李康，龍江虹，曾文天，王利寧，劉大欣，韓君

(1.珠海格萊利摩擦材料有限公司，廣東珠海 519110；2.吉林大學機電設備研究所，吉林長春 130117)

JF120 摩擦材料縮比試驗臺設計理念和基本結構

李康1，龍江虹1，曾文天1，王利寧2，劉大欣2，韓君2

(1.珠海格萊利摩擦材料有限公司，廣東珠海 519110；2.吉林大學機電設備研究所，吉林長春 130117)

縮比試驗是以相似理論為依據的一種試驗方法，在產品和生產流程的開發(fā)中有廣泛的應用。汽車摩擦材料的基礎開發(fā)需要一種能夠模擬實際工況的縮比試驗設備，提高開發(fā)效率和降低測試成本。介紹了JF120縮比試驗臺設計理念和基本結構，和依據縮比率提出的縮比試驗臺的技術參數。

摩擦材料；縮比試驗機；模擬性；縮比率

0 引言

在工程試驗技術中，縮比試驗占有重要的位置，廣泛應用于產品開發(fā)和生產流程的開發(fā)。所謂縮比是以相似理論為依據，按照一定比例將全尺寸的產品或者流程縮小，模擬產品或流程的運行條件，再現(xiàn)實際工況，測試產品或流程的各種參數和性能數據，研究這些數據的影響因素和相關關系。因此縮比試驗有兩個關鍵點：按比例縮小和模擬工況條件；只有這樣，其結果才能與全尺寸試驗具有可比性。

縮比試驗處于開發(fā)過程的早期階段，通過對大量模擬試驗數據的分析，不斷完善產品或流程的設計，然后再進行全尺寸產品或者流程的試驗。

相對于全尺寸試驗，縮比試驗相對簡單易行，其結果與全尺寸試驗有很好的可比性，不但縮短了開發(fā)周期提高了效率，而且大幅度降低了測試成本。縮比試驗已經成為產品和流程開發(fā)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

1 縮比試驗在摩擦材料開發(fā)中的重要性

1.1 汽車摩擦材料的發(fā)展對測試的要求

汽車摩擦材料是一種組成復雜、使用工況特殊的復合材料。它要承受惡劣的工況(滑摩速度、負荷和制動頻度)，在制動過程中，動能轉化成熱能，摩擦副的溫度急劇上升，在摩擦界面發(fā)生一系列物理化學變化，造成摩擦因數和磨損的變化。研究這些變化的影響因素，找到最佳的材料組合和生產工藝，是摩擦材料開發(fā)的重要課題。到目前為止，摩擦材料的配方和工藝的研究，很大程度上依賴于模擬工況的試驗；在摩擦材料的開發(fā)過程中，試驗研究占去了大部分工作量。或者說，摩擦材料是一個與試驗研究密切相關的學科。

從20世紀90年代以來，汽車摩擦材料配方結構發(fā)生了根本性的變化：以無石棉化為開端，半金屬、低金屬和NAO(Asbestos Free Organic Material)配方體系相繼問世；與此同時，汽車生產商對制動襯片提出了更為苛刻的要求，噪聲、車輪的清潔性、制動抖動(DTV(Disk Thickness Variation)/BTV(Brake Torque Variation))、材料轉移、環(huán)保要求等；產品性能的測試已經從過去較為單一的摩擦磨損性能，延伸到更多性能的測試要求。所以在摩擦材料的開發(fā)和過程控制中，需要一些更能反映實際工況的測試設備。

1.2 縮比試驗與小樣試驗的關系

評價材料的摩擦性能，通常采用小樣試驗(Sample Test)或者總成試驗(Assembly Test)?？s比試驗屬于小樣試驗，但小樣試驗不都是縮比試驗；同樣，Krauss試驗雖然屬于總成試驗，但由于采用恒速拖磨，其試驗結果與總成模擬試驗也不具有可比性。

長期以來，由于條件和認知的局限，國內定速試驗方法被大量應用于產品開發(fā)；從原料篩選到配方開發(fā)，無不以定速試驗為依據。定速試驗方法的基本特點是將制動過程的影響因素簡化，在恒定的滑摩速度和正壓力條件下，測試不同溫度下的摩擦因數和磨損率。顯而易見，定速試驗方法的最大缺陷在于它不具有模擬性，或者說它是在與汽車制動工況完全不相符的條件下進行試驗的。因此定速試驗和Krauss試驗只能用于過程質量控制，而不適用于產品性能評價。

與定速試驗方法相反，縮比試驗方法能夠與全尺寸試驗一樣，模擬制動過程中各種因素(速度、壓力、溫度、力矩)的變化，在此狀態(tài)下測試的制動效能，與實際使用有較好的可比性。因此國外摩擦材料生產商在產品開發(fā)過程中都非常重視采用縮比試驗來加快開發(fā)進度。

1.3 摩擦材料縮比試驗臺的歷史與現(xiàn)狀

多年來，從事摩擦材料開發(fā)的人員，就在考慮設計一種既能夠模擬總成試驗條件，也能夠縮短試驗時間，節(jié)省試驗成本的試驗機，這就是縮比試驗臺。早在20世紀七八十年代，國內的摩擦材料行業(yè)中，較為知名的MM-1000試驗機就是一種縮比試驗臺；該試驗臺源于蘇聯(lián)JO2，最初是專門為粉末冶金摩擦材料的性能試驗而設計的。

針對MM-1000試驗機，汽車行業(yè)發(fā)布了縮比試驗的方法：JB 3680-1984《汽車用摩阻材料慣性制動試驗方法》，該標準后來升級為 QC/T 520-1999[1]。在這個標準中，提出了縮比試驗參數的計算方法，同時也提出了與全尺寸制動器總成試驗規(guī)范相對應的試驗程序和數據處理方法。

20世紀七、八十年代，由于當時國內制動器總成試驗臺很少，MM-1000比較廣泛地用于汽車和工業(yè)機械摩擦材料的開發(fā)。但是，MM-1000也存在一些問題，影響了試驗的模擬性。90年代以后，在國內，制動器總成試驗臺的數量迅速增加，MM-1000逐步被冷落；對縮比試驗方法的研究幾乎陷于停頓。而在國外，縮比試驗臺仍然廣泛地用于摩擦材料配方開發(fā)、質量控制和基礎研究。例如Akebono和Nisshinbo等國際知名公司。

2007年以來，吉林大學機電設備研究所[2]和吉林大學新拓科技開發(fā)公司，分別設計并制造了新的摩擦材料縮比慣性試驗臺。試驗臺采取兩個試樣、單側加載的制動方式，模擬總成試驗方法，進行材料的性能測試。

汽車工業(yè)飛速發(fā)展帶來的市場競爭的壓力促使更多的摩擦材料生產企業(yè)重視開發(fā)流程和測試體系。隨著對外技術交流的深化，有機會了解到國外知名摩擦材料公司的開發(fā)流程和基本理念，縮比試驗在這些公司開發(fā)流程中的廣泛應用，喚起了作者重新認識和改進縮比試驗方法和縮比試驗設備的想法。

2 JF120縮比試驗臺的基本設計理念

JF120縮比試驗臺的設計目標是在總結過去幾代摩擦材料

縮比試驗臺的基礎上，借鑒國際上的成功經驗，自主開發(fā)的一種能夠更加準確地模擬汽車使用工況的摩擦材料性能測試設備。

縮比試驗臺參數設計是基于相似原理。有很多研究課題，包括產品開發(fā)和流程設計，都必須通過實驗來研究影響因素；但是在很多情況下，全尺寸試驗是難以實現(xiàn)的；只有運用相似原理，建立與研究對象的幾何要素和物理要素相一致的縮比試驗，才能夠實現(xiàn)數據的可比性。

JF120縮比試驗臺的設計理念就是基于幾何要素和物理要素的一致性原理。

2.1 模擬原則

要具備與全尺寸制動器總成試驗臺相同的模擬功能(物理要素的一致性)。

所謂模擬功能，體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)速度模擬?？s比試驗與全尺寸總成試驗制動時的線速度一致(在制動襯片有效摩擦半徑的位置)；

(2)壓力模擬。在恒壓力模式下，縮比試驗臺試樣單位面積的制動壓力與全尺寸試驗臺制動襯片的壓力相同；

(3)制動減速度模擬。在恒力矩模式下，縮比試驗的制動減速度與全尺寸總成試驗一致；

(4)制動距離模擬。在相同減速度條件下，縮比試驗臺的制動距離與全尺寸總成試驗的制動距離接近；

(5)溫度模擬?？s比試驗的制動初溫與全尺寸試驗一致；制動釋放時的溫度也要接近；

(6)比能量耗散率[3](也稱為能量負荷，Energy Load or Power Absorption)模擬。相同的試驗條件下，單位面積試樣在單位時間內產生的制動能量要一致。

在上述模擬要求中，制動初速度、制動壓力(恒壓力模式)和制動減速度(恒力矩模式)的模擬是基礎，是輸入條件；制動距離、溫度和制動能量是輸出，是試驗的結果。在相同的輸入條件下，縮比試驗臺的輸出應該與全尺寸試驗臺有相同或者非常接近的結果，這是模擬性成功與否的基本體現(xiàn)。

比能量耗散率是制動襯片非常重要的特性，也是制動器設計的重要限制性參數；襯片在制動過程中的能量負荷，直接影響襯片的摩擦磨損性能?？s比試驗的能量負荷與全尺寸試驗是否一致，也間接地驗證了縮比參數計算的準確性。

模擬性中最大的難點是溫度，影響因素非常多，這是縮比試驗臺開發(fā)中要計算、分析和試驗驗證的。

2.2 縮比率確定

縮比試驗臺設計理念之二，是要選擇統(tǒng)一的縮比率(幾何要素的一致性)，并以此來計算縮比試驗臺的參數。

選擇適合的縮比率是縮比試驗臺技術參數形成的依據，也是實現(xiàn)模擬性要求的基礎。

JF120縮比試驗臺的縮比率選為1∶5。表1列出了按照1∶5的縮比率對汽車和制動器進行縮比的計算結果。

表1 按照1∶5的縮比率，計算的縮比汽車參數

從表1可以看出：縮比后的汽車和制動器參數都與1∶5有一定關系，表1非常清晰地展現(xiàn)了這種相關關系。

2.3 縮比試驗臺技術參數確定

根據縮比后的汽車參數(表1)，就可以對縮比試驗臺的技術指標做出考慮，詳見表2。

表2所列出的縮比試驗臺的技術參數，可成為縮比臺的機械設計基礎。

基于上述設計理念，某公司與某研究所共同研制和開發(fā)了JF120縮比慣性試驗臺。

表2 縮比試驗臺技術參數

3 JF120縮比試驗臺的結構與特點

3.1 JF120縮比試驗臺的基本結構

圖1所示為最新JF120縮比試驗臺外觀照片以及ECU(Environment Control Unit)環(huán)境控制單元。其中ECU環(huán)境控制單元的主要功能是控制試驗環(huán)境的恒溫、恒濕以及冷卻風速的恒定，從而保證試驗環(huán)境的一致性。

圖1 JF120縮比試驗臺及環(huán)境控制單元

3.1.1 試驗臺主要技術參數介紹

(1)試驗方式

采用慣性制動方式和極低轉速拖磨試驗方式。

(2)慣量系統(tǒng)

基礎慣量：I0=0.15 kg·m2；飛輪慣量：I1=0.25 kg·m2，I2=0.25 kg·m2，I3=0.25 kg·m2，I4=1.0 kg·m2，I5=1.0 kg·m2，I6=1.0 kg·m2；電模擬慣量：I電=±0.5 kg·m2；總慣量為0.15～4.4 kg·m2。

(3)主驅動

三相AC電機，功率22 kW，主軸轉速10～4 000 r/min，變頻可調。

(4)副驅動(極低轉速試驗)

三相AC減速電機，功率0.25 kW，超低轉速0.01～0.2 r/min，變頻可調。

(5)扭矩測量單元

通過擺臂方式將扭矩轉換為力進行測量，測量范圍：1～300 N·m。

(6)壓力控制測量單元

采用電動壓力發(fā)生裝置產生制動壓力，壓力測量及控制范圍：(0.05～20)MPa，爬升速率為：30 MPa/s。

(7)溫度測量單元

采用K分度熱電偶測溫，測量范圍-20～1 000 ℃。

(8)制動器

采用定鉗式制動器。

(9)ECU環(huán)境控制單元

溫度控制范圍：10～45 ℃，濕度控制范圍：30%～85%，風速控制范圍：0～15 m/s。

3.1.2 試驗臺機械結構介紹

縮比試驗臺的主體結構如圖2所示。它主要由主電機1、聯(lián)軸器2、超低速驅動裝置3、左軸承座4、主軸5、飛輪組6、無線測溫裝置7、右軸承座8、制動鉗9、制動鉗安裝套10、摩擦對偶盤11、機座12、制動壓力發(fā)生器13及測控系統(tǒng)和ECU環(huán)境控制單元組成。

圖2 縮比試驗臺結構主視圖

3.2 JF120縮比試驗臺模擬性的設計考慮

為了保證縮比試驗與全尺寸總成試驗的可比性，兩種試驗臺的結構要盡可能一致。設計JF120時吸取了國內外相同設備的經驗，與前幾代縮比試驗臺相比，在設計上做了一些關鍵性的改進。

3.2.1 制動壓力加載方式

現(xiàn)有的縮比試驗臺有兩種加載方式：一種是單側加載，另一種是雙側夾緊加載。JF120選擇后者，而且采用定鉗式制動器結構。

單側加載有簡單直觀、能夠準確測量正壓力的優(yōu)點，如圖3所示，通過伺服電機帶動滾珠絲杠推動加載頭前后運動，實現(xiàn)對旋轉側的加載釋放。

圖3 單側加載制動器

但單側加載也有明顯的缺陷，制動盤單側受力，這與實際情況是不一致的。在恒力矩制動模式下，例如在衰退試驗中，如果瞬時摩擦因數降到0.1以下，制動盤受到的單側推力將可能超過1×104N，此時摩擦副的溫度為500～600 ℃，在單側推力的作用下，制動盤會發(fā)生變形，襯片與制動盤的接觸狀態(tài)將會發(fā)生變化，導致摩擦因數失真。

汽車制動鉗都是雙側夾緊加載，JF120采用與汽車實際情況一致的加載方式。與浮鉗式制動器相比，定鉗式制動器的剛性好，如圖4所示；也沒有支架的滑移阻力；在制動釋放后雙缸同步回位，降低了拖滯力矩。至于制動鉗的貼靠壓力(Threshold Pressure)，在計算摩擦因數時可以扣除。如果貼靠壓力降到0.1 MPa以下，對摩擦因數的影響可以忽略。

圖4 定鉗式制動器結構

3.2.2 縮比制動盤的考慮

作為制動摩擦副的另一半，對偶的重要性不亞于摩擦材料；制動盤的材質和金相結構會對試驗結果產生很大的影響。整車制動盤的結構分為通風型制動盤和實心盤。整車前制動器大多是通風盤，后制動器大部分是實心盤?？s比臺的制動盤直徑較小，厚度也較薄，不可能采用通風盤，只能采用實心盤。

考慮到國內外汽車制動盤的發(fā)展趨勢，縮比制動盤材質選用 HT170，這種材質的制動盤有較好的阻尼特性，有助于降低噪聲發(fā)生概率。

縮比試驗臺的溫度模擬是一個難題。如果效能試驗的制動末溫和衰退試驗的最高溫度相差大，必然會對摩擦因數產生明顯影響。在縮比制動盤的設計過程中，進行了大量的計算與驗證試驗，選擇了較為合適的尺寸，基本達到溫度模擬的要求。

鑒于制動盤對試驗結果影響明顯，制動盤要定點批量生產，以保證質量指標的穩(wěn)定性。

3.2.3 試驗慣量的電模擬功能

縮比試驗處于摩擦材料開發(fā)的初始階段，在此階段，不需要針對具體的車型,所以國外有些縮比試驗臺的制動慣量采用飛輪調節(jié)。在JF120的策劃過程中，考慮到國內的實際情況，試驗臺要具備對指定車型的試驗參數的模擬功能，因此增加了試驗慣量的電模擬功能。使用者可以輸入所需模擬的車型的參數，試驗軟件自動生成縮比試驗的參數，提高了縮比試驗的針對性。

3.2.4 冷卻條件的控制

多年來人們就發(fā)現(xiàn)，同一種制動襯片在不同條件下摩擦性能的試驗結果相差很大；市場也有同一種剎車片在不同季節(jié)表現(xiàn)不同的反饋。專題研究的結論表明，這種摩擦效能和NVH特性的波動與環(huán)境條件有密切關系[4]。因此設計JF120縮比試驗臺時考慮了冷卻條件的控制條件；配有環(huán)境控制單元ECU，使試驗在設定的溫、濕度和冷卻風速下進行。

3.2.5 取樣機

JF120縮比試驗臺的特點之一，就是要求直接從產品上截取試樣，這樣才能保證試樣的真實性。JF120試驗臺將配備專門的取樣機。

4 結論

(1)在產品開發(fā)和流程設計的過程中，縮比試驗是一種非常重要而且基礎的試驗方法。在汽車摩擦材料開發(fā)過程中要重視縮比試驗方法的應用。

(2)縮比試驗的試驗結果與實際使用有較好的可比性，因此可以應用于摩擦材料開發(fā)和過程質量控制。

(3)JF120縮比試驗臺的設計理念，基于相似原理中幾何要素和物理要素的一致性原則，強調模擬性和統(tǒng)一的縮比率。文中對此進行了詳細的論述。這為縮比試驗臺的設計、制作與驗收提供了理論依據。

(4)為了實現(xiàn)與全尺寸總成試驗臺數據的可比性，在現(xiàn)有縮比試驗臺的基礎上，JF120試驗臺做了一些重要的改進。

【1】QC/T 520-1999汽車用摩阻材料慣性制動試驗方法[S].

【2】趙小樓,王鐵山,程光明,等.基于相似原理的摩擦材料1∶5縮比臺架及其可比性分析[J].潤滑與密封,2007,32(5):153-156. ZHAO X L,WANG T S,CHENG G M,et al.The Scaling 1∶5 Dynamometer Based on Similar Principle for Friction Material and Its Comparability Analysis[J].Lubrication Engineering,2007,32(5):153-156.

【3】劉惟信.汽車制動系的結構分析與設計計算[M].北京:清華大學出版社,2004:69.

【4】GROCHOWICZ J， WOLLENWEBER K H，AGUDELO C，et al.Brake Dynamometer Test Variability Analysis of Root Causes[R].SAE 2010-01-1697,2010.

Design Concept and Construction of JF120 Scale Dynamometer for Friction Materials

LI Kang1,LONG Jianghong1,ZENG Wentian1,WANG Lining2,LIU Daxin2,HAN Jun2

(1.Zhuhai Glory Friction Material Co., Ltd.,Zhuhai Guangdong 519110,China; 2.Jilin University Mechanical-Electrical Equipment Institute,Changchun Jilin 130117,China)

Scale test is a test method based on similarity theory. It is widely applied in the fields of product and process flow development. In the stage of core development of friction material, it is necessary to have a scale tester which has the ability to simulate real condition of driving, with high efficiency and cost saving.The design concept and construction of JF120 scale dynamometer and the specification of the tester according to the scale ratio were introduced.

Friction material; Scale dynamometer; Simulating performance; Scale ratio

2017-02-21

李康，男，本科，高級工程師，專業(yè)方向為有機塑料工藝。E-mail:wentian.zeng@zhglory.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.06.011

U463.9

A

1674-1986(2017)06-038-05