紙基摩擦副摩擦性能試驗分析

陳 磊，王少紅，周福強

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

0 引言

紙基摩擦材料一般由纖維、粘結劑、摩擦性能調節劑、填料等組分構成，采用造紙的方式生產坯體，之后經過浸漬樹脂、熱壓固化而成[1]。紙基摩擦材料相比銅基摩擦材料具有成本低、動摩擦系數穩定、動/靜摩擦系數比接近、摩擦片貼合過程平穩、磨損率低、使用壽命長、噪聲小并具有保護對偶材料等優點[2]，逐漸發展成為一種重要的摩擦材料，被廣泛應用于汽車、摩托車等各類車輛的變速器中，甚至逐漸發展到拖拉機、建筑礦山機械、鍛壓機械等工程機械的自動變速器和制動器中[3]。

近年來，紙基摩擦材料因其諸多優點而受到越來越多的關注，逐漸開展了對其摩擦性能的研究，但溫度對紙基材料摩擦性能的影響的相關研究卻較少。本試驗著重對紙基摩擦材料在不同溫度下摩擦系數的變化進行了研究，并探討了在相同溫度、轉速、不同壓力或者相同溫度、壓力、不同轉速條件下的試驗條件對摩擦性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試樣與工況

在UMT Tribo-lab 試驗機上，使用環—環試驗件進行摩擦試驗。紙基摩擦材料黏貼在上試樣上，試驗樣品采用內徑為19.30 mm，外徑31.75 mm 的圓環，下試樣為對偶鋼片。試驗件如圖1 所示[1]。

圖1 圓環紙基材料上下試樣

相應的試驗工況如下所示：

（1）下試樣轉速3500 r/min，試驗溫度50 ℃，在不同負載下進行50 次循環，每次時長30 s。

（2）試驗溫度50 ℃，下試樣轉速分別為750 r/min和1500 r/min，在負載41 N 和83 N 循環25 次，每次時長30 s。

（3）在負載41N，下試樣轉速1500 r/min，試驗溫度50 ℃和110 ℃，循環25 次，每次時長30 s。

1.2 試驗裝置

圖2 為UMT 摩擦材料試驗機，可通過更改上下試驗箱，完成旋轉、線性、往復、不同溫度的多種摩擦試驗。底盤系統集成單一高扭矩電機，可提供全量程的速度和扭矩[4]。

圖2 UMT 摩擦材料試驗機

試驗中調整下試樣轉速（750～3500）r/min，上試樣正壓力（41～186）N，試驗分別在50 ℃和110 ℃兩擋下進行；潤滑油為長城8#液力潤滑油，潤滑油流速100 mL/min。試驗前，將上試樣浸泡在潤滑油中，使紙基摩擦材料充分沁潤潤滑油。使用蠕動泵泵入和排出潤滑油（圖3）。

圖3 蠕動泵

2 結果與討論

2.1 正壓力對紙基摩擦材料摩擦性能的影響

紙基摩擦材料的摩擦性能主要用摩擦系數表示[5]。在試驗過程中，摩擦系數與壓力、溫度、轉速以及磨合過程有很大關系。圖4 為在轉速3500 r/min，溫度50 ℃的條件下，分別選取82 N、117 N、152 N、185 N 的壓力在相同時間段摩擦系數的變化曲線圖。可以看出，最大壓力185 N的摩擦系數最小，表明摩擦性能較好；隨著壓力的不斷減小，摩擦系數漸漸升高，上試樣與下試樣的摩擦減弱。同時，隨著時間的變化，摩擦系數變化并不明顯，說明在試驗過程中，紙基材料的摩擦系數較穩定。此外，壓力在（117～185）N，摩擦系數變化量較小。在試驗過程中，各個壓力下的摩擦系數波動較小，試驗穩定。又如圖5 所示，在只考慮壓力的狀況下，摩擦系數隨著壓力的增加，明顯下降，在（82～117）N 尤為明顯，在（117～152）N 變化較小，到（152～185）N變化又開始顯著。

圖4 不同壓力的摩擦系數曲線

圖5 壓力—摩擦系數變化曲線

2.2 溫度對紙基材料摩擦系數的影響

潤滑液在高溫環境下其流動性能和潤滑性能將發生改變，相應紙基摩擦材料的摩擦系數也相應有所變化。基于此，通過進行不同溫度的試驗，探討溫度對紙基摩擦材料摩擦性能的影響。圖6a 為材料相同，測試條件（轉速750 r/min，壓力41 N），潤滑油種類相同的摩擦系數在不同溫度下的曲線變化圖，可以看出，溫度高的紙基材料摩擦系數小，而相對低溫時，摩擦系數較高。同時也可以看到在110 ℃的7.5 s 到15 s 時，曲線波動較大，在15 s 之后，摩擦系數趨于平穩，這是由于試驗前未進行磨合的原因，后面將對磨合過程進行分析，進一步說明，紙基摩擦材料需要工作一段時間到穩定狀態。圖6b 為轉速1500 r/min，壓力41 N 時，不同溫度的摩擦系數曲線圖，從圖中可以看出溫度越高，摩擦系數越小，而且從圖中也能看出，在不同溫度下紙基材料的摩擦系數變化較小。

圖6 不同溫度下紙基摩擦材料的摩擦系數曲線

2.3 轉速對紙基材料摩擦系數的影響

在溫度為50 ℃，壓力41 N，轉速為750 r/min 或1500 r/min的條件下各進行25 次的循環試驗，相應的紙基材料的摩擦系數變化趨勢如圖7a 所示，從圖中可以看出，1500 r/min 的摩擦系數明顯大于750 r/min 轉速下的摩擦系數，而且不論轉速取何值時，摩擦系數在不同時間段都較穩定，但呈現上升的趨勢。在溫度50 ℃，壓力84 N 的不同轉速的摩擦系數圖（圖7b）中，可以看出，在同等條件下，隨著轉速的增加，摩擦系數也在增加。同時，對比圖7 的兩個圖，壓力增加后，轉速在750 r/min 和1500 r/min 的摩擦系數都相應的降低了。

圖7 不同轉速下紙基摩擦材料的摩擦系數曲線

2.4 磨合過程對紙基材料摩擦系數的影響

圖8 示出了溫度50 ℃，轉速3500 r/min，壓力124 N 條件下采用磨合過的紙基材料和未磨合過的紙基材料的試驗數據，為了進一步顯示變化，圖中也加入了在相同溫度和轉速，不同壓力下的未磨合紙基材料在試驗過程的摩擦系數。可見：磨合過的紙基材料摩擦系數明顯低于未磨合過的紙基材料，而且由上述壓力對摩擦系數影響的結論可知，壓力越大，摩擦系數越小，在圖中磨合過的紙基材料，雖然壓力小于未磨合過的紙基材料，但摩擦系數卻小于未磨合過的紙基材料。而且經過一段時間的穩定期后，磨合過的紙基材料的摩擦系數在（0～30）s 內的變化量比未磨合的紙基材料小。

圖8 不同壓力下是否磨合的紙基摩擦材料摩擦系數曲線

3 結論

（1）隨著壓力或溫度的增加，紙基材料的摩擦性能有所提升，摩擦系數下降，并在此過程中需要經過一段時間達到穩定狀態。

（2）在溫度和壓力恒定時，轉速越大，紙基摩擦材料的性能越不穩定，摩擦系數越大。

（3）在進行紙基摩擦材料摩擦性能的試驗與探究中，從試驗數據中可以得出磨合過程對紙基摩擦材料的摩擦性能影響較明顯。