制动工况下圆盘/摩擦衬块接触面间动态压力中心的测量（二）

John D.Fieldhouse Naveed Ashraf Chris Talbot

3.4 初步结果讨论

图30示作为制动压力的压力中心迹线（或运动）是变动的，用垂直轴表示偏距，在这种情况，活塞偏移尾端为＋5mm。甚至用该尾端（正）活塞偏移可以看到Cop趋向于活塞前端和大多数前端摩擦衬块中心。此外必须注意，低的制动压力导致大的前端Cop和大的不稳定。该压力难以传到活塞中心尾端一侧。一般经验一车辆噪声最普遍的是制动压力降低，在压力作用期间，Cop在－11.1mm到＋6.3mm之间移动，如图30所示。该试验程序采用一组假定μ2＝0.3和已知摩擦衬块摩擦力为0.45绘制的不稳定线图，如图31所示，附加的包含摩擦衬块摩擦力0.35和0.45的包络线表明对摩擦力大小变化的敏感性。通常停留在‘揳紧’不稳定‘区’结果制动器发生噪声。对于（μ；μ2）＝（0.45；0.3）揳紧不稳定区，给出δ在－13.3mm和＋6.2mm之间。测出的切向压力质心似乎使系统停留于揳紧区（基于静态模式）。

图29 制动时典型的压力分布注明较高的在前端边的外缘，一般中心在尾端边注明压力中心和合力的迹线（见彩色在线型式）Fig.29 Typical pressure distribution during braking.Note the higher pressure being at the outer edge of the leading side and geuerally central on the trailing side.Note track of centre of pressure and resultant force（see online version for colours）

图30 不同制动压力下制动时压力中心线图Fig.30 Plots of centre of pressure during braking under veriable braking pressure

4 压力中心测量：控制可变制动

虽然静态压力分布可以计算和测量（压力感传膜），但在动态制动情况，只有很少涉及有关计算和测量位置的资料。初期采用Bosch制动系统研究，表明在制动器使用期间，Cop移动明显，但该研究并未扩展到在制动器使用期间研究它怎样移动。以前唯一的方法是采用层状薄膜用来连接一对立排列12个活塞卡钳如图32所示。通常所有活塞彼此相互联接，每对前端和尾端用真空铸造联接。两中心活塞不彼此联接，而是如图示用横向钻孔与前端和尾端联接。提供各活塞的个别调整阻塞横向钻孔，图33内用交义线‘X’表示。采用这样安排可改变一对前端（量表1），外中心活塞（量表2），内中心活塞（量表3）和一对尾端（量表4），它们全部独立具有它们自已的气缸。

图31 对于不同的摩擦衬块支座摩擦力（μ2）表示包络线变化不稳定线图Fig.31 Instability diagram indicating variation in envelops for different pad abutment friction levels（μ2）

图32 12个活塞对立卡钳布置总图Fig.32 General views of 12piston opposed calliper

图34试验台架，由图可见卡钳活塞与主气缸串联，压力量表如图35所示。

4.2 结果

4.2.1 均匀但变化的压力

在变速情况下进行试验，压力沿摩擦衬块长度改变（均匀）。分别对于摩擦衬块内装和外装Cop纵向变化图如图36和37所示。在所有情况，Cop都由摩擦衬块中心开始测量，采用前端方向为正，在各个阶段（1－7）压力列于表3。

图33 活塞的布置和压力调整状况Fig.33 Arrangement of piston（s）and position of pressure adjustment

分别对于内装和外装摩擦衬块径向Cop位置的变化如图38和39所示。在所有情况下摩擦衬块的中心是参考点（零），趋向摩擦衬块/圆盘外缘测量值为正，径向趋向内心测量值为负。图40示典型的力分布图，压力图类似的。

如果平均在图38内各阶段的结果，那么可以绘制一组速度曲线如图41所示，这些曲线取值按y＝ax3＋bx2＋cx＋d形式，其中a，b，c，d是常数，x是杆内压力，诸常数值列于表4。

图34 12对活塞对立型卡钳（6个外装和6个内装）普通试验台架控制压力图Fig.34 General test rig arrangement to control the pressure map of a 12piston opposed type caliper（six out board and six inboaxd）

图35 调整全部压力中心的压力调整器和测量仪（彩色在线型式）Fig.35 Pressure adjusters and gauges to adjust the overall center of pressure（see online version for colours）

表3 加于各阶段的均匀压力，速度为常数为10转/分Table3 Uniform pressure setting for each stage.Speed is constant at 10rev/min

图36 纵向压力中心随压力变化（内装摩擦衬块）移动（见彩色在线型式）Fig.36 Movement of longitudinal centre of pressure with varying pressure （inboard pad）（see online version for colours）

图37 纵向压力中心随压力变化（外装摩擦衬块）移动（见彩色在线架式）Fig.37 Movement of longitudinal centre of pressure with varying pressure（out board pad）（see online version for colours）

图38 径向压力中心随压力（内装摩擦衬块）移动（见彩色在线型式）Fig.38 Movement of radial centre of pressure with pressure（inboard pad）（see ontine for colour）

如果平均4曲线值并绘成单一曲线，结果如图42所示。该曲线是再次用上式的三次方形式为

图39 径向压力中心（外装摩擦衬块）移动（见彩色在线模式）Fig.39 Movement of radial centre of pressure（out board pad）（see online version for coloar）

图40 对于外装（LHS）和内装（RHS）摩擦衬块力分布读数的典型影像，用阴影方块表示压力中心（见彩色在线型式）Fig.40 Typical display of a force distribution map reading for both outboard（LHS）and inboard（RHS）pad.centre of pressure is indicated by shaded diamond（see online version for colour）

表4 图39示4速度曲线采用的常数Table4 Constants for the four speed curves shown in Figure39

偏移＝－12.4265x3＋60.8625x2－96.3752x＋57.862

如果制动压力是已知的，那么Cop现在可以预测。

表4内常数值可以描绘，并由此可包含速度对Cop有一个小的影响。该速度的影响如图43所示。由此可见，速度影响有限，反之随压力增大，对到Cop有移动到尾端的倾向更加稳定的情况。

图41 如图14所示压力的平均值曲线（见彩色在线型式）Fig.41 Averaged values of pressure curves as presented in Figure14（see online version for Colour）

图42 图19表示结果的平均速度曲线，该曲线取三次方公式的形式并绘制对立的平均曲线（见彩色在线型式）Fig.42 Average speed curve for the results presented in Figure19.The curve takes the form of a cubic equation and is plotted against the average curve（see onlin eversion for colour）

4.2.2 可变压力沿着并横过摩擦衬块

本试验许可压力沿摩擦衬块长度变化，同时还可沿径向变化。用均匀压力建立试验程序，任意改变前端或尾端偏移得出全部结果。所有试验记录于一固定速度10r/m。纵向结果：活塞安排（装配）如图33所示，一般的设定列于表5，极高的噪声产生于阶段3一考虑产生前端中心压力。在可变压力下Cop位置控制如图44所示，记录的极高噪声产生于阶段3一具有15mm前端偏移。

径向结果：一般压力设定列于表6，采用的径向偏移示于图45。可以看到极高的噪声经验发生于阶段3，4和7。在阶段3和4情况，Cop考虑导致趋向零或负的径向偏移，径向趋向圆盘中心。在阶段7情况偏移不出现，但是造成的噪声可用度仍很明显。当一般Cop限定为2mm正偏移（径向向外）时是最静音的安排。随着Cop进一步径向向外移动，噪声再开始重新产生。这个原因仍然尚不清楚，但可能和摩擦衬块转动不稳定有关。总之可以表明外装摩擦衬块对压力变化敏感性较小。

图43 纵向压力中心随速度和压力（内装摩擦衬块）变化，外装摩擦衬块展示相同的特性Fig.43 Variation of longitudinal centre of pressure with speed and pressure（inboard pad）.out board pad exhibits similar characteristics（see online version for coloar）

表5 压力在各气缸位置变化和对噪声影响倾向的详细资料Table5 Details of pressure variation at each cylinder position and the effect on noise propensity

对于两摩擦衬块的典型负荷图如图46所示，由此可见内装摩擦衬块承受着比外装摩擦衬块大得多的负荷。这样的监测导致可能产生热量和温度梯度横穿圆盘表面。

图44 压力中心沿摩擦衬块变化变压力沿着并径向横过摩擦衬块，初始静态然后在10r/m时测量见表5（见彩色在线型式）Fig.44 Center of pressure along pad with varying pressure along and a radially across pad.Initially static but then measurement taken at 10rpm see Table5 （see online version for colour）

表6 在各气缸位置压力变化一着重径向变化（图26）和对噪声影响倾向的详细资料Table6 Details of variation of pressure at each cylinder position and the effect on noise propensity－emphasis on radial variation（Figure26）

图45 变压力压力中心并沿径向横过摩擦衬块一着重对径向压力调整参见表6（见彩色在线型式）Fig.45 Radial centre of pressure acrosspad with varying pressure along and a radially－emphasis on radial pressure adjustment.Refer to Table6 （see online version for colour）

图46 外装和内装摩擦衬块力图，压力1.0（1），1.0（2），4.0（3）MPa和0.3（4）MPa.极高噪声，参见表3谐段3（见彩色在线型式）Fig.46 Force map of outboard and inboard pad.pressur 1.0（1），1.0（2），4.0（3）MPa and 0.3（4）MPa.Very loud noise.Refer to Table3 ，stag 3（see online version for colours）

5 讨论和结果

原研究表明前端Cop倾向于有一个高发生噪声的趋势。这可以用由于在圆盘/摩擦衬块接触面上作用合力使其偏移发生揳紧造成的原因来说明。还说明了一个很大的前端偏移制动器将安静下来，而随偏移接近零，制动器将更加安静（图13和14）。推荐一临界范围，可能发生揳紧，制动器发生噪声。

结果清楚表明，随轻微的制动工作，在圆盘/摩擦衬块接触面产生前端偏移。但随压力增大，Cop将移向摩擦衬块中心，并且同时径向向内移动，典型如图30，36和38所示。

Cop有一个很明确的运动，Cop通过临界区，导致噪声。一般如果压力低（图43），速度对Cop位置有一个小的影响。随压力增加移动变小更明显。

图44（和参见表5）示很明显随压力调整成前端Cop，那么具有间断性噪声。如果Cop在10－15 mm区间内，那么将发生极高噪声。该预测结果示于节4.2。如果Cop安排很接近零或尾端，那么制动器静音。值得注意的是外装摩擦衬块Cop低于内装摩擦衬块。图45示径向移动和它在阶段6明显，当活塞3（内径向活塞）设置到零，Cop少量移动到摩擦衬块中心。这里给出了在压力调整方面的置信度的程度和最终对Cop的影响。

结果的概括可一般示于图47。随一大的前端偏移（如图13和14），制动器是静音的。随Cop移动趋向于摩擦衬块的中心，噪声出现，但它是间断性噪声。然后它通过临界偏移区，它成为间断性噪声后再发极高噪声，而后随Cop达到摩擦衬块中心再安静下来。如此情况在结论可以看到并记载于前期的研究中（图13和14）。

图47 一般不稳定区，间断噪声和稳态区Fig.47 General areas of instability，intermittent noise and stable region

Cop的径向位置也起一部分作用，当Cop趋向于摩擦衬块中心线（图47）时，制动器更有可能发生更大噪声。

6 结论

摩擦衬块振动的研究表明，内装摩擦衬块尾端支座可以是噪声发生的判据——图8和9，并可以作为系统的“触发器”。它可能比较大的作用于支座表面，首先对较低频率造成阻尼。制动器支座布置的理论共面分析指出，这些力将倾向于促使一前端偏移，圆盘和摩擦衬块之间的摩擦系数以及摩擦衬块支座和卡钳之间的摩擦系数将影响产生偏移的程度。它还表明卡钳支架悬臂安装平面位置是重要的，因为它是影响揳角的缘故，它必需尽可能紧靠圆盘摩擦表面。该研究表明，摩擦衬块支座和卡钳安装悬臂之间要求一低的摩擦系数和一低的摩擦材料系数促使其稳定，显然后者对于制动汽车是不理想的。

本研究提供了一个理论的方法，并清楚表明，在圆盘/摩擦衬块接触面之间引发一前端Cop时，那么噪声多半发生。它还证明了随压力增加，Cop倾向于向摩擦衬块中心区移动，导致稳定状态。由普通监测证实，在常态制动下，制动压力增加时，噪声降低。

在轻微制动下可以看到，随着均匀压力的设置，Cop将常趋向前端，因而噪声有增大的倾向，不论实际上结果噪声与摩擦系数或摩擦衬块磨损或制动器安装几何学其中哪一个有关。试验台架和车辆上两者试验证明，尾端Cop将倾向于稳定和静音制动。圆盘转动速度大大影响了偏移不出现的程度。

前端Cop造成动态不稳定的结果，这是由于系统揳紧造成的。如果Cop向磨擦衬块中心径向移动，还可监测到更大噪声如图45所示。前端偏移10mm和15mm之间产生极高噪声，这极接近节4.2预测的结果。

对于磨擦衬块Cop理想位置应该是尾端纵向中心和径向从磨擦衬中心线向外，见图47。识别到磨擦衬块的磨损，可以考虑这样安排，用调整活塞位置可达到防止其作用。

为适应这种磨损结果，用‘手控’（‘handing’）卡钳和设定卡钳（或支架）的装配点（螺栓）为一前端布置使可能产生一永久的尾端偏移。这样产生的尾端永久偏移只对装配几何学而论，不管在圆盘/磨擦衬块接触面的Cop。该磨擦衬块在安装定位以后实质上已被制动。可以建议尾端Cop可以解决前进方向的噪声问题，但在反向时还是个问题。为了回答反向制动这个问题，已经观察到如果采取过度前端偏移（图13和14），可以达到再次静音制动。可以研究这样可能的情况和安排卡钳/支架的定位点，建立这样一个合适的前端偏移。这种安排是正进行研究的重点，磨擦衬块/卡钳支座接触的几何学也在研究之列。（刘青译自Int.J.Vehicle Design，Vol.51，Nos.1/2，2009）

感谢

作者感谢Bosch制动器机构的Thierry pasquet，pujol Franck和Rejdych Gabriel，新技术开发的Drancy。感谢Bosch制动器机构允许作者透露和发表这份材料和提供的初步试验数据。

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