汽車摩擦材料摩擦性能檢測探析*

陳 飛

(福州大學至誠學院，福建 福州 350002)

汽車用摩擦材料作為汽車的功能配件，是以摩擦為主要功能，兼有結構性能要求的復合材料，主要包括制動器襯片和離合器面片。其質量的優劣，不僅影響汽車的可靠性和舒適性，而且在很大程度上直接影響汽車的安全性能。因此，為了更好地監管摩擦材料產品的質量，政府對這類產品的管理已經實行了生產許可證制度。對于摩擦材料，摩擦性能是非常重要和關鍵的性能指標之一，國家標準中對摩擦性能的評價主要包括摩擦系數和磨損率兩個參數[1]。摩擦系數關系著摩擦片執行傳動和制動功能的好壞，它不是一個常數，是受溫度、壓力、摩擦速度或表面狀態及周圍介質因素等影響而發生變化的一個系數。理想的摩擦系數應具有理想的冷摩擦系數和可以控制的溫度衰退。磨損率體現摩擦材料的耐磨性，是其使用壽命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技術經濟指標，耐磨性越好，表明使用壽命越長。

對摩擦材料的性能測試方法有很多，在實驗室中，對摩擦材料的摩擦性能的檢測方法采用小樣測試法[2]，采用的檢驗設備是定速式摩擦試驗機，該試驗機已經被產品標準GB5763-2008《汽車制動器襯片》、GB/T5764-1998《汽車用離合器面片》所引用。定速式試驗機由于其成本低、試驗程序簡單、周期短，且能基本反映出摩擦材料的性能，在企業的生產控制和檢驗機構的產品檢測發揮著舉足輕重的作用[3]。這里以檢驗機構實驗室中常用的XD-MSM型定速式摩擦試驗機為例。試驗的基本步驟分別按照標準GB5763-2008《汽車制動器襯片》和GB/T5764-1998《汽車用離合器面片》相應的方法進行，這里重點探討實驗室摩擦材料檢測中需要注意的事項、可能碰到的問題以及解決之道。

一、試樣制備

依據標準要求，試片應該從同一片樣品中制取兩個。在實際的檢驗過程中，若樣品過小無法從一個樣品中制取時，可從兩個樣品中分別制取。制取試片時必須注意摩擦面和摩擦方向。盤式制動器襯片無鋼背面為摩擦面，鼓式制動器襯片外弧為摩擦面，所有制動器襯片均以長度方向為摩擦方向；離合器面片有槽面為摩擦面，切線方向為摩擦方向。試片制磨好后，在非摩擦面上標出樣品的摩擦方向。若樣品帶有槽、孔，制取的試片摩擦面應無槽、孔。若樣品過小無法避開槽、孔時，以無槽、孔面為摩擦面，非摩擦面的五個測量點應盡可能避開槽、孔。試片摩擦面尺寸為25mm×25mm，允許偏差為-0.2mm～0mm。試片厚度為5mm～7mm，若樣品厚度小于5mm(如部分離合器面片)，則按其原厚度，兩個試片的厚度差在0.2mm以下。在試驗的過程中，偶爾會發現試片磨偏的情況，究其原因，很大程度上是因為試樣制作的不規范引起的，從而導致試片磨偏，也造成測試數據誤差大，重現性差。一般情況下，在整個試驗程序做完，測量試片的最大厚度與最小厚度，兩者的差如果在1.0mm以內，就是一個正常的結果。為了在試驗中保證測量位置的準確性，要求在試片非摩擦面上做上五個測量點標志和左右及摩擦力方向標志，且每個試片五個測量點的厚度差不得大于0.1mm。

二、試驗過程

試片都必須先在100℃以下進行初磨(每次3000轉)，直至接觸面達到95%以上才能正式試驗。試驗的過程分為升溫和降溫兩個階段，也就是檢驗衰退性能和恢復性能，根據摩擦材料的類別不同，升溫階段的最高溫度也不同。在升溫測定階段，試驗圓盤溫度應在1500轉以內升至各個規定的試驗溫度。當僅靠摩擦熱在1500轉以內達不到規定的試驗溫度時，應打開輔助加熱裝置進行加熱。輔助加熱裝置一般是由系統根據溫度情況自動設定開啟和關閉，但試驗中有出現即使長時間開啟電熱管輔助加熱，仍然升溫過慢，無法在1500轉以內達到規定溫度。這種現象可以嘗試以下幾種途徑解決：(1)檢查電熱管是否有損壞。電熱管總共有大小不同的三根，可以用萬用表的電阻檔檢測電熱管的通斷來確定是某一根或者某幾根有損壞，每根直流阻抗大約為30歐姆。如果使用時間較長，建議三根同時更換。(2)檢查電磁閥是否有損壞。如果電磁閥損壞，在加熱的同時一直在噴水至摩擦盤底部，也會造成升溫過慢甚至溫度反而下降。(3)檢查熱電偶與摩擦盤是否接觸完好。熱電偶和摩擦盤是必須要面接觸，才能較準確地測量摩擦盤表面的平均溫度。一種是由于熱電偶安裝不牢或外部振動引起熱電偶的輸出電動勢不穩定；另外一種可能是由于長時間磨損，使熱電偶工作端與摩擦盤處于點接觸狀態甚至接觸不良，因此，隨時注意熱電偶與摩擦盤接觸良好，試驗溫度必須控制在±10℃以內。另外，如果設備完好，一般情況下，當在較高的溫度段結束后(比如250℃、300℃、350℃)要取出試樣測量厚度期間，最好適時手動打開輔助加熱裝置進行預加熱(特別是冬天)，從而不致使圓盤溫度下降過快，以保證摩擦盤在1500轉以內，盤面溫度達到相應的測試溫度，保證測試數據的準確性。降溫階段，溫度從上一個階段下降到下一個階段應在500轉以內完成。由于這個階段可以通過水閥調整噴水大小，這個條件比較容易控制。

在試驗的過程中，摩擦盤與試塊之間往往會產生摩擦振動，當振動達到一定程度的時候，就會影響試驗的過程及實驗結果的準確性。根據試驗中遇到的情況，大致主要有以下幾個因素造成：第一，裝配時摩擦盤的端面跳動誤差沒有達到規定的要求，這是定速試驗機產生振動的主要振動源，所以也是解決振動問題的關鍵[4]；第二，加載軸與加載杠桿之間的鎖緊螺母沒有鎖緊，這在試驗中也比較常見；第三，加載砝碼沒有成為一個整體，在試驗過程中發生砝碼傾斜甚至掉落的情況，導致發生振動現象，一般這種情況下振動的聲音很大，比較容易判斷；第四，加載軸潤滑不良也容易產生振動，但加載軸的潤滑要注意一次不能加太多的油，防止潤滑油流到摩擦盤表面影響測試結果；第五，機架不穩而產生的振動，這個在安裝摩擦試驗機的時候就要注意這個問題，在底座處安裝能吸收振動的地腳墊鐵，以吸收和減小電機及外部環境引起的振動。當然，影響振動的因素有很多，這需要在平時的試驗中根據遇到的具體情況不斷總結，盡可能減小由于振動對試驗結果造成的影響。

在試驗的過程當中，軟件會實時顯示各個溫度段的摩擦系數曲線。由于摩擦系數是表征摩擦學特性的重要參量，它不僅可以評定一種摩擦材料的減摩性能，而且還可以根據它的變化趨勢來獲得材料的耐磨效果。因此，我們要在試驗過程中隨時監測摩擦系數曲線的動態顯示。理想的曲線應該是在各個溫度段，摩擦系數在它的指定摩擦系數附近有一定的波動范圍(即與指定摩擦系數的偏差范圍)，但是在試驗中也發現過曲線波動范圍過大，出現了異常現象。經過分析，主要由以下幾個原因造成：一是由于摩擦盤的跳動造成的。這時應卸下摩擦盤重新調整摩擦盤的平整度；二是由于正壓力加載軸的缺少潤滑。加載軸潤滑不良不僅容易造成振動，而且無法提供正確的正壓力，而正壓力的加載直接關系到摩擦力的大小，因此會使計算出來的摩擦系數顯示異常；三是要檢查張力傳感器是否出現故障，要時刻注意張力零位，一般在20以下，否則拉力傳感器就有問題。

三、數據處理

試驗過程中要實時采集摩擦力的大小，但在計算摩擦力和磨損率的公式中用到的摩擦力的取值是不同的。摩擦系數中的摩擦力是以總摩擦距離的后半部分穩定的摩擦力的平均值來計算的，而磨損率中的摩擦力是以試驗時總的平均摩擦力來計算的。升溫階段，每個溫度段試驗開始前要用千分尺分別測量兩個試片5個點的初始厚度，對于同一個試片，系統自動將上一個溫度段試驗后的試片厚度作為下一個溫度段試驗前的試片厚度，因此，在每個溫度段裝入試片時切記左右樣品及裝入支撐臂的方向不能變化。由于摩擦產生大量的熱量，容易造成試片產生膨脹，因此要注意試片厚度的測定應待試片冷卻至室溫后進行。要注意的是，磨損率結果不能為負值。降溫試驗是連續進行的，試驗前應先將試驗圓盤溫度加熱至最高溫度，不同的溫度段轉換時沒有停機，對于每一個溫度段的試驗結果值計算摩擦系數，因不測量試片的厚度，故不能計算磨損率。由于所有的溫度段的摩擦系數、磨損率等數值均是由計算機自動計算完成，并自動轉換成曲線圖，因此，要嚴格按照要求的試驗步驟和方法，才能使數據準確可靠。

對于檢驗機構而言，通過將試驗后的數據跟相應的標準相比較，就能判斷樣品是否合格。生產企業也經常結合與試驗有關的因素，對試驗數據進行反復處理分析，來判斷試驗配方的優劣性。比如可以用同一組試樣重復試驗三次，從而檢查反復使用后摩擦性能的變化情況，通過對比三次試驗所得的數據，分析其離散程度，以確定材料的性能及生產工藝的穩定程度。另外，由于摩擦材料在摩擦過程中伴隨著表面溫度的升高，有時會發生膨脹，實測的厚度磨損值很可能不準確，而重量的損耗卻比較真實，因為它不受膨脹的影響。因此對于磨損率的處理，企業經常通過對試驗前后試片的稱重，將重量磨損率折算成體積磨損率。

四、分析小結

經過大量的試驗，我們可以總結出，摩擦系數不是固定不變的，摩擦盤表面溫度對摩擦系數的大小有很大的影響，隨著溫度的升高，摩擦系數有變大的趨勢。一般來說，升溫時衰退率較小，降溫時恢復率較高，而且偏差較小的數據，它的摩擦性能也越好。當然，在使用中，摩擦材料性能又與溫度、速度和載荷等制動時的工況有關。

參考文獻：

[1]GB5763-2008,汽車用制動器襯片[S]. http://www.instrument.com.cn/download/shtml/087193.shtml.

[2]王鐵山，曲波.汽車摩擦材料測試技術[M].長春：吉林科學技術出版社，2005.

[3]石志剛.汽車用摩擦材料測試設備及發展趨勢[J].非金屬礦,1998,21(5):57～58.

[4]胡偉等.定速試驗機摩擦振動原因及消除辦法[J].機械設計與制造,2012,10(10):190～192.