摩擦材料的FAST试验技术及其解析

摩擦材料的摩擦材料的FASTFAST试验技术及其解析试验技术及其解析 1998No 4非金属矿总第124期摩擦材料的FAsT试验技术及其 杭州 汽车摩擦材料研究所张德林摘要末文介绍了用于摩擦材料摩擦磨损 性艴州试的FAST试验机的主喜技术 数 结构 恒摩持力试验方式的 工作原理及试验蛄果评定 重点解析了恒摩擦卉试验方式中结构足寸及力学 敷闻的关系 研讨 1试样足寸 摩擦力太小及其作用丰拉对诫样压力 生紧量路压力 摩擗未敷间相对关丰的影响 从而据摩擦力等试验条件 对特殊试件足寸 25 4 12 7mm试样 摩擦力作用丰拉为68 58唧时的诫验作了计鼻 晴空了试验 数 末文蓬 比了FAST试验机与HP S型试验机之间诚骚条件的量异关键词FA ST试验扎摩擦材料讽验技术恒摩擦力 0引言FAST是FRICTION ASs SSMENT她ENING TEST词头的缩写 意为摩擦评定筛选试验 它与CHASE试验机是美国并存的两种摩擦材料摩擦磨损性能试验机 该机由美国福特汽车公司为评定制动衬片和离合器摩擦面片的摩擦 磨损性能研制而成 并用于产品质量控制 美国LINK ENGINEERINGPANY和GREEN ING ASSOCIATESINc 两厂均有生产 FAST试验机试件为小尺寸试样 具有所有小试样试验的共性 其优点是试验简捷 试验条件重复性好 试验结果可比性好 当摩擦材料产品材质不均匀性严重时 试验结果将l出现离散 因此 作为产品研制开发 则l舴较试样的试验 对此 美方对该机有较高评价 认为它能鉴别摩擦材料的摩擦磨损 性能 能监察 制造工艺过程或材料组份的变动 聊g堂试验在甩作 产品质量控制制 抱蛙番试 精军摩斌濑用试验等系统测 试井通 过 认泣的产品斌样 作FAST试验 得出的试验数据 指标或曲线柞 为评定依据 FAsT试验机的主要试验方法 是恒摩1998 04 15擦力试验 当摩擦系数因热衰退导致摩擦力衰退时 采用提高试验压力法保持 恒摩擦力 这与制动衬片在行车制动中的工作状态 加大制动踏板力提高制动系统管路压力相似 因而试验有较好的模 拟性 武汉材保所在七十年代引进了日本SHINKO工程公司制造的 FAST 定摩擦力试验机l2 其主要技术参数与美国FAST试验机不屙 仅 在定摩擦力结构 作用原理及平面摩擦副等方面相屙 杭城摩擦材料有限公司于1997年引进了美国FAST试验机 同年投入 使用 现将对该试验技术的分析 消化 吸收和创新等有关内容 介绍如 下 文内主要符号定义 动摩擦系数 A 试样面积 Af 控制阀柱塞面积 Ac 夹紧总成的阀面积 F 试 样摩擦力合力 FN 试样作用在加载臂上的压紧力 F 夹紧总成的 夹紧力i F 摩擦力F转换到控制阀柱塞时 柱塞阀对加藏臂的反作用力 M 摩擦力F对摩擦盘旋转中心作用力矩 M 摩擦力矩与角速度的乘积 滑磨功率 M A 单位摩擦面积承受负载 比滑磨功率 P 单位摩擦面积承受压紧力 比压 P fn as pf 摩擦力f转换到控制阀柱塞时 fl 49 作用形成的管路液压 p ff af p 夹紧力f在夹紧总成中作用 形成的夹紧管路液压 p f A n 摩擦盘转速 r 试样摩擦力合力F对摩擦盘旋转中心的作 用半径 R 试样摩擦力合力F对加载臂万向支承中心作用力臂 F 对加载臂万向支承中心作用力臂 L F对加载臂万向支承中心作用 力臂 V 滑磨线速度 英制计量单位与法定计量单位转换力 1lbf 4 448N 压力 1lbf n2 0 00689MPa 长度 lft 12in 0 3048m 力矩 1lbf ft 1 3557Nm 功 1HP hr 2 6476 106joule 或Nm 功率 1HP 550Ibf k see 0 7355kW 1主要技术参数驱动电机功率 0 7355kW 1HP 三相 主轴转速 定速 900 850r r ain 60I Iz时 1000 950r rain 50Hz时 最大允许摩擦力 当额定功率 为0 7355kW时为97 86N 22Ibf 夹紧总成系统夹紧管路压力 最 大为964 6kPa 140psi i最大夹紧力 F Ia c 560N 126lbf 对试件的最大压紧力 F max 700N 157 5lbf 产生在 12 7 12 7 mm尺寸试样上的最 大工作压力 P l llaX 4 34MPa 630psi 滑磨线速度 7m s 23fps 条件r 3 6 78m s 22 26fp 条件r 2 9 转速n 880r m m 有载情况下 摩擦盘 外径179 3mm 7 O6 厚度38t urn 1 8 铸铁材质 试样尺寸 两种 12 7 12 7 mm 厚4 7 mm 0 5 0 5 0 185 25 4 25 4 lTlm 厚4 7r am 1 1 0 18 试件数 1个 摩擦副型式 平面摩擦 2试验机结构 结构参数及功能2 1试验机毒体主要部件有驱动电机 摩擦盘 加载臂 夹紧总成 控制阀总成 基座兼储油室 压力 传感器及附于本体上的开关柜和电动油泵 本体外另有x Y记录仪一台 摩擦盘与驱动电机主轴直接连接 盘的两个表面都可使用 其非摩 擦表面采取绝热措施 如外加隔热护罩等 加载臂右端以万向支承为支点 图1 它作为试件的支架 其上装有 试件夹具 把试件夹在加载臂上 试件夹具两面可用 一面夹持0 5 0 5试样 调换另一面可夹持1 l试样 加载臂左边平行于F方向设置一凹槽 通过反应杆把F转换作用到控 制阀的柱塞阀上 形成Ff和P Af 0 196 in 加载臂最左端设有开口槽 用细螺柱与夹紧总成相连 其左端还设 有限位装置 防止试样过度磨损时与转动的摩擦盘擦伤 图1FAST机几何尺寸参数及I作原理图控制阀总成为双筒柱式阀 其 中之一接受F产生Pf 另一阀则设有载荷控制调节螺杆 用来调节P 直到Pf达到试验规定值 控制阀总成的作用是 控制调节夹紧总成的压力 以保持Pf恒定 它起电液伺服阀的作用 但其机构纯属机械式 夹紧总成通过细螺柱 沿平行于盘转动中心方向 经加载臂把试样压紧在摩擦盘上 试件的FN 由夹紧总成产生 A 0 9in2 夹紧总成内也设置了一只后限位装置 限止机构行程 防止其因错 误调整而遭损坏 压力传感器把P转换成记录仪的电信号 予以记录 X Y记录仪用于记录测量结果 记录纸为一幅长方形方格毫米纸 在不同的试验方式中 记录纸的x y座标代表不同的物理量在恒摩 擦力试验方式中 横座标x代表盘温度和时间 纵座标代表和P 及P 习惯上座标在右侧 P 座标在左侧 p座一50 标则不标出 为分析方便 P P两个纵座标一并列入图左侧 图2 在恒压紧力试验方式中 纵座标y代表和盘温 横座标x代表措磨线 速度 用于速度特性测试 2 2试验机的结构参数尺寸参数见图1 对0 5 0 5试样 r R 对1 1试样 2 R 8 及R靠试样夹具保证 2 3FAST试验机基本型的主要功能可研究测定摩擦系数与温度的关 系 与压力的关系 在选购或添置若干辅助装置 如调速测速系统 红外线高温计等时 还能研究摩擦系数的速度特性 其余用途可扩展到静摩擦 衰退特性 尖叫界限 残留拖磨等的研 究中 3恒摩擦力试验方式的原理 条件及程序3 1I作原理此工作方式保 持摩擦力和V为常数 FN和F间的关系式为 F 试验机的机构在试验过程中保持F为定值 则与FN成反比 对应于一个FN值 可得一值 而试样的FN与P有对应关系 因此 对应于P值可计算其值 在图1所示的尺寸参数中 经推导不难得出式 1 4 诸关系式 一l A I PIA P L 1 PL R A P 上式中R被约去 说明r及R对 P P的对应关系无影响 F与P关系式为F z Af P R 2 1 或Pf R F l Af 2 2 PN与P 关系式为FN L A P R 3 1 或P R FN L A 3 2 P 与关系式为P F A 4 3 2 Pf P对应关系的计算及试验条件核算以常用的0 5 0 5试样为例 条件为F 17 25ibf R r 3 2 1计算按上述条件代入式 1 后 得 o 1936 或P 0 1936 P j 5 按式 2 2 以F 17 25lbf代入 得P 79 21 psi 代入式 5 得P 15 335 6 按式 4 以F 17 25lbf代入 得P 69 7 根据式 6 7 可算得各值时的P P值 见表1 根据表1各数值作出的P座标图 是当今FAST试验结果最常用的格式 并力求通用于其它试验条件 表l P P对应值 单位psi l 1510 I6 I70 1B1 1910 209 2斗2十砷 2砷 20 加l0 1 j036o l冲呻砷中 呻3833002882 65z钟l24J z加l20 153852一 4 512J45134 13 2 2试验条件P 及M A 核算 P 据式 4 得知 P 与A成反比 故表1所示 P关系仅适用于0 5 0 尺寸试样 试样尺寸或A 改变 P 也随 之改变 相应的x Y记录仪记录纸上的P 座标比例尺也应不同 由于r 05试样 l l试样的面积A与0 5 0 5试样面积成倍数增 大 故对应于0 5 0 5试样的P值最大刻度450psi 3 1MPa 处的 刻度值应为10 试样P max为225psi 1 1试样P max为112 5psi 试验过程中 如摩擦力因盘温升高而发生衰减 将提高P 以维持恒F 故试验过程是一个变P 试验过程 图 2 表1 三种A的比滑磨功率 见表2 计算表明 以0 5 0 5试样进行恒摩擦力方式试验 其负载为2 89 HP in2 基本满足对制动衬片考核之需要 试验终了摩擦盘最高温度约560f 293 3 c 表2三种A的M A A 试件足寸M A i riP w c0 2505 0 52 89328 80 501x0 51 44164 41 0 1 10 7282 23 3试验程序试验以连续拖磨方式进行 总滑磨时 间90min 由于整个试验过程是恒摩擦力 力矩 和定速度 使摩擦功相同 即 摩擦热的发生率成为定值 最高盘温相同 而且保证摩擦盘表面温 度随时间 指90mln 变化具有重复性 据美方测定 最高盘温波动在 YC 5F 以内 但这一结论未对环 境温度条件作出说明 3 4恒摩檫力试验方式中加大试样负载的可能性作为试样的负载主 要是指比滑磨功率和试验最高盘温 该机现有驱动电机功率 1HP 允许试件产生F 为22Ibf 在转速不变情况下 M为5 5Ibf ft M 506 6lbf f1 s 折合0 921HP 对0 5 0 5试样 比滑磨功率为3 68HP in2 折合42 0W 比原先可望提高20 以上 试验终了最高盘温可望超过300 3 5FAST机恒摩檫力试验方式与DM S 日表kiP s 型试验机试验条件与程序 即GB 5763 GB5764 问的差异表3P随的变化范围试样足寸试验比压P M Pa 0 345 0 400 153l l0 350 300 51 050 700 6o1 550 5 0 51 401 203 103 5 1DM S型试验机温度特性试验条件为定 比压过程 对制动材料 离合器面片材料来说 其P 分别是1 0MPa和0 5MPa 而FAST机恒F试验方式中 温度特性试验 是变比压过程 随的变化范围 据表1可归纳于表3中 以表3中试样0 5 0 的P与DM s的P作比较 若两机进行同一热衰退项目温度特性试验 降低到0 153时 FAST机的P 值为3 10MPa 为DM S机1 0MPa的三倍以上 相应的比滑磨功率负载也为三倍 换言之 在DM S机试验过程中 缺乏此种高负载的考核 而这种考核则广泛地被纳 入国外对摩擦材料的考核中 即制动器总成或离合器总成的强化试验规范 如德国大众汽车公司 的制动器总成台试标准中 强化试验结果表明 摩擦材料在350 450 恒输出摩擦力 力矩 条件下 可能出现意想不到的缺陷 从而证明了摩擦材料恒摩擦力 试验方式选定的必要性 3 5 2DM S机定压力试验方式中 由于热衰退 导致高温时摩擦 力降低 输出比滑磨功率降低 在低负载下测出的值与FAST机同一 高温下测得的值相比 前者偏高 图2特殊条件 试样1 0 5 R 8 r 980r min 下的一P P 关系图3 5 3在 曲线的识别方式和含义上 图2所示FAST机恒 摩擦力试验曲线 c 曲线中 i k段为热衰退 k L段平线表示比压超出X Y记录仪范围 L Q段表示高温条件下的逐步 恢复 而DM S机的恢复 考核的是降温过程中的 再100 值 两者有本质上 的区别 3 6耐磨程度评定以试样单位摩擦功的磨损体积作评定 4试验结果评定图3表示了作为制动衬片用的几种试验曲线走向j 其 含义为a段 时间内上升 正常的磨合阶段 b段 随温度升高 在 一定范围内变化很小 d段 h段 可能是两个限位装置中的一个起 作用 尤其是0 5 0 5试样 其厚度 指试样试验前的 不足 4 7mm而又不耐磨的摩擦材料会发生 e段 表示盘温升高时 明显 衰退 f段 值振荡 表示不稳定 制动时感到无力或制动粗暴 g 段 在高温衰退后回升 n段 表示高温衰退小 稳定 囤3FAST机试验结果曲线走向评定分析5试件尺寸和试验条件的合理 确定5 1试样足寸应据摩擦材料用途合理选择作制动衬片用时 应 选用0 5 0 5尺寸试样 比匪和负载较高 作离合器摩擦面片用时 应选用l l尺寸试样 试验比压较接近设计工作比压 一般均 0 3MPa 由于多数离合器摩擦面片成品厚度在3 5mm左右 以0 5 0 5尺 寸试样作试验时 试样厚度过早磨损变薄后 限位装置起作用 试 验无法坚持到结束 对比各企业所进行的FAST机试验结果前 需先弄清试样尺寸 对比必须使试验条件 包括P 和比滑磨功率相同 因此 试样尺寸应相同 以取得各试验结果之间良好的可比性 为强化离合器摩擦面片的试验负载 可以开拓1 0 5尺寸试样的试 验 此时 P 和比滑磨功率比l 1尺寸试榉的负载提高一倍 5 2F曩其作h l半径r 作h l力臂R对P P 关系的影响此处侧重r 2 7 R 8 7 试样尺寸为l 0 5时 P P 关系的合理确定 取上述尺寸参数的原因是 由于驱动电机电源频率由601 Iz改为50Hz时转速增高 使v增大 为保持V为23fps 7 Om s 计 算确定新的r值和R值 确定上述r值 R值时的 P 关系有两种方法一是保持原 P 关系不变 另一是保持原 P 关系不变 计算分析如下 5 2 1保持原 P 关系即保持原P 450p 与 0 1533的关系不过由于试样面积A增大一倍 对应的原P 值降低一倍 此时的F值仍为l7 25lbf 相应的P 值按式 2 2 计算 得76 57p si 由式 5 不难看出 由于值的变动 一P的关系有了变化 故P坐标的比例 尺应于改变 P P关系全面计算结果 见表4 表 4 P对应值 单位psi I4中15j0 I 6 qo 1sl o xx 221o 231o 24l0 26 o 280 30 0 34b 40 360 55 070h8I置麓l l115101j1095目86376 7696249 4l 3 6l 3 041 237 132 929 727根据表4 新设计的记录曲线图表 如图2所示 试验负载一滑磨功率计算 见表5 5 2 2保持原 a P关系即保持式 6 P l5 335 其前提条件是P79 21psi 则F 17 84lbf 使用式 2 2 取R 8 r 由式 4 不难看出 P关系因F值的变化而已有改变 同一个P 值对应两种值 两值间相对误差 见表5 表5中同时列出了F 17 84lbf时 滑磨功率的相对误差 若此误差在允许范围内 则也可使用原有的 u P P曲线图表 5 2 3由表5综合比较可知 在l 0 5试表5两值间的相对误差足 十事蔓 拳件试鞋索件晴定p P I最 开j试件足十P u P琦丰 f 目P 甘竹P 诬量 i甘P诿王 2美毒关毒王mLn阳i P 6 15 355 u I7 84 9 21P 35 692 2 83 5 15 3S5 1 0 517 25 6卵P 3 4 52 25o P 148217 4479 21尸J 17 1 t P 15郭谊 1 卉使用05 o 5试抖犀P 美毒 墁中犀I 鹿茸 不t撕标七捌兄 叶的诿王 t2 指蔓甩o 5 0 5 试抖J巨美 墁中J巨I1度墁 不t薪标比例兄时谨王a3 相量i分丰 毛指与0 5 o 5诚样曩 试鞋索件甘M 相比驻的鼓字 样 转速 980r min R 8 7条件下 宜3 FAST试验机以恒摩攘力 试验方式作采用原0 5 0 5试样时的P曲线关系图方案 但P 值应 取76 57psi P坐标比例尺要重新标记 6小结1 FAST试验机以恒摩接力试验方式作试验 与摩擦材料作制 动衬片用时的工作条件相近 有较好的模拟性 2 应据摩擦材料用途合理选择试样尺寸对作制动用的试件 宜选 0 5 0 5 对作离合器面片用的试件 宜选l