（机械设计及理论专业论文）金属往复滑动摩擦噪声的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 摘要 在金属往复滑动条件下，对平面一平面接触和球面一平面接触滑动摩擦噪 声现象进行了试验研究。使用电子扫描显微镜( s e m ) 、激光扫描照微镜( l 丽) 、 光学显微镜和表面轮廓测量仪等设备对摩擦噪声发生的区域进行了详细的观察 和分析，运用小波变换技术对摩擦噪声状态下的动力学变量进行了深层次的研 究，应用m a t l a b s i m u l i n k 语言对摩擦系统进行了振动动力学仿真，系统地研 究了摩擦噪声的形成机理。 f 首先，对摩擦噪声试验系统进行了模态参数辨识，确定了噪声与振动的关 系。研究结果表明，摩擦噪声的主频与摩擦部件振动的主频十分相近，噪声信 号与振动信号在这些主频处的相干函数大于0 7 5 0 8 ，因而确认是摩擦部件 的振动发射摩擦噪声。 其次，利用动力学和声学测量技术确定了摩擦噪声所发生的区域，在此基 础上对磨痕上表面形貌进行了详细的对比分析，发现有噪声区域的形貌明显不 同于没有噪声区域的形貌。有噪声磨痕形貌的特征是表面粗糙度比较大、存在 不规则的犁沟、麻坑或粘着微凸体；而噪声消失后的磨痕形貌特征是表面粗糙 度比较小、有微抛光作用发生。根据噪声与磨痕形貌的关系，本文提出了新的 摩擦噪声形成机理：在不规则的犁沟和麻坑或粘着微凸体形成区域，摩擦力有 动态成分。当动态摩擦力频率接近摩擦系统的自然频率时，系统就发生摩擦振 动从而发射噪声。根据这个假设，从摩擦学的角度解释了摩擦噪声一般发生在 摩擦系数比较大的区域的原因。当摩擦系数较大时，摩擦力组成分量中的犁削 分量和微凸体变形分量的动态成分最强，摩擦噪声必首先发生在该区域。 通过改变往复滑动位移，试验了摩擦力一相对滑动速度负斜率对摩擦噪声 形成的影响。结果表明，摩擦力一相对滑动速度负斜率并不总能引起摩擦噪声。 试验发现，摩擦噪声既可以在摩擦力一相对滑动速度负斜率的区域发生，也可 以在币的摩擦力一相对滑动速度斜率的区域发生。试验也显示在粘着一滑动发 生的区域，噪声也不明显，这说明粘着一滑动现象也可能不是本试验条件下摩 擦噪声形成的主要原因。 试验发现，有时发射摩擦噪声的振动首先在法向出现，当这个法向振动比 较强时，相同或相近频率的切向振动爿发生。这个现象否定摩擦噪声发生的两 个机理：粘着一滑动机理和摩擦力一相对滑动速度负斜率机理，因为这两个机 理描述的是切向发生的摩擦振动。 利用小波变换技术对测量的切向力、切向惯性力和法向振动加速度进行分 解，对这些动力学变量之间的相互关系进行了深层次的研究。结果发现，在摩 擦噪声发生的区域，摩擦力总是有动态成分。存在两种摩擦力动态成分形成机 第1 l 页西南交通大学博士研究生学位论文 理：一个是由法向振动产生：另一个可能是由摩擦力组成分量的犁削和微凸体 变形分量的不规则变化产生。第一种动态摩擦力形成机理可以作为摩擦噪声产 生机理一模态耦合机理的证据，而后一种动态摩擦力形成机理否定了模态耦合 机理。 。 最后，本文用m a = na b s i m u u n k 语言对摩擦系统的振动进行了数值仿 真。用试验辨识的摩擦系统参数和实测的摩擦力数据对单自由度f n - - 自由度振 动模型进行了数值仿真，得出粘着一滑动机理和摩擦力一相对滑动速度负斜率 机理不能引发摩擦振动的结论，在理论上验证了本文的试验结果。i ，一 关键词： 瓣擦 变换 西南交通大学博士研究生学位论文第l ii 页 a b s t r a c t i nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n f r i c t i o n - i n d u c e dn o i s e se m i t t e db yaf l a ts p e c i m e n r o b b i n ga g a i n s ta n o t h e rf l a ts p e c i m e n o rab a l ls p e c i m e nu n d e r r e c i p r o c a t i n gs l i d i n g a r es t u d i e d t h ed e t a i l e do b s e r v a t i o no ft h es c a r si sc o n d u c t e db ym e a n so fa s c a n n i n ge l e c t r i c a lm i c r o s c o p e ( s e m ) ，l a s e rs c a n n i n gm i c r o s c o p e ( l s m ) ，o p t i c a l m i c r o s c o p ea n dp r o f i l o m e t e r t h ed y n a m i cs t a t ev a r i a b l e sa r ea n a l y z e di n d e t a i l u s i n gt h ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r i l l m o r e o v e r , as i m u l a t i o no ff r i c t i o n i n d u c e d v i b r a t i o ni sa l s oc a r r i e do u tu s i n gm a t l a b s ! m u l i n ks o f t w a r e f i r s t l y t h ei d e n t i f i c a t i o no ft h em o d a lp a r a m e t e r so ft h ef r i c t i o nt e s t i n gs y s t e mi s p e r f o r m e d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef r i c t i o n i n d u c e dn o i s ea n dv i b r a t i o nu n d e r r e c i p r o c a t i n gs l i d i n g i sv e r i f i e d t h er e s u l ts h o w st h a t a n a l o g o u s t ot h o s ei n u n i d i r e c t i o n a ls l i d i n gc o n d i t i o n s ，t h ed o m i n a n tf r e q u e n c i e so ft h ef r i c t i o n i n d u c e d n o i s ea r ev e r yc l o s et ot h ed o m i n a n tf r e q u e n c i e so ft h ef r i c t i o n i n d u c e dv i b r a t i o n i t i sf o u n dt h a tc o h e r e n c ef u n c t i o n sb e t w e e nt h e s et w os i g n a l sa r em o r et h a n0 7 5 0 8 a tt h e s ed o m i n a n tf r e q u e n c i e s t h e r e f o r e ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ef r i c t i o n i n d u c e d n o i s ei se m i t t e db yt h es i m u l t a n e o u sv i b r a t i o n s e c o n d l y ，b ym e a n so ft h em e a s u r e m e n to ft h ev i b r a t i o na n da s s o c i a t e dn o i s e ， t h ea r e ai nt h ep r e s e n c eo ft h ef r i c t i o n i n d u c e dn o i s ei sd e t e r m i n e da c c u r a t e l y a sa r e s u l t ，ac o m p a r a t i v ea n a l y s i s o nt h e t o p o g r a p h y o ft h es c a rs u r f a c e sw i t ha n d w i t h o u tn o i s ei sp e r f o r m e di nd e t a i l t h ed i f f e r e n c ei nt o p o g r a p h yb e t w e e nt h et w o s c a r sw i t ha n dw i t h o u tn o i s ei sf o u n dc l e a r l y i ti sa l s oo b s e r v e dt h a ta tt h es a m es c a r , t h et o p o g r a p h yo ft h ea r e aw i t hn o i s ei sd i f i e r e n tf r o mt h a tw i t h o u tn o i s e i ti s o b s e r v e dt h a tt h et o p o g r a p h yo ft h ea r e aw i t hn o i s eo nas c a rs u r f a c ei sc h a r a c t e r i z e d b yl a r g e rs u r f a c er o u g h n e s s ，p l o w i n gg r o o v e s ，p i t so r a d h e s i v ej o i n e d a s p e r i t i e s w h i l ei ti sf o u n dt h a tt h et o p o g r a p h yo ft h es c a ra f t e rn o i s ed i s a p p e a r a n c ei s c h a r a c t e r i z e db yac l e a rp o l i s h e ds c a rs u r f a c ea n das m a l l e rs u r f a c er o u g h n e s s a c c o r d i n gt o t h es u h s t h e o r y o ff r i c t i o n g e n e s i sa n db a s e d o nt h e c h a n g e i n t o p o g r a p h y w i t ha n dw i t h o u tn o i s e i ti sa s s u m e dt h a tt h et h e r ei s d y n a m i c c o m p o n e n t so ff r i c t i o nf o r c ei nt h ea r e aw h e r eu n e v e np l o w i n gg r o o v e sa n dp i t so r a d h e s i v ei p i n e da s p e r i t i e sa r eg e n e r a t e d i ti sc o n s i d e r e dt h a tw h e nt h ed o m i n a n t f r e q u e n c i e so ft h e s ed y n a m i c sc o m p o n e n t sa r ec l o s et ot h en a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h e f r i c t i o ns y s t e m t h es y s t e mw i l ls h o war e s o n a n tb e h a v i o ra n de m i ta s s o c i a t e dn o i s e 乃ea s s u m p t i o nm a yb eu s e dt oe x p l a i nw h yt h eo c c u r r e n c eo fs q u e a li s a l w a y s a c c o m p a n i e dw i t hal a r g e rc o e f f i c i e n to ff r i c t i o n i ti s b e c a u s ei nt h ea r e aw i t ha l a r g e rt o e f f i c i e n to ff r i c t i o nt h ed y n a m i cf r i c t i o nc o m p c l n e n t sd u et op l o w i n ga n d 第l v 页 西南交通大学博士研究生学位论文 a s p e r i t i e sd e f o r m a t i o n a r es t r o n g e s t b yi m p o s i n gt h ed i s p l a c e m e n to fr e c i p r o c a t i n gs l i d i n g ，a ni n f l u e n c eo ft h e f r i c t i o n - v e l o c i t ys l o p eo ns q u e a lg e n e r a t i o ni st e s t e d n 地r e s u l ts h o w s t h a tan e g a t i v e f r i c t i o n v e l o c i t ys l o p ec a nn o ta l w a y sc a u s es q u e a l i ti so f t e no b s e r v e dt h a tt h e s q u e a lc a na l s oo c c u ri nt h ea r e aw i t hap o s i t i v ef r i c t i o n v e l o c i t ys l o p e m o r e o v e r , i t i sa l s oo b s e r v e dt h a t j nt h ea r e aw i t has e v e r e s t i c k s l i p m o t i o nt h e s q u e a la n d a s s o c i a t e dv i b r a t i o na r ev e r yw e a k t h a tm a ys u g g e s tt h a tt h e s q u e a li sn o td u et o s t i c k - s l i pm o t i o n t h et e s tr e s u l ta l s od i s p l a y st h a ts o m e t i m e st h en o r m a lv i b r a t i o na s s o c i a t e dw i t h s q u e a lf i r s t l yo c c u r sp r i o rt ot h et a n g e n t i a lv i b r a t i o n t h et a n g e n t i a lv i b r a t i o nd o e s n o to c c u ru n t i lt h en o r m a lv i b r a t i o ng e t ss t r o n g e r t h i sp h e n o m e n o ns h o w s t h a ts t i c k s l i pm o t i o na n dn e g a t i v ef r i c t i o n - v e l o c i t ys l o p ea r en o tr e s p o n s i b l ef o rt h ep r e s e n t s q u e a l i t i sb e c a u s et h e s et w og e n e r a t i o nm e c h a n i s m so fs q u e a lo n l yg o v e r r lt h e t a n g e n t i a lv i b r a t i o n s t h em e a s u r e dt a n g e n t i a l f o r c e ，t a n g e n t i a li n e r t i a l f o r c ea n dn o r m a lv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o na r ed e c o m p o s e d u s i n g ad i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r n l t h er e l a t i o na m o n g t h e s et h r e ed y n a m i c ss t a t ev a r i a b l e si s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l td i s p l a y st h a tt h e r ei s a l w a y s ad y n a m i cf r i c t i o n c o m p o n e n ti n t h ep r e s e n c eo fs q u e a l t h e r ea r et w o f o r m a t i o nm e c h a n i s m so f d y n a m i c f r i c t i o nf o r c e s o n ei sd u et ot h en o r m a lv i b r a t i o n t h i sc o n c l u s i o nc o n s t i t u t e sas t r o n gp r o o ft os u p p o r tt h em o d a l c o u p l i n gm e c h a n i s m o fs q u e a lg e n e r a t i o n t h eo t h e rd o e sn o th a v eac l e a rc o r r e l a t i o nw i t ht h en o r m a l v i b r a t i o n i nt h i sc a s e ，t h e d y n a m i cc o m p o n e n ti s c o n s i d e r e dt ob ed u et ot h e g e n e r a t i o no fu n e v e np l o w i n gg r o o v e sa n dp i t so ra d h e s i v ej o i n e da s p e r i t i e s t h i s c o n c l u s i o n a p p e a r st oo p p o s et h em o d a lc o u p l i n gm e c h a n i s m as i m u l a t i o no f f r i c t i o n - i n d u c e dv i b r a t i o ni sc a r r i e do u t u s i n g m a t ia b s i m u l i n ks o f t w a r e s i m u l a t i n gm o d e l si n v o l v et w ot y p e so fm o d e l s w i t has i n g l ed e g r e eo ff r e e d o ma n dt w od e g r e e so ff r e e d o m t h es i m u l a t i n gm o d e l p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e df r o mt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ef r i c t i o ns y s t e m s i m u l a t i n g e x c i r a t i o n i n p u t sr e s u l t f r o mt h e a c t u a jm e a s u r e m e n to ft h ef r i c f i o nf o r c ed u r i n g t e s t i n g t h es i m u l a t i n gr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h es t i c k s l i pm o t i o na n dn e g a t i v e f r i c t i o n v e l o c i t ys l o p ec a nn o ta l w a y si n d u c es q u e a l t h i sr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t h t h a to c c u r r e di nt h ep r e s e n tt e s t k e y w o r d s ：f r i c t i o n ；n o i s e ；s q u e a l ；v i b r a t i o n ；t o p o g r a p h y ；w a v e l e t t r a n s f o r m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书 2 不保密，适用本授权书。 学位论文作者签名：p 譬老聋移 日期：移魄年 月卯日 指导教师躲i 司彳幸绕 日期：矿，2 年协月夕日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 设计了比较合理的往复滑动摩擦噪声试验和状态变量测量方案，可以 比较全面地研究摩擦噪声的形成、发展和消失过程。( 第3 章) 2 通过改变往复滑动位移的变化规律，可以研究粘着一滑动运动和摩擦 力一相对滑动速度负斜率对摩擦噪声形成的影响。( 第4 5 章) 3 通过大量的试验发现了摩擦噪声的形成与磨痕形貌有明显的关联。结 合摩擦起源理论，提出了磨痕形貌是决定摩擦力变化的主要因素之一的假设以 及动态摩擦力引起摩擦振动和噪声的观点，可以解释摩擦噪声通常都是发生在 摩擦系数比较大的区域的原因。( 第6 章) 4 提出用小波变换理论来对摩擦噪声的状态变量进行深层次的分析。创 造性地提出了有摩擦噪声时的动态摩擦力分量的估计方法，并用锤击试验的结 果验证了这种分析方法的精度。结合小波变换和动态摩擦力估计方法，识别出 二种有摩擦噪声时的动态摩擦力形成机理，对应二种不同的摩擦噪声发生机理。 ( 第7 8 章) 5 用m a t l a b s i m u l i n k 语言对试验发生的摩擦振动进行了仿真计算，在 理论上验证了摩擦噪声发生的一些条件。通过仿真计算在理论上验证了粘着一 滑动运动和摩擦力一相对滑动速度负斜率不是本文试验条件下所出现的摩擦噪 声产生机理。( 第9 章) 学位做懈弋煳秒 日期：2 0 0 2 年1 1 月2 6 日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 摩擦是一种十分常见的自然现象。它有两面性，有用的方面如汽车的行走、 摩擦压力机、摩擦焊接和摩擦制动等都是摩擦力起作用。有害的方面相对多些， 如摩擦引起阻力、引起表面的磨损和机件的疲劳裂纹。摩擦阻力所做的功大部 分以热能的形式散发掉，在一些情况下有小部分摩擦功以声能和光能的形式消 耗掉。自1 6 9 9 年a m o n t o n s 年和1 7 8 5 年c o u l o m b 研究摩擦以来，人们对摩擦 的研究就一直没有间断过。这些研究主要涉及材料的摩擦磨损、疲劳损伤等问 题，而对摩擦热、摩擦声和摩擦光的研究则相对较少。摩擦噪声是指因摩擦而 发出的一种频率和声压级都不规则变化的声音。摩擦噪声与摩擦振动的关系十 分密切，它们一起构成了阻碍许多摩擦系统在工业上得到正常应用的严重问题， 如透平机叶片关节、机器人关节、电机驱动系统、船用水润滑轴承、轨道运输 系统的轮和轨、切削车床的刀具和工件以及制动系统等，在这些系统上发生的 摩擦振动和摩擦噪声都会影响到它们的正常使用。 在正常情况下，人的听觉可感受到频率在2 0 1 60 0 0h z ( 也有介绍为2 0 2 00 0 0h z 2 ) 范围内的声音。摩擦噪声通常分为两类 3 ，第一类为频率在1 0 0 10 0 0h z 的低声强级噪声，称为咯吱噪声( c h a t t e r ，g r o a n ，m o a n ，j u d d e r ， r o u g h n e s s ) 。第二类为频率在10 0 0 1 80 0 0h z 的高声强级噪声，称为高频尖 叫噪声( s q u e a l ，s q u e a k ) 。也有人把频率在l0 0 0 1 80 0 0h z 和声压级超过 8 5d b h 3 或8 3d b 5 1 的噪声才称为高频尖叫声( s q u e a l ) 。第一类噪声对人的听 觉损害要轻一些，而第2 类噪声对人的听觉和周边环境的损害就大得多，例如 人们在听了列车高速转弯或车辆紧急制动时发出的高频尖叫摩擦噪声就很不舒 服。由于高强级噪声影响较大，因此迄今为止，绝大部分的研究工作都集中在 高频尖叫摩擦噪声( s q u e a l ) 的研究上。 摩擦引起的振动和噪声是一个很复杂的自然现象。摩擦噪声的产生以及摩 擦噪声声压级的大小与摩擦系统的刚度、摩擦滑动速度和方向、法向力、摩擦 偶件的材料性能、滑动时间长短、润滑条件和环境条件( 温度、湿度、空气介 质) 【3 卅和一些未知因素有关，有时这些因素的一个或多个发生变化，哪怕这些 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 变化不显著，都会严重地影响到摩擦噪声声压级的大小，甚至会改变摩擦噪声 出现的状态，即从无摩擦噪声到有摩擦噪声，或从有摩擦噪声到无摩擦噪声。 学术界研究摩擦噪声的历史已有4 0 余年了，但仍有许多问题没有解决。到目前 为止，这个课题已吸引了包括摩擦学、接触力学、动力学和实验力学的许多学 者的兴趣，发表了许多成果。下面将对近年来在摩擦噪声研究主题上所取得的 学术进展作一个全面的回顾。 1 2 摩擦的基础研究 摩擦噪声是因摩擦而引起的噪声。现已认识到，在摩擦系数小时没有摩擦 噪声；在有摩擦噪声的摩擦运动中，如果加入润滑油，系统的摩擦噪声即刻会 消失。因此，摩擦噪声与摩擦的本质有很大的联系。自然地，对摩擦起源的研 究和摩擦变化规律的研究就成了摩擦噪声研究的基础内容。c o u l o m b 最早提出 的摩擦定律是：摩擦力正比于法向载荷，与摩擦接触面积和相对滑动速度无关。 后来人们逐渐认识到c o u l o m b 摩擦定律的不足。现在，已经认识到接触表面的 总体形状、表面组织、变形的模式( 弹性或者塑性) 、磨粒的存在与否、环境条 件( 湿度、真空度) 和表面膜的特性等 3 - i s 对摩擦力都有重要的影响。 1 2 1 摩擦起源 摩擦是如何产生的，有什么成分组成? 这是研究摩擦必须首先要回答的问 题。b o w d e n 和t a b o r t ”在1 9 5 0 年，t s u k i z o e 和h i s a k a d o ”1 在1 9 7 0 年提出了摩 擦由2 个分量组成：第1 个分量是由于剪切引起，第2 个分量是由于犁削引起。 后来，c h a l l e n 和o x l e y t 2 川在1 9 7 9 年，s u h 和s i n t 2 ”在1 9 8 1 年，k o v m o p o l o u s e t a 1 【2 2 1 在1 9 8 6 年提出了包括微凸体变形分量在内的摩擦起源理论。s u h 和s i n 的理论比较满意地解释了摩擦系数一滑动位移曲线驼峰状变化的原因，这个理 论将在本文的第6 4 节里用来解释一个重要的摩擦噪声现象。 1 2 1 1 剪切一犁削摩擦力理论”3 两个金属摩擦面在法向力的作用下，如果受到逐渐增大的切向力作用，则 这两个金属摩擦面之间的实际接触面积增加，它们的最大切向微滑随着表面粗 糙度的增加而增加。这些影响由b o w d e n 和t a b o r t 3 1 在试验中观察到，并被发现 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 能导致金属接触表面层特性的显著变化。在微凸体之间的接触面积是流体弹性 动力油膜厚度和合成粗糙度的比值的函数。在滑动期间，比分子尺寸大的金属 胶合( j o i n t ) 被形成和被剪切。在这种情形下，摩擦力的幅值和滑动所引起摩擦 表面的损伤主要由接触表面的相对物理特性确定。此外，如果一个表面比另一 个表面硬，则硬表面的微凸体犁削软表面，产生有一定深度的犁沟。因而，总 的摩擦力由二部分组成：一部分由剪切引起，另一部分由犁削引起。这两部分 分量哪一个占优，取决于两金属块基体材料的的物理特性。以一个受平行于滑 动方向的半球形硬金属块在一个软金属块上的滑动( 见图卜1 ) 为例说明摩擦力 的分量组成。剪切金属胶合( j o i n t ) 的力是： s = - a 口( 1 一1 ) 这里，a ( = 阡伽) 是实际接触面积，矽是法向力，p 是接触压力，t 7 是剪切胶合 ( j o i n t ) 需要的应力。 图1 _ 1 硬金属曲面引起软金属的变形 3 “钔 接触的真实面积是单个接触面积的总和，单个接触面积上的分子和原子引 力、排斥力是相互平衡的。单个接触区域的分布密度取决于接触表面的粗糙度、 机械特性和作用的外载荷。大多数金属的剪应力是法向力p 的线性函数，即： t t = 0 0 + a p ( 1 2 ) 这里，0 。是法向力为0 时的剪应力，a 是常数。 剪应力引起的摩擦系数是： h 。= ( 口o ，) + 口 ( 1 3 ) 犁削分量p 是移走半球体前面的软金属所需要的力，它由下面的公式给出： 户爿以 ( 1 4 ) 这里，4 是犁沟的横截面面积，岛是移走形成犁沟的金属所需要的平均应力。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 总的摩擦力是这两项的总和： f = a 。口。+ 月n p ； 1 2 1 2 摩擦力起源：变形一犁削一粘着理论f 2 0 - 2 2 ( 卜5 ) s h un p 1 等在2 0 世纪7 0 年代末提出了摩擦起源的变形一犁削一粘着理 论，国内的文献对这个理论介绍得比较多m “1 。这个理论的要点如下：滑动表面 之问的摩擦是微凸体的变形、磨粒和微凸体对表面的犁削以及粘着三者的综合 作用的结果。这三者对摩擦系数影响程度取决子滑动界面的状态，而后者又受 到滑动前材料的性质、表面状态以及环境等因素的影响 。 ( 1 )试验依据 以一组不同硬度的纯铁和钢在室温和净化的氩气中进行摩擦试验( 法向力9 8 n ，滑动速度0 0 2m s ，总滑动距离3 6m ) ，得出以下结果： 1 ) 摩擦系数随滑动距离变化，其变化规律如图卜2 ( a ) 所示，但如果用较 软的试件摩擦较硬的静止试件，则摩擦系数达到最大值之后会有所下降，然后 j 达到稳定的值，见图卜2 ( b ) 。 ( a )( b ) 幽卜2 摩擦系数相对滑动距离的关系1 2 1 i 2 ) 把磨粒从滑动界面上清扫后，摩擦系数会显著下降，然后又逐渐回升到 稳定值( 图卜3 ) 。 3 ) 不论何种材料组合，初始的摩擦系数都等于o 1 0 2 。 4 ) 相同会属相互滑动时，其稳定状态的摩擦系数都大于较软试件在较硬的 一 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 静止物体上滑动时摩擦系数的稳定值；反之，用硬试件在较软的静止试件上滑 动时，摩擦系数的稳定值几乎和同种金属对摩时一样。 磨痕表面的s e m 照片显示，软试件在较硬的静止物体上滑动时，软、硬 两个接触表面均被抛光；否则，不仅不会产生上述现象，而且在摩擦表面上还 会形成犁沟。 图1 - 3 清除磨粒后摩擦系数与滑动距离的关系 ( 2 )摩擦机理 1 ) 摩擦系数的变化过程 如图卜4 所示，摩擦系数的变化过程一般可分为以下六个阶段 图卜4 摩擦系数的变化过程t 2 ” 第1 阶段：在摩擦的初始阶段i ，摩擦系数的数值似乎受微凸体引起的表 面犁削的控制。在这个阶段，由于摩擦表面受过污染，粘着不起大的作用。在 滑动的一开始。微凸体变形就发生了，微凸体变形影响到静摩擦系数。然而， 在这个阶段，徽凸佛变形似乎不悬决寝弗瓣纛黧纳寓幕因素，因为当滑动开始， 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 微凸体就跟着变形，以及摩擦表面容易被抛光。因此，在这个阶段的初始摩擦 系数p ；大大地独立于摩擦对偶件的材料组合、表面条件和环境条件。 第1 i 阶段：在阶段i i ，由于粘着的增加，摩擦力开始慢慢上升。当摩擦界 面被润滑时，阶段i 持续很长的时间，阶段i i 可能不存在。摩擦系数在阶段i i 的斜率可能会变得较陡，如果由微凸体变形和表面裂纹所产生的磨损粒子能够 停留在滑动表面之间，并且犁削滑动表面的话。 第1 i i 阶段：阶段i i i 的特征是摩擦系数的斜率急剧增大，这是由于因为磨损 率较高，在滑动界面间被俘获的粒子数量迅速增加的缘故。摩擦系数的斜率也 受粘着增加的影响，这是由于在滑动表面之间洁净接触面积增加的缘故。在这 个阶段，只要表面微凸体存在，那么使微凸体变形所需要的力也持续构成了摩 擦力的一个部分。当磨损粒子的形成过程完成以后，磨损粒子就产生了。磨损 粒子的形成过程由磨损脱层理论假设的摩擦表面内部的次表层变形、裂纹形成 和扩展来体现。在摩擦表面之间，一些磨损粒子被俘获，引起犁削作用。当磨 损粒子在几乎等硬度的诱金属试件之间被俘获时，这个犁削作用将会更大。这 是因为此时这些粒子将渗透到摩擦着的两个表面，防止了在渗透的粒子和摩擦 表面之间出现滑动。 第阶段：当接触界面俘获的磨损粒子数保持不变时，摩擦系数达到了阶 段，这种情况发生在摩擦界面新俘获的粒子数等于原来被俘获但现在离开界 面的粒子数的时候。在这个阶段，粘着对摩擦的贡献也维持不变。微凸体变形 对摩擦继续起重要作用。这是因为材料脱落弓i 起的磨损造成了新的带微凸体的 粗糙表面。然而在大多数情况下，微凸体变形的作用不如犁削的作用大，这是 因为微凸体的变形是逐渐进行的，以及新微凸体的生成频率低的缘故。当两个 相同的金属相互滑动的时候，或当决定阶段v 的机理不起重要作用的时候，在 阶段的摩擦系数就是两金属摩擦的稳态摩擦系数。 第v 阶段：在些情况下，例如当很硬的固定试件滑动软的动试件时，硬 表面的微凸体被逐渐磨去( 阶段v ) ，形成了镜面抛光。在这种情形下，摩擦力 由于犁削和微凸体变形作用的减少而下降。犁削减少是因为磨损粒子不能锚固 在抛光了的硬表面上。 第阶段：最终，当硬表面在最大程度上变得镜面光滑的时候，较软的表面 也获得了同样的镜面抛光效果。在这个时候，摩擦力变平坦了( 阶段v i ) 。在这 个阶段，摩擦表面绝对不会变得完全光滑，因为材料脱落磨损粒子的产生总会 使摩擦表面有坑孔。这些坑孔给磨损粒子提供了锚固点。当硬的表面不是固定 的而是运动的，来摩擦较软的静止表面的时候，硬表蘧仍然缳持狙糙，可熊因 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 为由于几何的原因使抛光不能发生。在这种情况下，阶段v 和阶段不存在。 2 ) 机理分析 微凸体变形引起的摩擦 在图1 - 5 中，a 和b 为两个微凸体的接触界面，要使这两个表面发生相对滑 动，微凸体必须变形，使其位移与滑动方向一致。 图卜5 两个微凸体互相进入接触时的物理模型一 它主要取决于接触界面处的粘着强度与较软材料的剪切强度之比。 犁沟引起的摩擦 由于微凸体或硬磨粒嵌入到较软材料的机体内，在相对运动时会产生犁沟作 用，因此，其摩擦系数主要取决于磨粒尺寸( 或硬微凸体的尺寸) 及其相对硬 度和嵌入软材料的深度。 犁沟还会使沟槽两侧形成山脊，而后者又不断被压平、断裂，从而形成新的 磨粒，见图1 6 。 一一一、 ，z ；s ；一一乏三g p 一毽一 ( a )( b )( c ) 剀卜6 犁沟形成磨粒的过榉【“i 1 2 2 影响因素 1 2 2 1 摩擦的速度依赖性 s t r i b e c k i m 在1 9 0 2 年就发现了后来被称之为s 拄妇蛾糜擦力一相对滑动速度 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 群r c“二ioni 二：二二夕 落i 烈：l m 。? 蠢沁| h l l ! ! ii 图卜7s t r i b e c k 摩擦力一相对滑动速度曲线 s a k a m o t o l 2 3 i 在1 9 8 7 年根据试验结果提出了加速和减速对摩擦力的影响曲 线，如图1 - 8 所示。 0 6 0 d o 2 0 l02 03 0t 1 05 06 0 r t j ia t iv cs iid in gs d c c dvr 幽卜8 加速平| f 减速对摩擦系数一相对滑动速度的影响o 由于摩擦的复杂性，到目前为止，多种摩擦力一相对滑动速度模型被研究 者使用过，这些模型见图1 9 。 a ， 一a p 一? l a 、 一j l二 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 t 9 t 9 t llj r “卜“隧筹 ll| 芦0 l _ 一o l _ 弋? 图卜9 六种摩擦力一相对滑动速度模型( f s 为静摩擦力，v r 为相对速度) 2 4 1 1 2 2 2 摩擦力的时间依赖性 ( 1 )静摩擦力的时间依赖性 r a b i n n o w i c z t 3 】在1 9 5 1 年研究了静摩擦力的时间依赖性。后来，b r o c k l e y ，e t a 1 鲫在1 9 6 7 年，p l i n t 和p l i m 嗍在1 9 8 5 年都研究了静摩擦力的时间依赖性。 试验结果是，静摩擦力随着时间的增加而加大，见图卜1 0 。 0 4 0 0 3 5 o 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 15 t ( s ) 图1 - 1 0 静摩擦的时间依赖性啪3 ，图中为静摩擦系数 第1 0 页西南交通大学博士研究生学位论文 ( 2 ) 动摩擦力的时间依赖性 金属的基本摩擦理论都是基于接触界面的结点( j u n c t i o n ) 形成、焊接结 点的剪切和在接触区域形成的穿入微凸体的犁削。这个理论体系暗示着摩擦力 的变化特性。r a b i n n o w i c z t 3 l 在1 9 5 5 年研究了动摩擦力的时间依赖性，a r o n o v ， e ta 1 口7 2 8 l 在1 9 8 3 和1 9 8 4 年也研究过动摩擦力的时间依赖性。s o o m 和k i m l 2 9 】 在1 9 8 3 年对动摩擦力的时间依赖性信号进行了统计分析，见图卜1 1 。 此外，摩擦力还有温度依赖性和法向载荷依赖性i 1 。 0l k2 k f r e q u e n c y ( h z ) 图l 一1 1 动摩擦的时间依赖性口9 1 1 3 摩擦噪声研究概况 1 3 1 制动摩擦噪声 根据文献口“3 的介绍，早期对制动摩擦噪声的研究主要集中在参数变化对各 种制动系统振动模式的影响和消除摩擦噪声问题。f o s b e r r y 和h o l u b e c k i 在 1 9 5 5 、1 9 5 7 、1 9 5 9 和1 9 6 1 年研究过制动摩擦噪声。b a s f o r d 和t w i s s 嘲在1 9 5 8 习囚四塑 m 加如 m m m x 2 2 2 2 2 2 kzz：l一啦cm m m 加 2 2 2 2 2 2 砖。u。(1啦-i。莹c一 西南交通大学博士研究生学位论文第1 1 页 年，n o r t h 1 1 在1 9 6 9 年也研究过摩擦噪声。制动摩擦噪声具有以下特点：摩 擦噪声伴随有简谐振动和极限环振动，这两个振动显示有非线性行为的存在， 如在摩擦材料和制动盘之间接触的谈失。摩擦噪声在一个有限的压力范围内 产生，这个压力范围与摩擦片材料的刚度有关。同时有多个结构振动模式发 生，如发生两方向摆动型不稳定( b i n a r yf l u t t e rt y p ei n s t a b i l i