. The issue of brake squeal in taper wear condition is therefore proposed and investigated in this project based on the position-dependent contact and friction characteristics. A pad-on-disc friction test rig is firstly implemented to study the occurrence of brake squeal by adjusting the structure and contact parameters. Next, a lumped-parameter mathematical model is established incorporating the effects of position-dependent contact and friction as well as the dynamic behavior of important structures. The evolution of friction-induced vibration and the nonlinear coupling dynamics are investigated by using the nonlinear analysis methods. The primary energy mechanism of brake squeal is also analyzed in this research. Then a rigid-flexible multi-body model of the brake apparatus is built to simulate the brake squeal behavior in taper wear condition. A countermeasure to suppress brake squeal is proposed from the aspect of reducing the tangential taper wear of the brake pad. Finally the research results are verified through a floating-caliper disc brake. Therefore, this work has an important theoretical and practical significance for revealing the generation mechanism of brake squeal, promoting the design ability of brakes and reducing the environmental noise pollution.

制动器在工作过程中有时会发出刺耳的尖叫噪声，其机理复杂且难以消除，一直是研究的热点和难点。本课题前期研究发现当制动块处于切向偏磨状态时容易产生制动尖叫噪声，并且尖叫噪声的形成、发展和消失与盘/块的接触位置密切相关。因此拟基于位置依赖的时变接触和摩擦特性，开展偏磨状态制动尖叫问题的研究，主要内容包括应用结构参数与接触条件可调的盘/块摩擦装置，进行制动尖叫发生规律的试验研究；建立考虑位置依赖型接触摩擦作用及关键结构动态特性的集中参数振动模型，应用非线性动力学分析方法，研究摩擦振动的演变规律及非线性耦合振动行为，分析其主要能量机制；建立制动装置刚-柔耦合多体动力学模型，进行偏磨状态制动尖叫仿真分析，并从减轻切向偏磨的角度探索制动尖叫的抑制方法；最后应用浮钳盘式制动器进行理论和试验验证。本项目的开展对揭示制动尖叫产生机理、提升制动器设计水平、降低环境噪声污染具有重要的学术理论意义和工程应用价值。

制动尖叫是一个非常复杂且令人困惑的现象，对其研究既具有科学意义，又有应用价值。尽管长期以来在这方面已经有着很多研究，并取得了大量成果，但是由于未能在实际有效抑制和消除尖叫噪声，故现已提出的制动器摩擦尖叫产生机理、仿真分析方法、抑制消除手段，尚不能得到充分证实。项目围绕汽车制动器偏磨状态尖叫产生机理与抑制方法的关键科学问题，开展了四个方面的研究，包括：（1）偏磨状态制动尖叫发生规律的试验分析，发现由于制动盘/块之间接触状态具有不确定性，导致制动尖叫噪声的产生与频率特征的不确定性，它们与接触区域几何形状有密切关系；通过图像处理，形成了不同尖叫频率下各磨损区域的几何中心计算方法。（2）偏磨状态制动尖叫非线性动力学理论研究，根据制动块偏磨形貌特征，引入速度依赖和位置依赖的界面接触特性，建立单自由度摩擦振动非线性动力学模型，分析了其Hopf分岔和非线性动力学行为演变过程，阐明速度依赖的接触特性对系统稳定性的影响，以及位置依赖的接触特性导致摩擦振动的复杂化；建立一种双质量体二自由度摩擦振动模型，揭示了偏磨接触引起双质量体相互正交振动的耦合机理。（3）制动装置刚-柔耦合多体动力学仿真，与复特征值分析相比，可以反映时间历程并表征出制动过程中制动块的偏磨接触应力分布；与瞬态多柔体动力学分析相比，能够缩短计算时长约40%，且计算精度接近；目前所有有限元分析手段还不能反映真实制动盘/块的接触状态，仿真尖叫频率均存在“过预测”和“不足预测”的问题，与实际试验结果还有较大误差。（4）制动器摩擦尖叫噪声抑制方法探索，仿真表明制动块倒角、开槽导致模态特性、接触状态的略微变化，可以一定程度抑制或消除某些特定频率的制动尖叫，但也可能产生或增强其他频率的尖叫噪声；实际试验结果却表明，开槽和倒角处理的制动块经过一定时间磨合以后，仍会产生制动尖叫噪声；在分析传统制动盘结构修改的优缺点基础上，研究出一种新型低成本制动盘结构修改方法，能够有效抑制和消除制动器尖叫噪声，并得到试验验证。