劉大欣， 王利寧， 韓　君

(1. 吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 吉林 長春 130022； 2. 吉林大學(xué) 機(jī)電設(shè)備研究所， 吉林 長春 130022)

汽車摩擦材料測試設(shè)備的選型研究

劉大欣1,2， 王利寧1,2， 韓君2

(1. 吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 吉林 長春 130022； 2. 吉林大學(xué) 機(jī)電設(shè)備研究所， 吉林 長春 130022)

摘要:隨著人們對汽車摩擦材料要求的不斷提高， 目前迫切需要一種快速且經(jīng)濟(jì)的摩擦材料檢測設(shè)備. 本文以摩擦學(xué)理論為基礎(chǔ)， 研究了在汽車制動過程中各個影響因素的作用， 以及他們對摩擦材料的作用機(jī)理. 在分析對比現(xiàn)有各類摩擦材料試驗機(jī)性能優(yōu)缺點(diǎn)的同時， 提出新型標(biāo)準(zhǔn)摩擦材料試驗機(jī)的選型原則， 并給出了一種新型試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)， 為摩擦材料試驗研究提供了新的依據(jù).

關(guān)鍵詞:摩擦材料； 試驗機(jī)； 汽車制動； 縮比臺架

0引言

研制和選用簡單、 快捷、 低成本且與慣性臺架和實際應(yīng)用結(jié)果具有較好可比性的摩擦材料試驗機(jī)， 一直是人們不懈追求的目標(biāo). 目前正值國內(nèi)和國際ISO組織討論新型摩擦材料標(biāo)準(zhǔn)試驗機(jī)的時機(jī)， 有必要從理論和實際層面對新型試驗機(jī)的選型進(jìn)行深入探討[1-3].

1制動摩擦副系統(tǒng)分析

應(yīng)用摩擦學(xué)系統(tǒng)分析的原理與方法， 對制動摩擦副進(jìn)行系統(tǒng)分析， 將有利于新型試驗機(jī)的選型和研制.

1.1制動摩擦系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)是相互作用和相互依存的若干組成元素的結(jié)合. 制動摩擦系統(tǒng)則是由摩擦襯片、 對偶件(盤或鼓)及環(huán)境介質(zhì)3個元素組成[4]. 其系統(tǒng)的功能是將輸入的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?從而達(dá)到減速或停止的目的.

系統(tǒng)的元素

襯片

其中，a1,a2,…,ai為各組分的含量(粘合劑， 各種填料等).

對偶件

環(huán)境

元素的性能

襯片(1)的性能： 組分、 抗拉、 抗壓強(qiáng)度、 沖擊韌性、 強(qiáng)度、 熱膨脹系數(shù)、 熱導(dǎo)率、 比容度、 吸水、 吸油性能.

對偶件(2)的性能： 化學(xué)成分、 金相組織、 石墨形態(tài)、 幾何形狀、 物理機(jī)械性能、 表面粗糙度等.

環(huán)境介質(zhì)(3)： 溫度、 濕度、 塵埃、 磨粒等.

元素間的關(guān)系： 制動摩擦過程中， 各元素相互作用與影響如下所示

圖 1　制動摩擦系統(tǒng)Fig.1　Brake friction system

因而制動摩擦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可用集合來表示

制動摩擦系統(tǒng)的方框圖如圖 1， 系統(tǒng)的輸入是運(yùn)動的速度、 質(zhì)量以及作用力. 經(jīng)過制動摩擦的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)后， 運(yùn)動速度得到改變(減速或停止). 損耗的輸出能量表現(xiàn)在產(chǎn)生大量的熱能以摩擦損耗， 出現(xiàn)制動噪聲及產(chǎn)生磨損產(chǎn)物等.

1.2制動摩擦學(xué)的特征

1) 制動摩擦引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化， 包括系統(tǒng)中元素的破壞和新元素的產(chǎn)生， 元素性能的改變和接觸形貌的改變， 表面組成的改變， 表層熱物理機(jī)械性能的改變， 以及元素間相互關(guān)系的改變， 制動過程中磨損機(jī)理的變化等.

2) 摩擦引起的能量損耗為

式中：μ為摩擦系數(shù)；X為工作變量.

3) 制動副表面單位面積吸收摩擦動能引起的材料損耗， 磨損率可表示為

因此任何形式的制動副， 其制動穩(wěn)定性、 能量損耗、 摩擦系數(shù)、 磨損率等不僅與工作變量(制動初速， 制動壓力， 表面溫度， 制動時間， 制動頻率等)有關(guān)， 也與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān).

試驗機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)可用圖 2 描述， 左側(cè)為試驗控制條件， 右側(cè)為試驗結(jié)果輸出.

圖 2　摩擦材料試驗系統(tǒng)Fig.2　Friction material test system

摩擦材料的工作過程即制動滑摩過程， 實質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換和傳遞的過程. 制動器借助襯片與對偶的滑摩， 吸收車輛的動能而轉(zhuǎn)化為熱能和其他形式的能， 并傳遞給制動器部件. 離合器則借助主從盤的滑摩傳遞扭矩， 并以摩擦功的方式吸收兩軸的能量差并轉(zhuǎn)換為熱能. 所以， 摩擦材料是耗能材料.

摩擦材料工作過程產(chǎn)生大量熱量使摩擦表面溫度升高， 必然影響到材料自身化學(xué)物理性能的穩(wěn)定， 導(dǎo)致摩擦系數(shù)的變化和材料表面的磨損.

這一過程是相當(dāng)復(fù)雜的. 人們對該系統(tǒng)的輸入和輸出一般是清楚的， 但對中間變化過程(如摩擦系數(shù)的變化和磨損的機(jī)理)并不十分清楚， 所以這是一個“灰盒”系統(tǒng).

摩擦學(xué)大量的研究結(jié)果表明： 影響摩擦材料性能的因素很多， 并且交互作用關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜. 除了材料自身的化學(xué)物理特性(如耐熱性、 強(qiáng)度、 硬度、 彈性、 表面狀態(tài)、 固有振動頻率等)外， 使用工況也是重要的影響因素， 即材料的摩擦磨損特性是自身性質(zhì)與使用工況的函數(shù). 按照上面的分析， 這種關(guān)系可表示為

式中：A為摩擦副形式；B為材料性質(zhì)；C為環(huán)境條件；P為工作比壓；V為滑摩線速度；T為工作表面溫度；t為摩擦?xí)r間. 上述參數(shù)構(gòu)成了系統(tǒng)的輸入， 即工況條件.

摩擦材料試驗機(jī)的作用就是通過有效控制輸入條件(通常也稱模擬條件)， 測量輸出結(jié)果來判斷和評價材料是否符合所應(yīng)用實際工況的要求[5]. 因此， 對使用工況比較全面的模擬和對輸出結(jié)果相對精確地測量， 應(yīng)是設(shè)計和評價摩擦材料試驗機(jī)的基本出發(fā)點(diǎn).

1.3試驗條件控制準(zhǔn)則

試驗條件具有良好的模擬性， 試驗結(jié)果才能與實際應(yīng)用具有良好的可比性和一致性. 要求試驗條件完全模擬實際工況是非常困難和不經(jīng)濟(jì)的， 有時甚至是不可能的. 摩擦學(xué)研究和大量試驗證明， 摩擦磨損試驗數(shù)據(jù)的可比性和一致性， 依賴于摩擦磨損機(jī)理和過程實質(zhì)， 是系統(tǒng)的內(nèi)部因素， 很難直接控制或模擬， 但可以借助正確控制試驗輸入條件來保證. 這是確定試驗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、 試驗條件、 測量系統(tǒng)和試驗方法的依據(jù). 所以， 試驗控制條件決定了試驗機(jī)的類型與用途.

試驗控制條件可歸納為：

1) 摩擦特性： 摩擦副形式、 尺寸比例、 重疊系數(shù)、 對偶材料性質(zhì)等；

2) 摩擦方式： 連續(xù)拖磨、 斷續(xù)拖磨、 慣性制動、 恒輸出制動、 恒力矩拖磨等；

3) 加壓方式： 比壓大小、 恒壓、 恒輸出等；

4) 速度： 速度范圍和速度特性(定速， 變速， 減速)等；

5) 動力： 馬達(dá)的功率和特性等；

6) 環(huán)境： 加熱， 冷卻， 溫度， 濕度， 風(fēng)速等.

其中摩擦特性是區(qū)分試驗機(jī)種類的依據(jù)， 是由試驗機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)所決定的. 其余條件有些是機(jī)械方面的， 有些是控制方面的， 有些是屬于試驗方法方面的[6-8].

2現(xiàn)有摩擦材料試驗機(jī)對比分析

這里將除1∶1慣性臺架以外的其他摩擦材料試驗機(jī)統(tǒng)稱為摩擦材料試驗機(jī).

2.1幾種代表性的摩擦材料試驗機(jī)

表 1 是歷史以來商品類摩擦材料試驗機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)匯總， 以便于對比分析.

表 1　幾種小樣摩擦材料試驗機(jī)對比

2.2特點(diǎn)分析

2.2.1摩擦副形式

盤塊形式居多， 這也符合盤式制動器應(yīng)用日益廣泛的趨勢， 試樣尺寸大小決定了試驗機(jī)動力的大小， 從而影響試驗機(jī)和試驗成本. 而對偶件一般都選擇與實際剎車盤相同的材質(zhì)和金相特性[6].

2.2.2環(huán)境條件

包括是否加熱、 冷卻， 甚至應(yīng)包括環(huán)境溫度、 濕度等控制條件. 現(xiàn)有試驗機(jī)一部分使用電輔助加熱， 原因是依靠摩擦生熱難以達(dá)到所需的試驗溫度. 定速采用水冷， 而其他則大都為風(fēng)冷. 尚未出現(xiàn)濕度控制的先例.

2.2.3比壓

比壓和線速度的乘積稱PV值， 其特征值是摩擦功. 在一定的PV值時， 摩擦系數(shù)μ就成了摩擦功的變量.μ值越大則摩擦功越大， 發(fā)熱越多， 溫度越高. 所以定速試驗而又恒定比壓是影響測試結(jié)果與實際一致性的重要影響因素， 而具有恒力矩輸出功能的試驗機(jī)更合理[9].

2.2.4線速度

定速類試驗?zāi)Σ辆€速度7～8m/s居多， 相當(dāng)于車速50～80 km/h. 定速試驗機(jī)主要側(cè)重與摩擦材料的溫度特性， 即溫度相關(guān)性， 而慣性試驗?zāi)軌蚣骖檳毫ο嚓P(guān)性， 速度相關(guān)性和能量相關(guān)性， 所以慣性試驗要優(yōu)于定速試驗.

2.31∶1與1∶5試驗機(jī)分析

Krauss試驗機(jī)是1∶1的定速試驗機(jī)， 其優(yōu)點(diǎn)是采用原配的制動鉗和制動盤， 同時具有恒力矩功能， 因此在溫度相關(guān)性測試方面受到了歐洲汽車界的廣泛認(rèn)可， 且試驗快速省時， 深受歡迎. 其主要缺點(diǎn)是試驗機(jī)功率較大(55 kW或75 kW)， 試驗機(jī)也較昂貴. 由于采用原配制動鉗測試， 在給定的管路壓力制動時， 由于制動鉗活塞密封圈會吃掉部分正壓力， 使測得的摩擦系數(shù)μ數(shù)值與摩擦材料實際μ值有較大偏差.

1∶5縮比臺架的出現(xiàn)是想用低成本的慣性臺架替代1∶1的慣性臺架， 并采用1∶1的試驗方法標(biāo)準(zhǔn)， 無疑這是一種好想法. 現(xiàn)有的1∶5縮比臺架使用證明， 除溫度相關(guān)性差外， 其他結(jié)果與1∶1臺架確實具有較好的一致性和相關(guān)性[10]. 溫度相關(guān)性差的原因是只用一個試塊， 且單摩擦面制動， 摩擦盤的熱容量又較大， 摩擦功不足， 所以溫升偏低， 與1∶1臺架有較大差異.

3新型試驗機(jī)的選型

3.1新型試驗機(jī)選型原則

1) 在現(xiàn)有試驗機(jī)和試驗方法基礎(chǔ)上優(yōu)選和升級， 而不是完全創(chuàng)新， 但必須有恒力矩功能；

2) 側(cè)重于摩擦材料的摩擦磨損特性測試， 而不與具體車型掛鉤；

3) 追求測試結(jié)果重現(xiàn)性好， 并與1∶1臺架有較好的一致性和可比性. 而不追求完全一致并替代1∶1臺架.

4) 試驗機(jī)成本低廉， 操作簡便， 試驗周期短.

3.2縮比Krauss試驗機(jī)

基于前面的分析和選型原則， 德國Krauss GMBH與吉林大學(xué)機(jī)電設(shè)備研究所共同提出“縮比Krauss”試驗機(jī)概念， 并已申報給ISO組織.

所謂“縮比Krauss”試驗機(jī)就是將現(xiàn)已被廣泛認(rèn)可的Krauss試驗機(jī)按比例縮小， 試件由1∶1實物， 改為試塊， 試驗機(jī)的原理， 結(jié)構(gòu)和試驗方法不變.

縮比Krauss試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示.

圖 3　縮比Krauss機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Scaled Krauss mechanical structure diagram

基本機(jī)構(gòu)可有3種不同形式： (a)是將摩擦盤直接裝在主電機(jī)軸上； (b)是主軸支承在獨(dú)立的軸承座上； (c)是主電機(jī)經(jīng)帶傳動驅(qū)動主軸， 電機(jī)下置. (c)形式布局更合理些.

3.3縮比Krauss試驗機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)(初定值)

主電機(jī)功率： 15 kW

主軸轉(zhuǎn)速：20～1 500 rpm， 變頻調(diào)速

試驗轉(zhuǎn)速：1 160 rpm

摩擦盤：外徑Φ150 mm， 內(nèi)徑Φ50 mm， 厚9 mm

試塊尺寸：25 mm×40 mm×10 mm

摩擦線速度：7.6 m/s(1 160 rpm時)， 同Krauss試驗機(jī)

制動鉗缸徑：Φ25.4 mm

制動方式：恒壓力/恒扭矩

試驗方法：同Krauss試驗機(jī)

3.4縮比Krauss專用制動鉗結(jié)構(gòu)

圖 4 為專用鉗的結(jié)構(gòu)圖， 專利號： 201510408748,201520504001.

圖 4　縮比Krauss試驗機(jī)專用制動鉗Fig.4　Brake caliper for the scaled Krauss machine

為了克服制動鉗活塞密封圈阻力對摩擦系數(shù)值的影響， (b)和(c)型制動鉗上裝有傳感器， 可直接測出正壓力數(shù)值， 而不是借助制動管路壓力計算得出的正壓力值. Krauss正在尋找一種摩托車制動鉗用于標(biāo)準(zhǔn)配置， 這樣可以確保制動鉗的一致性.

目前， 縮比Krauss試驗機(jī)正在制造中， 之后Krauss GMBH和吉林大學(xué)機(jī)電所將共同進(jìn)行與1∶1Krauss試驗機(jī)的對比測試.

參考文獻(xiàn)：

[1]盛鋼, 馬保吉. 制動摩擦材料研究的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2000(2)： 127-133.

Sheng Gang， Ma Baoji. The state of the arts and development of studies on friction materials[J]. Journal of Xi’an Institute of technology, 2000(2)： 127-133. (in Chinese)

[2]杜建華, 劉彥偉, 李園園. 納米顆粒增強(qiáng)銅基摩擦材料的摩擦學(xué)性能[J]. 光學(xué)精密工程, 2013(10)： 2581-2586.

Du Jianhua, Liu Yanwei, Li Yuanyuan. Friction properties of Cu-based friction materials reinforced by nanometer materials[J]. Optics and Precision Engineering, 2013(10)： 2581-2586. (in Chinese)

[3]劉軍恒, 何春霞, 劉靜, 等. 硼改性酚醛樹脂與丁腈橡膠比例對摩擦材料性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2013(18)： 84-89.

Liu Junheng, He Chunxia, Liu Jing, et al. Effects of ratio of boron modified phenolic resin to nitrile butadiene rubber on properties of friction materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013(18)： 84-89. (in Chinese)

[4]王兵. 汽車制動摩擦副的分析與優(yōu)化[D]. 安徽： 合肥工業(yè)大學(xué), 2010.

[5]周偉, 包建東, 丁良華. 傳感器標(biāo)定的非線性校正研究[J]. 測試技術(shù)學(xué)報, 2013(4)： 358-361.

Zhou Wei, Bao Jiandong, Ding Lianghua. Nonlinear correction of sensor calibration[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2013(4)： 358-361. (in Chinese)

[6]王鐵山， 曲波. 汽車摩擦材料測試技術(shù)[M]. 長春： 吉林科學(xué)技術(shù)出版社， 2005.

[7]劉瑜, 宋永臣, 趙佳飛, 等. 多孔介質(zhì)斷面可視化與孔隙度測量的MRI方法[J]. 測試技術(shù)學(xué)報, 2011(3)： 195-199.

Liu Yu, Song Yongchen, Zhao Jiafei, et al. Cross sectional visualization and porosity measurement of porous media by using MRI technique[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2011(3)： 195-199. (in Chinese)

[8]趙小樓. 摩擦材料縮比試驗原理及試驗方法和測試設(shè)備研究[D]. 長春： 吉林大學(xué)， 2007.

[9]Soderberg A， Andersson S． Simulation of wear and contact pressure distribution at the pad-to-rotor interface in a disc brake using general purpose finite element analysis software [J]．Wear， 2009， 267 ： 2243-2251.

[10]Koibuchi K， Yamamoto M， Fukada Y， et al． Vehicle stability control in limit cornering by active brake[J]． Training， 1996 ， 2008： 06-23．

Research on Standard of Test Machine for Vehicle Friction Material

LIU Daxin1,2， WANG Lining1,2， HAN Jun2

(1. College of Biological and Agriculture Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;2. Electromechanical Equipment Ltd., Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract:This paper researches the function of various influencing factors in the process of the vehicle braking, as well as their mechanism of friction materials, based on the tribology theory . According to analyzing and comparing the advantages and disadvantage of the different friction test machines, a new principle of selection standard of friction test machine is put forward and the structure and the main technical parameters of a new type of machine are given. It provides a new basis for test study on friction material.

Key words:friction material; test standard; vehicle braking； scaled dynamiter

文章編號:1671-7449(2016)03-0215-06

收稿日期:2015-08-09

作者簡介：劉大欣(1981-)， 男， 工程師， 主要從事汽車制動系統(tǒng)測試設(shè)備的研究.

中圖分類號:U467.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.006