刁子宇,袁 野,李 超,劉星明,劉震濤*,張 宇

(1.浙江大學(xué) 動力機械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027;2.浙江俊博汽車部件有限公司,浙江 麗水 323000)

0 引 言

隨著人們對于車輛駕駛和乘坐舒適性需求的提升,汽車空調(diào)系統(tǒng)的可靠性也引起了各方的重點關(guān)注[1]。其中,電磁離合器的性能決定了發(fā)動機端的動力扭矩能否穩(wěn)定可靠地傳遞給空調(diào)壓縮機(汽車空調(diào)電磁離合器由3個部分組成[2],即帶輪總成、線圈總成和驅(qū)動盤總成)。

汽車空調(diào)電磁離合器的故障形式主要包括以下幾種,即電磁線圈燒毀、吸合面端跳、磨損或腐蝕[3]、傳送帶或帶輪軸承松曠等[4]。同時,由于對摩面(由吸盤和帶輪摩擦環(huán)帶組成)在復(fù)雜多變的工況下頻繁經(jīng)歷吸合沖擊載荷和轉(zhuǎn)速切換,對摩面溫度會升高,這對于材料性質(zhì)、摩擦性能、耐磨性等都可能產(chǎn)生影響。

由于電磁離合器主從動件之間的動力傳遞只依靠摩擦面的摩擦力,因此,需要保證較大的材料摩擦系數(shù)。離合器摩擦片大多采用增摩材料。汽車空調(diào)離合器摩擦片用的增摩材料主要由黏結(jié)劑(包括工業(yè)樹脂、橡膠等)、增強纖維(包括芳綸漿柏、木纖維、硫酸鈣晶須、短切無堿玻纖)、增摩填料(硅灰棉、硫酸鋇、鉻鐵礦粉、氧化鋅等)3個部分組成。

材料摩擦試驗是評定材料摩擦磨損性能的主要方法之一,通過摩擦磨損試驗中測得的摩擦系數(shù)、摩擦面溫度、磨損量等參數(shù)以表征其摩擦學(xué)性能。

中北大學(xué)的徐少南等人[5]利用CEF-I型銷盤式磨損試驗機,對銅鎳錫合金進行了干滑動摩擦磨損試驗,分析了轉(zhuǎn)速和載荷2種工況因素對平均摩擦系數(shù)和磨損量的影響規(guī)律,并采用掃描電子顯微鏡、能譜儀和輪廓檢測儀,對磨損表面進行了比較觀測和成分分析。河南科技大學(xué)的逄顯娟等人[6]利用多功能摩擦磨損試驗機,對其制備的純聚醚醚酮(PEEK)及碳纖維增強聚醚醚酮(CF/PEEK)2種材料進行了摩擦性能表征和測試,系統(tǒng)研究了載荷和速度對幾種復(fù)合材料摩擦學(xué)性能、磨損機理及抗靜電性能的影響。UNAL H等人[7]通過摩擦磨損試驗,比較了碳纖維和玻璃纖維2種增強纖維對于聚四氟乙烯材料摩擦學(xué)特性的影響,在不同轉(zhuǎn)速和載荷工況條件下,探究了2種材料摩擦系數(shù)和磨損率的變化規(guī)律。

對汽車零部件材料的相關(guān)摩擦磨損研究目前也不乏先例。例如,安徽工程大學(xué)的疏達等人[8]研究了不同納米填料復(fù)合氧化鑭材料對汽車摩擦片材料摩擦磨損性能的影響,并探究了納米填料在磨合過程中的影響機理和作用機制。武漢理工大學(xué)的吳鑄新等人[9]分別在干摩擦和潤滑狀態(tài)下,在不同潤滑狀況、載荷、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)下,研究了飛龍、丙烯酸酯橡膠(ACM)、SF-1,這3種推力軸承下軸瓦材料的摩擦系數(shù)和磨損量的變化規(guī)律。湯春球等人[10]采用自制的高溫銷盤式摩擦試驗機,繪制了微車離合器摩擦材料的瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨摩擦面溫度的變化曲線,采用掃描電子顯微鏡分析了樣件表面形貌,探究了磨損機理及其對摩擦系數(shù)的影響機制。陜西科技大學(xué)的LI Wen-bin等人[11]將自制的碳纖維/酚醛復(fù)合材料應(yīng)用于制動離合器片上,探究了制動壓力、轉(zhuǎn)速、總慣量對于離合器動摩擦系數(shù)的影響規(guī)律。

然而在汽車空調(diào)系統(tǒng)中,電磁離合器的運行工況特性不同于軸承、制動器等其他汽車零部件,針對電磁離合器摩擦片用增摩材料的相關(guān)摩擦磨損性能研究較為少見,其設(shè)計和選型也缺乏相應(yīng)的參照。

基于以上局限,在不同工況、相同對摩件條件下,筆者主要探究2種常用于汽車空調(diào)電磁離合器的樹脂基增摩材料(分別是B型和Y型)的摩擦性能,并對磨合前后材料表面的微觀形貌和元素組分進行觀測、分析與比較。

1 材料摩擦磨損試驗

1.1 試驗對象及儀器

2種增摩材料及其對摩件材料(10號鋼)的化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料化學(xué)成分

材料的力學(xué)性能如表2所示。

表2 材料力學(xué)性能

試驗儀器采用MXW-002型旋轉(zhuǎn)往復(fù)摩擦磨損試驗機。

試驗機實物圖如圖1所示。

圖1 MXW-002摩擦磨損試驗機

該試驗機可以模擬離合器主從動件面對面旋轉(zhuǎn)的運動形式,同時通過控制并測量法向加載力、主軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)半徑、時間等參數(shù),進而對離合器進行測試;動態(tài)檢測摩擦副的摩擦力、力矩、摩擦系數(shù)、表面溫度狀況,并實時繪制各測量參數(shù)曲線[12]。

其中,加載力范圍為0.1 N～20 N,轉(zhuǎn)速最大為1 500 r/min,旋轉(zhuǎn)半徑最大為30 mm。

為探究摩擦過程中的主要磨損機制,筆者采用日本日立S-3700N鎢燈絲掃描電子顯微鏡,對磨合前后的銷樣件表面進行表面形貌觀測和元素分析[13]。

S-3700N掃描電鏡如圖2所示。

圖2 S-3700N掃描電鏡

該掃描電鏡的分辨率小于0.8 nm,放大倍率大于8×105倍,加速電壓范圍在0.2 kV～30 kV;并配備X射線能譜儀,可以對樣品表層的微區(qū)點線面元素進行定性及半定量分析,具有形貌、化學(xué)組分綜合分析能力,適用于金屬、無機非金屬、高分子材料等各種樣品的表面顯微結(jié)構(gòu)分析和元素組分測定。

1.2 試驗方法及工況

在該次試驗中,筆者采用銷-盤對磨旋轉(zhuǎn)模塊及2種增摩材料,制成直徑為4.8 mm的銷樣件,10號鋼材料制成直徑為45 mm的盤樣件(其中,10號鋼盤樣件分別采用100目、80目、60目的砂輪進行打磨,以實現(xiàn)不同的表面粗糙度)。

筆者先用酒精清洗所有樣件并烘干,然后裝配至夾具,選定旋轉(zhuǎn)半徑為15 mm,銷樣件在固定的盤試樣上做圓周滑動。

試驗機及試件與摩擦副的接觸形式如圖3所示。

圖3 銷-盤試樣摩擦副

筆者參考電磁離合器的實際工況,對主軸轉(zhuǎn)速、加載力、對摩件(10號鋼材料)初始粗糙度確定了3個水平。

試驗中的工況參數(shù)如表3所示。

表3 工況參數(shù)

根據(jù)單一變量原則,筆者共進行27組試驗,每更新一次粗糙度,需更換一個對應(yīng)粗糙度的盤樣件;同一粗糙度參數(shù)下每更新一次轉(zhuǎn)速,需更換一次銷樣件。卸載后,需要用酒精棉片對盤樣件進行擦拭清潔。試驗中,每秒采集一次摩擦副的瞬時摩擦系數(shù)、摩擦力和溫度。

為評估2種材料的耐磨性,探明材料的磨損機理和失效模式,筆者選取粗糙度為Ra3.6 μm、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min工況下的B型和Y型材料的銷樣件,如圖4所示。

圖4 銷樣件

筆者分別觀測磨合前以及加載力在5 N、10 N、15 N磨合后銷樣件的表面形貌,并選取特征區(qū)域,其經(jīng)掃描后得到元素譜圖,再分析元素能量峰值分布規(guī)律。

2 測量結(jié)果分析

2.1 不同工況下摩擦系數(shù)隨時間變化規(guī)律

筆者分別分析定載荷條件下摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,以及定轉(zhuǎn)速條件下摩擦系數(shù)隨加載力的變化規(guī)律,然后繪制出摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線,如圖5所示。

圖5 摩擦系數(shù)隨時間變化曲線

由圖5可以看出:2種材料摩擦系數(shù)曲線的變化趨勢都是先迅速增大到一定值,然后穩(wěn)定在最大值不變。隨著轉(zhuǎn)速和載荷的增加,2種材料的摩擦系數(shù)都有不同程度的增大,在加載力為15 N,轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時,平均摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.45。

轉(zhuǎn)速從500 r/min均勻增大到1 500 r/min時,2種材料的摩擦系數(shù)由0.3增大到0.45,其中B型材料摩擦系數(shù)的增值在高轉(zhuǎn)速范圍較小;

載荷從5 N均勻增大到15 N時,2種材料的摩擦系數(shù)由0.3增大到0.45,且隨著載荷的增加,摩擦系數(shù)的增值均有一定程度的減小。

其中,B型材料在較大載荷和轉(zhuǎn)速條件下摩擦系數(shù)所需穩(wěn)定時間更長。這可能是由于在高轉(zhuǎn)速和大載荷下,摩擦表面發(fā)生了更嚴(yán)重的黏著和磨粒磨損,表面磨合過程相應(yīng)變緩。

對于Y型材料而言,其在各轉(zhuǎn)速工況下達到摩擦系數(shù)峰值的時間較長,且在各載荷工況下的曲線振蕩較大。在加載力為5 N時,摩擦系數(shù)的波動尤為明顯,這可能與Y型材料的硬度較大有關(guān),低載荷時表面粗糙峰的磨合過程較長,形成硬質(zhì)磨粒相比較軟的B型材料難度更大。

2.2 摩擦系數(shù)及摩擦面溫升變化規(guī)律

為進一步探究2種增摩材料摩擦性能的影響因素及規(guī)律,筆者記錄了在不同載荷、轉(zhuǎn)速和初始粗糙度情況下,其穩(wěn)定后摩擦系數(shù)以及磨合前后的摩擦面溫度,并將各組溫度數(shù)據(jù)換算為平均每秒溫升值,根據(jù)正交試驗原理做出三因素三水平正交實驗表,如表4所示。

表4 正交實驗表

筆者比較了9種正交工況下,不同因素水平組合下的摩擦系數(shù)以及溫度的變化規(guī)律。

其中,B型材料在不同初始粗糙度、轉(zhuǎn)速及加載力工況下的摩擦系數(shù),以及其與10號鋼對摩件磨合過程中摩擦面溫升的變化規(guī)律,如圖6所示。

圖6 B型材料正交實驗圖線

由圖6可以看出:B型材料的摩擦系數(shù)隨加載力的變化尤為顯著,轉(zhuǎn)速對其摩擦面溫升的作用效果較弱。這可能是由于其硬度較小,大載荷下材料發(fā)生塑性變形,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致其摩擦性能和導(dǎo)熱性質(zhì)發(fā)生了輕微變化。

Y型材料在不同初始粗糙度、轉(zhuǎn)速及加載力工況下的摩擦系數(shù),以及其與10號鋼對摩件在磨合過程中摩擦面溫升的變化規(guī)律,如圖7所示。

圖7 Y型材料正交實驗圖線

由圖7可以看出:Y型材料的摩擦面溫升變化幅度總體相對較大,其摩擦系數(shù)受轉(zhuǎn)速的影響比B型材料明顯,這可能是由于金屬增摩填料對材料耐熱性能造成一定影響[14];同時,由于Y型材料的硬度較大,在粗糙峰發(fā)生黏著和剝離時產(chǎn)生的熱量耗散更大[15-16]。

綜合以上兩型材料的摩擦系數(shù)及溫升變化圖線可以看出:摩擦系數(shù)和摩擦面溫升與初始粗糙度、轉(zhuǎn)速和加載力3個因素均呈正比關(guān)系。

當(dāng)加載力從5 N增加到15 N時,2種材料的摩擦系數(shù)均提高了約0.12(同比增加了44%),摩擦面平均每秒溫升分別為0.023 ℃/s和0.02 ℃/s(同比增加了175%和154%)。

轉(zhuǎn)速從500 r/min增加到1 500 r/min時,B、Y型材料摩擦系數(shù)分別提高了0.046和0.079(同比增加了15.5%和24.4%),摩擦面平均每秒溫升分別為0.007 ℃/s和0.01 ℃/s(同比增加了34.1%和59.4%);

初始粗糙度從Ra2.1 μm提升到Ra3.6 μm時,B、Y型材料摩擦系數(shù)分別提高了0.052和0.062(同比增加了17.7%和19.1%),摩擦面平均每秒溫升分別為0.012 ℃/s和0.013 ℃/s(同比增加了61.6%和82.3%)。

綜上可知:加載力對摩擦系數(shù)及溫升的影響最為顯著;轉(zhuǎn)速和初始粗糙度對于兩種材料的摩擦系數(shù)提升效果均較差,轉(zhuǎn)速對于溫升的作用效果也較弱。

2.3 磨損形貌及元素分析

為進一步驗證上文中對于摩擦性能和溫升變化規(guī)律的解釋,筆者分別分析了對摩件初始粗糙度為Ra3.6 μm時,2種材料銷樣件在磨合前以及在5 N、10 N、15 N加載力作用下的表面微觀形貌和部分區(qū)域的元素組分。

其中,B型材料在掃描電鏡下的微觀形貌如圖8所示。

圖8 B型材料表面微觀形貌

由圖8可以看出:磨合前,材料表面呈不規(guī)則的鱗片狀,散布有大小不一的顆粒和孔洞;加載力為5 N時,有細微的直列劃痕,部分區(qū)域出現(xiàn)裂紋和剝層,可以推斷這些區(qū)域發(fā)生了黏著磨損;加載力增加到10 N時,微裂紋數(shù)量明顯變多,劃痕被分塊地分割開;加載力為15 N時,除了整體微裂紋以外,部分區(qū)域出現(xiàn)了較大的剝落層并形成微孔洞,可以推測隨著磨損的加劇,表面材料出現(xiàn)了黏著和剝落現(xiàn)象。

Y型材料在掃描電鏡下的微觀形貌如圖9所示。

圖9 Y型材料表面微觀形貌

由圖9可以看出:相對于B型材料,Y型材料在磨合前的表面鱗片層較小,表面顆粒分布也較密集;當(dāng)加載力為5 N時,表面的劃痕也更加明顯,但是微裂紋相對較少;當(dāng)加載力加到10 N時,裂縫則顯著增多、增大,且多個區(qū)域的裂紋呈現(xiàn)相互聯(lián)接的狀態(tài),可能造成裂紋擴展加速;當(dāng)加載力達到15 N時,表面裂縫進一步加深,但相比于B型材料,Y型材料未出現(xiàn)明顯的剝層和孔洞,可能是由于其硬度較大,不易發(fā)生表層材料的剝落。

筆者選取磨合前的銷樣件和在15 N加載力作用下磨合后的銷樣件,對2組樣件表面的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(記作w/%)進行分析和對比。

磨合前后元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比如表5所示。

表5 磨合前后元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(%)

由表5可以看出:除了Al、Fe、Si這3種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大外,其他元素成分比例均有不同程度的降低。B型材料磨合后,Zr元素損耗最大,減少了14.02%;Y型材料中Ba元素損耗最大,減少了10.54%。其中,B型材料和Y型材料初始分別含有少量的Al元素和Fe元素,其來自于金屬填料。

由于摩件材料(10號鋼)中含有較多Fe元素,故2種材料在磨合后,Fe元素占比有較大提高,分別為23.95%和7.84%。其中,B型材料中Fe元素占比增加得更顯著,可能是由于B型材料較軟,磨合時有少量金屬磨粒嵌入B型材料的銷樣件中[17]。

3 結(jié)束語

依托汽車空調(diào)電磁離合器可靠性提升需求,針對其綜合性能的提升和優(yōu)化,筆者選取了2種常見的復(fù)合增摩材料,以進行摩擦磨損性能試驗研究,并通過比較磨合前后表面微觀形貌和元素組分,探究了材料耐磨性,并得出了相關(guān)結(jié)論。

研究結(jié)論如下:

1)2種材料摩擦系數(shù)隨著時間變化的規(guī)律一致,均先迅速增加到較大值,再經(jīng)歷一段時間的波動,最后達到峰值;加載力取5 N～15 N,轉(zhuǎn)速取500 r/min～1 500 r/min時,2種材料的平均摩擦系數(shù)在0.3～0.45范圍內(nèi)。隨著載荷的增加,摩擦系數(shù)振蕩幅度增加;隨著轉(zhuǎn)速的增加,摩擦系數(shù)達到穩(wěn)定峰值的時間延長;

2)在加載力、轉(zhuǎn)速、對摩件初始粗糙度3個影響因素中,加載力對摩擦系數(shù)的提升作用最顯著,隨著加載力從5 N增加到15 N,摩擦系數(shù)同比增加了約44%;隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加,Y型材料摩擦面溫度的變化率較大;

3)在掃描電鏡下觀察到Y(jié)型材料的鱗片狀組織比B型材料的組織更細密;加載磨合后,2種材料均出現(xiàn)明顯的劃痕,且隨著載荷的增加,材料表面出現(xiàn)了微裂紋(其中,B型材料裂紋更明顯,并出現(xiàn)了表層材料剝落和微孔洞)。磨合過程提高了材料中Al、Fe、Si這3種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比(其中,B型材料中Fe元素含量的提高尤為顯著,達到了23.95%)。

根據(jù)以上2種材料的對比試驗結(jié)果可知:相比于B型材料,Y型材料具有更穩(wěn)定的摩擦特性和耐磨性能。因此,采用Y型材料,更加有利于提升汽車空調(diào)電磁離合器的運行可靠性和使用壽命。

后續(xù),筆者擬在材料的微觀磨損機理以及材料磨損形式切換機制等方面做進一步的拓展研究。