林曉華， 趙亦農(nóng)

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)

林曉華， 趙亦農(nóng)

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

在自動(dòng)干式離合器中，獲得精確的摩擦轉(zhuǎn)矩對(duì)提高離合器的控制效果有著重要影響。而摩擦轉(zhuǎn)矩的精確度很大程度上依賴于摩擦系數(shù)的精確度。因此為了研究干式離合器摩擦片的摩擦系數(shù)與壓力、轉(zhuǎn)速和滑磨過(guò)程中摩擦片表面溫度的關(guān)系，設(shè)計(jì)了干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試臺(tái)架。該臺(tái)架由機(jī)械系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)由底座、減速機(jī)和彈簧等組成，主要實(shí)現(xiàn)壓力的手動(dòng)調(diào)節(jié)功能；伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC控制器和伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成，主要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單片機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成，實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的采集和顯示功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該臺(tái)架可以實(shí)現(xiàn)壓力和轉(zhuǎn)速的控制并完成壓力、轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)矩、摩擦片表面溫度和摩擦系數(shù)的同步采集，在干式離合器摩擦系數(shù)影響因素的研究中起到了重要作用。

干式離合器； 磨擦片； 摩擦系數(shù)

0 引 言

在裝配有AMT和干式DCT的車輛中，干式離合器的控制效果對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和平順性都有很大的影響[1-3]。要實(shí)現(xiàn)干式離合器的良好控制，對(duì)離合器當(dāng)前傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的計(jì)算是必不可少的。由離合器摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[4]可知,要獲得精確的離合器摩擦轉(zhuǎn)矩，離合器摩擦片與其對(duì)偶件的摩擦系數(shù)是無(wú)法忽略的因素。摩擦系數(shù)有很多影響因素：摩擦材料的種類、摩擦片表面粗糙度、表面溫度、相對(duì)滑動(dòng)速度和壓力等都會(huì)對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響[5-6]。從離合器的實(shí)際使用工況、摩擦片廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[7-12]的分析中得出離合器摩擦片摩擦系數(shù)的3個(gè)主要影響因素：轉(zhuǎn)速差、壓力和摩擦片表面溫度。為了分析上述3個(gè)參數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)的影響，本文設(shè)計(jì)了干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試臺(tái)架。

1 方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，該臺(tái)架主要由伺服電動(dòng)機(jī)、摩擦盤、壓盤、帶ADC和串口的單片機(jī)、PLC控制器等組成。臺(tái)架以伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，帶動(dòng)摩擦盤轉(zhuǎn)動(dòng)；壓盤固定在滑動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊上，并由減速機(jī)等傳動(dòng)件驅(qū)動(dòng)；壓力信號(hào)由壓塊與右壓盤之間的力傳感器采集；溫度信號(hào)由熱電偶采集；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號(hào)則從伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中采集。由此即可根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、壓力以及摩擦片的等效摩擦半徑計(jì)算出摩擦系數(shù)[4]：

(1)

(2)

式中:Tc為電動(dòng)機(jī)扭矩;F為壓力;Rc為摩擦片等效摩擦半徑;Z為摩擦面的數(shù)量;R為摩擦片大端半徑;r為摩擦片小端半徑。

圖1 臺(tái)架示意圖

通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步得到摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、壓力和摩擦片表面溫度的變化情況。按照功能的不同可以將臺(tái)架細(xì)分為機(jī)械系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺(tái)架的機(jī)械系統(tǒng)主要由圖1中的傳動(dòng)軸、摩擦盤、石棉隔熱層、摩擦片、左壓盤、彈簧、右壓盤、壓塊、手輪、蝸輪蝸桿減速機(jī)、絲桿螺母滑臺(tái)、滑動(dòng)導(dǎo)軌和臺(tái)架底座組成。傳動(dòng)軸左端通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電動(dòng)機(jī)輸出軸相連，右端通過(guò)平鍵與摩擦盤相連以保證周向定位，并通過(guò)頂絲保證軸向定位。摩擦片(見圖2)通過(guò)高溫結(jié)構(gòu)膠黏貼在摩擦盤上，在摩擦片與摩擦盤之間黏貼一層石棉隔熱層(見圖3)，使得摩擦片與摩擦盤之間近似保持絕熱條件?；瑒?dòng)導(dǎo)軌固定在臺(tái)架底座上，左壓盤和右壓盤固連在導(dǎo)軌的兩個(gè)滑塊上。兩壓盤用彈簧連接，保證壓力傳遞過(guò)程存在彈性環(huán)節(jié)，使得壓力可以逐步增加。K型熱電偶埋在左壓盤上，位置位于壓盤與摩擦片接觸區(qū)附近。力傳感器固定在右壓盤上，絲桿螺母滑臺(tái)固定在臺(tái)架底座上，壓塊與滑臺(tái)的螺母固連，蝸輪蝸桿減速機(jī)的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與滑臺(tái)的絲桿相連，輸入軸則與手輪相連?；_(tái)一方面可以將絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺母的移動(dòng)；另一方面又起到反向鎖止的作用，保證手輪釋放后壓力可以繼續(xù)保持。減速機(jī)在省力的同時(shí)還可以進(jìn)一步加強(qiáng)反向鎖止作用。

圖2 摩擦圓環(huán)圖3 石棉隔熱層

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿減速機(jī)上的手輪，減速機(jī)輸出軸帶動(dòng)滑臺(tái)的絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)壓塊移動(dòng)，壓塊進(jìn)一步推動(dòng)右壓盤、彈簧和左壓盤移動(dòng)，使得左壓盤與摩擦盤上的摩擦片接觸。經(jīng)上述步驟，完成壓力的施加過(guò)程。

臺(tái)架針對(duì)的測(cè)量對(duì)象是離合器摩擦片，因此以長(zhǎng)春一東離合器廠生產(chǎn)的DS430N1離合器摩擦片為摩擦材料。由于一般的離合器摩擦片沿徑向上各點(diǎn)的線速度不同，導(dǎo)致了各點(diǎn)的滑磨功和熱流密度并不相同，由有限元和傳熱學(xué)相關(guān)計(jì)算公式[13-16]可知，摩擦片各點(diǎn)的溫度不相同。為了得到離合器摩擦片表面溫度與摩擦系數(shù)的關(guān)系，將DS430N1摩擦片加工為內(nèi)外徑之比為0.8的摩擦圓環(huán)。由于摩擦圓環(huán)內(nèi)外徑之比較大，摩擦片各點(diǎn)的滑磨線速度較為接近，各點(diǎn)的溫度基本相同。

對(duì)離合器從動(dòng)盤進(jìn)行熱分析(見圖4)可知，離合器摩擦盤在滑磨過(guò)程中，近似為軸對(duì)稱傳熱，摩擦片與從動(dòng)盤本體的接觸面的熱邊界條件可以等效為絕熱條件。為了模擬該情況，在臺(tái)架上將摩擦片與摩擦盤之間增加一層石棉隔熱層。

圖4 離合器摩擦盤傳熱分析示意圖

經(jīng)理論分析和有限元計(jì)算(見圖5)可知，溫度場(chǎng)的分布是連續(xù)的，所以摩擦片與壓盤接觸面的溫度理論上是相同的。因此臺(tái)架通過(guò)K型熱電偶直接測(cè)量壓盤上的溫度，并將其作為摩擦片的表面溫度。

(a)整體斷面視圖(b)摩擦圓環(huán)附近局部放大視圖

圖5 摩擦片溫度有限元分析

1.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置。硬件(見圖1)包括伺服電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PLC控制器和觸摸屏。其中觸摸屏的作用是充當(dāng)電動(dòng)機(jī)控制界面(見圖6)，該控制界面使用觸摸屏配套的組態(tài)軟件進(jìn)行編寫。

PLC控制器完成對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。根據(jù)臺(tái)架的設(shè)計(jì)目標(biāo)，電動(dòng)機(jī)控制程序需要完成如下功能：電動(dòng)機(jī)啟停設(shè)置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向設(shè)置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置和電動(dòng)機(jī)勻加減速設(shè)置。具體的電動(dòng)機(jī)控制流程如圖7所示。從觸摸屏中輸入控制電動(dòng)機(jī)所需的信號(hào)并傳遞給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)電動(dòng)機(jī)控制程序?qū)⒚}沖信號(hào)發(fā)送給伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器再根據(jù)編碼器信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖6 伺服電動(dòng)機(jī)控制界面

圖7 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制流程圖

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要完成壓力信號(hào)、溫度信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)和轉(zhuǎn)矩信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和顯示工作。其中硬件系統(tǒng)(見圖8)主要由多通道恒壓源、壓電式力傳感器、電壓隔離變送器、K型熱電偶、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。恒壓源給壓電式力傳感器和電壓隔離變送器供電，并在單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中作為參考電壓保證轉(zhuǎn)換精度。力傳感器輸出的微弱電壓信號(hào)經(jīng)電壓隔離變送器放大并傳給帶單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)ADC采集模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)串口通信傳給計(jì)算機(jī)。K型熱電偶、電壓隔離變送器和單片機(jī)組成溫度測(cè)量系統(tǒng)。摩擦片表面的溫度信號(hào)由K型熱電偶采集，經(jīng)電壓隔離變送器和單片機(jī)傳給計(jì)算機(jī)。該測(cè)溫系統(tǒng)使用前需要先經(jīng)過(guò)恒溫箱的標(biāo)定。在熱電偶冷端溫度為25 ℃的條件下，將熱電偶熱端放入恒溫箱中進(jìn)行標(biāo)定，所得數(shù)據(jù)經(jīng)擬合得到溫度T與溫度測(cè)量系統(tǒng)輸出值X的關(guān)系：

T=0.261 6X+25.86

(3)

由此可得圖9，并且由式(3)所得的溫度值T與恒溫箱的溫度值Tm之間的均方根誤差RMSE=2.43 °C，可以滿足臺(tái)架對(duì)溫度的精度要求。伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)時(shí)輸出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩信號(hào)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，該信號(hào)依舊經(jīng)單片機(jī)傳遞給計(jì)算機(jī)。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件示意圖

圖9 溫度測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)(見圖10)包含兩部分內(nèi)容。一部分是單片機(jī)上的AD采集程序和串口通信程序；另一部分是計(jì)算機(jī)上使用LabVIEW進(jìn)行編寫的數(shù)據(jù)采集程序，主要包括：串口通信程序、各傳感器的數(shù)據(jù)識(shí)別程序以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序。

圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件示意圖

2 臺(tái)架應(yīng)用

經(jīng)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，得到干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試臺(tái)架(見圖11)，使用該臺(tái)架在壓力為50 N，轉(zhuǎn)速為100 r/min條件下測(cè)量摩擦系數(shù)。在同樣的速度和壓力條件下，使用UMT摩擦磨損儀測(cè)量該摩擦片的摩擦系數(shù)，對(duì)照實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備和材料見圖12。將兩個(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果(見圖13)顯示兩者較為接近，并且兩者的均方根誤差RMSE=0.033 4，誤差較小。該臺(tái)架可以滿足摩擦系數(shù)的測(cè)量要求。

圖11 干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試臺(tái)架

(a)UMT摩擦磨損儀(b)摩擦片

圖12 主要設(shè)備與材料

圖13 摩擦系數(shù)對(duì)照?qǐng)D

3 結(jié) 語(yǔ)

干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測(cè)試臺(tái)架主要分為機(jī)械系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該臺(tái)架可以模擬離合器摩擦片的實(shí)際使用情況，實(shí)現(xiàn)壓力和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)功能，還可以采集并實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩、溫度和摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。臺(tái)架的性能經(jīng)過(guò)了測(cè)試驗(yàn)證，在干式離合器摩擦系數(shù)影響因素的研究中起到了重要作用。

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Design of the Friction Coefficient Measurement Bench for Dry Clutch Plates

LINXiaohua,ZHAOYinong

(School of Mechanical Engineering , Beijing Institute of Technology, Beijing 100081， China)

For automatic dry clutches, it is important to obtain the accurate friction torque to improve the control effect of the clutch. And the precision of the friction torque is largely dependent on the precision of the friction coefficient. So in order to analyze the relationship among friction coefficient, clamping force, rotate speed and surface temperature of dry clutch plates, a friction coefficient measurement bench is designed. The bench is made up of the mechanical system, the servo-motor control system and the data acquisition system. The mechanical system is composed of a base, a speed reducer, a spring and so on, it is mainly to achieve the manual pressure adjustment. The servo motor control system consists of a touch screen, a PLC controller, a servo motor drive and so on, it is mainly to achieve the control of the motor speed and direction. The data acquisition system consists of a single-chip, a computer and so on, it is to achieve the function of data acquisition and display. The experiments showed that the bench had the functions of controlling clamping force and rotate speed, and it could also collect signals of clamping force, rotate speed, friction torque, surface temperature and friction coefficient synchronously. The bench plays an important role in the friction coefficient research.

dry clutch; friction disk; friction coefficient

2016-09-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275038)

林曉華(1990-)，男，福建建甌人，碩士生，主要研究方向?yàn)楦墒诫x合器摩擦轉(zhuǎn)矩模型。

Tel.:18811769528; E-mail:linxiaohua789@163.com

趙亦農(nóng)(1963-)，男，內(nèi)蒙古集寧人,學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)槠噷?shí)驗(yàn)技術(shù)。

Tel.:13901101784； E-mail:yinong_z@163.com

U 467.4+95

A

1006-7167(2017)05-0048-05