实验研究：干滑动接触中噪声发生与载荷承载面积关系

论文在力学、多物理学和多尺度实验室- LaMCube大学里尔，CNRS，CentraleLille，FRE 2016，F-59000，里尔，法国SPI 072博士学校（里尔大学、阿图瓦大学订单号C.进入伊利诺伊州论文为获得以下等级而提交医生在专业：机械通过纳林德·辛格拉由Centrale Lille提供博士学位论文标题干滑于2019年12月20日在考试委员会面前答辩总统Aurélien Saulot，里昂INSA教授报告员Mohamed Ichchou，里昂审查员Caroline Richard，图尔大学教授框架Jean-François Brunel，里尔框架Alexandre MEGE-REVIL，里尔论文主任Yannick Desplanques，里尔论文在力学、多物理学和多尺度实验室- LaMCube大学里尔，CNRS，Centrale Lille，FRE2016，F-59000，里尔，法国SPI 072博士学校（里尔大学、阿图瓦大学订单编号：389C.进入伊利诺伊州特塞斯为获得以下学位而提交博士在专业：力学由纳林德·辛格拉由Centrale Lille提供论文标题干滑动接触中噪声发生与载荷承载面积关系的实验研究2019年12月20日博士委员会答辩：总统Aurélien Saulot，教授（里昂INSA）评审员Mohamed ICHCHOU，教授（里昂中央大学）检查Caroline Richard，教授（图尔大学）检查员/导师Jean-François Brunel，副教授（里尔大学）检查员/导师Alexandre MEGE-REVIL，副教授（里尔中央大学）论文主任Yannick Desplanques，教授（里尔中央大学）i一个知识分子这篇论文是在几个人的帮助下完成的，我想向他们表达我深深的感激之情。本文所做的工作是在法国的"力学、多物理、多尺度实验室"（LaMCube）进行的。在这里，我有机会在科学和人文方面与杰出的人见面。我要感谢LaMCube（里尔中央大学和里尔理工学院）的所有教授、研究工程师和技术人员，他们帮助我，给我建议，并为我提供必要的工具，使我的研究工作继续下去。我想表达我衷心的感谢我的论文主任Yannick Desplanques教授信任我领导这篇论文。我很自豪能成为他团队的一员。他评论的准确性，他总是想走得更远的愿望，大量的讨论，使这份工作成为一次令人兴奋的生活经历。他的科学和人文素质使我在许多场合超越了自己，为此我很感激。我还要向我的主管Jean-François Brunel博士和Alexandre Mège-Révil博士表示深切的感谢，感谢他们的帮助、建议和鼓励，特别是感谢他们愿意在我的整个过程中领导相关和富有成果的讨论。他们为我付出了很大的努力，以确保这项研究从准备到完成的顺利进行。我非常感谢Aurélien Saulot教授和Mohamed ICHCHOU教授接受我为论文的审稿人，并感谢他们对我的工作感兴趣。我还要感谢卡罗琳·理查德教授同意担任我的论文评审团的考官。有这样一个科学素质的陪审团是一种荣誉。我也要感谢医生。Ing Werner ÖSTERLE和他的团队成员在柏林BAM联邦材料研究与测试研究所（Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung）5.1部进行我想感谢Philippe Dufrenoy、Anne-Lise CRISTOL和Vincent MANNIER的专业知识，他们使我能够完善我的技能。ii特别感谢Edouard Davin博士和Florent Brunel博士提供技术指导，帮助实验部分使 用 仪 器 ， 提 供 宝 贵 的 建 议 ， 并 多 次 提 供 语 言 。 我 还 要 感 谢 IgorPASZKIEWICZ、François LESAFFRE和Arnaud BEAURAIN提供的测量设备和专业建议。我非常感谢所有的人和朋友，特别是诺拉·达达和法特玛·马克尼，他们让我在LaMCube的工作环境充满活力和乐趣。我向从法国到印度或其他地方的所有朋友表示感谢，他们在我的整个旅程中为我提供了道义和智力上的支持。我想对Mohit、Pushpendra、Debarun、Raghav、Ankita和Kanika的帮助和惊人的支持表示感谢。我想提一下我的特别朋友Sumit、Mayank、Parampreet和Shreya，给他们永远的鼓励。衷心感谢我的家人--妈妈、爸爸和古普塔博士，他们在我学习期间一直支持我，允许我在生活中做任何我想做的事情。我来这里是因为你。如果没有我对Neetu的充分感谢，这一认识就不会完成，无论我们在哪里，他都与我分享了这些年，让我忘记了任何距离。你一直在那里支持我，让我知道，通过你的爱和无条件的支持，我可以做到这一点。iiiABSTRACT摩擦制动器会引起振动和噪音，包括吱吱声，这是一个主要的公共卫生问题。动态不稳定性导致的挤压导致高振幅振动和强烈噪声发射。虽然这种现象是众所周知的，但人们对吱吱声的起源知之甚少。众所周知，挤压与许多因素有关，包括摩擦部件的磨损。然而，物理耦合的多尺度性质、摩擦材料的复杂性和接触的封闭性质都是理解其外观的障碍。本实验工作基于第三体方法和摩擦回路的概念来探索产生挤压的机制，考虑到第三体在界面处的流动在滑动过程中不断改变摩擦表面和载荷承载面积。本研究的目的是研究第三体的变化、摩擦三联体的变化与干摩擦条件下噪声的出现之间的联系。为此，使用了专用于接触振动分析的基本摩擦计，该实验允许通过透明盘监测界面，并通过使用人工第三体和适当的接触配置控制摩擦电路。研究结果表明，挤压的发生与滑动过程中接触的第三层的致密化和重新分布密切相关。关键词：制动挤压、摩擦引起的振动、摩擦学电路、第三-身体流动ivRESUME摩擦制动器会引起振动和噪音，包括尖叫声，这是一个主要的公共卫生问题。尖叫声是动态不稳定性的结果，是大振幅振动和强烈声音发射的原因。虽然这种现象本身是众所周知的，但对尖叫声发生的起源仍知之甚少。人们认识到，尖叫声与许多因素有关，其中包括摩擦部件的磨损。然而，物理耦合的多尺度性质、摩擦材料的复杂性和接触的封闭性质都是理解其发生的障碍。本实验工作基于三体摩擦学和摩擦回路的概念来探索摩擦源机制，考虑到第三体的流动在滑动过程中不断改变摩擦表面，从而改变本研究的目的是研究第三体、摩擦三联体的演化与干摩擦条件下噪声的出现之间的联系。为此，使用专用于接触的振动分析的基本摩擦计，实验允许通过透明盘观察界面，并通过使用第三人工体和适当的接触配置来控制摩擦学电路。结果表明，尖叫声的出现与滑动过程中接触的第三体层的致密化和重新分布密切相关。关键词：尖叫着 从 刹车， 振动 诱导 通过 摩擦、电路摩擦学，第三体vTABLE的内容确认第一项摘要III总结四内容表V图8列表表列表XIII导言21最先进的技术61.1盘式制动系统61.1.1盘式制动系统61.1.2转子81.1.3摩擦材料81.2制动噪音91.2.1制动噪声的分类91.2.1.1第10章第一次见面1.2.1.2Groan 101.2.1.3低频挤压111.2.1.4高频Squeal 111.3制动刮擦措施111.3.1实验111.3.2参数影响121.3.2.1椎间盘厚度变化121.3.2.2接触表面异质性131.3.2.3操作条件131.3.3不稳定机制的分析模型1.3.3.1粘滑和负阻尼15vi1.3.3.2弹簧滑151.3.3.3锁定16模式1.3.4数字建模181.4摩擦制动191.4.1第三个身体概念191.4.2承载负载的接触板201.4.3制动中涉及的摩擦回路221.5磨损是否有利于squeal？........................................................................261.5.1摩擦还是磨损引起的振动？..................................................................261.5.2表面形态与squeal 29的1.6动机302实验基地342.1设置材料说明342.1.1实验试验台342.1.2仪器362.1.2.1圆盘位移362.1.2.2垫位移和正常负载372.1.2.3摩擦力扭矩382.1.2.4声学测量392.2现场接触观察402.2.1第一个身体材料412.2.2实验方法412.2.2.1控制表观区域412.2.2.2介绍一个人造的身体432.2.3界面演化的观察442.2.4正常负载和圆盘转速的限制设置452.3现场观察的程序和试验（初步试验）462.3.1参考测试462.3.2第三体测试472.4结果和讨论48vii2.4.1噪声结果和LCA（承载区）的视觉描述482.4.1.1参考测试482.4.1.2第三体测试502.4.2椎间盘隆起的影响542.5结论563实验方案59的定义3.1正常负载和圆盘转速的限制设置593.2实验配置：603.2.1圆盘上表面的接触（初步测试）603.2.2光盘背面的接触（手动测试）：613.3实验构型选择标准的参数分析633.3.1第三身体的陷阱633.3.1.1铅边设计643.3.1.2倾斜垫653.3.2第三体再循环流的影响693.3.3第三体数量的影响703.3.4重复性测试793.4实验配置方案概要2 793.5结论844走向Squeal 87的早期阶段4.1系统行为774.2实验程序884.3结果和讨论904.3.1正常负载和声压904.3.2摩擦和衬垫倾斜954.4第三体层99的表征4.5噪声外观与第三体层变化1024.6结论106结论和展望109viii书目113附录- A 122总结ETENDU 124ix伊古雷斯的名单图1.1制动动力学（Suchal等人（2013年）7图1.2：制动噪声分类（Akay 2002）图1.3：（a）Fieldhouse和Newcomb.........................................................................图1.4：在不同制动压力和温度下具有不同频率的制动挤压的发生率百分比（Papinniemi等人）2002年）。................................................................................14图1.5摩擦速度斜率。粘滑现象。.............................................................................15图1.6：弹簧滑现象（Kinkaid等人）（2003年）16图1.7：模式耦合机制（Hoffmann等人（2002年）17图1.8：系统的模式耦合行为（Hoffmann等人（2002年）18图1.9：有机制动垫和制动盘之间的接触情况示意图，涉及一次（打火机）和二次部件的接触板，以及部分堆积在板上的碎片流（Eriksson等人，2000年）。图1.10：概述-接触面变化的机制（Eriksson等人，2002）22图1.11：部落回路中涉及的流量（Berthier 2001）图1.12：第三体层的FIB-cut和TEM分析（Österle等人，2009） 二十四图1.13：制动过程中涉及的摩擦回路：第三体流（a）在摩擦机制的微米和纳米尺度上;（b）在接触表面的宏观尺度上，由圆盘旋转激活...................................25图1.14：制动过程中摩擦机制、第三体流和热机械定位之间耦合的综合图（Desplanques等人，2003年）（2008年）25x图1.15：两种试验配置的摩擦系数和记录的累积刮擦次数随制动次数的变化（Bergman等人1999年）。....................................................................................... 26图1.16：高、低和无铜制动衬线配方的挤压发生率调查：与（右）平均摩擦系数和（左）制动盘重量损失的相关性（Sriwiboon等人，2016）。..................... 27图1.17体重减轻与squeal发生率之间的相关性（S. Lee等人（2015年）28图2.1：实验设置"CrisMat '"：（a）概述;（b）示意图（Rapontchombo等人，2019）。......................................................................................................................35图2.2：圆盘/衬垫接触配置：（a）正常加载;（b）正常加载和滑动摩擦，圆盘旋转完美;（c）正常加载和滑动摩擦，包括圆盘隆起效应。箭头表示应用于柔性薄板..........................................................................................................................36的受控位移图2.3：将应变片放置在柔性薄板上，以计算其施加的力38图2.4：实验配置2中安装在圆盘下方的扭矩计三十九图2.5：带有玻璃盘、垫、人工第三体、光学相机和光源的改良实验装置示意图41图2.6：使用Tek-Scan压力膜传感器测量接触分布：（a）设置;（b）垫盘压力场测量示例，黑色区域对应于开放区域。..................................................................43图2.7：接触观察：（a）包括摄像机、玻璃盘和光源的设置;（b）实验期间捕获的图像示例..................................................................................................................45图2.8：实验设置：（a）概述和（b）示意图46图2.9：（a）开始摩擦试验前的接触分布（摩擦部件调整后）;（b）"参考试验"期间通过玻璃盘的界面的典型光学视图;以及（c）"三体试验"期间.....................48图2.10：第三个物体陷阱过程示意图：接触（a）打开和（b）关闭。..........................................................................................................................48xi图2.11：未引入人工第三体的参考试验：（a）正常载荷和声压的时间变化;（b）试验不同时间接触区的光学图像。................................................................50图2.12：第三体试验：（a）法向载荷和声压的时间变化;（b）第三体层和接触定位的时间演变（在圆盘的相同角度位置拍摄的光学图像，光反射-明亮区域-对应于铅承载区域定位）。..........................................................................................54图2.13：接触定位的光学图像，在第一次小瞬态振动之前和之后拍摄（亮区-对应于铅承载区定位）边缘表示在18.9秒时在正面和在19.1秒时在背面打开接触。......................................................................................................................................54图2.14：准稳态试验阶段：（a）声压和平面外圆盘位移的循环时间演变;（b）相关频率-时间图;（c）承载载荷区域定位的循环变化（图2.12a中的阶段c2）。56图3.1：盘上侧面接触垫的设置仪器：（a）仪器概述;（b）光学仪器示意图。...................................................................................................................................... 60图3.2：盘下方接触垫的设置仪器：（a）圆盘/垫界面;（b）实验前粉末在垫表面上的扩散;（c）光学仪器的示意图;（d）用于捕获实验数据的仪器的概述。................................................................62图3.3：配置1（圆盘上方的接触）中粉末沉积和接近阶段期间圆盘/垫界面的光学视图：（a）在入口处使用锐边垫进行标准运行，限制第三体的流动;（b）在入口处使用略圆边垫进行实验，允许第三体的流动;（c 1）在摩擦测试之前没有粉末的圆盘/垫接触分布（以蓝色显示）;以及（c 2）在垫谷区域捕获的粉末。65图3.4：在配置1中捕获人造第三体的示意图：（a）垫表面平行于圆盘表面;（b）垫相对于圆盘表面倾斜;（1）开放接触区;（2）封闭接触区66xii图3.5：在配置2中捕获人造第三体的示意图：（a）垫面平行于圆盘表面;（b）垫面相对于圆盘表面倾斜;（1）开放接触区;（2）封闭接触区67图3.6：配置1：（a）垫面平行于圆盘表面;（b）垫面相对于圆盘表面倾斜。(1)在实验之前，在没有粉末的情况下进行盘/垫接触分布（蓝色，彩色），并且（2）在相应的单元中的界面中捕获粉末。............................................................68图3.7：配置2：（a）垫面平行于圆盘表面;（b）垫面相对于圆盘表面倾斜。(1)在实验之前，无粉末的盘/垫接触分布（黑色除外）和（2）在相应框中的界面中捕获的粉末。..........................................................................................................69图3.8：配置1中垫接近阶段人造第三体再循环流的光学图像第三个身体通过形成初级高原而明显积聚。..........................................................................................70图4.1：垫盘接触适应性：（a）打开接触;（b）闭合接触，第三体层承载通过薄板弯曲施加的载荷;（c）闭合接触，涉及通过薄板弯曲允许的垫倾斜的滑动摩擦;（d）闭合接触，涉及垫盘厚度和倾斜度的循环变化的圆盘的旋转波动88图4.2：圆盘/垫接触分布的压力膜测量：（a）无垫倾斜;（b）有垫倾斜（压力膜测量：从暗到亮的低到高压力）。......................................................................89图4.3：实验的时间分析：正常载荷和声压的变化，以及噪声发射的频率-时间图。..............................................................................................................................92图4.4：如图4.3所示，在试验时间表中，与特定时间（i）至（vii）相关的表观接触区的连续场景......................................................................................................94图4.5：实验最后一次噪声事件期间的接触场景（阶段c3）：沿接触区94正面的第三体层破碎和脱粘图4.6摩擦力和垫倾斜度随时间的变化.....................................................................96xiii图4.7：承载区的周期性移动性：a）、c）、e）当倾斜垫打开时朝向前端，b）、d）、f）当倾斜垫关闭时朝向尾部。...................................................................................................................................... 98图4.8：（i）摩擦试验期间捕获的带有第三体层的衬垫的光学图像，将承载区域显示为暗部分;（ii）第三体层的彩色图像，以区分灰色水平。.........................100图4.9：（i）"a"区图4.10：（i）"a"区图4.11：使用数字图像分析测量低（t）时的负载承载范围= 52.1 s）和高（t = 53.1 s）倾斜垫。结果以第三体层总范围的分数表示。.... 103图4.12：噪声排放与承载面积范围之间.................................................................104图4.13对应于摩擦实验阶段{c 3 }的频率-时间图（见图4.3）.............................105xivT型台列表表3.1：实验细节：圆盘和垫的物理条件;配置1的5个不同实验的旋转圆盘上的粉末扩散量。..................................................................................................................72表3.2：与表3.1相关，配置1的圆盘/垫接触分布、转盘上的粉末扩散量和界面中捕获的粉末量。..........................................................................................................73表3.3：与表3.2相关，3个实验的噪声谱。..............................................................74表3.4：实验细节：圆盘和垫的物理条件;配置2的3个不同实验的旋转圆盘上的粉末扩散量。..................................................................................................................76表3.5：与表3.4相关，配置2的圆盘/垫接触分布、垫上的粉末扩散量和界面中捕获的粉末量。..............................................................................................................77表3.6：与表3.5相关，3个实验的噪声谱。..............................................................78表3.7.配置2的协议摘要。..........................................................................................82表3.8：与表3.7相关，在相应测试的方案的每个步骤之前和之后，人工第三体分布的光学图像..............................................................................................................83表3.9：与表3.7相关，实验3（无倾斜）和5（倾斜）的噪声谱。........................84表4.1.区域（a）和区域（b）101的3D光学轮廓仪获得的粗糙度参数...............xv专利列表。ND节点直径FEM有限元法FFT快速傅里叶变换SEM扫描电子显微镜纤维聚焦离子束TEM透射电子显微镜SAE汽车工程师NAO非有机石棉反洗钱承载面积CPR压缩聚氨酯树脂TBL第三体层RA平均粗糙度RZ平均最大高度RK核心粗糙度深度RPK降低峰值高度RVK减少山谷深度1引言2一、引言制动是一种能量耗散机制，用于限制车辆的运动。摩擦接触是自激振动和噪声发生的常见原因。这些摩擦引起的振动通常根据它们的频率和相关的物理机制来分类。本研究的重点是摩擦，这是一种涉及频率在1 kHz和10 kHz之间的尖锐噪声，经常在汽车和铁路制动系统中遇到。它会产生超过80 dB的显著声发射，对用户来说是不愉快的。由于这个原因，在过去的40年左右，这一现象一直是许多研究的主题，以找到解决办法，以减轻或消除它。从科学的角度来看，挤压现象由于其多物理和多尺度的性质，研究起来很复杂。事实上，声发射来自整个结构的振动，但由于接触表面之间的局部现象而产生。因此，制动挤压的研究涉及摩擦学、结构动力学、材料和热力学领域。研究这一现象有不同的方法：1尺度或缩减尺度台架的实验方法，或有限元模拟或分析模型的数值方法。然而，关于挤压的研究很少考虑到几种现象，而只关注一两个参数，如结构动力学和摩擦系数之间的联系。类似地，许多研究仅限于使用单一的实验或数值方法。最近的工作已经开始在几个尺度上参与显示表面、结构和系统之间强相互作用的现象。基于参数变异性的随机分析开始出现，以了解挤压的本质。在建模中，例如在引入非线性和识别所涉及的现象时，两者都是永恒的、短暂的。许多研究人员也在采用理论方法，即离散元方法或细胞自动机来模拟圆盘/垫界面处的摩擦膜，以及描述表面地形。尽管最近在处理技术方面取得了重大进展3尽管有表征工具和计算算法，但对导致squeal的物理条件的基本理解仍然不完整，因为它不可避免地受到微观和宏观尺度上许多不同因素的影响。"经典"实验研究与摩擦问题有关，特别是与摩擦学有关，涉及摩擦后磨损表面观察。这种观测的短暂性在于这样一个事实，即在打开接触之后，与动态界面相关的许多重要信息肯定会丢失。如果一个人必须理解挤压，那么重要的是能够在现场测量参与的参数，并在实验过程中跟踪它们的时空变化。还确定了在接触中流动的颗粒能够连续地改变摩擦表面，从而改变载荷承载面积。考虑到内部情况，粒子流是非常复杂的，涉及太多因素。从实验的角度来看，很难获得部落学回路中的大量信息。鉴于这种复杂性，为了更好地理解挤压现象，建议开发一种能够涉及制动中遇到的相互作用的小规模测试方法。根据系统的简化，还建议使用允许原位观察的普通材料，同时通过使用受控的人工第三体而不是不受控的自然第三体来提供"控制"内部流动的可能性本文分为五个部分：第一章介绍了摩擦接触和振动不稳定性领域的各种研究的最新情况。本参考书目主要针对制动机构中的挤压问题。特别关注涵盖多尺度和多物理现象的实验研究，以及与磨损引起的抓挠相关的参考书目。在本章的最后，我们将重点介绍本研究与参考书目的关系，并具体说明所使用的目标和方法。第2章在简化的定制针盘测试钻机"CrisMat"上建立了分步摩擦实验。此设置允许对导致squeal发生的操作条件进行这张长凳