（机械设计及理论专业论文）微型汽车离合器摩擦学性能及其应用研究.pdf

摘要 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，摩擦片性能直接影响离合器的使用寿命和微型 汽车传动系统的稳定性。国内外在特殊车型离合器摩擦片摩擦磨损性能、制动 器刹车片摩擦磨损性能以及不同材料组成造成摩擦磨损性能差异等几方面进行 了深入的研究，但对于微型汽车离合器摩擦片摩擦磨损性能、热负荷性能、摩 擦片寿命估算等方面缺乏全面的研究。这与蓬勃发展状态的微车行业严重脱节， 使得进行微型汽车离合器摩擦片性能的研究势在必行。 本论文的研究目的在于为优化微型汽车离合器结构、解决现有的离合器摩 擦片早期异常磨损等故障现象、离合系统设计、离合器摩擦材料选型等方面提 供理论基础和数据支持。本论文的工作及创新点如下： ( 1 ) 设计适合微型汽车离合器摩擦材料的成分及其配比，并根据离合器摩擦 材料的生产工艺流程，制备试验样件； ( 2 ) 使用正交试验设计的方法提出影响离合器摩擦片摩擦磨损性能指标的因 素主次顺序为：载荷p ，转速v ，载荷与转速交互p v ，环境温度和转速交互 t v ，环境温度和载荷t x p ，环境温度t ；提出摩擦磨损性能最佳试验条件 分别为：环境温度t 取1 0 0 ( 2 ；载荷p 取1 5 0 n ；相对转速v 取4 3 0 r m i n ，并对 摩擦性能试验做了详细拓展设计； ( 3 ) 通过载荷和转速耦合试验、转速和载荷耦合试验，发现载荷、转速和p v 值对微型汽车离合器摩擦片摩擦磨损性能影响的一般规律；并建立了温度、磨 损量与载荷、转速关系的数学模型； ( 4 ) 根据摩擦片摩擦热产生和传递的原理，分析得出摩擦片表面温度分布的 规律是在外径边缘温度最高，沿着径方向向内呈阶梯状逐步降低；提出单次接 合时摩擦表面平均温度的计算公式：运用摩擦学原理解释摩擦片热衰退现象一 酚醛树脂的高温热分解是导致微型汽车摩擦材料摩擦热衰退的主要原因； ( 5 ) 总结了微车摩擦片摩擦机制和磨损机理，提出摩擦过程的五种摩擦模型， 并结合摩擦片表面形貌对磨损机理进行分析。提出通过试验数据分析统计方法 得到摩擦材料磨损率1 w ，从而正确的估算实际使用寿命里程的计算方法。 关键词：微型汽车；离合器；摩擦学性能；寿命估算 a b s t r a c t c l u t c hi sak e yc o m p o n e n ti na l la u t o m o t i v es e c t i o n ，w h i c he n s u r e sas m o o t h s t a r ta n ds h i f ta sw e l la sap o r t a b l ec o n t r o lo fa u t o m o b i l e s a st oam i c r o a u t o m o t i v e c l u t c h ，p e r f o r m a n c eo ff r i c t i o np l a t ed i r e c t l ya f f e c t si t su s e f u l - t i m ea n dd r i v e l i n e s t a b i l i t y p r e s e n t l yi n t e n s i v es t u d i e sa r et a k e no nw e a ra n df r i c t i o np e r f o r m a n c eo f f r i c t i o np l a t ea n db r a k ep a d sf o rc l u t c h e si ns p e c i a lv e h i c l e sb o t l la th o m ea n da b r o a d , w h i l el e s sr e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u to nw e a ra n df r i c t i o np e r f o r m a n c e ，h e a t - l o a d p e r f o r m a n c ea n dl i f ee s t i m a t i o nf o rt h o s ei nm i c r o - a u t o m o b i l e s ，r e s u l t i n gi nag a p w i mt h ep r o s p e r o u sd e v e l o p m e n to fm i c r o a u t o m o b i l ei n d u s t r y h e n c ear e s e a r c ho n t h ep e r f o r m a n c eo fc l u t c h sf r i c t i o np l a t ei nm i c r o - a u t o m o b i l e si si m p e r a t i v e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n dd a t as u p p o r tf o r o p t i m i z a t i o no fc l u t c hs t r u c t u r e s i nm i c r o - a u t o m o b i l e s , a n a l y s i so fe x i s t i n gf a u l t s s u c ha se a r l ya b n o r m a lw e a ro ft h ec l u t c h sf r i c t i o np l a t e ，d e s i g no fc l u t c hs y s t e m s ， a n ds e l e c t i o no fc l u t c hf r i c t i o nm a t e r i a l s 1 h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e s0 1 1f i v ei m p o r t a n ta s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 ) d e s i g nam a t e d a w i t hac o m p o s i t i o na n dp r o p o r t i o na p p r o p r i a t e t o m i c r o a u t o m o t i v ec l u t c h e sa n dp r e p a r eat e s ts a m p l eb a s e do np r o d u c t i o n p r o c e s so f c l u t c hf r i c t i o nm a t e r i a l 2 ) t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ef r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c e so ft h ec l u t c h f r i c t i o np l a t ea r ep r o p o s e db yo r t h o g o n a lt e s t , w h o s ep r i m a r ya n ds e c o n d a r y o r d e ri s ：l o a d 只s p e e dwt h ei n t e r a c t i o no f1 0 a da n ds p e e dp x 钐t h e i n t e r a c t i o no fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n ds p e e dt 、a m b i e n tt e m p e r a t u r e a n dl o a dt 只t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r et t h eb e s tt e s tc o n d i t i o n so f f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e sa r ep r o p o s e d 弱f o l l o w s ：aa m b i e n tt e m p e r a t u r e o f10 0 ，al o a do f15 0 n ，a n dw i t ht h er e l a t i v es p e e do f4 3 0 r m i n ，a n dt h e f r i c t i o np e r f o r m a n c et e s ti sd e s i g n e de x t e n s i v e l y 3 ) p r o v i d et h eg e n e r a ll a wt h a tl o a d ，s p e e da n dp vv a l u ee f f e c to nt h ef r i c t i o n a n dw e a rp r o p e r t i e so fc l u t c hf r i c t i o np l a t ei nm i c r o - v e h i c l e e s t a b l i s ht h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hl o a da n ds p e e d 4 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e st h a tt h eh e a to f f r i c t i o ng e n e r a t ea n dt r a n s m i t ，t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni a w o ft h ef r i c t i o np l a t es u r f a c ew a so b t a i n e d ，w h i c h w a st h eh i g h e s tt e m p e r a t u r el i e si nt h ee d g eo ft h ef r i c t i o np l a t ea n dt h e t e m p e r a t u r ew a sg r a d u a l l yd e c r e a s e di nas t e pw a ya l o n gt h ed i r e c t i o no f d i a m e t e r ；a n daf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ff r i c t i o n s u r f a c ei nt h ec o n d i t i o no fo n c ec o n n e c t i o nw a sd e d u c e d ；a n dt h eh e a tf a d i n g p h e n o m e n o no ff r i c t i o np l a t ew a se x p l a i n e db a s e do nt r i b o l o g yt h e o r y , w h o s ee s s e n c ew a st h es h a r pd e c r e a s eo ff r i c t i o nc o e f f i c i e n td u et ot h e l u b r i c a t i n gl a y e rg e n e r a t e db yt h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fr e s i n 5 ) f i v ef r i c t i o nm o d e l sf o rf r i c t i o np r o c e s sw a sp r o p o s e dt h r o u g hc o n c l u d i n g t h er u c t i o na n dw e a rm e c h a n i s mo ff r i c t i o np l a t e si nm i c r o - a u t o m o b i l e s ，a n d t h ew e a rm e c h a n i s mc o m b i n e dw i t ht h es u r f a c em o r p h o l o g yo ff h c t i o np l a t e w a sa n a l y z e d t h ef r i c t i o nm a t e r i a lw e a rr a t e1 ww a sc a l c u l a t e d , a c c o r d i n gt o t h es t a t i s t i c a lm e t h o d so ft e s td a t a , s oa c t u a ll i f em i l e a g ec a nb ee s t i m a t e d e x a c t l y 一k e y w o r d s ：m i c r o a u t o m o b i l e ；c l u t c h ；t r i b o l o g yp e r f o r m a n c e ；l i f ee s t i m a t i o n g l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学或其他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。 签名：酸盛日期：圣啤：! 兰：17 学位论文使用授权书 本人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) c 捌：陬遵涨期d 卜 乡 武汉理工大学博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 微型汽车是我国自加入w t o 之后，在汽车行中受到最小冲击的车型。2 0 0 0 年以后，我国微型汽车产业一直处于一种爆炸式的增长状态，并且产业越来越 集中化。目前国内微型车市场份额的9 5 以上由五菱、长安、昌河、哈飞等主 要汽车公司占有。这种跳跃式发展的主要动力表现在以下几个方面：1 ) 国民经 济的飞速发展，原来低端的农用车市场逐渐被中低档的微型汽车取代，满足了 低端市场的需要，特别适合中短途运输，乡镇使用；2 ) 微型汽车具有用途多样， 品种齐全，价格低廉，低油耗低污染，投资少，回报快优势；3 ) 由于国外汽车 巨头如通用、福特，本田，丰田等汽车商很少生产微型汽车，因此受到外部冲 击较小。 据数据统计，2 0 0 2 年全国微型汽车产量为8 0 万辆，而到2 0 0 8 年，就上汽 通用五菱汽车股份有限公司生产的微型汽车就达到7 6 万辆，预计2 0 0 9 年可达 到1 0 8 万辆。同时，我国微型汽车在国际市场的竞争实力也非同小可，如通用 公司将上汽通用五菱公司作为微型汽车生产的基地，2 0 0 8 年向拉美市场销售， 年出口量为1 0 万。 在微型汽车的这种蓬勃发展状态下，各企业专注于生产和商业化运作，由 于对技术、人才、研发储备准备不足，虽然已经投入大量资金组建研发队伍， 但是相对于市场的爆炸式发展，在汽车技术上相对于其他车型的基础研究仍然 显得滞后，如上汽通用五菱仍然需要上海泛亚方面的技术指导。特别是随着产 量的增加，从市场反馈回来的微型汽车售后信息来看，发动机、前桥、后桥、 制动、离合器、减速器等关键零部件的返修率均比中高档的商用车和乘用车的 比率要高，摩擦磨损严重导致提前检修更换，影响了企业的效益，汽车质量形 象。这类问题也主要表现在两方面，一方面是本身设计问题，由于国内中高档 车厂商均与国外汽车商合资经营，可以直接采用外国较为成熟的技术，而我国 微型汽车基本以自己的技术力量为基础发展起来的，前期技术投入，积累以及 基础研究投入不足，另一方面，微型汽车本身要求汽车的零部件价格要经济便 宜，便于降低整车售价以及售后服务的费用，因此在加工工艺、材料上必然受 到一定的制约和限制。在这种现状下，国内微型汽车厂商需要对汽车的关键零 武汉理工大学博士学位论文 部件进行相关基础性研究开发，形成各关键零部件的标准化设计，优化各关键 零部件的寿命分析设计，以提高汽车质量。 离合器作为汽车的主要零部件对汽车的综合性能起着关键作用。在对微型 车干摩擦离合器的故障统计中发现，异常磨损是主要故障原因。磨损过程一般 分为磨合阶段( 此时轻微磨损属于正常现象) 、稳定磨损阶段( 磨损量较小、时 间较长) 、剧烈磨损阶段，离合器的正常磨损是前两个磨损阶段。在 5 0 ) ，冲击强度降低，热衰退严重，摩擦性能与磨损性能不稳定，且容易产生 界面裂纹。造成树脂性能不稳定的主要原因【2 3 l 是：树脂中的苯酚含有次甲基， 该基团是刚性结构，易导致树脂硬而脆，使冲击强度降低。在酚醛的分子结 构上缺乏粘结力极强的基团，使树脂的粘结性差。树脂分子中酚羟基是一个 强极性基团，极易吸水，导致制品性脆、强度降低，同时由于酚羟基是弱键连 接，在受热或紫外光作用下，易生成醌或其它结构，其耐热性差。针对这些缺 点，围绕着树脂基摩阻材料的性能要求，已有许多其他类型酚醛树脂及多种改 性酚醛树脂被开发。 在充分考虑各种改性树脂的优缺点、经济性等因素后，本论文选取了腰果 壳油、三聚氰胺改性酚醛树脂。腰果壳油、三聚氰胺改性酚醛树脂具有较大的 耐热性、柔韧性、抗衰退性、硬度适中、冲击强度大；以该树脂为基体制成的 摩擦材料性能良好，达到国标要求。 1 4 武汉理工大学博士学位论文 2 i 2 增强纤维材料的选用 目前，国内无石棉摩擦材料的研究报道非常多，所选用的增强纤维主要有玻 璃纤维、钢纤维、矿物纤维、陶瓷纤维、有机纤维、碳纤维等。增强纤维的主 要作用是使摩阻材料具有良好的强度、柔韧性等机械性能，提高摩阻材料的抗 冲击、剪切和弯曲性能，降低摩阻材料裂纹或是崩缺现象的发生，同时，增强 纤维可使摩阻材料具有优良的摩擦磨损性能。本文采用改性玻璃纤维和微量钢 纤维混合制备摩擦材料，主要是因为玻璃纤维是代替石棉纤用于树脂基摩阻材 料的一类极广泛的增强剂，其优点是：强度高、摩擦系数高、热稳定性好、对 人体的危害性远低于石棉，且成本较低，但玻璃纤维作为增强材料的最大问题 在于磨损量大【7 7 1 ，研究表明瞄1 玻璃纤维经过表面高温灼烧、等离子体和偶联剂处 理后，可以降低摩阻材料的磨损量，提高摩阻材料摩擦系数稳定性，摩阻材料 的摩擦磨损性能符合g b 5 7 6 3 8 6 的规定。 在摩阻材料中，各组分的质量分数对摩擦副接触表面的摩擦因数、冲击性 能都有一定的影响，玻璃纤维增强剂占整个材料质量分数一般较大，因此，合 理配比玻璃纤维的质量分数是稳定摩阻材料摩擦磨损性能的关键。当玻璃纤维 质量分数较小时，材料的强度不够大，抗冲击性差，在较大的正压力下，各类 摩擦性能调节剂容易脱落，造成摩擦力矩不能满足要求，摩擦系数小，磨损量 大等后果；当玻璃纤维质量分数过大时，摩阻材料整体强度增大，玻璃纤维承 受较大的摩擦力矩，其他成分不易脱落，对降低磨损量有一定益处，但基体树 脂的质量分数相对减少，当表面达到一定温度时，树脂的粘结作用大大降低， 使得玻璃纤维容易被拉伸、剥落，造成摩擦力矩降低引起摩擦系数减小，同时 磨损量急剧增加。研究表明【2 3 j ：在摩擦材料中，玻璃纤维质量分数以1 5 * , , - - 2 5 为宜。 在玻璃纤维增强的摩阻材料中，玻璃纤维的长度对摩阻材料的力学性能、 摩擦磨损性能和加工性能都产生很大的影响。当玻璃纤维的长度过短时，没有 达到增强的效果，相当于大块的填料，而且玻璃纤维的表面积增大，增加了对 基体树脂等有机物的吸附作用，使得树脂的粘结作用下降，玻璃纤维容易被拉 伸、剥落，造成摩擦力矩不稳定引起摩擦性能不稳定，同时磨损量急剧增加且 不稳定。在一定程度上，组分间的界面组成情况决定了摩阻材料的摩擦磨损性 能，当玻璃纤维过长时，与其他组分难以均匀混合，界面组成情况受到严重的 影响，使得其他物料没有发挥应有的作用，引起摩擦性能不稳定，摩擦系数较 武汉理工大学博士学位论文 低，磨损量增加，同时，过长的纤维回弹性降低，造成加工性能随之降低，难 以加工成型。研究表明：玻璃纤维的长度以4 8m m 为宜【2 3 1 。 2 1 3 摩擦性能调节剂的选用 摩擦性能调节剂( 也称填料) 是摩擦材料中不可缺少的组分，其在摩擦材料 中主要起改善材料的物理与机械性能、调节摩擦性能及降低成本的作用。所谓 摩擦性能调节，实际上是指摩擦制品性能的调节，它包括：摩擦系数、磨损性 能及它们的稳定性，特别调节摩擦系数和温度、摩擦系数和速度、摩擦系数和 载荷之间关系的稳定；硬度的调节；冲击强度、剪切强度的调节；尺寸稳定性 的调节( 控制热膨胀性能) ；减小摩擦噪声的调节；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。 摩擦性能调节剂以无机化合物和金属为主，也有少量的是有机化合物。无 机化合物填料一般分为减摩填料和增摩填料。减摩填料的作用主要是降低摩擦 系数，提高耐磨性，减少噪音，主要有m o s 。、石墨、低熔点金属、滑石和云母等。 金属填料主要包括铁粉、铜、铝粉及锌粉等。有机填料起到提高力学性能、改 性酚醛树脂、稳定摩擦性能等作用，常用有橡胶粉粒、腰果壳粉等，研究表明i l 叫： 通常加入2 的丁腈橡胶即可达到较为理想的增韧效果。 本文选用质量分数2 的丁腈橡胶作为有机填料；硅石灰粉、蛭石粉、黑铁 粉、云母粉、三氧化二铝、铁丹粉、石墨、碳黑和抗氧剂等无机填料。这是由 于蛭石粉含有铁、镁的铝硅酸盐，可以起到降低摩阻材料的密度、硬度，提高 热稳定性的效果；铁丹粉主要成分是f e 2 0 3 ，铁丹粉填充的数值基在3 0 0 “0 0 下仍有较高的摩擦系数；三氧化二铝粉末可以提到摩擦系数；在摩擦材料中还 有少量的石墨可以有效的降低其磨损量。 2 1 4 摩擦材料的成份组分 本文所研究的摩擦材料的成分组分如表2 - 1 所示。 表2 1 摩擦材料成分与组分 成分腰果油改性玻璃纤钢纤维丁腈橡硅石灰黑铁粉 树脂 维胶粉 质量百分比 1 82 5521 51 0 1 6 武汉理工大学博士学位论文 成分三氧化二铝石墨粉蛭石粉云母粉铁丹粉抗氧剂 质量百分比 4456 5 1 2 2 摩擦材料的制备 对同一代摩阻材料配方，它的制备工艺和条件都是比较接近的，原因是目 前使用的酚醛树脂或它的改性产物的熔化和固化温度及固化时间必须满足生产 要求。酚醛树脂的熔化和固化温度太高，或者固化时间太长，耗费加热电能或 其它能源，会增加生产成本；在较低温度下能熔化和固化的酚醛树脂，缺少应 有的粘结强度，不适合制作摩阻材料。此外，选择压力太低，摩阻材料难以成 型；选择压力太高，增加成型设备的吨位和磨损。因此，同一代摩阻材料制备 工艺和条件基本相同，这也是这方面的研究很少见诸杂志和书本的原因。 依据离合器面片的应用环境，可分为干式和湿式两类，干式用于干燥的空 气环境中，湿式用于油润湿的条件下。干式离合器面片生产工艺流程基本上可 分为湿法、干法半、干法三种。干法工艺过程简单，生产成本低，环保及生产 安全问题轿湿式易解决，但是所制得面片强度较低，要达到高速车辆离合器面 片超速离心破坏的标准比较困难，所以干法生产的离合器面片大多数用于低速 车辆上。微型汽车离合器面片的生产多数采用干法生产工艺。 干法的特点是不适用溶剂和浆料，作为骨架材料使用的是短纤维，而不是 长纤维柬或长纤维织物。其工艺流程如图2 1 所示。 图2 - 1 干法生产离合器摩擦样件工艺流程 1 7 武汉理工大学博士学位论文 主要工艺流程介绍如下： 1 ) 原材料的预处理 为了简化工艺，一般的原材料不进行表面预处理，对玻璃纤维，采用玻璃 纤维在3 0 0 下灼烧1 0m i n ，然后放入j s 4 5 0 a 型射频溅射装置内进行等离子体 处理，最后放入l o o , - , 2 有机硅烷偶联剂溶液中浸润3 0m i n ，烘干后即可得到表 面处理好的玻璃纤维。对钢纤维，采用无水乙醇对钢纤维进行清洗，去除钢纤 维表面的氧化物、灰尘等杂质，烘干待用。 2 ) 混料 按质量分数进行称量树脂、骨架材料、摩擦性能调节剂和其他助剂，将所 有配好的原料放入搅拌机中低速搅拌5 1 0 m i n ，为了防止搅拌对纤维造成损伤， 最后加入预处理的玻璃纤维和钢纤维，总的混料时间为1 0 - 1 5m i n 。 3 ) 冷压 将混合好的粉料加入到冷压机的模具里，加压到5 m p a ，保压1 5 分钟，再 将压力加到8 m p a ，保压1 5 分钟，卸载取下模具，得到素块试样。 4 ) 热压成型 热压过程中的压制温度、压制压力和保压时间对摩擦材料的最终性能有很 大影响，被认为是成型工艺的三个最重要控制参数【6 7 1 。总的来说，压制温度较 低，树脂的固化速度较慢，能保证树脂对纤维和填料的充分浸润。钢背经除去 表面油渍后在喷砂机里抛光以除去表面锈斑，涂上胶干燥。把涂胶的钢背和冷 压素块放入模具里，在压力是2 5m p a ，温度是1 6 5 。c 的热压机上压制成型达1 5 m i n ，为了保证压制过程中产生的气体充分释放，防止摩擦材料出现气泡、开裂 等缺陷，热压开始时每5 秒放气一次，共5 次。保压1 5 分钟时间，保压过程中， 每隔3 分钟放气一次。为了使树脂彻底固化，稳定摩擦材料的性能，需要对热 压后的制品进行后续热处理。 5 ) 热处理 为了使树脂能够彻底固化，稳定摩擦材料的性能，需要对热压后的制品进 行后续热处理。将冷却的材料取出后，先在温度是1 2 0 。c 烘箱中热处理1 h ，随 后在温度是2 0 0 烘箱中热处理8 h 。 2 3 对比摩擦材料的选取 为更好地研究微型汽车离合器摩擦材料的摩擦磨损性能，本文还选取了多 武汉理工大学博士学位论文 数国内微车制造商选用的离合器摩擦材料为对比材料，并对这种面片进行了主 要元素分析。 1 ) 主要元素分析研究方法简介 多元素分析最通用的办法是电感耦合等离子体发射光谱分析( i n d u c t i v e l y c o u p l e ds p e c t r u m a t o me m i s s i o ns p e c t r u m ，i c p a e s ) ，通过观察不同元素对应 的光谱线，对材料所含的元素进行定性分析。定量分析的基础是基于光谱线强 度和浓度的关系，通常利用罗马金公式的对数形式绘制校正曲线，获得良好的 线性关系。 2 ) 试验编号 本论文所配置摩擦材料和所选用的微型汽车离合器摩擦材料样品编号为： a 1 # 、b 1 撑。 3 ) 试验仪器 美国p e 公司，o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o m e t e r ，o p t i m a4 3 0 0 d v 4 ) 试验步骤 a ) 取a - 1 稃、c i # 样品，重量均不超过1 9 ； b ) 将a 1 群样品放入瓷坩埚( a 1 2 0 3 ) ，加热至9 0 0 c ，烧2 h 左右，烧掉有机 物成分； c ) 将步骤b ) 中剩余的灰渣放入塑料网坩埚，倒入酸溶液( 盐酸、硝酸、氢 氟酸等) ，在电热板上加热，溶解灰渣；蒸干，加入2 m l 盐酸，彻底溶 解残渣；用蒸馏水定容到1 0 0 0 m l 的容量瓶； d ) 配标准溶液，分别测量浓度为0 和浓度为1 0 时的强度，作标准曲线； e ) 将定容后样品溶液上机测量； f ) 重复b 卜_ e ) ，对另外一种样品进行测量。 5 ) 试验数据 试验数据如表2 2 所示 表2 2 摩擦片金属材料成分及其含量表 ：裟掣l a - 1 撑b 1 撑 p a r a m e t e r s i n i t i a ls a m p l ew t ( g )0 2 0 0 9 60 2 6 1 8 5 s a m p l ep r e pv o l ( m 1 ) 1 0 0 0 1 0 0 0 m o2 0 2 0 3 10 0 0 3 0 0 0 8 s i2 5 1 6 1 11 0 6 0 5 1 0 6 1 l 1 9 武汉理工大学博士学位论文 s n1 8 9 9 2 7 0 1 6 8 t i3 3 4 9 4 00 0 5 5 o 1 3 4 w2 0 7 9 1 20 1 7 50 0 4 4 s b2 0 6 8 3 60 0 0 30 0 1 2 a i3 9 6 1 5 31 1 6 5 2 2 8 5 b2 4 9 6 7 70 3 7 9 0 8 3 4 b a2 3 3 5 2 70 0 1 50 3 5 3 c a3 1 7 9 3 39 7 9 45 9 6 8 c r2 6 7 7 1 60 0 0 70 0 0 6 c u3 2 7 3 9 37 8 0 22 1 1 8 f e2 3 8 2 0 40 2 0 74 7 7 8 k7 6 6 4 9 00 0 6 10 5 2 9 a n a l y t e ( w t ) l i6 7 0 7 8 40 0 0 60 0 0 9 m g2 8 5 2 1 3 0 5 3 40 3 0 0 m n 2 5 7 6 1 00 0 0 50 0 1 4 n i2 3 1 6 0 4 0 0 3 0 p b2 2 0 3 5 30 5 9 10 0 2 7 v2 9 0 8 8 00 0 0 10 0 0 4 z n2 0 6 2 0 06 2 3 82 0 9 0 b e3 1 3 1 0 7 0 0 0 0 s e1 9 6 0 2 60 0 0 3 n a5 8 9 5 9 20 1 3 40 2 4 1 l i6 1 0 3 6 20 0 0 60 0 1 0 s r4 2 1 5 5 2 0 0 4 70 0 8 9 s r4 6 0 7 3 30 0 4 70 0 8 5 z r3 4 3 8 2 30 0 1 0o 0 1 1 通过对微型汽车离合器摩擦材料生产厂家的调研和上表数据的分析，这种 摩擦材料均以酚醛树脂为基体，玻璃纤维为主体增强纤维，同时辅以少量钢、 铜等金属纤维混杂增强，石墨、腰果壳油摩擦粉、铬铁矿粉、石灰石、硫酸钡 等多种材料作为填料。因此，这两种离合器摩擦材料的组元基本相同，但是各 组元的含量不同。 2 4 摩擦材料物理性能测试 摩擦材料的物理性能主要包括以下几个因素： 密度：参照g b l 0 8 6 塑料密测试方法，用排水法测量。 武汉理工大学博士学位论文 冲击强度：用来衡量材料在高冲击状态下韧性或对断裂的抵抗能力，常用 的试样简支梁冲击强度系试样在断裂时所消耗的冲击能量，以k j m 2 表示。一般 根据待测试样有无缺口可分别测缺口冲击强度和无缺口冲击强度，具体方法按 g b 厂r 1 0 4 3 9 3 测定。 压缩强度：参照g b t 1 0 4 1 9 2 塑料压缩性能试验方法，在c m t 5 1 0 5 电子万 能试验机测试。 硬度：采用济南时代试金仪器有限公司研制h b - 3 0 0 0 b - i 布氏硬度计进行测 量。 比热容：采用差示扫描量热法，将标准件( 通常为蓝宝石) 和被测件在在 相同的条件下进行试验，由于标准件比热容已知，结合试验结果( 温度) 得出 其比热容比例系数，从而推算出被测件比热容。在测定材料连续比热容方面， 该方法有着突出的优势。 热传导系数：采用非稳态测量方法，测量原理是对处于热平衡状态的试样 施加某种热干扰，同时测量试样对热干扰的响应( 温度随时间的变化) ，然后根 据响应曲线确定试样材料热物性参数的数值。在非稳态测量方法中，测量信号 是时间的函数，因而可以分别或同时得出热导率、体积热容，以及组合参数如 热扩散率、蓄热系数等。 具体的测试结果见表2 3 。 表2 - 3 摩擦材料物理性能表 参数密度冲击强度压缩强度硬度热传导系数九 比热容c p ( k g m 3 )0 0 m 2 )( m p a )( h b )( w ( c m 。k ) )( j ( g k ) ) a 1 9 6 05 5 24 5 22 50 0 0 8 6 71 4 1 3 b1 7 5 05 1 36 0 32 00 0 0 6 6 72 4 1 2 2 5 本章小结 本章根据文献和实际情况设计出适合微型汽车离合器摩擦材料的成分及其 配比，并根据离合器摩擦材料的生产工艺流程，制备了试验所需要的试验样件， 并测试了相应的物理性能。 2 l 武汉理工大学博士学位论文 第3 章微型汽车离合器摩擦磨损性能试验设计 摩擦磨损性能主要指在不同工况条件( 温度、速度、压力) 下的摩擦系数、磨 损量( 率) 、振动噪声等。摩擦学大量研究表明，离合器摩擦材料摩擦磨损性能不 是一个固定的特性，而是摩擦材料自身性质与使用工况的函数，在不同的工况 条件下，它具有不同的表现特征。摩擦材料摩擦磨损性能试验的目的就是考察 摩擦材料在不同试验条件下的摩擦磨损性能，并根据试验结果对材料配方和制 造工艺进行调整，使摩擦材料的性能最终能够满足车辆实际使用的要求。所以 试验方法对摩擦磨损性能测试评价显得至关重要。 在摩擦磨损性能试验中，摩擦材料的摩擦系数和磨损量( 磨损率) 是直接用来 评定摩擦副的摩擦性能和磨损性能的考查指标t 7 9 , 8 0 。本试验设计主要用于研究微 型汽车离合器在不同工作条件下对摩擦片摩擦磨损性能的影响，即研究离合器 摩擦副( 摩擦片和压盘) 在离合过程中的工作载荷、滑动速度、环境温度对摩擦 片摩擦系数和磨损量的影响，同时，通过对比试验，比较不同的离合器摩擦材 料在相同工作条件下的摩擦磨损情况，综合评价摩擦材料的材料配方和制造工 艺的优劣。 3 1 试验设备 微型汽车离合器摩擦磨损性能试验一般可以分为实验室样件试验即小样试 验、模拟性综合台架试验和实际使用试验三种。本论文对微型汽车离合器摩擦 片摩擦磨损性能试验的研究主要采用实验室样件试验和模拟性综合台架试验两 种。模拟性综合台架试验采用长春中联试验仪器有限公司研制的离合器性能试 验综合试验台，实验室样件试验采用武汉理工大学摩擦所研制的高温销盘式摩 擦磨损试验机。 3 1 1 综合台架试验台 1 ) 综合试验台简介 在汽车离合器台架试验中，综合试验台主要用于模拟汽车实际的离合过程， 对离合器总成的摩擦磨损、热负荷、传递扭矩等性能进行综合测试。 本论文试验采用的综合台架试验设备是长春中联试验仪器有限公司研制的 武汉理工大学博士学位论文 离合器综合试验台，其实物图如图3 - 1 所示。主要适用于载重量小于3 0 0 0 k g 的 轿车及轻型汽车的干式摩擦膜片弹簧离合嚣总成，根据离合器摩擦力矩与压力 成正比的特性对离合器摩擦片滑动摩擦系数、耐磨性、热负荷性等性能进行测 试，具有良好的数据重现性。 图3 - 1 综合台架试验台实物图 2 ) 综合试验台工作原理 综合离台器试验台的工作原理是采用旋转的惯性飞轮模拟汽车旋转机件旋 转时所贮藏的动能即离台器接台时的能量，达到模拟汽车实际离台过程的目的。 因此在综合台架试验安装过程中，综合台架试验安装的离合器总成要与实际汽 车上安装的离合器总成的工作条件及其他状态相同。 离合器综合台架试验台基本构成主件为：电动机、主轴及惯量飞轮组、从动 轴、传动机构、连接法兰、控制与测试系统等：辅助系统为：气压或液压系统、 吹风与吸尘装置、阻计算机为核心的试验程序自动控制系统、试验数据采集与 数据处理系统等 4 1 。其结构示意图如图3 - 2 所示。 123456789 1 0 武汉理工大学博士学位论文 l 一可调速电机2 一连轴节3 一减速箱4 一支承座5 一飞轮6 一主动 轴法兰盘7 一试件( 从动盘总成) 8 试件( 盖总成) 卜从动轴法兰盘1 卜 从动轴1 1 一从动轴座 图3 - 2 综合台架试验机结构简图 以下是试验过程中重要参数的计算公式， a ) 转动惯量计算公式： 小并 上式中参数含义如表3 - 1 所示： 表3 1 转动惯量公式参数含义表 参数代码参数含义参数量纲 jx汽车k 档的当量惯量 k g 朋2 矽 汽车总质量 姆 r ， 车轮滚动半径 j 咒 l o 驱动桥减速比 变速器k 档速比 其中t 变速器k 档速比起步档位按下述原则确定： 半挂车或主车带拖挂：i 档； 单车：4 档或4 档以上变速器用i i 档； 单车：3 档或3 档以下变速器用i 档； 重型车：根据具体情况，由有关方面商定。 b ) 道路阻力矩计算公式： m ：兰：星：翌：鱼 ， k b 上式中参数含义如表3 2 所示： 表3 2 道路阻力矩公式参数含义表 参数代码参数含义参数量纲及备注 m r 道路阻力矩 n m 矽道路阻力矩系数缈= f c o s a + s i n a 2 4 武汉理工太学博士学位论文 ； 滚动阻力系数轻型：= o0 1 5 坡路角度 t g a = 8 重力加速度 肌， 其中，w ，r ，k ，l 。同转动惯量计算公式。 3 ) 综合试验台主要技术参数 综合台架试验台的主要技术参数如表3 3 所示 表3 - 3 综合台架试验台主要技术参数表 技术参数数值量纲 最大扭矩4 0 0 0nm 最高转速 1 5 0 0 r r a i n 最小可调惯量 0 5 培m 2 接合次数 2 6 次m i n 温度范围室温4 5 0 应用范围 1 0 0 4 3 0衄 重复测量精度0 1 3 1 2 高温销盘摩擦试验机 小样试验本论文采用武汉理工大学摩擦学研究所研制的高温销盘式摩擦磨 损试验机，实物如图3 _ 3 所示。高温销盘式摩擦磨损试验机是摩擦磨损性能常用 的测试设备，主要用于车用离合器摩擦片、制动器村片及工业用机械摩擦片等 非金属摩擦材料摩擦系数和磨损量的测量。 武汉理工大学博士学位论文 图3 3 高温销盘式摩擦试验机 高温销盘式摩擦磨损试验机结构原理图如图3 - 4 所示。 9l on 卜主轴2 一传力手臂3 一摩擦片试样4 一压盘试样5 滑动轴承6 一扭矩传感 器7 一滚动轴承8 平衡块9 一滑动轴承1 0 一力传感器11 一砝码 图3 - 4 高温销盘式摩擦试验机结构简图 主轴由电机带动旋转，其转速由脉宽无级调速系统变频器控制；下试样压盘 通过夹具固定在机身上；上试样要求制成2 5 r a m 2 5 m m 规格的小样品，通过夹具 固定在手臂的方孔内，通过砝码加载系统以一个恒定的压力压在下试样压盘表 面上，电机旋转时随主轴以某一转速旋转，两试样表面就产生了滑动摩擦，在 沿摩擦表面的切线方向产生摩擦力，其大小通过配有的力学传感器即时读取， f 摩擦系数是通过上、下试样之间的正压力和测得摩擦力由公式= 兰( 一摩 n 擦系数；f 一摩擦力，n ；一正压力，n ) 计算得到；并通过试验机预留的c o m 接1 3 与计算机c o m 接口相连使用的测试记录软件【8 l j 自动生成摩擦系数随时间的 变化曲线；高温销盘式摩擦磨损试验机身配有加热电炉，对下试样进行加热， 以实现在不同环境温度下的试验。摩擦表面的即时温度是通过固定在下试样试 环侧面距摩擦表面2 m m 处的热电偶由显示系统即时读取。磨损量是通过试验前 后电子天平的称重测得。 高温销盘式摩擦磨损试验机上下试样装配图如图3 5 所示。 武汉理工大学博士学位论文 卜试验机2 一定位销3 一手臂4 一摩擦片试样安装块5 一摩擦片试样6 一压盘 试样7 一压盘夹持盘8 一压盘安装附件9 一温度传感器安装孔 图3 5 高温销盘式摩擦试验机上下试样装配图 使用螺栓将上试样固定在方块夹具中，方块与手臂槽为间隙配合，方便其拆 卸。下试验压盘固定是通过压盘上的三个凸耳与下试验夹具固定，下试验夹具 通过安装附件与机身固定。 高温销盘式摩擦磨损试验机主要技术参数如表3 - 4 所示。 表3 4 高温销盘式摩擦磨损试验机主要技术参数表 技术参数数值备注 最大试验力 5 k n 准确度1 o 摩擦力范围 0 5 0 0 n 准确度1 o 温度范围 室温6 0 0 精度2 转速范围o ，- - - 6 5 0 r m i n精度5 r m i n 时间设定范围 1 s 1 2 0 0 0 s 3 2 正交试验 在工业生产和科学研究等实践中，所需要考察的因素往往比较多，而且因 素的水平数也常常多于2 个，如果对每个因素的每个水平都相互搭配进行全面 试验，试验次数是惊人的，例如，对于3 因素4 水平的试验，若在每个因素的 每个水平搭配( 或称水平组合) 上只作1 次试验，就要4 3 = 6 4 次试验，对于4 因 素4 水平的试验，全面试验次数至少为4 4 = 2 5 6 次试验，对于5 因素4 水平的试 验，全面试验次数至少为4 。= 1 0 2 4 次试验，可见，随着因素数量的增加，试验次 2 7 武汉理工大学博士学位论文 数增加的更快，另外还要用相当长的时间对这么多试验数据进行统计分析计算， 也将是非常繁重的任务，要花大量的人力、物力。如果用正交设计来安排试验