刘大欣， 王利宁， 韩　君

(1. 吉林大学 生物与农业工程学院， 吉林 长春 130022； 2. 吉林大学 机电设备研究所， 吉林 长春 130022)

汽车摩擦材料测试设备的选型研究

刘大欣1,2， 王利宁1,2， 韩君2

(1. 吉林大学 生物与农业工程学院， 吉林 长春 130022； 2. 吉林大学 机电设备研究所， 吉林 长春 130022)

摘要:随着人们对汽车摩擦材料要求的不断提高， 目前迫切需要一种快速且经济的摩擦材料检测设备. 本文以摩擦学理论为基础， 研究了在汽车制动过程中各个影响因素的作用， 以及他们对摩擦材料的作用机理. 在分析对比现有各类摩擦材料试验机性能优缺点的同时， 提出新型标准摩擦材料试验机的选型原则， 并给出了一种新型试验机的结构和主要技术参数， 为摩擦材料试验研究提供了新的依据.

关键词:摩擦材料； 试验机； 汽车制动； 缩比台架

0引言

研制和选用简单、 快捷、 低成本且与惯性台架和实际应用结果具有较好可比性的摩擦材料试验机， 一直是人们不懈追求的目标. 目前正值国内和国际ISO组织讨论新型摩擦材料标准试验机的时机， 有必要从理论和实际层面对新型试验机的选型进行深入探讨[1-3].

1制动摩擦副系统分析

应用摩擦学系统分析的原理与方法， 对制动摩擦副进行系统分析， 将有利于新型试验机的选型和研制.

1.1制动摩擦系统的组成

系统是相互作用和相互依存的若干组成元素的结合. 制动摩擦系统则是由摩擦衬片、 对偶件(盘或鼓)及环境介质3个元素组成[4]. 其系统的功能是将输入的动能转变为热能， 从而达到减速或停止的目的.

系统的元素

衬片

其中，a1,a2,…,ai为各组分的含量(粘合剂， 各种填料等).

对偶件

环境

元素的性能

衬片(1)的性能： 组分、 抗拉、 抗压强度、 冲击韧性、 强度、 热膨胀系数、 热导率、 比容度、 吸水、 吸油性能.

对偶件(2)的性能： 化学成分、 金相组织、 石墨形态、 几何形状、 物理机械性能、 表面粗糙度等.

环境介质(3)： 温度、 湿度、 尘埃、 磨粒等.

元素间的关系： 制动摩擦过程中， 各元素相互作用与影响如下所示

图 1　制动摩擦系统Fig.1　Brake friction system

因而制动摩擦系统的结构可用集合来表示

制动摩擦系统的方框图如图 1， 系统的输入是运动的速度、 质量以及作用力. 经过制动摩擦的结构系统后， 运动速度得到改变(减速或停止). 损耗的输出能量表现在产生大量的热能以摩擦损耗， 出现制动噪声及产生磨损产物等.

1.2制动摩擦学的特征

1) 制动摩擦引起系统结构变化， 包括系统中元素的破坏和新元素的产生， 元素性能的改变和接触形貌的改变， 表面组成的改变， 表层热物理机械性能的改变， 以及元素间相互关系的改变， 制动过程中磨损机理的变化等.

2) 摩擦引起的能量损耗为

式中：μ为摩擦系数；X为工作变量.

3) 制动副表面单位面积吸收摩擦动能引起的材料损耗， 磨损率可表示为

因此任何形式的制动副， 其制动稳定性、 能量损耗、 摩擦系数、 磨损率等不仅与工作变量(制动初速， 制动压力， 表面温度， 制动时间， 制动频率等)有关， 也与系统的结构有关.

试验机构成的系统可用图 2 描述， 左侧为试验控制条件， 右侧为试验结果输出.

图 2　摩擦材料试验系统Fig.2　Friction material test system

摩擦材料的工作过程即制动滑摩过程， 实质是能量转换和传递的过程. 制动器借助衬片与对偶的滑摩， 吸收车辆的动能而转化为热能和其他形式的能， 并传递给制动器部件. 离合器则借助主从盘的滑摩传递扭矩， 并以摩擦功的方式吸收两轴的能量差并转换为热能. 所以， 摩擦材料是耗能材料.

摩擦材料工作过程产生大量热量使摩擦表面温度升高， 必然影响到材料自身化学物理性能的稳定， 导致摩擦系数的变化和材料表面的磨损.

这一过程是相当复杂的. 人们对该系统的输入和输出一般是清楚的， 但对中间变化过程(如摩擦系数的变化和磨损的机理)并不十分清楚， 所以这是一个“灰盒”系统.

摩擦学大量的研究结果表明： 影响摩擦材料性能的因素很多， 并且交互作用关系相当复杂. 除了材料自身的化学物理特性(如耐热性、 强度、 硬度、 弹性、 表面状态、 固有振动频率等)外， 使用工况也是重要的影响因素， 即材料的摩擦磨损特性是自身性质与使用工况的函数. 按照上面的分析， 这种关系可表示为

式中：A为摩擦副形式；B为材料性质；C为环境条件；P为工作比压；V为滑摩线速度；T为工作表面温度；t为摩擦时间. 上述参数构成了系统的输入， 即工况条件.

摩擦材料试验机的作用就是通过有效控制输入条件(通常也称模拟条件)， 测量输出结果来判断和评价材料是否符合所应用实际工况的要求[5]. 因此， 对使用工况比较全面的模拟和对输出结果相对精确地测量， 应是设计和评价摩擦材料试验机的基本出发点.

1.3试验条件控制准则

试验条件具有良好的模拟性， 试验结果才能与实际应用具有良好的可比性和一致性. 要求试验条件完全模拟实际工况是非常困难和不经济的， 有时甚至是不可能的. 摩擦学研究和大量试验证明， 摩擦磨损试验数据的可比性和一致性， 依赖于摩擦磨损机理和过程实质， 是系统的内部因素， 很难直接控制或模拟， 但可以借助正确控制试验输入条件来保证. 这是确定试验机机械结构、 试验条件、 测量系统和试验方法的依据. 所以， 试验控制条件决定了试验机的类型与用途.

试验控制条件可归纳为：

1) 摩擦特性： 摩擦副形式、 尺寸比例、 重叠系数、 对偶材料性质等；

2) 摩擦方式： 连续拖磨、 断续拖磨、 惯性制动、 恒输出制动、 恒力矩拖磨等；

3) 加压方式： 比压大小、 恒压、 恒输出等；

4) 速度： 速度范围和速度特性(定速， 变速， 减速)等；

5) 动力： 马达的功率和特性等；

6) 环境： 加热， 冷却， 温度， 湿度， 风速等.

其中摩擦特性是区分试验机种类的依据， 是由试验机的机械结构所决定的. 其余条件有些是机械方面的， 有些是控制方面的， 有些是属于试验方法方面的[6-8].

2现有摩擦材料试验机对比分析

这里将除1∶1惯性台架以外的其他摩擦材料试验机统称为摩擦材料试验机.

2.1几种代表性的摩擦材料试验机

表 1 是历史以来商品类摩擦材料试验机的主要技术参数汇总， 以便于对比分析.

表 1　几种小样摩擦材料试验机对比

2.2特点分析

2.2.1摩擦副形式

盘块形式居多， 这也符合盘式制动器应用日益广泛的趋势， 试样尺寸大小决定了试验机动力的大小， 从而影响试验机和试验成本. 而对偶件一般都选择与实际刹车盘相同的材质和金相特性[6].

2.2.2环境条件

包括是否加热、 冷却， 甚至应包括环境温度、 湿度等控制条件. 现有试验机一部分使用电辅助加热， 原因是依靠摩擦生热难以达到所需的试验温度. 定速采用水冷， 而其他则大都为风冷. 尚未出现湿度控制的先例.

2.2.3比压

比压和线速度的乘积称PV值， 其特征值是摩擦功. 在一定的PV值时， 摩擦系数μ就成了摩擦功的变量.μ值越大则摩擦功越大， 发热越多， 温度越高. 所以定速试验而又恒定比压是影响测试结果与实际一致性的重要影响因素， 而具有恒力矩输出功能的试验机更合理[9].

2.2.4线速度

定速类试验摩擦线速度7～8m/s居多， 相当于车速50～80 km/h. 定速试验机主要侧重与摩擦材料的温度特性， 即温度相关性， 而惯性试验能够兼顾压力相关性， 速度相关性和能量相关性， 所以惯性试验要优于定速试验.

2.31∶1与1∶5试验机分析

Krauss试验机是1∶1的定速试验机， 其优点是采用原配的制动钳和制动盘， 同时具有恒力矩功能， 因此在温度相关性测试方面受到了欧洲汽车界的广泛认可， 且试验快速省时， 深受欢迎. 其主要缺点是试验机功率较大(55 kW或75 kW)， 试验机也较昂贵. 由于采用原配制动钳测试， 在给定的管路压力制动时， 由于制动钳活塞密封圈会吃掉部分正压力， 使测得的摩擦系数μ数值与摩擦材料实际μ值有较大偏差.

1∶5缩比台架的出现是想用低成本的惯性台架替代1∶1的惯性台架， 并采用1∶1的试验方法标准， 无疑这是一种好想法. 现有的1∶5缩比台架使用证明， 除温度相关性差外， 其他结果与1∶1台架确实具有较好的一致性和相关性[10]. 温度相关性差的原因是只用一个试块， 且单摩擦面制动， 摩擦盘的热容量又较大， 摩擦功不足， 所以温升偏低， 与1∶1台架有较大差异.

3新型试验机的选型

3.1新型试验机选型原则

1) 在现有试验机和试验方法基础上优选和升级， 而不是完全创新， 但必须有恒力矩功能；

2) 侧重于摩擦材料的摩擦磨损特性测试， 而不与具体车型挂钩；

3) 追求测试结果重现性好， 并与1∶1台架有较好的一致性和可比性. 而不追求完全一致并替代1∶1台架.

4) 试验机成本低廉， 操作简便， 试验周期短.

3.2缩比Krauss试验机

基于前面的分析和选型原则， 德国Krauss GMBH与吉林大学机电设备研究所共同提出“缩比Krauss”试验机概念， 并已申报给ISO组织.

所谓“缩比Krauss”试验机就是将现已被广泛认可的Krauss试验机按比例缩小， 试件由1∶1实物， 改为试块， 试验机的原理， 结构和试验方法不变.

缩比Krauss试验机的结构如图 3 所示.

图 3　缩比Krauss机械结构示意图Fig.3　Scaled Krauss mechanical structure diagram

基本机构可有3种不同形式： (a)是将摩擦盘直接装在主电机轴上； (b)是主轴支承在独立的轴承座上； (c)是主电机经带传动驱动主轴， 电机下置. (c)形式布局更合理些.

3.3缩比Krauss试验机的主要技术参数(初定值)

主电机功率： 15 kW

主轴转速：20～1 500 rpm， 变频调速

试验转速：1 160 rpm

摩擦盘：外径Φ150 mm， 内径Φ50 mm， 厚9 mm

试块尺寸：25 mm×40 mm×10 mm

摩擦线速度：7.6 m/s(1 160 rpm时)， 同Krauss试验机

制动钳缸径：Φ25.4 mm

制动方式：恒压力/恒扭矩

试验方法：同Krauss试验机

3.4缩比Krauss专用制动钳结构

图 4 为专用钳的结构图， 专利号： 201510408748,201520504001.

图 4　缩比Krauss试验机专用制动钳Fig.4　Brake caliper for the scaled Krauss machine

为了克服制动钳活塞密封圈阻力对摩擦系数值的影响， (b)和(c)型制动钳上装有传感器， 可直接测出正压力数值， 而不是借助制动管路压力计算得出的正压力值. Krauss正在寻找一种摩托车制动钳用于标准配置， 这样可以确保制动钳的一致性.

目前， 缩比Krauss试验机正在制造中， 之后Krauss GMBH和吉林大学机电所将共同进行与1∶1Krauss试验机的对比测试.

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Research on Standard of Test Machine for Vehicle Friction Material

LIU Daxin1,2， WANG Lining1,2， HAN Jun2

(1. College of Biological and Agriculture Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;2. Electromechanical Equipment Ltd., Jilin University, Changchun 130022, China)

Abstract:This paper researches the function of various influencing factors in the process of the vehicle braking, as well as their mechanism of friction materials, based on the tribology theory . According to analyzing and comparing the advantages and disadvantage of the different friction test machines, a new principle of selection standard of friction test machine is put forward and the structure and the main technical parameters of a new type of machine are given. It provides a new basis for test study on friction material.

Key words:friction material; test standard; vehicle braking； scaled dynamiter

文章编号:1671-7449(2016)03-0215-06

收稿日期:2015-08-09

作者简介：刘大欣(1981-)， 男， 工程师， 主要从事汽车制动系统测试设备的研究.

中图分类号:U467.3

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.03.006