制动副间非线性时变摩擦导致的制动尖叫演变规律及抑制方法研究

Automotive brake squeal has become a challenging issue to reduce traffic noise. However, the generation mechanism of brake squeal is extremely complex, involving multiple disciplines such as nonlinear dynamics, contact mechanics, tribology and acoustics.Because of the nonlinear time-varying system parameters in braking, such as friction coefficient, contact stiffness and damping in brake pads, the existing models can not accurately represent the dynamic behavior of brake system. Consequently the perfect low noise brake design theory has not been proposed yet. In this project,the friction properties of contact surfaces of brake pair varying with temperature and relative slip velocity and other key parameters will be explored so as to establish the nonlinear time-varying friction model. Based on the tribology and structural dynamics theory, the nonlinear dynamic model of the brake system will aslo be established. The time-varying mechanics behaviors of the brake system will be investigated using the nonlinear dynamics theory and transient dynamic analysis methods. The time-frequency analysis method will be researched and applied to obtain the evolution law with time-varying parameters and suppression method of brake squeal. The bench test of brake squeal will also be performed to verify the evolution law and suppression method. These studies in this project may promote the intersection and merging among tribology, structure dynamics, acoustics, and so on, as well as the development and improvement of the suppression theory of friction-induced noise.

汽车制动器制动尖叫已成为改善交通噪声环境亟待解决的问题。然而产生尖叫的机理非常复杂，涉及到非线性动力学、接触力学、摩擦学、声学、热学等多个学科。由于制动副表面摩擦特性、接触刚度、制动衬块材料阻尼等参数在制动过程中的非线性时变特性，使得所建描述制动器系统动态特性的模型不完善，致使至今仍无可靠的抑制制动尖叫的理论用于指导设计。本申请拟通过对制动副接触面摩擦特性随温度、转速等的时变性规律研究，建立非线性时变摩擦模型；在此基础上，融合摩擦学和结构动力学理论，建立制动器系统的非线性动力学模型；应用非线性动力学定性理论和瞬态动力学研究方法，揭示制动器系统的非线性时变力学行为；发展非线性系统信号的时频分析方法，获得制动尖叫随时变参数的演变规律及抑制方法；通过台架实验，验证所得制动尖叫演变规律和抑制方法。本研究可促进摩擦学、结构动力学、声学等学科的交叉融合和发展，同时可推动摩擦噪声抑制理论的进步与完善。

汽车盘式制动器的制动尖叫研究涉及非线性动力学、接触力学、摩擦学、声学、热学等多个学科，且产生机理非常复杂，致使至今仍无可靠的抑制制动尖叫的理论用于指导设计。但是制动尖叫对城市交通噪声环境有较大影响，亟待解决。本课题先后完成了制动副非线性时变摩擦模型建立、制动器系统非线性动力学的定性和瞬态动力学行为分析、制动尖叫演变规律及抑制方法研究、制动器台架和实车的制动尖叫信号分析和实验验证等工作。经过4年的努力，取得了一系列成果：①基于理论推导和实验测试数据构建了制动副接触面的非线性时变摩擦模型，该模型包含摩擦表面温度、相对速度、接触面压强等3个时变参数和6个常数，是研究制动尖叫机理、演变规律及抑制方法的基础；②基于弹性薄板理论、系统动力学理论建立了制动器系统非线性动力学模型，应用非线性动力学的定性理论和瞬态响应研究方法，获得了制动器系统非线性动力学行为特性以及关键参数的影响；③获得了适合于处理制动尖叫信号的时频分析方法，通过对制动尖叫信号进行时频处理，揭示了制动尖叫的演变特性和相关参数的影响，并进行了台架和实车的实验验证；④研究了制动尖叫对关键参数的灵敏度，获得了各参数的影响特性，在此基础上给出了制动尖叫的抑制方法。. 本课题所取得的研究成果对于完善用于盘式制动器制动尖叫研究的时变摩擦模型具有推动作用，对于低噪声盘式制动器的优化设计具有指导意义，同时有助于推动摩擦噪声抑制理论的进步与完善，因此具有重要的理论和工程实用价值。