干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架設(shè)計

林曉華， 趙亦農(nóng)

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架設(shè)計

林曉華， 趙亦農(nóng)

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

在自動干式離合器中，獲得精確的摩擦轉(zhuǎn)矩對提高離合器的控制效果有著重要影響。而摩擦轉(zhuǎn)矩的精確度很大程度上依賴于摩擦系數(shù)的精確度。因此為了研究干式離合器摩擦片的摩擦系數(shù)與壓力、轉(zhuǎn)速和滑磨過程中摩擦片表面溫度的關(guān)系，設(shè)計了干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架。該臺架由機械系統(tǒng)、伺服電動機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)由底座、減速機和彈簧等組成，主要實現(xiàn)壓力的手動調(diào)節(jié)功能；伺服電動機控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC控制器和伺服電動機驅(qū)動器等組成，主要實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單片機和計算機等組成，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的采集和顯示功能。經(jīng)實驗驗證，該臺架可以實現(xiàn)壓力和轉(zhuǎn)速的控制并完成壓力、轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)矩、摩擦片表面溫度和摩擦系數(shù)的同步采集，在干式離合器摩擦系數(shù)影響因素的研究中起到了重要作用。

干式離合器； 磨擦片； 摩擦系數(shù)

0 引 言

在裝配有AMT和干式DCT的車輛中，干式離合器的控制效果對汽車的動力性、經(jīng)濟性和平順性都有很大的影響[1-3]。要實現(xiàn)干式離合器的良好控制，對離合器當(dāng)前傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的計算是必不可少的。由離合器摩擦轉(zhuǎn)矩的計算公式[4]可知,要獲得精確的離合器摩擦轉(zhuǎn)矩，離合器摩擦片與其對偶件的摩擦系數(shù)是無法忽略的因素。摩擦系數(shù)有很多影響因素：摩擦材料的種類、摩擦片表面粗糙度、表面溫度、相對滑動速度和壓力等都會對摩擦系數(shù)產(chǎn)生影響[5-6]。從離合器的實際使用工況、摩擦片廠的生產(chǎn)經(jīng)驗和相關(guān)文獻(xiàn)[7-12]的分析中得出離合器摩擦片摩擦系數(shù)的3個主要影響因素：轉(zhuǎn)速差、壓力和摩擦片表面溫度。為了分析上述3個參數(shù)對摩擦系數(shù)的影響，本文設(shè)計了干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架。

1 方案設(shè)計

如圖1所示，該臺架主要由伺服電動機、摩擦盤、壓盤、帶ADC和串口的單片機、PLC控制器等組成。臺架以伺服電動機為動力源，帶動摩擦盤轉(zhuǎn)動；壓盤固定在滑動導(dǎo)軌的滑塊上，并由減速機等傳動件驅(qū)動；壓力信號由壓塊與右壓盤之間的力傳感器采集；溫度信號由熱電偶采集；電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號則從伺服電動機驅(qū)動器中采集。由此即可根據(jù)電動機轉(zhuǎn)矩、壓力以及摩擦片的等效摩擦半徑計算出摩擦系數(shù)[4]：

(1)

(2)

式中:Tc為電動機扭矩;F為壓力;Rc為摩擦片等效摩擦半徑;Z為摩擦面的數(shù)量;R為摩擦片大端半徑;r為摩擦片小端半徑。

圖1 臺架示意圖

通過所測數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步得到摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速、壓力和摩擦片表面溫度的變化情況。按照功能的不同可以將臺架細(xì)分為機械系統(tǒng)、電動機驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

臺架的機械系統(tǒng)主要由圖1中的傳動軸、摩擦盤、石棉隔熱層、摩擦片、左壓盤、彈簧、右壓盤、壓塊、手輪、蝸輪蝸桿減速機、絲桿螺母滑臺、滑動導(dǎo)軌和臺架底座組成。傳動軸左端通過聯(lián)軸器與伺服電動機輸出軸相連，右端通過平鍵與摩擦盤相連以保證周向定位，并通過頂絲保證軸向定位。摩擦片(見圖2)通過高溫結(jié)構(gòu)膠黏貼在摩擦盤上，在摩擦片與摩擦盤之間黏貼一層石棉隔熱層(見圖3)，使得摩擦片與摩擦盤之間近似保持絕熱條件?；瑒訉?dǎo)軌固定在臺架底座上，左壓盤和右壓盤固連在導(dǎo)軌的兩個滑塊上。兩壓盤用彈簧連接，保證壓力傳遞過程存在彈性環(huán)節(jié)，使得壓力可以逐步增加。K型熱電偶埋在左壓盤上，位置位于壓盤與摩擦片接觸區(qū)附近。力傳感器固定在右壓盤上，絲桿螺母滑臺固定在臺架底座上，壓塊與滑臺的螺母固連，蝸輪蝸桿減速機的輸出軸通過聯(lián)軸器與滑臺的絲桿相連，輸入軸則與手輪相連?；_一方面可以將絲桿的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為螺母的移動；另一方面又起到反向鎖止的作用，保證手輪釋放后壓力可以繼續(xù)保持。減速機在省力的同時還可以進(jìn)一步加強反向鎖止作用。

圖2 摩擦圓環(huán)圖3 石棉隔熱層

實驗過程中，手動旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿減速機上的手輪，減速機輸出軸帶動滑臺的絲桿轉(zhuǎn)動，從而帶動壓塊移動，壓塊進(jìn)一步推動右壓盤、彈簧和左壓盤移動，使得左壓盤與摩擦盤上的摩擦片接觸。經(jīng)上述步驟，完成壓力的施加過程。

臺架針對的測量對象是離合器摩擦片，因此以長春一東離合器廠生產(chǎn)的DS430N1離合器摩擦片為摩擦材料。由于一般的離合器摩擦片沿徑向上各點的線速度不同，導(dǎo)致了各點的滑磨功和熱流密度并不相同，由有限元和傳熱學(xué)相關(guān)計算公式[13-16]可知，摩擦片各點的溫度不相同。為了得到離合器摩擦片表面溫度與摩擦系數(shù)的關(guān)系，將DS430N1摩擦片加工為內(nèi)外徑之比為0.8的摩擦圓環(huán)。由于摩擦圓環(huán)內(nèi)外徑之比較大，摩擦片各點的滑磨線速度較為接近，各點的溫度基本相同。

對離合器從動盤進(jìn)行熱分析(見圖4)可知，離合器摩擦盤在滑磨過程中，近似為軸對稱傳熱，摩擦片與從動盤本體的接觸面的熱邊界條件可以等效為絕熱條件。為了模擬該情況，在臺架上將摩擦片與摩擦盤之間增加一層石棉隔熱層。

圖4 離合器摩擦盤傳熱分析示意圖

經(jīng)理論分析和有限元計算(見圖5)可知，溫度場的分布是連續(xù)的，所以摩擦片與壓盤接觸面的溫度理論上是相同的。因此臺架通過K型熱電偶直接測量壓盤上的溫度，并將其作為摩擦片的表面溫度。

(a)整體斷面視圖(b)摩擦圓環(huán)附近局部放大視圖

圖5 摩擦片溫度有限元分析

1.2 電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

電動機驅(qū)動系統(tǒng)的主要功能是對電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置。硬件(見圖1)包括伺服電動機、伺服電動機驅(qū)動器、PLC控制器和觸摸屏。其中觸摸屏的作用是充當(dāng)電動機控制界面(見圖6)，該控制界面使用觸摸屏配套的組態(tài)軟件進(jìn)行編寫。

PLC控制器完成對伺服電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。根據(jù)臺架的設(shè)計目標(biāo)，電動機控制程序需要完成如下功能：電動機啟停設(shè)置、電動機轉(zhuǎn)向設(shè)置、電動機轉(zhuǎn)速設(shè)置和電動機勻加減速設(shè)置。具體的電動機控制流程如圖7所示。從觸摸屏中輸入控制電動機所需的信號并傳遞給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)電動機控制程序?qū)⒚}沖信號發(fā)送給伺服電動機驅(qū)動器，伺服電動機驅(qū)動器再根據(jù)編碼器信號對電動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖6 伺服電動機控制界面

圖7 電動機驅(qū)動系統(tǒng)控制流程圖

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要完成壓力信號、溫度信號、轉(zhuǎn)速信號和轉(zhuǎn)矩信號的實時采集和顯示工作。其中硬件系統(tǒng)(見圖8)主要由多通道恒壓源、壓電式力傳感器、電壓隔離變送器、K型熱電偶、伺服電動機驅(qū)動器、單片機和計算機組成。恒壓源給壓電式力傳感器和電壓隔離變送器供電，并在單片機的AD轉(zhuǎn)換過程中作為參考電壓保證轉(zhuǎn)換精度。力傳感器輸出的微弱電壓信號經(jīng)電壓隔離變送器放大并傳給帶單片機，單片機通過ADC采集模擬信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后通過串口通信傳給計算機。K型熱電偶、電壓隔離變送器和單片機組成溫度測量系統(tǒng)。摩擦片表面的溫度信號由K型熱電偶采集，經(jīng)電壓隔離變送器和單片機傳給計算機。該測溫系統(tǒng)使用前需要先經(jīng)過恒溫箱的標(biāo)定。在熱電偶冷端溫度為25 ℃的條件下，將熱電偶熱端放入恒溫箱中進(jìn)行標(biāo)定，所得數(shù)據(jù)經(jīng)擬合得到溫度T與溫度測量系統(tǒng)輸出值X的關(guān)系：

T=0.261 6X+25.86

(3)

由此可得圖9，并且由式(3)所得的溫度值T與恒溫箱的溫度值Tm之間的均方根誤差RMSE=2.43 °C，可以滿足臺架對溫度的精度要求。伺服電動機驅(qū)動器可以實時輸出電動機轉(zhuǎn)矩信號和電動機轉(zhuǎn)速信號，該信號依舊經(jīng)單片機傳遞給計算機。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件示意圖

圖9 溫度測量系統(tǒng)標(biāo)定

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)(見圖10)包含兩部分內(nèi)容。一部分是單片機上的AD采集程序和串口通信程序；另一部分是計算機上使用LabVIEW進(jìn)行編寫的數(shù)據(jù)采集程序，主要包括：串口通信程序、各傳感器的數(shù)據(jù)識別程序以及數(shù)據(jù)存儲程序。

圖10 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件示意圖

2 臺架應(yīng)用

經(jīng)上述設(shè)計過程，得到干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架(見圖11)，使用該臺架在壓力為50 N，轉(zhuǎn)速為100 r/min條件下測量摩擦系數(shù)。在同樣的速度和壓力條件下，使用UMT摩擦磨損儀測量該摩擦片的摩擦系數(shù)，對照實驗所用設(shè)備和材料見圖12。將兩個測量結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果(見圖13)顯示兩者較為接近，并且兩者的均方根誤差RMSE=0.033 4，誤差較小。該臺架可以滿足摩擦系數(shù)的測量要求。

圖11 干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架

(a)UMT摩擦磨損儀(b)摩擦片

圖12 主要設(shè)備與材料

圖13 摩擦系數(shù)對照圖

3 結(jié) 語

干式離合器摩擦片摩擦系數(shù)測試臺架主要分為機械系統(tǒng)、電動機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該臺架可以模擬離合器摩擦片的實際使用情況，實現(xiàn)壓力和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)功能，還可以采集并實時顯示轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩、溫度和摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。臺架的性能經(jīng)過了測試驗證，在干式離合器摩擦系數(shù)影響因素的研究中起到了重要作用。

[1] 王洪亮,劉海鷗. AMT車輛離合器自動控制策略優(yōu)化[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報, 2013(5): 729-734.

[2] 席軍強,陳慧巖,丁華榮. 自動機械傳動系統(tǒng)起步過程中離合器的自適應(yīng)控制策略研究[J]. 兵工學(xué)報, 2004(6):657-661.

[3] 陳 贛, 張欲保, 劉 飛，等. 干式DCT換擋控制的研究[J]. 機床與液壓,2015(7): 92-95, 160.

[4] 王望予. 汽車設(shè)計[M]. 北京:機械工程出版社,2013:58-59.

[5] 溫詩鑄. 摩擦學(xué)原理[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2002:299-300.

[6] 吳明翔. 汽車干式雙離合器接合過程動力學(xué)與控制的研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2013.

[7] 宋 林. 高速干摩擦實驗技術(shù)與材料摩擦特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[8] 袁智軍,周然杰,呂俊成,等. 摩擦因數(shù)對微型汽車起步抖動影響的研究[J]. 機械制造,2009(7):80-82.

[9] 王 斐. 摩擦系數(shù)對AMT起步的影響研究[D].重慶：重慶大學(xué),2013.

[10] 胡學(xué)永. 粉體材料動摩擦系數(shù)的實驗研究[D].北京：北京化工大學(xué),2013.

[11] 王國強,馬若丁,劉巨元,等. 金屬摩阻材料間摩擦系數(shù)與滑動速度關(guān)系的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1997(1):41-44.

[12] 張子川. DCT換擋過程膜片彈簧離合器滑摩狀況的研究[D].重慶：重慶理工大學(xué),2012.

[13] 王成恩,崔東亮,曲蓉霞,等.傳熱與結(jié)構(gòu)分析有限元法及應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社,2012:18-60.

[14] Abdullaha O I, Schlattmann J. Computation of surface temperatures and energy dissipation in dry friction clutches for varying torque with time[J]. International Journal of Automotive Technology,2014,15(5):733-740.

[15] Abdullah O I, Schlattmann J. The correction factor for rate of energy generated in the friction clutches under uniform pressure condition[J]. Advances in Theoretical and Applied Mechanics,2012,5(6):277-290.

[16] Sun Shaohua, Lei Yulong, Fu Yao,etal. Analysis of thermal load for dry clutch under the frequent launching condition[C]//SAE 2013 World Congress & Exhibition. USA: SAE International, 2013.

Design of the Friction Coefficient Measurement Bench for Dry Clutch Plates

LINXiaohua,ZHAOYinong

(School of Mechanical Engineering , Beijing Institute of Technology, Beijing 100081， China)

For automatic dry clutches, it is important to obtain the accurate friction torque to improve the control effect of the clutch. And the precision of the friction torque is largely dependent on the precision of the friction coefficient. So in order to analyze the relationship among friction coefficient, clamping force, rotate speed and surface temperature of dry clutch plates, a friction coefficient measurement bench is designed. The bench is made up of the mechanical system, the servo-motor control system and the data acquisition system. The mechanical system is composed of a base, a speed reducer, a spring and so on, it is mainly to achieve the manual pressure adjustment. The servo motor control system consists of a touch screen, a PLC controller, a servo motor drive and so on, it is mainly to achieve the control of the motor speed and direction. The data acquisition system consists of a single-chip, a computer and so on, it is to achieve the function of data acquisition and display. The experiments showed that the bench had the functions of controlling clamping force and rotate speed, and it could also collect signals of clamping force, rotate speed, friction torque, surface temperature and friction coefficient synchronously. The bench plays an important role in the friction coefficient research.

dry clutch; friction disk; friction coefficient

2016-09-01

國家自然科學(xué)基金項目(51275038)

林曉華(1990-)，男，福建建甌人，碩士生，主要研究方向為干式離合器摩擦轉(zhuǎn)矩模型。

Tel.:18811769528; E-mail:linxiaohua789@163.com

趙亦農(nóng)(1963-)，男，內(nèi)蒙古集寧人,學(xué)士，實驗師，主要研究方向為汽車實驗技術(shù)。

Tel.:13901101784； E-mail:yinong_z@163.com

U 467.4+95

A

1006-7167(2017)05-0048-05