工況條件對干式銅基摩擦片摩擦因數的影響

劉曉波 ，王立勇 ，2，唐長亮 ，陳 濤

（1.北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100192）

0 引言

近年來，濕式離合器在車輛傳動，自動變速器，農業機械，工程機械中應用極為廣泛，其特點主要是工作性能可靠，工作狀態穩健，使用壽命長，傳遞效率高并且便于完成自動控制[1]。而濕式摩擦副是濕式離合器的重要組成部分，其摩擦元件是由對偶鋼片與摩擦片組成，工作原理是依靠對偶鋼片和摩擦片之間的摩擦力來傳遞動力以及力矩。工作過程中摩擦副由于摩擦磨損而產生熱量，在長期工作條件下很有可能引起摩擦副過度磨損甚至出現故障[2]。因此，研究濕式離合器摩擦片材料在不同工況條件下的摩擦片摩擦特性的規律對濕式離合器的使用具有重要意義，有助于摩擦片材料篩選以及提升離合器工作時的可靠性和安全性[3]。本文主要通過研究干式銅基在不同工況條件下接觸點的摩擦因數的變化從而分析其相應的變化規律。試圖通過設定不同的工況條件在UMT摩擦磨損試驗機進行試驗，分別以定負載變轉速，定轉速變負載定性的對干式銅基材料進行UMT試驗，進而獲得其相應的摩擦因數變化的規律。通過分析所得結果為濕式離合器摩擦片工況的設定提供理論指導。

1 濕式離合器摩擦副的工作原理

濕式離合器摩擦副結構如圖1所示[4]，摩擦副的結構是由摩擦襯片和對偶鋼片組成，摩擦襯片間是中心片，對偶鋼片與摩擦襯片之間留有間隙，間隙充滿冷卻潤滑油，對偶鋼片和摩擦襯片都可以作為主動件運轉，在接合壓力的作用下，一般摩擦襯片作為主動件，對偶鋼片作為從動件。

主動端與從動端處于冷卻的潤滑油中，當濕式離合器處分離過程時，摩擦片與對偶鋼片之間充滿了冷卻的潤滑油，摩擦片相對與對偶鋼片以一定的角速度旋轉。濕式離合器處于接合過程時，潤滑油冷卻摩擦襯片和對偶鋼片，輸入軸輸入轉矩，通過操縱油的壓力使得主盤與從盤逐漸壓緊產生摩擦力，從而傳遞摩擦轉矩[5]。

圖1 濕式離合器摩擦副結構

2 濕式離合器摩擦副材料

隨著汽車工業的飛速發展，對濕式離合器摩擦片材料的性能也有了更高的性能要求。目前，濕式離合器摩擦片材料通常為紙基摩擦材料（圖2）和銅基摩擦材料（圖3）。紙基摩擦材料主要以植物纖維、加強材料（碳纖維，芳綸纖維）、粘結劑、減摩材料（石墨）、摩擦性能調節劑等組成。由于以纖維為基礎骨架材料用造紙工藝成型，因而成為“紙基摩擦材料”。紙基摩擦片材料具有運轉柔和平穩、噪聲低、無振動、吸收能力強、靜/動摩擦因數比值小等特點。而銅基片摩擦材料是通過粉末冶金的方式制備且含有短碳纖維而成。銅基摩擦片材料具有靜/動摩擦因數比值大，動摩擦因數低，運轉振動大等特點[9]。雖然紙基摩擦材料具有眾多優點，但是考慮到履帶車輛本身的特點以及紙基摩擦材料發展水平受限的因素，履帶車輛的濕式離合器大多采用銅基摩擦材料作為摩擦副材料[6]。

3 UMT銷盤試驗

3.1 工況條件

銷盤試驗在UMT摩擦磨損試驗機[6]上進行，本試驗分別進行了定轉速變負載和定負載變轉速兩組工況試驗。圖4為布魯克UMT摩擦磨損試驗機，由于該試驗機具有良好的兼容性和多模塊化設計得到了市場的廣泛認可。傳統的摩擦磨損試驗機多數是單一模式的設計，僅僅能滿足單一的工況測試環境模擬，而UMT試驗機打破了傳統的設計理念，實現了在1個幾臺模擬多種工況條件。大大節省了試驗時間，可快速實現模塊的更換。先進的伺服控制系統和具有專利技術的力學傳感器，可收集多個信號的原位收集[7]。為了模擬離合器摩擦片實際工況，運用銅基磨擦盤模擬濕式離合器磨擦片[8]在UMT試驗機模擬2組工況。

圖2 紙基摩擦盤

圖3 銅基摩擦盤

（1）定轉速變負載。選定轉速700 r/min，分別選用負載為（25～75）N，間隔5 N，不同負載條件下進行UMT試驗，每組試驗時間為20 s。

（2）定負載變轉速。選定負載40 N，分別選用轉速為（300～1000）r/min，間隔100 r/min。不同轉速條件下進行UMT試驗，每組試驗時間為20 s。

3.2 試驗數據分析

本試驗采用控制變量[9]的方法對銅基材料的摩擦盤進行了無潤滑狀態下的干式實驗，選取定負載變轉速和定轉速變載荷兩種工況條件，通過改變變量從而在UMT摩擦試驗機測得銅基摩擦盤接觸點的摩擦因數。

圖4 UMT試驗機

3.2.1 定轉速變負載

在正式試驗之前，在UMT試驗機先對銅基摩擦盤進行預試驗磨合，確定其摩擦系數處于穩定狀態后，進入正式測試實驗。圖5轉速為700 r/min時不同負載銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨時間變化，圖6為轉速為700 r/min時不同時間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨負載變化。

圖5 不同負載銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨時間變化

從圖5可以得到，在不同負載曲線中，除了負載為65 N的曲線變化相對明顯，其他負載時銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨時間變化趨勢并不明顯，即隨著時間的變化對摩擦因數影響十分微小，同時可以看在65 N的負載曲線中的摩擦因數隨著時間的變化而逐漸增大。結合圖6觀察可得，65 N負載曲線與75 N負載曲線相差最大，在此過程摩擦因數迅速增大，變化顯著。并且25 N，35 N，65 N負載曲線在3 s時的摩擦因數基本相同，而25 N和35 N負載曲線差距十分微小，45 N和55 N負載曲線差距也十分微小，但在3 s時55 N時的摩擦系數＞45 N時的摩擦系數。同時可以觀察到65 N負載曲線在前12 s的摩擦因數＜45 N和55 N負載時的摩擦因數，在12 s后，65 N時的摩擦因數逐漸超過45 N時的摩擦因數，結合圖6對比，（45～65）N，摩擦因數從圖6中觀察得到，經歷了先增大后減小再增大的過程，與圖5現象相對應。（65～75）N，摩擦因數變化很大，結合圖5來看，也是相同的結果。

觀察圖 6 可以得到 3 s，6 s，9 s，12 s，15 s，18 s時對應的銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨負載變化曲線，從圖中可以看出，不同的時間點的曲線趨勢變化幾乎相同，但是3 s時的曲線在負載（60～70）N，曲線變化的斜率相比其他時間在此負載之間斜率變化要大，并且從圖中可以得到，其他時間點在此負載區間斜率變化基本一致。對比圖5中不同時間的曲線，在相同負載前提下，時間越長，摩擦因數呈略微增長趨勢，即摩擦因數隨時間變化而增大。

從圖6中單獨觀察9 s的曲線變化，可以得到隨著負載的增加，摩擦因數整體變化量呈逐漸增大趨勢。從圖中可以得到在（25～35）N，摩擦因數基本不變，在35 N之后，摩擦因數變化相對明顯，在（50～65）N，摩擦因數先增大后減小，50 N和65 N時的摩擦因數基本相同。65 N之后，摩擦因數有迅速增大，且變化十分明顯，尤其是（65～75）N，摩擦因數變化斜率最大，增長量最大。從圖6可以看出，負載從25 N變化至75 N，摩擦因系數從0.225增長到0.285，總體來看，摩擦因數的變化呈增長趨勢，但變化并不明顯。

圖6 不同時間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨負載變化

3.2.2 定負載變轉速

在正式試驗之前，首先對銅基摩擦盤進行磨合，觀察摩擦因數處于穩定狀態后，再進行相關實驗。圖7為負載為40 N時不同轉速下銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨時間變化，圖8為負載為40 N時不同時間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨轉速變化。

從圖7可以得出，在負載為40 N前提下，轉速為300 r/min時，摩擦因數隨時間變化相對明顯，而圖中其他轉速條件下，摩擦因數隨時間總體變化相對平緩。通過觀察圖8中不同轉速的曲線，轉速為400 r/min和500 r/min摩擦因數基本接近，而700 r/min，900 r/min，1000 r/min轉速條件下，前9 s它們的摩擦因數基本相同，9 s后其摩擦因數才出現略微波動。仔細觀察圖7中不同轉速曲線，可以得到在800 r/min時摩擦系數最大，在300 r/min時摩擦因數最小。在轉速＜800 r/min時，摩擦因數隨著轉速的增加而逐漸增大，但影響并不明顯。在轉速＞900 r/min時，摩擦因數基本略微減小且變化不大。

從圖 8 和圖 9 可以看出，在 3 s，6 s，9 s，12 s，15 s，18 s不同時間銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨轉速變化圖可以看出3 s，9 s，15 s時摩擦因數隨著轉速變化趨勢基本相同，6 s，12 s，18 s時摩擦因數隨著轉速變化趨勢基本相同，并且可以看出相同轉速下，摩擦因數隨時間而呈上升趨勢，略微增大。通過觀察圖8可以得出，從整體來看在同一時間下，摩擦因數呈上升趨勢，而在（300～450）r/min，（550 ～600）r/min，（700 ～800）r/min，摩擦因數呈上升趨勢。對比 圖 10，（300 ～800）r/min，摩擦因數變化整體呈上升趨勢。觀察圖9可以看出850 r/min后，摩擦因數呈下降趨勢，變化并不明顯。

圖7 不同轉速下銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨時間變化

4 結論

（1）定轉速變負載工況條件下，摩擦因數隨著負載的增大而呈略上升趨勢，且在同一時間，雖然不同負載對于的摩擦因數相差不大，但有負載越大摩擦因數越大的規律。

（2）定負載變轉速的工況條件下，在（300～800）r/min，摩擦因數隨著轉速的增大呈現上升趨勢，在（800～1000）r/min，摩擦因數有所下降，但摩擦因數變化幅度非常小。

（3）不論工況是定轉速變負載工況還是定負載變轉速，時間的變化對摩擦因數的影響都十分微小。

圖8 3 s，9 s，15 s 時銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨轉速變化

圖9 6 s，12 s，18 s 時銅基摩擦盤與銷的摩擦接觸點摩擦因數隨轉速變化