汽车摩擦噪声振动控制技术

摩擦引起的异响表现为尖叫声，其机理非常复杂。两个相互接触的物体在外力的作用下，接触表面会产生摩擦力，随之发生相对运动。如果两个表面的摩擦系数不兼容，就会产生尖叫声。

1.摩擦引起的尖叫声机理

图8-1a是物体A放在物体B上面，物体A承受垂向压力F_N和水平拉力F。在两个物体表面就有了摩擦力F_f，如图8-1b所示。

F_f可以表示为

图8-1 物体受力分析

式中，μ是摩擦系数。当物体A和B相对静止时，μ为静摩擦系数，用μ_s表示；当它们有相对运动时，μ为动摩擦系数，用μ_d表示。摩擦力可以进一步表示为

式中，x是物体A的位移； 是速度。

一般来说，静摩擦系数大于动摩擦系数，因而静摩擦力大于动摩擦力。

两个相互接触的物体在外力的作用下，从静止状态到运动，会经历三个过程，并都会产生尖叫声。第一过程是在静止状况下，接触表面存在摩擦黏滑（slip-stick）效应，从而产生尖叫声。第二个过程是在物体相对运动时，发生了自激振动而产生尖叫声。第三是当运动部件的两个或多个固有频率接近时，摩擦力能激起部件的耦合振动，从而发出尖叫声。下面将分别介绍这三种振动发出尖叫声的机理。

（1）摩擦黏滑效应引起的尖叫声

并不是所有相互摩擦的表面都会产生噪声。只有在表面发生了不稳定的摩擦黏滑运动时，才会发出声音。当静摩擦力大于动摩擦力时，物体之间没有相对运动，但是接触的表面上存在摩擦黏滑效应。从微观上看，两个表面是凸凹不平的。在外力的拉动下，虽然物体没有克服静摩擦力，但是凸凹的两个表面相互拉扯，形成了一张一弛的运动。这种黏滑效应使表面产生弹性变性，并且储存能量。当松弛的时候，变形消失，能量释放。这种表面张弛运动会使物体振动并发出噪声。黏滑周期运动的频率很低，它诱发的振动会使接触表面发出200～10000Hz的尖叫声。

（2）自激振动引起的尖叫声

通常，摩擦系数不是一个常数，如图8-2所示，它随时间而变化。摩擦力也不是常数，它随着运动速度的变化而变化。

考虑一个单自由度系统的摩擦运动，如图8-3所示。这个系统的运动方程可以写为

图8-2 摩擦系数随时间变化的曲线

图8-3 单自由度摩擦系统

m +c +kx=μ（u- F_N （8-3）式中，u是传动带的运动速度，它为稳定的速度，即常数；（u- ）为滑动速度。

这个摩擦力随着物体运动速度的变化而变化，如图8-4所示。随着速度的变化，摩擦力曲线按负斜率变化，即速度增加，摩擦力降低。

图8-4 摩擦力随着速度的增加而降低

将摩擦力用傅里叶级数展开，得到

将式（8-4）代入式（8-3），得到(www.xing528.com)

式（8-5）中，如果阻尼力项为负值，即

系统就出现不稳定。在摩擦力的负斜率非常大的情况下，才会发生这种情况。这种大的负斜率的摩擦力会导致系统发生自激振动，从而发出尖叫声。特别是当自激振动的频率与运动物体的固有频率一致或者接近时，物体振动最大，此时产生的噪声也最大。

（3）摩擦力激起物体的耦合振动而发出的尖叫声

两个运动物体之间的摩擦力还会诱发出它们之间的耦合运动。特别是两个物体的固有频率一致或接近时，耦合运动非常强烈，甚至产生共振。物体间的耦合振动也会产生尖叫声。

2.尖叫声的影响因素及分析

两个相互接触的部件表面组成了一个摩擦副。它们的摩擦系数是否兼容是影响尖叫声的主要因素。摩擦副的材料兼容和异响特征可以通过试验测量得到。两个部件相互接触，一个固定，另一个运动。在固定部件上施加正向压力，将它压到运动部件上，同时在运动部件上施加往复运动载荷，如图8-5所示。将这两个部件置于环境舱内，可以测量在不同的温度和湿度下的摩擦异响情况。

图8-5 摩擦异响部件施加力的示意图

影响摩擦尖叫声大小的因素有温度、湿度、激励频率、表面的正向压力和载荷时间、滑动速度、接触面积和接触状况、两个接触部件的材料特征等。下面就列出几个主要因素对异响大小的影响。

（1）温度的影响

摩擦副相对运动产生的尖叫声是随着温度的变化而变化的。图8-6给出了两个摩擦副异响声压级随温度变化的曲线。有的随温度的增加而增加，有的则下降；有的在某个温度区间上升，在另一个区间下降。声压随温度变化没有规律性，温度对异响的影响是非线性的，通常都有响度较大的温度区间。了解了一对材料摩擦异响随温度变化的规律后，就可以正确选择摩擦副材料，以避开异响大的温度区间。

图8-6 摩擦副异响随着温度变化

（2）湿度的影响

摩擦副相对运动产生的尖叫声是随着湿度的变化而变化的。图8-7给出了两个摩擦副异响声压级随着湿度的变化曲线。随着湿度增加，一对摩擦材料异响变大，另一对摩擦材料异响变小。由此可见，湿度对不同摩擦副材料异响的影响是不一样的。了解湿度对摩擦副异响的影响可以帮助选择材料。

图8-7 摩擦副异响随着湿度的变化而发生变化

（3）表面的正向压力的影响

图8-8给出了两个摩擦副的异响大小随着正向压力的变化曲线。正向压力越大，两个物体接触越深，凸凹表面撕拉作用越强，因此异响就越大。降低摩擦副之间的正向压力可以降低摩擦带来的尖叫声。

（4）激励频率的影响

摩擦对受到的外界激励包括动力系统的激励、路面的激励等，激励频带很宽。图8-9是两个摩擦副异响响度随激励频率变化的曲线。响度是随着频率的变化而变化，一般情况下，整体趋势是尖叫声大小随着频率的增加而增加。

图8-8 摩擦副异响随着正向压力 的变化而发生变化

图8-9 摩擦副异响随激励频率变化