工況條件對干式銅基摩擦片摩擦因數(shù)的影響

劉曉波 ，王立勇 ，2，唐長亮 ，陳 濤

（1.北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100192）

0 引言

近年來，濕式離合器在車輛傳動(dòng)，自動(dòng)變速器，農(nóng)業(yè)機(jī)械，工程機(jī)械中應(yīng)用極為廣泛，其特點(diǎn)主要是工作性能可靠，工作狀態(tài)穩(wěn)健，使用壽命長，傳遞效率高并且便于完成自動(dòng)控制[1]。而濕式摩擦副是濕式離合器的重要組成部分，其摩擦元件是由對偶鋼片與摩擦片組成，工作原理是依靠對偶鋼片和摩擦片之間的摩擦力來傳遞動(dòng)力以及力矩。工作過程中摩擦副由于摩擦磨損而產(chǎn)生熱量，在長期工作條件下很有可能引起摩擦副過度磨損甚至出現(xiàn)故障[2]。因此，研究濕式離合器摩擦片材料在不同工況條件下的摩擦片摩擦特性的規(guī)律對濕式離合器的使用具有重要意義，有助于摩擦片材料篩選以及提升離合器工作時(shí)的可靠性和安全性[3]。本文主要通過研究干式銅基在不同工況條件下接觸點(diǎn)的摩擦因數(shù)的變化從而分析其相應(yīng)的變化規(guī)律。試圖通過設(shè)定不同的工況條件在UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，分別以定負(fù)載變轉(zhuǎn)速，定轉(zhuǎn)速變負(fù)載定性的對干式銅基材料進(jìn)行UMT試驗(yàn)，進(jìn)而獲得其相應(yīng)的摩擦因數(shù)變化的規(guī)律。通過分析所得結(jié)果為濕式離合器摩擦片工況的設(shè)定提供理論指導(dǎo)。

1 濕式離合器摩擦副的工作原理

濕式離合器摩擦副結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]，摩擦副的結(jié)構(gòu)是由摩擦襯片和對偶鋼片組成，摩擦襯片間是中心片，對偶鋼片與摩擦襯片之間留有間隙，間隙充滿冷卻潤滑油，對偶鋼片和摩擦襯片都可以作為主動(dòng)件運(yùn)轉(zhuǎn)，在接合壓力的作用下，一般摩擦襯片作為主動(dòng)件，對偶鋼片作為從動(dòng)件。

主動(dòng)端與從動(dòng)端處于冷卻的潤滑油中，當(dāng)濕式離合器處分離過程時(shí)，摩擦片與對偶鋼片之間充滿了冷卻的潤滑油，摩擦片相對與對偶鋼片以一定的角速度旋轉(zhuǎn)。濕式離合器處于接合過程時(shí)，潤滑油冷卻摩擦襯片和對偶鋼片，輸入軸輸入轉(zhuǎn)矩，通過操縱油的壓力使得主盤與從盤逐漸壓緊產(chǎn)生摩擦力，從而傳遞摩擦轉(zhuǎn)矩[5]。

圖1 濕式離合器摩擦副結(jié)構(gòu)

2 濕式離合器摩擦副材料

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對濕式離合器摩擦片材料的性能也有了更高的性能要求。目前，濕式離合器摩擦片材料通常為紙基摩擦材料（圖2）和銅基摩擦材料（圖3）。紙基摩擦材料主要以植物纖維、加強(qiáng)材料（碳纖維，芳綸纖維）、粘結(jié)劑、減摩材料（石墨）、摩擦性能調(diào)節(jié)劑等組成。由于以纖維為基礎(chǔ)骨架材料用造紙工藝成型，因而成為“紙基摩擦材料”。紙基摩擦片材料具有運(yùn)轉(zhuǎn)柔和平穩(wěn)、噪聲低、無振動(dòng)、吸收能力強(qiáng)、靜/動(dòng)摩擦因數(shù)比值小等特點(diǎn)。而銅基片摩擦材料是通過粉末冶金的方式制備且含有短碳纖維而成。銅基摩擦片材料具有靜/動(dòng)摩擦因數(shù)比值大，動(dòng)摩擦因數(shù)低，運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)大等特點(diǎn)[9]。雖然紙基摩擦材料具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是考慮到履帶車輛本身的特點(diǎn)以及紙基摩擦材料發(fā)展水平受限的因素，履帶車輛的濕式離合器大多采用銅基摩擦材料作為摩擦副材料[6]。

3 UMT銷盤試驗(yàn)

3.1 工況條件

銷盤試驗(yàn)在UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[6]上進(jìn)行，本試驗(yàn)分別進(jìn)行了定轉(zhuǎn)速變負(fù)載和定負(fù)載變轉(zhuǎn)速兩組工況試驗(yàn)。圖4為布魯克UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，由于該試驗(yàn)機(jī)具有良好的兼容性和多模塊化設(shè)計(jì)得到了市場的廣泛認(rèn)可。傳統(tǒng)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)多數(shù)是單一模式的設(shè)計(jì)，僅僅能滿足單一的工況測試環(huán)境模擬，而UMT試驗(yàn)機(jī)打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了在1個(gè)幾臺模擬多種工況條件。大大節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間，可快速實(shí)現(xiàn)模塊的更換。先進(jìn)的伺服控制系統(tǒng)和具有專利技術(shù)的力學(xué)傳感器，可收集多個(gè)信號的原位收集[7]。為了模擬離合器摩擦片實(shí)際工況，運(yùn)用銅基磨擦盤模擬濕式離合器磨擦片[8]在UMT試驗(yàn)機(jī)模擬2組工況。

圖2 紙基摩擦盤

圖3 銅基摩擦盤

（1）定轉(zhuǎn)速變負(fù)載。選定轉(zhuǎn)速700 r/min，分別選用負(fù)載為（25～75）N，間隔5 N，不同負(fù)載條件下進(jìn)行UMT試驗(yàn)，每組試驗(yàn)時(shí)間為20 s。

（2）定負(fù)載變轉(zhuǎn)速。選定負(fù)載40 N，分別選用轉(zhuǎn)速為（300～1000）r/min，間隔100 r/min。不同轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行UMT試驗(yàn)，每組試驗(yàn)時(shí)間為20 s。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)采用控制變量[9]的方法對銅基材料的摩擦盤進(jìn)行了無潤滑狀態(tài)下的干式實(shí)驗(yàn)，選取定負(fù)載變轉(zhuǎn)速和定轉(zhuǎn)速變載荷兩種工況條件，通過改變變量從而在UMT摩擦試驗(yàn)機(jī)測得銅基摩擦盤接觸點(diǎn)的摩擦因數(shù)。

圖4 UMT試驗(yàn)機(jī)

3.2.1 定轉(zhuǎn)速變負(fù)載

在正式試驗(yàn)之前，在UMT試驗(yàn)機(jī)先對銅基摩擦盤進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)?zāi)ズ希_定其摩擦系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，進(jìn)入正式測試實(shí)驗(yàn)。圖5轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)不同負(fù)載銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化，圖6為轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)不同時(shí)間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨負(fù)載變化。

圖5 不同負(fù)載銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化

從圖5可以得到，在不同負(fù)載曲線中，除了負(fù)載為65 N的曲線變化相對明顯，其他負(fù)載時(shí)銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化趨勢并不明顯，即隨著時(shí)間的變化對摩擦因數(shù)影響十分微小，同時(shí)可以看在65 N的負(fù)載曲線中的摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的變化而逐漸增大。結(jié)合圖6觀察可得，65 N負(fù)載曲線與75 N負(fù)載曲線相差最大，在此過程摩擦因數(shù)迅速增大，變化顯著。并且25 N，35 N，65 N負(fù)載曲線在3 s時(shí)的摩擦因數(shù)基本相同，而25 N和35 N負(fù)載曲線差距十分微小，45 N和55 N負(fù)載曲線差距也十分微小，但在3 s時(shí)55 N時(shí)的摩擦系數(shù)＞45 N時(shí)的摩擦系數(shù)。同時(shí)可以觀察到65 N負(fù)載曲線在前12 s的摩擦因數(shù)＜45 N和55 N負(fù)載時(shí)的摩擦因數(shù)，在12 s后，65 N時(shí)的摩擦因數(shù)逐漸超過45 N時(shí)的摩擦因數(shù)，結(jié)合圖6對比，（45～65）N，摩擦因數(shù)從圖6中觀察得到，經(jīng)歷了先增大后減小再增大的過程，與圖5現(xiàn)象相對應(yīng)。（65～75）N，摩擦因數(shù)變化很大，結(jié)合圖5來看，也是相同的結(jié)果。

觀察圖 6 可以得到 3 s，6 s，9 s，12 s，15 s，18 s時(shí)對應(yīng)的銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨負(fù)載變化曲線，從圖中可以看出，不同的時(shí)間點(diǎn)的曲線趨勢變化幾乎相同，但是3 s時(shí)的曲線在負(fù)載（60～70）N，曲線變化的斜率相比其他時(shí)間在此負(fù)載之間斜率變化要大，并且從圖中可以得到，其他時(shí)間點(diǎn)在此負(fù)載區(qū)間斜率變化基本一致。對比圖5中不同時(shí)間的曲線，在相同負(fù)載前提下，時(shí)間越長，摩擦因數(shù)呈略微增長趨勢，即摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化而增大。

從圖6中單獨(dú)觀察9 s的曲線變化，可以得到隨著負(fù)載的增加，摩擦因數(shù)整體變化量呈逐漸增大趨勢。從圖中可以得到在（25～35）N，摩擦因數(shù)基本不變，在35 N之后，摩擦因數(shù)變化相對明顯，在（50～65）N，摩擦因數(shù)先增大后減小，50 N和65 N時(shí)的摩擦因數(shù)基本相同。65 N之后，摩擦因數(shù)有迅速增大，且變化十分明顯，尤其是（65～75）N，摩擦因數(shù)變化斜率最大，增長量最大。從圖6可以看出，負(fù)載從25 N變化至75 N，摩擦因系數(shù)從0.225增長到0.285，總體來看，摩擦因數(shù)的變化呈增長趨勢，但變化并不明顯。

圖6 不同時(shí)間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨負(fù)載變化

3.2.2 定負(fù)載變轉(zhuǎn)速

在正式試驗(yàn)之前，首先對銅基摩擦盤進(jìn)行磨合，觀察摩擦因數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，再進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。圖7為負(fù)載為40 N時(shí)不同轉(zhuǎn)速下銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化，圖8為負(fù)載為40 N時(shí)不同時(shí)間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化。

從圖7可以得出，在負(fù)載為40 N前提下，轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化相對明顯，而圖中其他轉(zhuǎn)速條件下，摩擦因數(shù)隨時(shí)間總體變化相對平緩。通過觀察圖8中不同轉(zhuǎn)速的曲線，轉(zhuǎn)速為400 r/min和500 r/min摩擦因數(shù)基本接近，而700 r/min，900 r/min，1000 r/min轉(zhuǎn)速條件下，前9 s它們的摩擦因數(shù)基本相同，9 s后其摩擦因數(shù)才出現(xiàn)略微波動(dòng)。仔細(xì)觀察圖7中不同轉(zhuǎn)速曲線，可以得到在800 r/min時(shí)摩擦系數(shù)最大，在300 r/min時(shí)摩擦因數(shù)最小。在轉(zhuǎn)速＜800 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，但影響并不明顯。在轉(zhuǎn)速＞900 r/min時(shí)，摩擦因數(shù)基本略微減小且變化不大。

從圖 8 和圖 9 可以看出，在 3 s，6 s，9 s，12 s，15 s，18 s不同時(shí)間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化圖可以看出3 s，9 s，15 s時(shí)摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速變化趨勢基本相同，6 s，12 s，18 s時(shí)摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速變化趨勢基本相同，并且可以看出相同轉(zhuǎn)速下，摩擦因數(shù)隨時(shí)間而呈上升趨勢，略微增大。通過觀察圖8可以得出，從整體來看在同一時(shí)間下，摩擦因數(shù)呈上升趨勢，而在（300～450）r/min，（550 ～600）r/min，（700 ～800）r/min，摩擦因數(shù)呈上升趨勢。對比 圖 10，（300 ～800）r/min，摩擦因數(shù)變化整體呈上升趨勢。觀察圖9可以看出850 r/min后，摩擦因數(shù)呈下降趨勢，變化并不明顯。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化

4 結(jié)論

（1）定轉(zhuǎn)速變負(fù)載工況條件下，摩擦因數(shù)隨著負(fù)載的增大而呈略上升趨勢，且在同一時(shí)間，雖然不同負(fù)載對于的摩擦因數(shù)相差不大，但有負(fù)載越大摩擦因數(shù)越大的規(guī)律。

（2）定負(fù)載變轉(zhuǎn)速的工況條件下，在（300～800）r/min，摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)上升趨勢，在（800～1000）r/min，摩擦因數(shù)有所下降，但摩擦因數(shù)變化幅度非常小。

（3）不論工況是定轉(zhuǎn)速變負(fù)載工況還是定負(fù)載變轉(zhuǎn)速，時(shí)間的變化對摩擦因數(shù)的影響都十分微小。

圖8 3 s，9 s，15 s 時(shí)銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化

圖9 6 s，12 s，18 s 時(shí)銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點(diǎn)摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化