（机械制造及其自动化专业论文）微型汽车离合器摩擦磨损性能及其机理的研究.pdf

摘要 微型汽车是一种价格低廉、低油耗、低污染、投资少、回报快、小排量的 经济实惠型汽车，近年来已成为中国汽车工业发展速度最快的行业之一。离合 器是保证汽车起步平稳、换档平顺以及操纵轻便等功能的重要部件。对微型汽 车摩擦式离合器而言，摩擦片的摩擦材料是影响其摩擦学性能的主要因素，摩 擦材料的好坏直接反应到摩擦副的摩擦系数和磨损量上。树脂基复合摩擦材料 具有较高的摩擦系数，已成为微型汽车离合器摩擦片的主用摩擦材料，然而在 高温环境中使用热衰退严重，导致摩擦系数降低、磨损量增大，严重影响离合 器的使用寿命和微型汽车传动系统的稳定性。因此，根据摩擦学理论和摩擦磨 损性能试验，分析微型汽车离合器的摩擦磨损性能及其机理是本论文研究的主 要任务。 本论文的重点有三个方面的内容：一是摩擦磨损性能试验；二是摩擦磨损 性能分析；三是磨损机理研究。 首先，分析了微型汽车的发展状况及摩擦式离合器的国内外研究现状，并 提出本文的研究内容、目的和意义。 其次，介绍了微型汽车离合器的结构和摩擦材料，分析了磨损的主要形式、 磨损的过程及影响因素，结合干摩擦状态的主要理论，针对微型汽车离合器的 早期磨损，提出微型汽车离合器摩擦磨损的主要研究思路。 接着，进行摩擦磨损性能试验，主要考察工作条件对摩擦系数和磨损量两 个重要参数的影响，分析试验数据，比较微型汽车三种常用离合器摩擦磨损性 能的优劣，选取最适合微型汽车使用的一种离合器。 最后，结合前面的理论分析、试验数据以及摩擦表面的形貌和元素观察， 对微型汽车离合器的摩擦磨损性能迸行分析，研究微型汽车离合器的磨损机理。 本文从微型汽车离合器的早期磨损出发，研究树脂基复合摩擦材料的摩擦 磨损性能及其机理，为增强离合器的抗磨性能，减轻离合器打滑、分离不彻底、 起步发抖等故障提供了重要的理论指导和实践支持，具有重要的研究和现实意 义。 关键词：干摩擦式离合器，树脂基复合摩擦材料，摩擦磨损性能，磨损机理 a b s t r a c t m i n iv e h i c l ei so n ek i n do fl o wc o s t ，l o wf u e lc o n s u m p t i o n , l o wp o l l u t i o n , l o w i n v e s t m e n t , q u i c kr e t u r na n de c o n o m i c a lc a , l i nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e c o m eo n eo f t h ef a s t e s tg r o w i n gi n d u s t r yi nc h i n a c l u t c hi sa l li m p o r t a n tv e h i c l et oe n s u r ec a r s t a r t i n gs m o o t h l y , s h i f t i n gs m o o t h l ya n dm a n i p u l a t i n gl i g h t l y m i n iv e h i c l ec l u t c h s f r i c t i o nm a t e r i a li st h em a i nf a c t o ri m p a c t i n go nc l u t c h sf r i c t i o n a lp r o p e r t i e s ，w h i c h h a sad i r e c tr e s p o n s et ot h ep a i r s f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rq u a n t i t y r e s i n - b a s e d c o m p o s i t em a t e r i a l sw i t hb j i g hf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，h a sb e c o m et h em a i nf r i c t i o n m a t e r i a l so fm i n iv e h i c l ed u t c h ，h o w e v e ri t sp r o p e r t i e sw i l ld e c l i n eu s i n gi nt h eh i g h t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t ，l e a d i n gt ol o w e rf i i e t i o nc o e f f i c i e n ta n dh i g h e rw e a l l o s s , s e r i o u s l yr e d u c i n gc l u t c h sl i f ea n dv e h i c l ed r i v es y s t e m ss t a b i l i t y t h e r e f o r e ， a c c o r d i n gt ot r i b o l o g yt h e o r ya n df r i c t i o nt e s t , a n a l y z i n gm i n iv e h i c l ec l u t c h s f r i c t i o np r o p e r t i e sa n dw e a l m e c h a n i s mi st h em a i nt a s ko ft h i sd i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h r e ei m p o r t a n t p a r t s t h e f t r s t e m p h a s i s o f d i s s e r t a t i o ni sf r i c t i o na n dw e a rt e s tp e r f o n n a r l c et e s t , t h es e c o n di sf r i c t i o na n dw e a l p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，t h e t h i r di sw e a l m e c h a n i s mr e s e a r c h f i r s to fa l l ，t h ep a p e ra n a l y z e sm i n iv e h i c l ea n di t sd r yf r i c t i o nc l u t c h sp r e s e n t s i t u a t i o n s ，a n dg i v e st h eg o a lo f t h i sp a p e ra n dt h em a i nc o n t e n to f t h ep a p e r s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sm i n ic a rd u t c h ss t r u c t u r ea n df r i c t i o nm a t e r i a l s ， a n a l y z e st h em a i nf o r m so fw e a ra n dt h ei n f l u e n c e df a c t o r so fw e a r ，c o m b i n e sw i t h t h em a i nt h e o r i e so fd r yf r i c t i o na n dm i n iv e h i c l ec l u t c h sf a i l u r es t a t i s t i c s ，g i v e st h e m a i ni d e a sh o wt or e s e a r c hm i n iv e h i c l ec l u t c h sf r i c t i o na n dw e a l t h e n , id of r i c t i o nt e s ta n dr l l e a s t l r ef i - i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rl o s s ，a n a l y z e s t e s td a t a , c o m p a r e st h r e ec l u t c h sf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e s ，s e l e c t st h em o s t a p p r o p r i a t ec l u t c ht om i n iv e h i c l e f i n a l l y ，t h ep a p e rc o m b i n e sf r o n tt h e o r e t i c a la n dt e s td a t a , o b s e r v e sf r i c t i o n 吼l l f a c et o p o g r a p h ya n de l e m e n t s ，a n a l y z e sm i n iv e h i c l ec l u t c h sf r i c t i o np r o p e r t i e s a n dw e a u m e c h a n i s m t h i sp a p e rr e s e a r c h e sr e s i n - b a s e dc o m p o s i t ef r i c t i o nm a t e r i a l s f r i c t i o n p r o p e r t i e sa n dw e a l 7m e c h a n i s mf r o mt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm i n iv e h i c l ec l u t c h , p r o v i d e s 趾i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dp r a c t i c es t a n d a r da b o u te n h a n c i n g c l u t c h sa n t i - w e a l p e r f o r m a n c e , a n dr e d u c i n gs l i p p a g e , i n c o m p l e t es e p a r a t i o n , s t a r t s h i v e r i n ga n do t h e rt r o u b l e s ，w h i c hi s a ni m p o r t a n tr e s e a r c ha n dh a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d r yf r i c t i o nc l u t c h , r e s i n - b a s e dc o m p o s i t ef r i c t i o nm a t e r i a l s ，f r i c t i o n a n dw e a rp r o p e r t i e s ，w e a rm e c h a n i s m s m 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 当辉辉日期 垫! ：兰：坦 学位论文使用授权书 本入完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：当燧辉导师( 签名) ：曼i 旌垒经日期墨笪蒸竺， 注：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 面对全球气候变暖、石油能源紧缺，节能环保的呼声越来越高，各国政府 及相关部门对微型汽车的发展纷纷给予税收等方面的奖励政策，鼓励环保节能 汽车的发展。许多消费者放弃对大排量汽车的垂爱，转而追捧用途多样、品种 齐全、价格低廉、低油耗、低污染、投资少、回报快的小排量微型汽车。 然而微型汽车关键零部件也遇到了诸多故障，离合器的损坏就是主要问题 之一。据统计，微型汽车离合器在汽车运行中存在打滑、分离不良、起步发抖、 异响和踏板沉重等故障，这些故障3 0 以上是离合器磨损所致，尤其以离合器 摩擦片的磨损为主，严重影响离合器的使用寿命和汽车传动系统的稳定性。因 此，不论国内还是国外，都在从不同角度，或不同层次对离合器的摩擦磨损性 能及机理进行研究。这些研究不仅具有理论意义，也具有现实的经济利益。 1 2 微型汽车及其干摩擦式离合器 1 2 1 微型汽车简介 目前微型汽车包括微型轿车、微型客车、微型货车，是我国汽车产品的主 要车型之一，在全年的产销量中，三分天下有其一。微型汽车，以其经济实惠 的优势赢得消费者的青睐，是我国汽车进入普通家庭的主要车型，近年来已成 为中国汽车工业发展速度最快的行业之一。它在汽车行业的比重已增加到百分 之三十一点六五，并已初步形成了长安、天津汽车、昌河、柳州五菱和哈飞五 大微型汽车企业，这五家汽车的生产集中度超过了百分之九十。目前，中国国 内微型车的价格比较低廉，微型货车一般为二万到四万元，微型客车一般为三 万到五万元，微型轿车一般为四万到九万元n 1 。专家认为，只要消费政策再宽 松一些，在未来几年内进入更多的寻常百姓家将成为现实。 1 2 2 摩擦式离合器简介 离合器作为传动系统中连接发动机和变速箱的零部件，必须具备可靠地传 递发动机的最大扭矩，以保证汽车平稳起步、保证换档时工作平顺以及操纵轻便 等功能；这不仅需要离合器具有一定的设计和制造水平，而且涉及离合器与发动 机、变速箱等零部件以及整车的匹配问题。 武汉理工大学硕士学位论文 本文研究的微型汽车离合器是干摩擦式离合器，其利用离合器摩擦片与飞 轮、压盘表面的摩擦传递动力，连接发动机与变速箱之间的传动，并保证汽车 平稳起步、平顺换挡、操纵轻便。而且无润滑介质的添加，要求摩擦系数比较 大且平稳，磨损量较小。 对摩擦式离合器而言，摩擦片的摩擦材料是影响其摩擦学性能的主要影响 因素，摩擦材料的好坏直接反应到摩擦副的摩擦系数、磨损量上，从而影响着 离合器的使用寿命。微型汽车离合器摩擦片的摩擦材料是无石棉有机摩擦材料 中的树脂基复合摩擦材料，该摩擦材料以酚醛树脂为粘结剂，有机纤维为增强 材料，添加了石墨、多种金属和矿物质。 虽然微型汽车离合器摩擦材料已从粉末冶金摩擦材料、半金属摩擦材料、 石棉摩擦材料发展到了无石棉有机摩擦材料，但是在使用过程中还存在着一些 问题。据统计，微型汽车离合器上车故障现象主要有：起步发抖、分离不彻底、 打滑、踏板沉重和异响。这些故障现象反应到故障模式上主要有：异常磨损、 抖动、功能失效、损坏和烧蚀，其中以异常磨损为主，占三分之一以上。 针对离合器在使用过程中出现的诸多故障，目前国内外已对离合器做出了 一定的研究，主要研究成果如下： 1 国外研究现状 美国m i k a e lh o l g e r s o n 等人在摩擦式离合器标准试验台s a e # 2 上模拟可摩 擦离合器啮合过程，在啮合过程中，法向力和速度都是变化的，法向力从0 增 加到最大值的过程中，速度从2 0 a d s 线型减小为0 n 以。通过对啮合过程中测试 曲线的分析，m i k a e lh o l g e r s o n 等人提出离合器在啮合过程中将经历三个阶段， 对应三种润滑状态，在每个状态转变处，摩擦系数会发生急剧的变化嘲。 德国s a c h a 公司设计的x t e n d 自调式膜片弹簧离合器基本原理是在摩擦磨 损时保持膜片的安装位置。补偿机构根据逐渐磨薄的摩擦片厚度连续起作用， 这种机构适用于拉式和推式离合器，。 法国v a l a o 公司设计生产的自调式离合器与其它自调式离合器比较，最主要 的区别在于：它采用了压力板调节，能根据位置检测，进行磨损补偿和分离h 1 。 2 国内研究现状 江苏理工大学在分析了膜片弹簧受力后的应力分布规律及其疲劳试验的结 果，认为：在离合器正常使用情况下，只有i i 点附近可能产生导致疲劳断裂的 裂纹源，而点附近是不可能产生裂纹源的；并指出目前通用的膜片弹簧强度 计算方法所确定的危险点位置与实际情况不符，有必要修改；进而提出在膜片 弹簧设计时，应以点的应力建立疲劳强度条件的结论性意见嘲。 2 武汉理工大学硕士学位论文 柳州机械厂提出由于膜片弹簧离合器的膜片弹簧特性的离散性较大，就 产品的加工管理来说，没有螺旋弹簧那么容易。对于一个单独的离合器来说， 是不能调整与修理的。由于离合器与压盘高度的变化对载荷的影响较大，所以 对这两个高度尺寸值有较高的要求1 。 另外，国内外学者对离合器的磨损主要研究了滑摩功率；摩擦离合器对 偶盘单位面积工作压力；压盘表面温度对摩擦系数、磨损率的影响。研究表 明，温度及其在工作过程中的变化对摩擦系数及磨损率的影响尤为重要。而 对温度，特别是离合器在摩擦过程中的动态温度的研究是薄弱环节。但在实 际应用中离合器8 0 以上的损坏是烧结、龟裂，以及由于受热变形使离合器 产生副磨损；受热后材料性能变化，使摩擦系数急剧降低而失效等口。因此 对离合器工作过程中的动态温度进行研究，是非常重要而有实用价值的。 综上所述，国内外知名汽车制造商和科研单位对汽车离合器的研究主要集 中在控制理论、力学性能和结构设计等方面，而对其摩擦学性能的研究较少， 特别是针对微型汽车离合器的摩擦磨损性能及磨损机理的研究更少。因此，为 了解决微型汽车离合器由于异常磨损而引起的起步发抖、分离不彻底和打滑等 故障，本文对微型汽车离合器的摩擦磨损性能及磨损机理进行研究。 1 3 本文研究的目的和意义 微型汽车离合器是干摩擦式离合器，其核心部件为摩擦片，主要作用是传 递和切断动力。摩擦片在高速、高温和高频率工况下离合，在一个中修期内， 摩擦片因磨损报废的比例很高，摩擦片损耗量非常大，严重影响离合器的使用 寿命，容易使其他零件或微型汽车发生突然事故，造成巨大的损失。因此为找 出微型汽车离合器产生磨损的原因，研究微型汽车离合器摩擦片的摩擦磨损性 能及磨损机理势在必行。 同时，对微型车离合器摩擦磨损性能及机理研究的成功，有利于对摩擦式 离合器磨损提出合理有效的改进措施，这将会大大提高离合器的使用寿命和微 型汽车的质量，为微型车提供广阔的市场前景。 1 4 本文的主要任务和组织 1 4 1 主要任务 本文在全面分析微型汽车离合器结构、摩擦材料的基础上，主要进行摩擦 磨损性能试验，观察摩擦片表面的形貌和元素变化，分析工作条件对离合器摩 3 武汉理工大学硕士学位论文 擦片摩擦系数、磨损量的影响，研究微型汽车干摩擦式离合器的摩擦磨损性能 及磨损机理，具体工作包括： 1 ) 摩擦磨损理论分析； 2 ) 摩擦磨损性能试验； 3 ) 微观形貌和元素观察； 4 ) 摩擦磨损性能及机理研究。 1 4 2 主要组织 本文的内容安排如下： 第l 章为本论文的绪论，首先介绍微型汽车及其干摩擦式离合器的一些概 念，分析国内外对离合器的研究现状，提出本文研究的目的和意义。 第2 章主要介绍微型汽车离合器的结构和摩擦材料及摩擦学理论的相关知 识。根据磨损机理的传统分类，结合磨损的过程和磨损的主要影响因素，提出 本文研究微型汽车离合器摩擦磨损性能及机理的研究方案。 第3 章介绍摩擦磨损性能试验，分析试验结果。摩擦学性能试验主要考察 工作条件( 载荷、转速、温度、时间) 对摩擦副摩擦系数和摩擦片磨损量的影 响，比较三种离合器摩擦磨损性能的优劣，得出工作条件对微型汽车离合器摩 擦磨损性能影响的规律。 第4 章研究微型汽车离合器的摩擦磨损性能和磨损机理。分析工作条件对 摩擦系数、磨损量的影响趋势，观察摩擦表面的微观形貌和元素，研究微型汽 车离合器的磨损机理。 第5 章对本文的主要研究工作进行了总结，对本课题的进一步工作进行了 展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章微型汽车离合器及摩擦磨损简介 2 1 微型汽车离合器简介 作为传动系统重要组成部分之一的离合器起着传力、减振和防止系统过载 等十分重要的作用。为保证传力可靠，分离彻底，结合柔顺，减振好，体积小， 重量轻，寿命长，制造易，现今的离合器产品无论从性能、结构、材料方面， 还是生产制造方式和操纵控制方面，都在发生着诸多的变化，然而微型汽车离 合器在使用过程中还存在着诸多问题。本节简要介绍微型汽车离合器的结构、 摩擦材料及主要故障。 2 1 1 微型汽车离合器结构 汽车离合器可分为多种类型，如图2 - 1 所示阳1 。 汽车机械式离合器 按操纵传动分ii 按离合器本体分i 由e 匐随驷i 随 匡堕圃 口垂羽闻圜 卜匦壅砷 u 翮眄办订爵洲 按摩擦面片工作环境分 兰型 按产生工作压力分 磊亓赢 按弹簧布置位置分 髫医 螺if 膜 旋ll 片 弹fl 弹 簧il 簧 匍罔睦 棉ii 石il 属 基li 棉fl 陶 猢巨 ii 料i 按分离力作用方向分 推式 按有无减震器分 明 i 震l i 震i 倒倒 在 从 动 盘 上 在 飞 轮 上 羽l 多级 图2 - 1 汽车机械式离合器分类图 5 武汉理工大学硕士学位论文 本文研究的微型汽车离合器属于干摩擦式的膜片弹簧离合器，其摩擦材料 是非石棉有机摩擦材料，分离力作用方向是推式，减震弹簧分布在从动盘上。 下面简要介绍摩擦式离合器的结构及工作原理。 摩擦式离合器主要由主动件、从动件、压紧弹簧和分离杠杆四部分组成。 其结构原理如图2 - 2 所示m 。 ( a )( b ) 图2 - 2 摩擦式离合器结构简图 ( a ) 接合；( b ) 分离 l 一飞轮：2 一从动盘总成；3 一压盘；4 分离杆；5 分离套筒；6 分离器制 动；7 一离合器踏板；8 一压紧弹簧；9 一离合器盖；1 0 变速器第一轴( 离合器 输出轴) ；l l 分离拨叉及操纵连接杆 由图2 - 2 中可以看到，压盘3 、分离杆4 和压紧弹簧8 一起组装在离合器盖 9 内，俗称离合器盖总成，盖总成通过螺栓安装到发动机的飞轮上。飞轮1 和 压盘3 为主动件，发动机的转矩通过这两个主动件输入。从动盘总成2 位于飞 轮1 和压盘3 之间，它作为从动件通过摩擦接收由主动件传来的输入转矩，并 通过其中间的从动盘毂花键输出转矩( 由变速器第一轴承1 0 接受) 。压紧弹簧 8 通过压盘3 把从动盘总成2 紧紧压在飞轮上，形成正压力。当发动机工作带 动飞轮l 和压盘3 一道旋转时，通过压盘上压紧弹簧8 产生的工作压力所形成 的摩擦力，带动从动盘总成2 旋转，完成转矩的输出。 如图2 - 2 ( a ) 所示，离合器通常总是处于接合状态。当需要切断动力时，驾 驶员通过离合器操纵系统中的踏板7 ，并经过操纵传动杆系及分离拨叉1 1 推动 分离套筒5 向前，消除间隙勿，使分离杆4 绕其在离合器盖9 上的支点转动， 克服压紧弹簧8 的工作压力后，压盘3 向后移动，从动盘总成2 和压盘3 脱离 接触。图2 2 ( b ) 所示从动盘总成2 不再输出转矩：分离套筒向左移动时，在消 6 武汉理工大学硕士学位论文 除间隙a r 后，输出轴1 0 受到了制动，转速很快下降，此种状况称为离合器制 动，目的是为了容易换挡。但这种离合器制动主要用在重型离合器上，一般离 合器不一定采用。分离杆和分离轴承之间的间隙a y 通常是需要的，因为从动 盘总成因摩擦面磨损后会使压盘3 向左移动，如果这一移动受到分离轴承的限 制，就会导致压盘3 不能很好地压紧摩擦面，造成从动盘在传扭时发生打滑现 象。离合器使用一段时间后由于间隙消失需要重新调整。 微型汽车离合器利用摩擦副运动表面相接触时所产生的摩擦力传递发动机 与变速箱之间的运动与动力，并可在运转时随时分离或结合。离合器除了用于 微型汽车的起动、停止、换向和变速之外，它还可用于对汽车零件的过载保护。 对微型汽车离合器的基本要求为：1 ) 结合平稳，分离彻底，动作准确可靠：2 ) 结构简单，质量轻，外形尺寸小，从动部分转动惯量小；3 ) 操纵省力，对结构 元件的压紧力能达到内力平衡；4 ) 散热好，结合元件耐磨损，使用寿命长。 摩擦片是摩擦式离合器的核心部分，其摩擦材料的性能直接影响着离合器 的摩擦磨损性能，下面简要介绍微型汽车离合器摩擦片的摩擦材料。 2 1 2 微型汽车离合器摩擦材料 摩擦材料是各种机械设备的制动器、离合器和摩擦传动装置中不可缺少的 材料之一，是利用摩擦使运动物体的动能转化为热能，从而使物体减速或停止 运动的一种多元复合材料。它的主要特点是吸收动能，并转换为热能由材料吸 收或传导出去，其质量的好坏直接影响机器的可靠性和操作人员的生命安全。 1 汽车摩擦材料的分类 目前使用的汽车摩擦材料主要有：石棉有机摩擦材料、非石棉有机摩擦材 料及混杂摩擦材料、半金属摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、c c 复合摩擦材料 及陶瓷基摩擦材料等等n 州刿。 尽管摩擦材料种类之多，分类各异，但各种摩擦材料都要求具有如下的共 同性能：1 ) 较高而稳定的摩擦因数；2 ) 耐磨性好；3 ) 热物理性能好：要有高 的导热性、大的热容量和尽可能小的热膨胀系数。4 ) 足够的机械强度。其中， 摩擦系数是评价摩擦副的摩擦性能的重要指标，耐磨性是决定摩擦材料工作质 量的重要指标。无论工作条件中正压力、滑动速度、温度怎么变化，都应保证 摩擦因数在一定的范围内，磨损率尽可能小。 摩擦材料要同时具有以上多方面性能，依赖于单一材料是难以满足的，故 一般多用强度高，导热性好，熔点高的金属或非金属作为基体材料，往其中加 入调整摩擦因数的陶瓷颗粒以及抗咬合、提高耐磨性能的润滑组元，混合而成 7 武汉理工大学硕士学位论文 具有良好综合性能的非均质复合材料。 微型汽车离合器摩擦片的摩擦材料是以酚醛树脂为粘结剂，玻璃纤维为增 强材料，添加了石墨、多种金属和矿物质的树脂基复合摩擦材料，它是非石棉 有机摩擦材料的一种。下面简要介绍微型汽车离合器使用的非石棉树脂基复合 摩擦材料。 2 非石棉树脂基复合摩擦材料 由于石棉对人体具有致癌作用，从7 0 年代起，国外就出现了汽车摩擦材料 无石棉化的发展趋势。以钢、陶瓷、玻璃代替石棉增强纤维，所制成的非石棉 摩擦材料不仅避免了环境污染，而且还具有高温摩擦系数稳定、磨损小的优点。 微型汽车离合器使用的非石棉树脂基复合摩擦材料主要由3 种成分组成： 1 ) 增强材料：玻璃纤维、钢纤维、铜纤维等； 2 ) 粘结剂：酚醛树脂； 3 ) 摩擦性能调节剂( 填料) ：石墨、氧化铝、石灰石、硫酸钡等。 非石棉树脂基复合摩擦材料各组成部分的特性： 1 ) 粘结剂：维持摩擦材料强度的主要材料是粘结剂，在树脂基复合摩擦材 料中，没有树脂的粘结作用，就不可能制成一个整体的材料。粘结剂除 了部分承载外，还起到传递载荷、保证材料必要的力学强度和摩擦性能 的作用。酚醛树脂在高温环境中使用热衰退严重：当温度超过2 0 0 时， 酚醛树脂开始热衰退，摩擦表面生成氧化膜，摩擦材料的自润滑性能提 高，摩擦系数减小；当温度超过3 0 0 时，酚醛树脂热分解严重，生成 大量的液体和气体，液体起着润滑膜的作用，而气体在摩擦副间形成局 部气垫减小了摩擦副的正压力，其结果都表现为摩擦系数的下降。 2 ) 增强材料：树脂基复合摩擦材料的增强材料主要是有机纤维。有机纤维 在常温下具有良好的机械性能，较大的孔隙，但耐热性能不如无机纤维， 有的有机纤维受热会发粘、软化，不适合用于摩擦材料，所以必须与其 他纤维混杂使用。 3 ) 摩擦性能调节剂：摩擦性能调节剂主要是通过占据体积来发挥作用。由 于填料的存在，基体材料的分子链不能占据原来的全部空间，使相连的 链段在某种程度上被固定化，并可能引起基体聚合物的取向。由于填料 粒子的尺寸稳定性，在填充的聚合物中，聚合物界面区域内的分子链运 动受到限制，而使玻璃化温度升高，热变形温度提高，收缩率降低，弹 性模量、硬度、刚度、冲击强度提高n3 。摩擦性能调节包括：摩擦 因数、磨损性能及它们的稳定性，特别是调节摩擦系数一温度、摩擦系 8 武汉理工大学硕士学位论文 数速度、摩擦系数压力关系的平衡；硬度的调节；强度的调节( 主 要是冲击强度、剪切强度) ；尺寸稳定性的调节；减少摩擦噪音的 调节；防湿及防腐性能的调节；传热性能的调节；密度的调节； 成本的调节n 训。 在树脂基复合摩擦材料中，树脂用量一般仅为1 0 , - - 2 0 ，而大量纤维状或 粉状的增强剂、摩擦性能调节剂占有约8 0 的组分，比表面非常大，当混料非 常均匀时，几乎不存在任何较厚的树脂层，大量存在的包覆于增强剂、摩擦性 能调节剂组分上的薄薄一层树脂膜，也就是说界面粘结区占据重要的地位，而 界面强度可能比本体强度显得更重要。 2 1 3 微型汽车离合器故障统计 1 故障现象统计 微型汽车离合器的故障现象大致分成以下几类：分离不良、打滑、起步发 抖、异响、零件损坏及踏板沉重等嗍。 对微型汽车离合器进行故障现象统计如表2 - 1 所示。通过表2 - 1 得知，在 总数为7 7 0 个故障现象中，起步发抖2 7 8 例，占总数的3 6 1 0 ；分离不良2 3 6 例，占总数的2 9 3 5 ；打滑1 1 5 例，占总数的1 4 9 6 。三者是微型汽车离合 器的主要故障现象。 表2 1微型汽车离合器的故障现象统计表 汰 起步发抖分离不良打滑踏板沉重异响其他 故障统计 个数 2 7 82 3 61 1 55 31 07 8 百分比( ) 3 6 1 02 9 3 51 4 96 8 81 31 0 1 3 2 故障模式统计 微型汽车离合器的故障模式大致分成以下几类：异常磨损、抖动、性能衰 退、功能失效、损坏、烧蚀、变形、变质、发卡( 卡死、项死) 、漏油、间隙不 当、调整不当、连带换件、打滑等。 对微型汽车故障离合器进行故障现象统计如表2 2 所示。通过表2 - 2 得知， 在离合器各类故障模式中，发生频率较高的有三种，依次为：异常磨损、抖动 及功能失效，其中异常磨损2 6 5 例，占总数的3 5 4 8 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 微型汽车离合器各类故障模式统计表 汰 异常磨损 抖动 功能失效损坏烧蚀其他 故障统计 个数 2 6 5 1 5 8 1 2 6 4 6 2 0 1 3 2 百分比( ) 3 5 4 8 2 1 1 5 1 6 8 6 6 1 6 2 6 81 7 6 7 3 行驶里程与故障个数的关系统计 微型汽车离合器行驶里程与故障个数的关系统计，如表2 3 所示。由表2 - 3 得知，在行驶公里为2 0 0 0 5 0 0 0 及7 0 0 0 一i 0 0 0 0 两阶段，离合器发生故障的频率 较高，其中发生在行驶公里2 0 0 0 - 5 0 0 0 阶段的故障高达2 6 4 例，占总故障的 3 5 3 9 ，7 0 0 0 - 1 0 0 0 0 阶段故障高达2 5 2 例，占3 3 7 8 。 表2 - 3 微型汽车离合器行驶里程与故障个数的关系统计表 笑 0 - 1 9 9 92 0 0 0 - 4 9 9 95 0 0 0 6 9 9 97 0 0 0 - 9 9 9 91 0 0 0 0 - 1 9 9 9 92 0 0 0 0 - 故障统计 个数 3 32 6 46 72 5 21 81 1 2 百分比( ) 4 4 23 5 3 98 9 8 3 3 7 82 。4 21 5 0 1 ( q c t2 5 9 2 汽车干摩擦式离合器总成技术条件规定：离合器按规定使 用，使用期不超过一年且行驶里程不超过2 5 x 1 0 4 如发生非正常损坏( 称为早 期磨损) ，由制造厂家负责赔偿。 通过上述微型汽车离合器的故障统计可知：微型汽车离合器主要故障模式 是异常磨损，占总数的3 5 4 8 ；微型汽车行驶2 0 0 0 0 k m 以前离合器发生故障 的个数占总数的8 4 9 9 。因此微型汽车离合器3 0 1 5 的故障是由早期磨损所 致，而且以离合器摩擦片的磨损为主，严重影响离合器的使用寿命和微型汽车 传动系统的稳定性。因此，对微型汽车离合器早期磨损的研究不仅具有理论意 义，也具有现实的经济利益。 2 2 摩擦磨损简介 机械零件的磨损实际上就是摩擦材料的磨损，磨损是伴随摩擦而产生的必 然结果，它是相互接触的物体在相对运动时，表层材料不断发生损耗的过程或 者产生残余变形的现象。磨损是多因素相互影响的复杂过程，摩擦副的磨损程 度同零件所用材料的性质，表面加工方法和质量，以及载荷，温度、速度、润 滑状态等有关。磨损的结果使摩擦表面产生多种形式的破坏，因而磨损的形式 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 也就相应不向。人们可以从不向的角度来对磨损进行分类，但比较常用的方法 是基于磨损的破坏机理，一般可分为五类：1 ) 粘磨损；2 ) 磨料磨损；3 ) 疲劳 磨损；4 ) 腐蚀磨损；5 ) 微动磨损。其中，以磨料磨损和粘着磨损所占比例最 大约为6 5 n 副。本节主要介绍磨损的类型、磨损的过程、磨损的影响因素及干 摩擦的主要磨损理论。 2 2 1 磨损的实质及其分类 材料磨损是两个以上的物体摩擦表面在法向力作用下，相对运动及有关介 质、温度环境的作用使其发生形状、尺寸、组织和性能变化的过程。磨损是造 成机械零件失效的原因之一，对机械零件的寿命、可靠性有极大的影响。 从磨损的特征与结果分析，任何一种磨损都发生在物体的工作表面上，但 不仅物体表面宏观发生变化，而且物体微观组织结构及其性能也会发生变化， 同时会产生一定数量的磨损产物。 表2 - 4 常见磨损的分类 按表面接触性质分( 1 ) 金属一金属磨损；( 2 ) 金属一磨料磨损；( 3 ) 金属一流体磨损 按环境与介质分类( 1 ) 干磨损；( 2 ) 湿磨损；( 3 ) 流体磨损 粘着磨损严重，轻微磨损咬死；咬焊；擦伤；胶合 磨按力的作用特点分类凿削式；碾压式；划伤式 按料按磨损表面分类三体磨料；二体磨料 磨 机磨 按相对硬度分类软磨料磨损；硬磨料磨损 损 理损 按相对运动分类固定磨料磨损；自由磨料磨损 分 腐蚀磨损 类 疲劳磨损 冲蚀磨损 微动磨损 冲击磨损 从物理与化学观点分析，磨损是发生在两物体相对运动的表面，而且是在 很薄的一层工作表面上，在磨损过程中一个重要的特征是机械能转交为热能， 加热与冷却都以非常快的速度进行，物体表面具有相当大的活性和相当高的自 由能，材料表面与亚表面的组织与性能同内部是不一样的。材料表面原子会与 环境( 介质) 发生相互作用，产生物理吸附，化学吸附或化学反应，使材料表面 可能产生加工硬化层或者形成表面织构，将会影响材料的磨损过程。 武汉理工大学硕士学位论文 从原子与作用力分析，由于相互接触的两物体表面，其中一个物体表面的 原子可能与另一物体表面的原子靠近，甚至进入斥力场，在相对运动时，两表 面分子就会产生能量损耗。在相对运动中将有些原子进入斥力场，而有另一些 原子将离开斥力场，其变化大小，决定于接触程度，而其定量数决定于统计学 的相率。当两物体充分接近时，原子将被排斥而其自然的趋向是回到它原来的 位置上去，然而这似乎是一个不可能的假说，即原子可能被撞击出，并且运动 的足够远，以至进入相对表面上另一个原子场内，在这里得到新的平衡位置。 也就是说原子从一个物体表面上被对面的另一物体表面俘获去，这就是磨损的 实质。人们根据不同条件进行不同的分类，常见的分类方法见表2 4 所示。 在这些类型的磨损中，磨料磨损最为普遍存在，约占各种磨损的5 0 ，粘 着磨损次之，约占1 5 ，化学腐蚀磨损居第3 位，约占8 ，微动磨损约占7 。 2 2 2 磨损主要形式及其转化 在研究磨损形式时，应该考虑实际工况条件的特点，而不能靠单一的条件 来解释类型。表2 - 5 为五种常见磨损形式的内容和磨损特点，其中磨料磨损、 粘着磨损、疲劳磨损是磨损的基本类型，人们对这三种磨损形式进行了较深入 的研究，提出了各种观点来进行阐述n 引。而腐蚀磨损、微动磨损只是在某些工 况下才存在，相对来说研究得不够。 表2 5 五种常见磨损类型 类型内容 特点表面形貌 磨料磨损 在摩擦过程中，因硬的颗粒或硬的凸出物，冲磨料作用于材料 擦伤、沟 刷摩擦表面而引起材料脱落的现象表面而破坏 纹、条痕 粘着磨损 摩擦副相对运动时，由于固体焊合，接触点表 接触点粘着 锥刺、鳞 面材料由一个表面转移到另一个表面的现象 剪切破坏 尾、麻点 两接触表面做滚动或滚动滑动复合摩擦时，因 表层或次表层受 裂纹、 疲劳磨损 周期性载荷作用，使表面产生变形应力，从而接触应力反复作 点蚀 使材料导致裂纹和分离出微片或颗粒的现象用而破坏 腐蚀磨损 在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学 化学或电化学反反应产物： 或电化学反应，产生材料损失的现象 应的表面腐蚀膜微粒 微动磨损 两接触表面相对低振幅振荡而引起表面复合复合式磨损复合式形 磨损出现的材料损失现象貌 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 除了上述五种主要磨损类型之外，还有一些其他的磨损类型，例如冲蚀磨 损、热磨损等等。冲蚀磨损是指液体冲击固体表面而造成的磨损，它包括颗粒 冲蚀、流体冲蚀，气蚀和电火花冲蚀。热磨损是指在滑动摩擦时，由于摩擦表 面温度升高使金属组织软化而使表面“涂抹 、转移和摩擦表面微粒的脱落。下 面就前三种主要磨损形式及其转化进行分析。 2 2 2 1 磨料磨损 磨料磨损经常是多种磨损机制综合作用的结果，而且随着磨损条件的转化， 可以从一种磨损机制转化为另一种磨损机制。 1 磨料磨损过程中材料去除的两种机制 1 ) 由塑性变形机制引起的去除过程：当磨料与塑性材料表面接触时，主要 会发生两种主要的材料去除过程。一是犁沟，材料受磨料的挤压向两侧 产生隆起。这种过程并不会直接引起材料的去除，但在多次变形后会产 生脱落而形成二次切屑；二是微观切削，材料在磨料作用下发生如刨削 一样的切削过程。这种过程可直接造成材料去除，形成一次切屑。 2 ) 由断裂机制引起的去除过程：这种过程在脆性材料中特别重要。陶瓷、 碳化物和玻璃等对于断裂破坏都十分敏感。 3 ) 两种机制的转换：在磨料磨损过程中，无论是塑性材料或脆性材料，都 可能同时发生塑性变形及断裂两种机制。只是由于磨损环境和材料等条 件不同时，某一机制会占主导地位，条件变化时往往会发生机制间的转 换。 2 磨料磨损的影响因素 1 ) 磨料特性，包括磨料硬度、磨料尺寸和磨料形状： 2 1 材料机械性能和微观组织，包括材料机械性能和材料微观组织； 3 ) 工况和环境条件的影响，包括速度、载荷、磨损距离、磨料冲击角以及 环境湿度、温度和腐蚀介质条件等。 2 2 2 2 粘着磨损 摩擦副接触时，由于表面不平，实际接触面积远小于名义接触面积，发生 的是点接触，在相对滑动和一定载荷作用下，在接触点发生塑性变形或剪切， 致使表面膜破裂，摩擦表面温度升高，接触点产生粘着。这种由于粘着作用使 摩擦材料由一个表面转移到另一个表面而引起的机械磨损现象，称为粘着磨损。 粘着磨损的主要影响因素有：材料的性质，载荷和表面温度，而速度和压 力又是影响摩擦表面温度的主要因素。粘着磨损也是一种常见的磨损形式，它 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 的发生与发展十分迅速，容易使零件或机器发生突然事故，造成巨大的损失。 根据磨损程度，常把粘着磨损分为以下四种： 1 ) 涂抹：剪切发生在离粘着结合点不远的较软金属的浅表层内，此时较软 金属的剪切强度小于界面处的焊接强度，而硬金属的剪切强度高于界面处的焊 接强度。软金属涂抹在硬金属表面上形成轻微磨损。随着正压力加大，磨损将 显著加剧。 2 ) 擦伤：剪切发生在软金属的亚表层内，有时硬金属表面也被划伤，此时 接触表面的剪切强度既大于软金属，也大于硬金属。转移到硬金属表面的粘着 物对软金属有犁削作用。 3 ) 粘焊：粘焊又称为胶合，它的实质是固相的焊合。当然也不排除液相的 发生及作用。以塑性变形为主要原因引起的粘焊，分子吸引起重要作用，这种 冷焊叫第一类胶合。由于摩擦热，接触表面温度升高为主要原因的粘焊称为热 粘着或第二类胶合。 4 ) 咬卡：当外力不能克服界面的结合强度时，摩擦副的相对运动将被迫停 止，这种现象称为咬卡或卡死。 影响粘着磨损发生和发展的因素很多，总结起来可概括为两个主要方面。 其一是摩擦副本身的材质和特性，如金属的互溶性( 互溶性好的摩擦副粘着倾向 大) 、原子结构、晶体结构以及显微组织等；其二是工作条件，包括滑动速度、 载荷、工作温度、湿度、润滑条件等。 2 2 2 3 疲劳磨损 疲劳磨损是两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过 材料的疲劳强度的情况下，摩擦表面材料微体积在反复交变应力的作用下由于 重复变形使其产生裂纹并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨 损过程。它在摩擦副工作的初期阶段一般不会发生，而发生在摩擦副经过长时 期工作以后的阶段。 疲劳磨损有两种基本类型：发生于滚动接触时的宏观疲劳磨损和发生在滑 动接触时的微观疲劳磨损。论文研究的离合器是滑动的干摩擦式离合器，其发 生的疲劳磨损为微观疲劳磨损。 疲劳磨损的最普遍形式是点蚀和剥落，主要出现在呈滚动接触的机器零件 表面上，如滚动轴承、齿轮、