（机械设计及理论专业论文）沟槽形表面织构对摩擦噪声的影响.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 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 摩擦振动一起构成了阻碍许多摩擦系统在工业上正常应用的严重问题，并大大降低这些 系统的使用寿命、工作效率等，如人工关节、制动系统、轮轨系统、车床切削系统等等。 摩擦界面特性是影响摩擦噪声的关键因素，因此，通过研究摩擦界面特性的改变如何影 响摩擦噪声，探索新的途径来进一步研究摩擦噪声的产生机理，这将对找到合适的方法 来抑制摩擦噪声具有重要的指导意义。 本研究主要是通过在制动盘铸铁样品表面加工沟槽形表面织构，并对其进行摩擦噪 声试验，研究摩擦界面特性的改变如何影响界面摩擦学行为以及摩擦噪声特性。用电加 工方法在制动盘蠕墨铸铁材料表面加工出沟槽形表面织构( 沟槽深度3 0 岬、宽度l5 0 岬、间距为5 0 0 岬) 。摩擦学试验在c e t r 3 多功能摩擦磨损试验机上进行，采用直径1 0 衄的s b n 4 陶瓷球为对磨球，采用球面平面接触方式，变化法向载荷( 3 n 、5 n 、l o n 、 2 0 n 、4 0 n ) 和往复滑动频率( 0 2 h z 、o 3 h z 、o 5 h z ) ，对沟槽形织构表面和光滑表面进行 往复摩擦磨损试验，并采集摩擦过程中的振动加速度和摩擦噪声声压。采用等效声压级、 相干函数及自功率谱等不同的信号处理方法，对摩擦噪声及振动信号进行分析，研究沟 槽形表面织构对摩擦系统的振动及噪声的影响。同时，通过采用光学显微镜和轮廓仪对 样品的磨损特性进行分析，研究沟槽形表面织构如何影响界面的摩擦学特性。最后把两 者结合起来，从摩擦学角度对沟槽形表面织构如何影响摩擦噪声进行了解释。针对本研 究所选取尺寸的沟槽形织构，主要获得一些结论： 1 沟槽形织构表面产生的摩擦噪声的时间历程曲线不同于光滑表面。织构表面产生的 摩擦噪声常常发生于往复滑动的2 个行程中，而光滑表面只在往复滑动的某一行程 中产生摩擦噪声。 2 沟槽形织构表面较光滑表面更易产生摩擦噪声，且产生的摩擦噪声强度较高。 3 沟槽形织构表面产生摩擦噪声的时间明显较光滑表面的早，且其主频率成分较多， 这初步可归因子织构表面的沟槽会导致往复滑动过程中摩擦力频率成分增多，增大 了摩擦力频率与系统固有频率耦合的概率，并引起系统的多阶振动。 4 沟槽形织构表面比光滑表面具有较高的摩擦系数和耐磨性，沟槽形织构的存在明显 地改变了接触界面摩擦磨损行为( 排屑行为) 和摩擦噪声特性，但摩擦系数和摩擦 噪声之间目日i 还未能建立起良好的对应性。 关键词：表面织构；摩擦噪声：摩擦振动；摩擦磨损 a b s t r a c t 确c t i o nn o i s ew 淌i 仃e g u l a r l ym u t a t i v e 舶q u e n c ya n ds o u n dp r e s s u r el e v e li s c a u s e db y t h e 衔c t i o n i nt h ei n d u s 咄舶c t i o nn o i s ea j l dv i b r a t i o na r c c o n s i d e r e dt 0b e 伊e a t l ya g a i n s tt 1 1 e n o 咖a la p p l i c a t i o no fm a n y 衔c t i o ns y s t e m s w o r k i n ge 俪c i e n c y s u c ha sa r t i 矗c i a lj o i n t s ， a n ds i 鲥f i c a n t l yr e d u c et h e i rs e r v i c el i f e 锄d b r a k es y s t e n l s ，w h e e l - r a j l s y s t e m ，m a c h i n i n g s y s t e m s ，c t c f r i c t i o ni n t e 而c ep r o p e n i e si s0 n eo ft 1 1 e k e yf a c t o r s f o rt h e 衔c t i o nn o i s e 1h e r e t l o 玎e ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a i l i s mo f f h c t i o nn o i s ei ss t l l d i e db y i n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c e o f c h a n 孚n g 衔c t i o ni n t e 仃a c ep r o p e n i e si n “ss t l l d y t h i sw i l lh a v ea g u i d i n gm e a n i n gt of i n d a9 0 0 dw a yt 0r e d u c ea n ds u p p r e s s 衔c t i o nn o i s e 1 1 1 ei n f l u e n c eo ft h e c h a n g eo f 衔c t i o ni i l t e m r 印r i ) p e n i e s伽 衔c t i o nn o i s ew a s l n v e s t l g a t e db ym a c h i l l i n g 鲫v e ds u 雨c et e x t u r e0 n b 础j n gd i s cm a t 硎a l s( s 锄p 】e ) ( j 啪v e ds u r f i a c et e x 眦( 3 0 岬i i ld e p t l l ，1 5 0 岬i 1 1 w i d t l la n d5 0 0 舯i np 鼬) w a s m a n u t a c t u r 酣0 nm es u m c eo fv e n l l j c u l a r 聊h i t ec a s ti r o n n a tp 冰ed i s cm a t e a 1 ) b v e l e c t r o m a c h i n j n g “b o l o 百c a lt e s t so ft l l e 鲫v e ds u 嘲c ea n ds m o o ms u r f k es 锄p l e sw e r e c 锄e d0 u tb yu s i n gc e t r - 3 m u l t i f h n c t i o n a 】t b o m e t e r ，d i 疏r e n tn o 砷a 11 0 a d so f3 n 、5 n 、 1 0 n 、2 0 n 、4 0 na 1 1 dr e c i p 赋a t i n g s l i d i n g 仔e q u e n c i e so f 2 h z 、0 3 h z 、0 5 h zw e r eu s e d s i 3 n 4 c e 姗i cb a l lw 油1o 姗d i 姗e t e r w a l su s e da sc o u n t e m c eb a l la n dab a l l 伽f l a tc o n f ig u m t i o n w 髂a d 叩t e d b 0 mt l l e “b r a t i o na c c e 】e r a t i o ns i 朗a l 锄d 衔c t i o n a ln o i s es i 印a lw e r ec o l l e c t e d d u n gt h e 研b o l o 百c a lt e s t s d i f 诧r e n ts i g n a lp r d c e s s m gm e t h o d si n c l u d i n ge q u j v a l e n ts o u n d p r e s s u 陀l e v e l ，c o h e r e n c em n c t i o n 卸da u t 0p o w e rs p e c t n 】m sw e r eu s e dt 0e v a l u a t e dm e v l b m t l o n 锄dn o i s es i 印a l s t h ee 舵c t so f 蹦) o v e ds u e t e x t u r e0 n l ev i b m t i o na n dn o i s e p r o p e n l e so tt h e 衔c t i o ns y s t e mw e r es t u d i e d m o r e o v e r t h ew e a r p r o p e n i e so ft h es 锄p l e sa r e e v a j u a 剐b yo p t l c a lm i c r o s c o p ea n dp r o f i l o m e t e rt or e v e a lt h ei n f l u e n c eo fm e 舯o v e d s u r f a c et e x t u r eo n 衔c t i o ni n t e r 内c ep r o p e r t i e s f i n a l l y t h ei n n u e n c eo ft h e 酉0 0 v e ds u r f a c e t e x t u i e0 n 嘶c n o nn o i s ew 私d i s c u s s e df b m t h ev i e 、叩o i n to f t b o l o g y a c c o r d i n g l y ，t h em a i n c o n c l u s i o l l sc a n b ed m w n 嬲f o l l o w i n gw h i c ha r e 印p l i c a b l e0 n l yt 0t h e 鲫v e ds u 嗍c e t e x n l i a d o p t e di nt h i sw o r k ： l r i m ep r o c e s sc u e so ft h e 衔c t i o nn o i s eo f t h e 伊0 0 v e - t e x t u r e ds u r f a c ew 髂d i 仃e r e n tf h o m t h o s eo ft l l es m o o t l ls u r f a c e t h e 衔c t i o nn o i s eo ft 1 1 e 铲d o v e t e x t u r e d s u r f a c eu s u a l l v 印p e a r e dmb o t hs t r o k e so fr e c i p r o c a t i n gs l i d i n 吕h o w e v e r t h e 衔c t i o nn o i s eo fs m o o t h s u 柏c en o 肌a l l y 印p e a r e di nj u s to n es 仃0 k eo f r e c i p r o c a t i n gs l i d i n g z nl se a s l e rf o rt h e 舯o v e - t e x t u r e ds u r f a c et 0g e n e r a t et h e 衔c t i o nn o i s ec o m p a r e dt 0t h e s m 0 0 t hs u 柏c ea n dw i t hh i g h e rn o i s e i n t e n s i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 f c t i o nn o i s ew 觞p r o n et oo c c u re a r l i e rf o rt h e 黟0 0 v e - t e x t u r e ds u r f a c ec o m p a r e dt ot h e 8 m o o ms u r f a c e ，a n dm o r ec o m p l e xf - r e q u e n c yc o m p o n e n t sw e r ef o u n df o rm et h e 弘o o v e - t e x t u r e ds u r l a c e t h i sc a nb e 删b u t e dt ot h a tt h ee x i s t e n c eo f 掣o o v e ds u r f a c e t e x t u r ec a u s e dm o r ec o m p o n e n t so ft h e 衔c t i 伽h e q u e n c yd u r i n gt h er e c i p r o c a t i n gs l i d i n g t h ei n c r e 嬲eo fm e 衔c t i o n 行e q u e n c yc o m p o n e n t sw o u l di n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo ft h e c o u p l i n g0 ft h e 衔c t i o n 舶q u e n c ya n dn a n j i a 1 能q u e n c y0 ft h es y s t e m ，锄df i n a l l yc a u s e d t h ev i b r a t i o no f m u l t i 一矗e q u e n c yo f t h es y s t e m 4 t h eg n d o v e t e x 眦ds u 响c ea d o p t e di nm i sw o r ke x h i b i t e dh i 曲e rc o e 衔c i e n to f 衔c t i o n a n dw e a rr e s i s t a i l c e 舔c o m p a r e dt ot h es m o o t hs u r f a c e t h ee x i s t e n c eo f 粤0 0 v e ds u r f a c e t e x t u r ec h a n g e dm ef i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r sa sw e l l 笛f h c t i o n i n d u c e dv i b 瑚【t i o na n d n o i s ep r o p e r t i e so ft h e 衔c t i o n a ls u r f a c e s ，b u tm e i rc o n e s p o n d i n gr e i a t i o n s h i pi sn o tg d o d k e yw o r d s ：s u r f a c et e x t u r e ；衔c t i o nn o i s e ；衔c t i o nv i b r a t i o n ；衔c t i o na n dw e a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 摩擦现象发生于相对滑动的两个表面之间，通常情况下它是阻碍相对运动的。摩擦 扮演着传递能量和消耗能量的双重角色。由于摩擦传递到某个系统的能量不能够完全消 散时，就会引起系统的不稳定，进而产生自激振动和发出声音。摩擦噪声是一种频率和 声压级都不规则变化的声音。摩擦振动和噪声大部分情况下都是有害的，它影响了很多 工业中的摩擦系统j 下常工作，如人工关节、制动系统、轮轨系统、车床切削系统等等。 极少部分情况下摩擦噪声是有用的，如小提琴发出的声剖1 。2 j 。 摩擦噪声是由于摩擦自激振动引起的，是一个非常不稳定的现象。摩擦噪声的产生 与否、声压级大小及主频成分等性能参数受到诸多因素的影响，如摩擦配副的材料性能、 系统的刚度、界面的润滑条件、界面特性等因素1 3 制。其中某一个因素的改变，都可能会 严重影响摩擦噪声的产生、大小及频率等。这就给试验者研究摩擦噪声造成了很多麻烦。 摩擦噪声这个课题已经被国内外不同学科的学者进行了近5 0 余年的研究，取的很大的进 展，但是同样也存在不少问题。下面介绍一下摩擦噪声的国内外的一些研究状况。 1 1 摩擦噪声的研究状况 1 1 1 概况 摩擦噪声是摩擦自激振动引起的声压级和频率都不规则的声音。根据接触表面问的 压力，摩擦噪声可以分为两种类型【7 】。当接触压力较高的时候，摩擦噪声的产生是由于 机械系统的不稳定( 粘着滑动，自锁一滑动) 造成的，这类噪声叫做高频尖叫噪声。当 接触压力较低的时候，该类摩擦噪声叫做咯吱噪声。根据噪声的频率大小，摩擦噪声分 为两种类型引，第一类噪声的频率范围为l o o o 1 8 0 0h z 叫做高声强级噪声，也称为高频 尖叫噪声。有些学者把频率范围为1 0 0 0 1 8 0 0h z 并且声压级超过8 5d b l 9 】或8 3d b 【1 0 l 的噪 声才称为高频尖叫噪声。第二类噪声的频率范围为1 0 0 一1 0 0 0h z 的低声强缴噪声，称为 咯吱噪声。国内外文献中涉及到的最多的摩擦噪声是制动尖叫噪声，主要是汽车制动装 置发出的制动噪声。而在现实生活中，咯吱噪声的例子有录音磁头与磁带间的摩擦所发 生的噪声和轮胎与高速公路路面摩擦产生的噪声。低声强级的摩擦噪声( 咯吱噪声) 由 于产生的危害比较小，所以研究的比较少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 摩擦噪声研究方法 1 1 2 1 摩擦噪声试验研究 摩擦噪声试验研究主要是验证现有的摩擦噪声产生机理以及摩擦噪声与摩擦副表面 形貌的关系。目前的试验研究主要集中在制动尖叫噪声和往复摩擦噪声上。制动尖叫噪 声试验装置主要分为简化试验装置与模拟真实制动装置两种类型。简化试验装置大概有 三种类型，如图1 1 所示【1 1 1 舢。真实模拟制动试验装置如图1 2 所示【9 】，其中包括一些试 验辅助装置：悬挂系统、直流电机、转矩传感器等。陈光雄等和t j i b i k i 【1 5 】等对往复 摩擦噪声进行了比较全面的研究，其试验装置如图1 3 所示。主要的研究工作为，通过 声学传感器或者声级器采集摩擦噪声声压或者声压级，将摩擦噪声信号输入到频谱分析 仪或者通过m a t l a b 编程获得摩擦噪声的声功率谱。与此同时，测试摩擦副中的不动 件振动加速度，对振动加速度信号进行自功率谱分析以获得振动主频率，并且拿其与摩 擦噪声的声功率谱对比，用来分析摩擦噪声行为与摩擦振动行为间的关系。最后，通过 扫描电镜或者光学显微镜对磨痕进行观察，结合摩擦噪声的时域数据，研究磨痕形貌与 摩擦噪声的对应关系。 a ) 销盘型试验装置 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 蹦h 、 b ) 试验制动装置3 c ) 摩擦制动装置 图1 1 研究摩擦制动尖叫噪声的简化装置陋1 4 】 幽1 2 复杂的制动尖叫噪声研究装置【9 j 、 ，j r 。俚 懈 小“ s k k t _ = r b p 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 r ( 、i - 【- lu ：l i ，i | 11t i f ic 。】1 l i ( -lf l a d ( ull r ic l1a ( 。【( jt 、r n ic 1 ( r p u1 】( y i ? l i1 s p f ( ：im 、n b “llf l t f 】a ts p ( ? cim j n ( i i h “f j a c li 、( ，) a ) 球平面平面接触条件下的往复跨擦试验装置 b ) 球平面接触条件下的往复滑动试验装置【1 5 】 图1 3 往复条件_ 卜的摩擦噪声研究装置图【1 1 习 1 1 2 2 摩擦噪声有限元分析 关于摩擦噪声的有限元分析，基本上都集中于制动尖叫噪声的研究，也少部分学者 对往复滑动条件下的摩擦噪声进行了有限元分析。而有限元研究的理论模型为摩擦振动 噪声的模态祸合模型，通过有限元工具把简单自由度的模态耦合模型向多自由的模型延 伸。制动噪声的经典模型如图1 4 a 所示，主要获得的结论为：制动盘与制动片由于发生 了模态耦合产生了不稳定倾向，进而可能导致制动尖叫噪声的产生；制动尖叫噪声发生 的倾向性随着摩擦系数的增大而增大；子结构的某一阶或者多阶振动模念都有可能成为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有尖叫噪声倾向的模态；制动舷、制动片制动钳的阻尼不一定能减小不稳定区，有时反 而会增加：制动盘和制动片之叫相对运动速度对摩擦系统的不稳定具有重要的影响。 往复滑动产生的摩擦噪声的有限元分析主要有限元模型如图1 4 b 所示，获得的主要结论： 在往复滑动过程中，摩擦系数大小对摩擦噪声是否产生具有一定的影响，摩擦噪声产生 时摩擦系数值都比较大，必须大于某一个值，摩擦噪声爿。有可能产生：摩擦噪声发生时， 摩擦系统的两个自然模态发生了耦合：大量试验研究表明摩擦噪声常常发生于往复滑动 的某行程，仿真数据表明摩擦力使得摩擦振动部件的当量弹簧受压时，噪声的倾向性 增加i j 。 a ) 柱式制动系统有限元模型 b ) 往复运动试验装置有限元模型【1 7 l 图1 4 摩擦噪声研究的有限元模型7 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 1 2 3 摩擦噪声的振动力学分析方法 盘式制动系统的动力学不稳定与摩擦界面之间发生的自激振动紧密相关。大多数研 究都是基于集总质量模型和有限元模型。制动尖叫噪声的大多数研究都是基于界面摩擦 学机理和摩擦系数的模拟。对制动盘进行动力学分析能够了解各种条件下的制动系统的 模态行为。c h e n 和b o d l 8 】是最早发现转动盘的传递波是向前向后运动的振动波的结合。 对系统的非线性和跟随力的分析能够让我们很好的理解制动尖叫噪声产生的机理。 m o t t e r s h e a d 和c h a n l l9 j 建立了横向加载的弹簧一质量一阻尼系统来分析转动盘的不稳定性， 如图1 5 所示。根据这一模型1 w a n 和m o e l e r ，s h e n 和m o t e 等建立了各自的运动振动方程【2 0 】， 认为模态耦合和摩擦力相对滑动速度负斜率是造成制动尖叫噪声的主要原因。随着研究 的不断深入，越来越多的接触表面表征参数被考虑，出现了越来越多的模型，如图1 6 和图1 7 所示。 图卜5m k d 横向系统【1 9 】 图卜6 分布参数模型【2 i l 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 r o t a t m g s p e e dq 1 1 3 摩擦噪声形成机理 图1 7 移动载荷模型【2 2 1 摩擦噪声的发生是由两个相对滑动的接触表面之间的摩擦而导致的，但是在摩擦噪 声发生的情况下，特别是当摩擦噪声的频率较高时，摩擦力时变特性的测试非常困难， 很难直接测试出来。学者们在研究摩擦噪声的产生机理时，经常假设摩擦力按某种规律 变化，因而出现了多种摩擦噪声的产生机理。文献中制动尖叫噪声的机理大致可以分为： 粘着滑动机理、自锁滑动机理、摩擦力相对滑动速度负斜率机理、锤击理论及模态耦 合机理。近年来，陈光雄1 2 五2 4 j 还提出了往复滑动条件下摩擦噪声产生的时滞理论。 1 1 3 1 牯着一滑动机理 e r i l ( s s o n 等提出制动瓦片和转子之间的滑动速度变化导致摩擦系数发生变化是制动 尖叫噪声产生的根源”5 1 。粘着一滑动理论的主要内容为当静态摩擦系数大于动态摩擦系数 时，一个物体在如图1 8 所示的运动皮带上滑动就变得不稳定，系统将产生摩擦振动， 进而产生摩擦噪声。粘着滑动运动的产生过程为，在运动开始阶段，切向力持续增加， 当超过静态摩擦力时，物体开始滑动。如果速度降为零，将发生粘着。这样的结果将导 致粘着和滑动交替发生，运动断断续续。图中，m 为振动质量，k 为弹簧刚度，c 为结构 阻尼，f 为法向载荷。 图1 8 粘着滑动机理1 2 6 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 1 3 2 自锁滑动机理 s p u 一2 7 1 是最早提出自锁滑动机理用以解释制动尖叫噪声产生的原因。它的主要思 想是由于摩擦副之i 日j 的自锁作用造成摩擦系统的结构不稳定，使得系统发生摩擦振动， 进而产生摩擦噪声。他认为摩擦噪声的产生与摩擦力无关，噪声的产生归因于迅速变化 的摩擦系数。s p u r 提出的自锁滑动机理可以用如图1 9 所示的物理模型来解释： 在模型中，一根刚性且无质量的杆可以围绕o 点自由转动，在自由端l 施加一个外 部力。对o 点取力矩列出平衡方程： l ，c o sp + ，s i n 秒一fc o sp = o ( 1 】) f f = n 雒 ( 1 2 ) 消去n 得到摩擦力的表达式： f ，： 丝 l - 鹏秒 ( 卜3 ) 从式中可以看出，当= 呕秒时，摩擦力将趋向于无穷大，结果会导致移动平板发 生自锁，相对运动停止。如果杆能够灵活的加载和卸载，就可以使得摩擦系统的自锁和 滑动两种运动交替产生，出现自锁一滑动运动。 图1 9 自锁- 滑动机理1 2 6 】 1 1 3 3 摩擦力相对滑动速度负斜率机理 两个相对滑动的接触表面出现干摩擦或者不完全润滑的工况时，由于摩擦系统中摩 擦副表面的油膜杂质、摩擦表面的磨损、摩擦过程中产生的磨屑等诸多因素的影响，摩 擦力与相对滑动速度有着非常复杂的关系。当出现摩擦力相对滑动速度负斜率这种工况 时，摩擦系统将出现不稳定，导致系统产生摩擦振动，进而产生摩擦噪声。摩擦力相对 滑动速度负斜率引起自激振动的数学模型| 2 引，通过如图1 1 0 所示的摩擦振动单自由度模 型来介绍。 对质量块m 取离体，根据牛顿定律，该单自由度的线性系统的运动微分方程可表示 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为： ，歧+ c 膏+ h 一，女( ，一戈) = o ( 1 4 ) 当支 时，按照t a l o r 级数将凡( v o j ) 将按戈的幂次展开，即： 瓦( 吲= 只( ) 一( v o ) 文+ 礅) 蔷一礅) 蔷+ ( 1 _ 5 ) 如果振动的振幅比较小，式( 卜5 ) 中j 二次以上各项将近似等于零，可以省略，将 e ( 1 ，o j ) 展开式代入式( 卜4 ) ，可得： ，放十d + ( v o ) j 一只( v o ) + b = o ( 卜6 ) 常数项凡( v o ) 与振动没有关系，可以省略，进一步将上式改写为： 朋贾+ k + 一( v o ) k + b = o ( 1 7 ) 如果出现摩擦力一相对滑动速度负斜率工况( ( ) c 时，当系统受到一个初始激励， 振动幅值会无限振动，振动一旦产生就不会消失，这就是摩擦力一相对滑动速度负斜率机 理引起摩擦振动的数学理论基础；当口l o 6 ，故认为摩擦噪声是摩擦系统振动发射的。 1 2 1 o o b o 6 o 4 o 2 0 0 1 2 1 o 0 8 o6 0 4 0 2 0 0 1 2 1 0 0 8 0 6 o4 o 2 0 0 2 10 o 8 0 6 0 4 02 0 0 1 2 10 08 0 6 0 4 o 2 o 0 1 2 10 0 8 0 6 04 0 2 00 f r e q u e n c y ( h z ) a ) 织构表面，辟1 0 n ，罔2 f r e q u e n c y ( h z ) b ) 光滑表面，r = 1 0n ，间2h z m_e；价山co；qc3 1|mucoic00 d_p上j；山co；oc3=|ocmmc00 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 f r e q u e n c y ( h z ) c ) 织构表面，r = 2 0n ，问5h z f r e q u e n c y ( h z ) d ) 光滑表面，r = 2 0n ，户0 5h z 图3 l o 两种表面的二维加速度与卢压级信号的相关分析 3 3 3 本底噪声的频率测试 任何噪声信号的采集都是在本底噪声的基础上完成的。我们在分析摩擦噪声的强度 时，不可避免的要包含本底噪声的影响。在数据处理中，本底噪声的强度是没法分离出 来的，但是本底噪声的频率是可以分离出来的。我们通过对本底噪声的声压信号做自功 率谱分析，然后把它与实验中产生的摩擦噪声的自功率谱相比较，可以确定可靠的分析 2 0 8 6 4 2 0 2 o 8 6 4 2 0 2 0 8 6 4 2 0 1 1 o 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 o o 0 0 o _e；价山co茹uc3止oocm匕mc00 2 d 8 与4 2 o 2 0 8 6 4 2 0 2 0 8 6 4 2 0 ，1 0 0 0 o o 1 1 0 o 0 0 0 ，1 0 0 o 0 n _me；山co；o亡3-|ocicoj 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 带宽。 对如图3 5 所示的本底噪声的声压信号作自功率谱分析，通过与摩擦系统的摩擦噪 声自功率谱作比较，结果如图3 1 0 所示。在噪声主频处本底噪声的能量很低：当频率大 约为5 0 0 9 0 0 h z 的时候，本底噪声能量要高于实验产生的摩擦噪声，该频段范围内本底 噪声占主导作用；该环境下研究尖叫噪声的可行性比较高。 h e q 吣f t z i 图3 1 0 摩擦噪声与本底噪声的功率谱对照 3 3 4 沟槽形表面织构对摩擦噪声的主频率影响 为了对比两种表面产生的摩擦噪声的频率成分、各频率成分的强度及产生的时间， 为了比较同一种表面摩擦振动与摩擦噪声的主频关系，本文对摩擦噪声信号与振动加速 度信号进行自功率谱分析。图3 1 1 所示为沟槽形织构表面和光滑表面的振动加速度和噪 声信号的自功率谱分析结果，可以看出这两种表面的摩擦振动主频率与摩擦噪声的主频 率是完全对应的。织构表面产生的摩擦噪声形成3 个明显的主频，频率分别约为1 8 0 0h z 、 2 5 7 5h z 和3 6 0 0h z 左右，而光滑表面产生的摩擦噪声频率则明显趋于约2 5 7 5h z 单一主 频。锤击试验表明，这些频率与摩擦系统的某几阶自然频率相吻合。 为了进一步了解摩擦噪声频率随摩擦进程的变化，对摩擦噪声信号进行短时傅罩叶 变换，结果如图3 1 2 所示，可以看出织构表面产生摩擦噪声的时间明显较光滑表面的早。 不同实验参数条件下，织构表面产生的摩擦噪声的三个频率成分出现的时间是不一样的。 在低载低速的情况下，频率为2 5 7 5 的噪声成分出现的时间较快，并且能量要明显高于其 他2 个频率成分；在高载高速的情况，频率为2 5 7 5 的噪声成分出现时间较其他2 个频率 要晚，且强度与其他2 个频率成分差不多。由此可见实验参数的改变对多频率噪声中各 个频率成分的出现时i 日j 以及彼此的大小关系有一定的影响。 i一善nj弓墨zio_)d 0 n f r e q u e n c y 仆l z l a ) 织构表面，辟1 0 n ，间2h z f r c q u c n c y ( h z ， b ) 光滑表面，r = 1 0n ，问2h z tl弓一l_cco墨jo、)l)ll_ 一i一_=一c_giip多芒olij f r c q u c n c y ( h z ) c ) 织构表面，辟2 0 n ，问5h z f r c q u c n c y ( h z ) d ) 光滑表面，n - 2 0n ，户旬5h z 图3 一1 1 两种表面的振动加速度和噪声信号臼功率谱分析 一兰11一；一已i=l基_|呈ou o 一= 一霉p l ti=1j-8dsi爹od o j ： 5 0 0 ( 一4 0 0 ( _ _ 一 言3 0 0 ( = 兰 了 2 二o o ( 1 0 0 ( d b “ i ：j i j 一、 a ) 织构表面， = 1 0n 间2h z 3 0 0 03 5 0 04 0 0 t i m cis b ) 光滑表面，f n = 1 0n ，户o 2h z c ) 织构表面，r = 2 0n ，户0 5h z 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 3 4 本章小结 05 c i f：r ，：t !三u1 2 0 。： t 二：1 ef s ) d ) 光滑表面，f ，= 2 0n ，户0 5h z 图3 一1 2 两种表面产生的摩擦噪声信号时频分析 本章通过对摩擦噪声与振动信号采用不同的分析处理方法，比较了沟槽形织构表面与 光滑表面产生的摩擦噪声及振动在时域走势、强度以及主频等方面的区别，针对本研究 所选取尺寸的沟槽型织构，主要获得以下结论： 1 沟槽形织构表面产生的摩擦噪声时问历程曲线轮廓不同于光滑表面。织构表面产 生的摩擦振动及噪声时1 白j 历程曲线轮廓走势受实验参数的影响显著。织构表面产 生的摩擦噪声常常发生于往复滑动的两个行程中，而光滑表面只是在往复滑动的 某一行程产生摩擦噪声。 2 两种表面产生的摩擦噪声都是由摩擦系统产生的，并且振动及噪声的主频都是摩 擦系统的某几阶自然频率。 3 沟槽形织构表面更易产生摩擦噪声，且产生的摩擦噪声的强度高。织构表面产生 的摩擦噪声强度受法向载荷影响较小，而光滑表面产生的摩擦噪声对法向载荷具 有明显的依赖性。 4 沟槽形织构表面的摩擦振动及噪声的主频比较复杂，沟槽织构的存在更易使系统 发生多阶振动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 第4 章沟槽形表面织构影响摩擦噪声的摩擦学机理 摩擦噪声的产生是一个非常复杂的自然现象。它的受到很多内在因素( 系统的刚度、 界面特性等) 与外在因素( 润滑条件、温度、湿度等) 的影响，一个因素的改变都可能 对产生的噪声产生巨大的影响，这就给研究摩擦噪声机理造成了比较大的麻烦。摩擦噪 声研究至今，出现了很多噪声产生机理，如粘着滑动、自锁滑动、模态耦合理论、摩 擦力相对滑动速度负斜率、锤击理论以及时滞理论等等。这些机理对解释某一些摩擦噪 声现象起到了很大的帮助，但是都有各自的局限性，无法全面的解释每个摩擦噪声过程。 目前，研究摩擦噪声大多数都是从动力学角度，从摩擦学角度研究的很少。 前面一章讲到了沟槽形表面织构对摩擦噪声的时间历程、强度、频率的产生了一定 的影响。摩擦噪声由接触的两表面相互摩擦而产生的，研究摩擦噪声问题离不开摩擦学 问题。本章就从摩擦学的角度来分析沟槽形表面织构影响摩擦噪声的原因。 4 1 沟槽形表面织构对摩擦磨损行为的影响 对比沟槽形织构表面和光滑表面在同一往复滑动频率下的，不同法向载荷下的摩擦 系数随摩擦时间变化情况，如图4 1 所示，由图可知，织构表面的摩擦系数值要明显高 于光滑表面，且曲线走势也存在较大差异。两种表面在刚产生摩擦噪声时的摩擦系数大 小也不一样。织构表面摩擦系数在较短的时间内达到稳定阶段，而光滑表面的摩擦系数 在本试验的时间内尚处于爬升阶段。 不同的往复滑动频率下，两种表面产生的摩擦噪声受载荷的影响也不一样。当频率 为o 2 h z ，结果如图4 1 a 所示，在低载荷下，织构表面摩擦系数先呈现出先爬升后降低 再稳定的变化趋势，而在高载荷下，摩擦系数则呈现爬升然后稳定的变化趋势。光滑表 面则在不同的载荷下都是处于爬升阶段。两种表面在不同载荷下的，刚才激励出摩擦噪 声时的摩擦系数大小不一样。不同法向载荷，织构表面摩擦系数达到稳定时的时间不一 样，随着法向载荷的增大，达到稳定的时间越来越长。同时，织构表面摩擦系数达到稳 定时的摩擦系数值也不一样。光滑表面在实验时间内并没有达到稳定。织构表面在该频 率下，刚产生摩擦噪声时，摩擦系数处于的波峰位置，光滑表面产生摩擦噪声发生于摩 擦系数的爬升阶段。光滑表面在5 n 和l o n 的摩擦系数差不多，但是产生的摩擦噪声差 别却非常大，一个产生了，一个没有产生。由此可以见，摩擦系数大小对摩擦噪声的产 生并非起到决定性的作用，并非摩擦系数大于某一个值，表面就会产生摩擦噪声。当往 复滑动频率进一步增加，往复滑动频率为0 3 h z 时，织构表面的摩擦系数在不同载荷下 呈现出先爬升后稳定的变化趋势，光滑表面还是一直处于爬升阶段。织构表面在不同载 荷下，刚激励出摩擦噪声时问和摩擦系数大小差不多，而光滑表面刚激励出摩擦噪声的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 时间差别比较大。不同于o 2 h z 的是，该频率下织构表面产生的摩擦系数发生在爬升阶 段。随着往复滑动频率进一步增加，频率为0 5 h z 的时候，织构表面的摩擦系数的变化 呈现爬升再下降最后稳定的变化趋势，光滑表面在该频率下，摩擦系数整体还是一直是 爬升阶段，但是在爬升阶段中，与其他频率不一样的是，摩擦系数出现多个上升再下降 的小阶段。 织构表面的摩擦系数之所以比较高，沟槽的存在增加的磨削粒子的排出能力，而光 滑表面产生的磨屑会存在于界面之间，作为“第三体”，对摩擦系数的增加具有一定的限 制作用。 织构表面摩擦系数之所以比较早得达到稳定，根据的s u h m j 研究，在经历短暂的摩 擦系数值很低的初始阶段后( 接触副表面污染膜去除) ，摩擦接触副微凸体的犁沟作用会 使摩擦系数逐步增大，使得其曲线呈现出较明显的爬升趋势。但是随着往复滑动的继续 进行，界面进一步磨损，一定循环次数后摩擦副接触界面磨损进入动态平衡，换句话说 就是磨屑的产生与排出达到平衡，这时候摩擦系数开始稍微下降然后趋于稳定。因此， 可以推断沟槽形织构摩擦界面的磨屑容易被排入到沟槽内，使得磨屑的产生与排出较易 达到动态平衡，摩擦系数较早达到稳定阶段，而光滑表面的磨屑较难排出，摩擦界面的 粘着和犁削分量持续存在并一直增加，摩擦系数达到稳定阶段所需要的时间明显较长。 ( i s 星 量l j 6 宅 暑 芑0 4 点 皇 o ： 0 0 1 1 1 0 8 墨 星t 1 6 茎 扩4 穹 - o ： 0 t i a ) 户旬2h z 0 0 i o t h c t i i b ) 户：0 3h z 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 i i i n o t 、i c ) 户0 5h z 图4 1 两种表面在不同法向载荷卜- 的摩擦系数曲线 如图4 2 和4 3 所示为两种表面在同一往复滑动频率下，不同法向载荷下的磨痕端部 形貌的光学照片。当法向载荷比较低的时候，织构表面端部基本上没有什么磨屑堆积， 而光滑表面有明显的磨屑堆积。随着载荷的增大，两种表面都在端部有磨屑堆积，但是 光滑表面的比织构的磨屑堆积要多。可能原因是：沟槽的存在提高了磨屑的排出能力： 沟槽的存在较少了摩擦副的接触面积，产生的磨屑较少。 进一步对两种表面的磨痕中，心处的磨损表面形貌并测量其横截面的磨痕轮廓，结果 如图4 4 所示，观察磨损试验后两种表面的。可以看出织构表面的磨损表面( 无沟槽处) 较为光滑，磨屑堆积和犁沟痕迹明显较少，而光滑表面的磨痕内有明显的磨屑堆积和犁 沟痕迹。磨痕轮廓也证明了这一点，织构表面的磨痕内部轮廓曲线较为平滑，且最大磨 损深度明显较浅，而光滑表面磨痕内的轮廓有明显的突起且较为不平顺。这些磨痕微观 分析结果很好的验证了自订面摩擦系数部分的讨论，即沟槽的存在极大地提高了接触界面 磨屑排出效率，使摩擦系数能明显较早达到稳定阶段。此外，对比两种表面的磨痕宽度 以及对磨球磨痕直径，可以发现与织构表面配副的球磨明显较重。 a ) r = 3n 詈1 r ：一，二一p ：，- ， b ) r = 5 n 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 c ) r = 1 0nd ) r = 2 0n 蚓4 - 2 织构表丽磨痕端部位置的光学显微镜形貌，产0 2h z a ) r = 3 n c ) i = l on 薹 b ) r = 5 n d ) = 2 0n 图4 - 3 光滑表面磨痕端部位置的光学显微镜形貌，r = 1 0n ，产= 0 2h z 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 旃鞠戮黼懋 蘸漱缫 。“芝。协挺 图4 4 两种表面磨痕中，山位置的光学显微镜形貌和磨痕轮廓，r = 1 0n ，产0 2h z ：( a ) 织构表面：( b ) 光 滑表面 翟 撵 辩 0 址 a ) 织构表面b ) 光滑表向 图4 5 两种表面磨痕中心位置的光学显微镜形貌，r = 1 0n ，阄2h z 4 2 表面织构对界面摩擦磨损及振动噪声影响机制初探 溺 警麓 以上试验结果分析表明，沟槽形织构的存在明显地改变了材料表面的摩擦振动噪声 特征以及摩擦磨损行为。本试验选用的这种尺寸规格的沟槽形织构表面较早的产生摩擦 噪声，可能是由于该表面的摩擦系数较大，更加容易的就达到了噪声产生时所需的摩擦 系数值。织构表面会使得摩擦界面产生的噪声主频率成分较多。前期研究表明，在摩擦 运动过程中，摩擦界面的复杂性使得摩擦力包含一泛的频率，当某些频率成分与摩擦系 统的固有频率相同或接近时，就会引起系统的共振而产生摩擦噪声【2 】。因此，织构表面 产生的摩擦噪声主频率成分较多可初步归因于织构表面的沟槽会导致往复滑动过程中摩 擦力频率成分增多，增大了摩擦力频率与系统固有频率耦合的概率，并引起系统的多阶 振动。 鍪 i j 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 相比光滑表面，沟槽形织构表面具有较高的摩擦系数和耐磨性。两种表面在刚激励 出摩擦噪声时的摩擦系数大小差异很大。此外，对比频率为0 2 h z ，光滑表面在法向载 荷为5n 和1 0n 时的摩擦系数，两种条件下的摩擦系数值和曲线非常接近，但一个却产 生明显噪声另一个却没有。由此可见，