往复滑动条件下摩擦振动初始化过程的实验观察-zh-cn

1、往复滑动条件下摩擦振动初始化过程的实验观察摘要：根据摩擦系统的三维振动切向力和加速力研究摩擦振动初始化过程。建立两个振动模式。模型一：同往复滑动同步呈现；模型二：摩擦系数达到极限时呈现。结果表明，在特定条件下，法向振动先于具有相同或近似的频率的切向振动出现。应用小波变换技术提取准稳态摩擦力。结果表明，振动的存在严重改变了准稳态摩擦力。关键词：摩擦振动，高频噪音，往复滑动1.前言特定条件下，表面间的摩擦能产生高频噪音，是一种因摩擦产生的噪音，频率在500到20000Hz之间。对该噪音已经研究多年1-3，并对噪声激励的一些机制做了总结1-3。包括：粘着滑动，楔块滑动，负摩擦力速度梯度，模态耦合机制

2、。在1980至1990年代间，法向振动和切向振动之间的耦合取替了负摩擦力速度梯度机制，成为了支撑高频噪音的主要理论。通过对高频噪音进行有限元分析，这种耦合通常被认为是系统稳定的一个基本激励源4。然而由于高频噪音产生机理复杂，所以我们对高频噪音激励机制的理解水平仍然有限。例如，根据Tworzydlo 5等，分析预测利用模态耦合机制和实验观测之间的专用相关性很少报道。本论文目的是呈现一些与高频噪音相联系的有趣实验观测，有助于理解高频噪音机制。高频噪音与振动紧密相关，因此，本文关于高频噪音的研究将转移到与高频噪音相关的振动研究上。2.实验细节2.1计量器具与仪器本实验，在往复运动测试系统下进行，试验

3、装置示于图1。执行柱塞由液压电源正弦驱动。在测试过程中，被动扁平标本的三维振动加速度测量参数包括三维压电加速度和切向力（在X方向上的力），测量使用压电称重传感器。 图1实验装置原理图2.2实验参数本试验中使用的扁平试样由AISI 1045号钢制成。其表面初始粗糙度大约为Ra 0.25m。测试前，扁平试样都经过酒精和丙酮仔细地除油。测试在大气（相对湿度在62%到93%之间）中进行和温度在18到28摄氏度下的室内进行。往复滑动频率f分别为1,2,3,4,5Hz。圈数N为1到5000，法向载荷设定为100N和200N。振幅D分别为1,2,3mm（分别对应冲程2,4,6mm），且无润滑条件。3.结果与

4、讨论3.1观察摩擦引起振动的形成过程目前的测试表明，往复滑动下高频率噪音现象非常类似于那些单向滑动产生的噪音。就是说，相对滑动速度小时发生粘滑现象，但当相对滑动速度足够大时，粘滑运动消失并且当相对滑动速度是足够大和摩擦系数到达一个较大的值时，另一种摩擦振动可以激发而发出带有高声压水平的高频率噪音。在本文中，只研究后者摩擦振动。图.2为摩擦振动特征纪录。图.2 A-G中的每个图从上而下有四个子图。注意规模变化：第一张表示切向力。第二，第三和第四张表示X方向和Z方向的振动加速度。图.2表示检测两种振动模型。模型一，同往复滑动同步呈现，模型二，摩擦系数达到较大值呈现。从图2a中可以看出当活性样本运行

5、具有一个正弦波，主频率为561.5赫兹的振动在第一往复循环滑动时完成激励。这种振动与摩擦系数无关。从图2b中，可以看到粘滑运动，其特点是一个锯齿波形变化的摩擦力。当周期增加时，摩擦系数逐渐增加。图2c中表示主频率为561.5Hz的振动延伸开来，但是振动开始迅速提高的位置与振动开始的位置（图2a所示）不同。从图2a-c中，我们发现法向和切向振动加速度处在同等级。但是过后，振动会逐渐衰减，如图2d所示。然后周期再次增加，主频率为2246.1Hz的振动激起，此时摩擦系数达到约为0.38（整个进程中的最大值），见图2e-g。从图2e-g观察可知，振动（主频2246.1赫兹）首先发生在法线方向（Z方向）

6、，而此时振动在切线方向（X方向）依然延续主频561.5赫兹的振荡行为。似乎X方向上的振动（2246.1赫兹）直到与相同频率的振动足够强大时才开始。从图.2g，可清楚地发现法向振动加速度在幅度方面大于切向加速度，该摩擦力急剧减小，此时振动开始快速增长。图.2表明，振动连续往复滑动下存在两种振动模式。他们的振动行为有所不同。探索这种现象对于理解摩擦振动形成机制显著很重要。在文献中，粘着滑动和负摩擦力速度梯度被认为是支持摩擦引起振动形成的两种可能的机制。理论上，这两个激励机制只可以用来解释在摩擦方向摩擦引起的振动（切线方向），但不能解释法线方向摩擦引起的振动。因此，用这两种机制来解释图2e-g中振动

7、模型二的产生似乎不恰当。3.2准稳态摩擦振动从图2c和g可以清楚地看到，振动严重改变了摩擦。这种现象在文献6也有报道。然而，并不完全知道是什么原因导致摩擦力严重的变化。现在我们一起分析摩擦力发生急剧变化的原因。从图1可以看出，负荷（切向力）由压电负载单元测定，是摩擦力和切向振动惯性力的组合物。无振动情况下，这种负载等于摩擦力。显然，摩擦的变化与振动相关。振动被认为具有两个可能的方法以引起动态摩擦力。方法一，振动引起的相对的滑动逆转速度导致摩擦力的波动。在这情况下，对于粘滑产生机理，实际的摩擦力依据锯齿形状变化。 图2 两振动模型的初始化和增长过程但是从图2看出，切向力被发现不是像锯齿形状在振动

8、。这表明，相对滑动速度的逆转不是引起动摩擦力的原因。对于第二种方式，法向振动引起的法向力的变化会导致摩擦力的波动。在这种情况下，动态摩擦被叠加在稳态摩擦力并且稳态摩擦力可被假定为光滑不会改变。这里，离散小波变换应用于将切向力分解成一连续小段。一个小段，近似小波变换，是无振动下的摩擦力。该结果可以容易从无振动区域准稳态摩擦力图得出，如图3。在本文中，小波变换近似分量被称为准稳态摩擦力。图3显示切向力几种小波变换的结果。由图3可以看出，准稳态摩擦力因振动而严重改变，而且振动越强，改变越严重。参照图2可知，图3无振动区域准稳态摩擦力是真摩擦力（当时间少于0.1s时）。就连续摩擦而言，在发生振动的位置

9、摩擦力会不断地改变，但不是剧烈地变化。然而，由图3可见准稳态摩擦力在约0.1秒处突然下滑。这表明，在动态摩擦力不能归因于法向振动。本论文中，认为摩擦力的这种变化与摩擦接触条件的两个样本之间的变化相关联。 图3 准稳态摩擦振动时间图：（a）对应图2c，（b）对应图2e，（c）对应图2g3.3 振动中与振动消失后的疤痕LCSM观察与摩擦振动有关的一些现象很难用现有的机制解释。最近调研员将研究重点放在了滑动表面形貌与振动7,8形式的关联性上面。对摩擦振动形式与滑动表面的损伤之间的相关性进行的观察也报道过5。本文中，振动时和振动消失后划痕间的表面形貌差异也得到了观察。图4为使用激光共聚焦显微镜（LCS

10、M）得到的两张表面形貌图。从图4可以看出，振动表面形貌比振动消失后的表面形貌粗糙。2246.1赫兹的法向振动比具有相同频率前切向振动，该现象令人费解。是什么原因造成这种现象？过去，摩擦被普遍认为是发生在界面处并沿着滑动方向，而法线方向的摩擦相互作用很少考虑。根据摩擦发生理论，摩擦构成由三个成分：力，相互接触和表面微凸形变。如图5显示，力不仅具有在滑动方向上的相互作用，而且还具有法线方向上的相互作用。表面微凸形变具有相同的效果。法线方向上的摩擦相互作用被认为是一个可能的激励源以诱导法向振动首次出现。当然，验证这一假设还需更多的努力。 图4 磨痕LCSM图片：（a）高频，对应图2g，（b）高频消失

11、后，周期2000，其余试验条件见图2g。图5 作用力的模型4.结论1. 建立两个振动模式。模型一：同往复滑动同步呈现；模型二：摩擦系数达到极限时呈现。对于第一个振动模式，切线方向和法线方向具有相同频率的振动几乎同时出现。对于第二个振动模式，法线方向振动先于同频率的切向振动。2. 准稳态摩擦因振动的存在会严重改变。该现象归于两试样间摩擦接触条件的变化。致谢诚挚感谢国家自然科学基金的资金支持（(No.50075072）。参考文献1 N.M. Kinkaid, O.M. OReilly, P. Papadopoulos, Review, automotive disc brake squeal, J

12、. Sound Vib. 267 (2003) 105166.2 R.A. Ibrahim, Friction-induced vibration, chatter, squeal, and chaos. Part 2. Dynamics and modelling, Appl. Mech. Rev. 47 (7) (1994)227253.3 D.A. Crolla, A.M. Lang, Brake noise and vibrationsthe state of the art, in: Proceedings of the Leeds-Lyon Symposium on Tribolo

13、gy, vol. 17, 1990, pp. 165174.4 H. Ouyang, J.E. Mottershead, D.J. Brookfield, et al., A methodology for the determination of dynamic instabilities in a car disc brake, Int. J. Vehicle Des. 23 (3/4) (2000) 241261.5 W.W. Tworzydlo, O.N. Hamzeh, W. Zaton, T.J. Judek, Frictioninduced oscillations of a pin-on-disk slider: analytical and experimental studies, Wear 236 (1999) 923.6 J. Jibiki, M. Shima, H. Akita, M. Tamura, A basic study of friction noise caused by fretting, Wear 251 (2001) 14921503.7 F. Bergman, E. Mikael, M. Eriksson, S. Jacobson, Influence of disc