● 摘要
汽车制动过程中因制动副摩擦引起结构振动，并向外界辐射中高频噪声，导致制动尖叫。制动尖叫不仅影响汽车乘坐舒适性，降低汽车品质，而且造成环境噪声污染。近年来，制动器结构中新型摩擦材料的应用及结构轻量化使制动尖叫问题更加突出。揭示制动尖叫产生机理并对其进行有效抑制已成为学术界和工业界的重要课题。
迄今为止，人们对汽车制动尖叫问题进行了大量研究并取得系列进展。然而，由于制动尖叫研究涉及到非线性动力学、摩擦学、声学等多个学科领域，而且制动副表面摩擦特性、接触状态、材料属性等在制动过程中具有明显的非线性时变特性，致使制动尖叫的发生机理、演变规律及影响因素等问题至今仍不为人们所完全理解，制约了制动尖叫的防治。对制动尖叫机理的研究还亟需解决以下关键问题：1）建立考虑接触面摩擦时变特性的制动副摩擦模型；2）研究考虑非线性因素的制动器系统时变动力学行为；3）发展能够有效提取制动尖叫信号时频特征的信号处理方法。本文针对以上关键问题，进行了制动尖叫产生机理和演变规律的研究，主要工作如下：
1）制动副摩擦特性时变规律研究及非线性动态摩擦模型的建立。首先使用销-盘式摩擦实验机进行摩擦实验，获得不同法向压力和相对速度工况下制动副的瞬态摩擦系数和接触表面温度。实验结果和理论分析表明，制动副的瞬态摩擦系数和接触表面温度均为时间的指数型有限增长函数，且增长速度与法向压力和销-盘的相对速度有关。其次，以真实接触面积增减的动态平衡为基础，推导建立了动态摩擦模型。然后，基于实验数据对模型中的待定系数进行了参数识别，并对动态摩擦模型的适用条件及稳态摩擦特性进行了讨论。结果表明，在动态摩擦模型参数取值范围内，稳态接触表面温度与接触压强和相对速度成正比，而稳态摩擦系数关于接触压强或相对速度具有负斜率特征。
2）非线性制动器系统的时变动力学行为研究。建立了考虑制动副接触压力分布不均匀性、摩擦非线性和接触分离非线性因素的四自由度制动器非线性动力学模型。基于此模型：对分别具有库伦摩擦特性、负阻尼摩擦特性和动态摩擦特性的弱非线性制动器系统的瞬态动力学行为进行了仿真和对比分析；研究了系统具有库伦摩擦特性和摩擦、接触分离强非线性特征时的瞬态动力学行为，给出了制动块和制动盘发生分离的条件。研究结果表明：负阻尼摩擦会导致系统振动出现极限环，而摩擦系数的动态变化会导致系统振动发散，二者均是可诱发制动尖叫的原因；摩擦和接触分离等非线性因素增加了系统动力学行为的参数敏感性和失稳倾向；制动块和制动盘之间是否会发生接触分离取决于制动块或制动盘法向安装刚度与接触刚度的比值。
3）基于复特征值分析方法的制动器系统稳定性分析及影响参数研究。对制动器非线性动力学模型进行了线性化，并分别计算了线性化系统具有库伦摩擦和负阻尼摩擦特性时的刚体复模态。建立了制动器三维有限元模型，提取了不同参数配置下模型的弹性体复模态。通过对刚体和弹性体复模态的复特征值分析得出：摩擦系数、接触刚度、安装刚度等系统参数对制动器发生模态耦合振动影响较大；制动压强和盘-块相对速度对模态耦合的影响主要源于二者对摩擦系数的改变。系统产生模态耦合振动的各参数取值范围相互影响。同库伦摩擦模型相比，负阻尼摩擦特性使系统失稳的参数值范围更大，从而使制动尖叫倾向增加。
4）制动器制动振动信号时频特性研究。针对制动振动信号的非平稳性，引入和改进时频分析方法，并进行特征提取分析。首先针对Hilbert-Huang变换（HHT）时频分析方法的缺陷，结合奇异值分解和小波包分解理论提出了改进的HHT方法。然后利用改进的HHT、短时傅立叶变换（STFT）及连续小波变换（CWT）等信号处理方法对通过有限元仿真所得制动器振动位移信号进行了时频特征提取和对比分析。结果表明：制动振动信号为多分量的非平稳信号，其高频分量较不稳定，该不稳定性是由制动器的非线性因素引起，是导致尖叫的主要原因之一；STFT和改进的HHT方法比CWT方法能更有效地提取制动振动信号的时频特征，可作为研究制动尖叫演变规律的工具。
5）基于噪声信号时频特性的制动尖叫演变规律研究。搭建了制动器振动噪声实验台并进行了制动尖叫实验，应用改进的HHT等信号处理方法对实测尖叫信号进行了时频特征分析。结果表明：制动尖叫噪声信号是具有多分量的非平稳信号，制动尖叫产生前和消失后，其各分量的能量较低但瞬时频率在较宽范围剧烈波动；而尖叫产生时各分量能量明显增加且不稳定，瞬时频率受到抑制，稳定在较低且范围较窄的区域波动。可以推测，系统摩擦和非线性因素诱发的自激振动能量馈入和消耗的动态平衡关系导致了各分量瞬时频率和能量的波动，并且是诱发并维持尖叫噪声的原因之一。