1-2-3型片狀增強摩擦材料的噪聲試驗研究

2011-04-23 12:11:06賈宏禹長江大學機械工程學院湖北荊州434023武漢科技大學機械自動化學院湖北武漢430081

長江大學學報(自科版) 2011年7期

賈宏禹 (長江大學機械工程學院,湖北荊州434023;武漢科技大學機械自動化學院,湖北武漢430081)

王孝偉 (曲靖昆鋼嘉華水泥建材有限公司,云南曲靖655000)

為適應汽車的發展,摩擦材料應滿足制動條件要求的所有功能及性能,包括足夠穩定的摩擦性能,較高的耐磨性,良好的物理機械性能,以及無噪聲、無污染和良好的工藝性能等等[1]。隨著石棉摩擦材料的禁用,國內外都積極致力于無石棉摩擦材料的研究開發,研制出的新型摩擦材料一般可分為半金屬型和無石棉有機物型。半金屬摩擦材料一度以其良好的散熱性,穩定的摩擦系數和較好的耐磨性受到使用者的青睞,但在其研究與應用中發現,半金屬材料密度大、易銹蝕,特別是易損傷對偶,制動噪聲和“熱氣阻”現象較嚴重[2]。無石棉有機物型摩擦材料更接近石棉摩擦材料,具有良好的摩擦磨損性能,歷經多年的研究發展,尤其在抗磨性能及噪聲方面超過了石棉摩擦材料的性能[3]。

1-2-3 型片狀增強摩擦材料選擇一維維象的Kevlar纖維與二維維象的片狀蛭石混雜增強,是一種新型無石棉有機物型摩擦材料。這種片狀增強的摩擦材料可以從根本上避免纖維對人體存在的損害,制成的摩擦片具有穩定的摩擦系數和較好的熱衰退、熱恢復性能,耐磨損,沖擊強度大,成本低,無污染[4]。選用的粘彈性樹脂基體能夠增加材料的阻尼損耗因子,片狀蛭石材料的多孔結構以及改性基體的柔性,都有助于降低制動噪聲[5]。為此,筆者在研制1-2-3型片狀增強摩擦材料的過程中,通過噪聲試驗,對不同配方比例的摩擦材料試樣進行對比,以期研制出更環保的摩擦材料。

1 摩擦材料的噪聲試驗原理

汽車制動摩擦材料的性能試驗分為小樣試驗、臺架試驗和道路使用試驗[6]。小樣試驗常用于摩擦材料開發的配方研究中,大多采用定速試驗規范GB5763-98。

筆者采用小樣試驗方法,試驗在XD-MSM定速式摩擦試驗機上進行,試驗原理如圖1所示。試驗過程中,摩擦盤作定速旋轉 (轉速可調以對應于不同的滑動速度),摩擦塊通過支撐臂與機身相連,通過夾具的球狀結構對摩擦塊施加法向的壓力,以避免加力機構對摩擦塊系統動態特性產生影響;摩擦噪聲由拾音器測取,通過頻譜分析儀得到噪聲的自功率圖譜及聲壓級的值。試驗中還可測量摩擦塊沿切向和徑向運動的振動加速度,并進行頻譜分析,以揭示振動和摩擦噪聲之間的關系[7]。

圖1 摩擦材料噪聲試驗原理及系統

2 試驗部分

1)試驗樣塊制備選用5種不同配方的1-2-3型片狀增強摩擦材料做噪聲的對比試驗。將壓制好的摩擦塊按照試驗要求切割成2個25mm×25mm×6mm的試樣塊,用砂紙將其上下兩面磨平,為了保證摩擦面能夠與摩擦盤緊密接觸,在做噪聲試驗之前將其放在定速試驗機上試磨,直到2個摩擦塊的厚度差小于0.15mm為止。

2)測點布置與正壓力的施加采用近聲場測量法,根據試驗機的尺寸大小,聲級計用三角架固定在電機遠端,帶防風罩的傳聲器布置在距試驗機外廓表面500mm處,高度以高于試驗機摩擦盤80mm為宜。試驗機通過壓力加載軸向摩擦塊施加規定的正壓力。由于是做對比試驗,試驗過程中對各試樣施加相同的正壓力。其正壓力為1225N,每個摩擦塊所受的壓強為0.98MPa。

3)試驗環境為盡可能避免外界噪聲的影響,試驗室具有較好的隔音效果,在墻壁和地面上鋪上毛毯吸音以減少反射噪聲;將試驗機上易產生振動的擋板、殼體等部分拆下或固定,并在試驗過程中使用專用裝置隔離電機噪聲。保持室溫8～11℃,考慮汽車用盤式制動器剎車時摩擦片的工作溫度,本試驗將摩擦盤面溫度控制在150℃左右。

3 噪聲的聲壓級和頻譜

1)聲壓級當出現較明顯的噪聲時,用聲級計的A計權網絡測得噪聲的A聲級 (見表1)。在試驗中,3#摩擦塊具有很強的尖叫,并伴隨劇烈的振動,而且在100℃就開始產生尖叫,當溫度達到150℃時聲壓級達到95.7dB。從表1看出,3#摩擦塊的聲壓級最大,可見該摩擦塊容易產生噪聲,2#和7#摩擦塊產生的噪聲較大,而1#和4#摩擦塊產生的噪聲最小,與本底噪聲相比基本沒有什么變化。從總體來看,各摩擦塊產生的噪聲普遍較小,最大聲壓級低于120dB,說明1-2-3型片狀增強摩擦材料在低噪方面具有優異的性能。

表1 各摩擦塊噪聲的A聲級

2)噪聲頻譜在150℃時,使用倍頻程濾波器分別測量各摩擦塊產生的噪聲,可以得到各摩擦塊噪聲的頻譜,即噪聲的頻率結構 (見圖2)。可以看出5種摩擦塊的噪聲在250Hz～1000Hz時具有最大值。3#和2#摩擦塊在整個頻率段的噪聲聲壓級最大,3#摩擦塊的最大聲壓級相對其他摩擦塊而言向高頻部分發生了移動,可見3#摩擦塊更具有產生高頻噪聲的趨勢。1#和4#摩擦塊在高頻部分的聲壓級最小。

4 噪聲信號分析

1)摩擦塊噪聲的自功率譜分析信號的自功率譜反映了整個過程中單位時間、單位頻率間隔能量流的平均值,可以從自功率譜譜圖上看出能量在頻率范圍中的分布。圖3為3#摩擦塊在150℃噪聲自功率譜分析結果。從圖3中可以看出,3#摩擦塊高頻部分的噪聲比較明顯。通過各摩擦塊的自功率譜對比 (其他圖略),3#和7#摩擦塊的具有較明顯的高頻噪聲,而1#和4#摩擦塊基本沒有高頻噪聲。

2)噪聲信號幅值的均方根值XRms和絕對平均值|ˉX| 幅值的均方根值XRms反映信號能量的大小,絕對平均值|ˉX|反映信號的強弱。分別對各摩擦塊的振動和噪聲進行時頻分析,得到噪聲信號的幅值均方根值和絕對平均值 (見表2)。由表2中數據可以看出,1#摩擦塊和4#摩擦塊噪聲的均方根值XRms和絕對平均值|ˉX|最小,而3#摩擦塊和7#摩擦塊噪聲的均方根值XRms和絕對平均值|ˉX|最大。這表明1#摩擦塊和4#摩擦塊產生的噪聲信號最小,信號的能量越小,產生的噪聲也越小,該結果與用聲級計測得的結果是完全一致的。