重型拖拉機(jī)濕式離合器摩擦片耐磨仿生設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

譚立東，宗宣潔，常志勇，王艷博，陳東輝

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重型拖拉機(jī)濕式離合器摩擦片耐磨仿生設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

譚立東1，宗宣潔1，常志勇2，王艷博1，陳東輝2

（1. 吉林大學(xué)交通學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

重型拖拉機(jī)濕式離合器作為動(dòng)力換擋變速箱的重要執(zhí)行部件，其摩擦副的磨損失效是導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)整體性能下降的主要原因之一，為減少因其帶來(lái)的資源和經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種耐磨離合器摩擦片。該文從仿生學(xué)角度出發(fā)，以大樹蛙為對(duì)象，用掃描電鏡觀測(cè)其趾端，發(fā)現(xiàn)樹蛙趾端微觀結(jié)構(gòu)輪廓形狀有四邊形、五邊形、六邊形，六邊形結(jié)構(gòu)居多且結(jié)構(gòu)大小均勻其直徑約為12m，微結(jié)構(gòu)的輪廓間為溝槽，溝槽寬度約為1.5m。研究表明樹蛙體表分泌的黏液在圍繞著六邊形結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，增強(qiáng)其在潮濕環(huán)境下的粘附力，即摩擦系數(shù)。樹蛙在與濕滑基底接觸時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的黏附力和摩擦力，仿生摩擦片具備這些特點(diǎn)更能滿足傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的要求。通過(guò)提取樹蛙趾端參數(shù)，優(yōu)化摩擦片表面結(jié)構(gòu)，將樹蛙趾端的致密六邊形溝槽分割結(jié)構(gòu)進(jìn)一步突出特點(diǎn)、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，對(duì)重型拖拉機(jī)濕式離合器摩擦片表面的油槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，以此為設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)了9種仿生試樣并采用激光加工技術(shù)制作樣件。采用微觀摩擦磨損測(cè)試儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算摩擦系數(shù)對(duì)比不同六邊形直徑與不同溝槽寬度下摩擦摩損效果上的差異。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿生非光滑結(jié)構(gòu)比光滑結(jié)構(gòu)具有更好的耐磨性特性，且正六邊形直徑為12 mm，溝槽寬度為1.5 mm時(shí)，磨損量最低，摩擦系數(shù)相對(duì)較高，這因?yàn)榱呅沃睆脚c溝槽寬度綜合作用，能夠最大限度地降低磨損，提高摩擦片的工作能力和使用壽命。這說(shuō)明合理地設(shè)計(jì)摩擦片表面結(jié)構(gòu)，不僅能夠滿足動(dòng)力傳遞的要求，同時(shí)可以降低磨損，節(jié)省材料，進(jìn)而達(dá)到了改善離合器耐磨性能的要求。

仿生；離合器：設(shè)計(jì)；摩擦片；磨損；大泛樹蛙

0 引 言

濕式離合器是重型拖拉機(jī)動(dòng)力換擋的關(guān)鍵部件，隨著傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和功率密度的提高，現(xiàn)有濕式離合器已經(jīng)不能完全滿足使用要求，經(jīng)常由于過(guò)載而發(fā)生打滑現(xiàn)象導(dǎo)致摩擦副過(guò)度磨損、局部燒損、鋼片翹曲等問(wèn)題而失效[1]，成為車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的易損件之一。為使摩擦片摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定并加強(qiáng)油液的冷卻效果，摩擦片表面通常開(kāi)有一定的油槽，試驗(yàn)表明，不同的油槽形式如油槽深度、寬度、布置形式等都會(huì)影響摩擦片的磨損性能[2-3]。

在摩擦片油槽的優(yōu)化和研究方面，A. Khamlichi以及孟永鋼等對(duì)離合器表面油槽及摩擦特性進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)并給出了相應(yīng)的加工方法[4]；孟永鋼等[5-6]在充分了解濕式摩擦片的材料、分析把握濕式離合器的工作原理及常見(jiàn)的摩擦片油槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析了離合器冷卻效果、摩擦性能與不同摩擦片油槽結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，重點(diǎn)研究了油槽結(jié)構(gòu)對(duì)離合器工作的影響機(jī)制；Le等[7]開(kāi)發(fā)了熱彈性模型用于研究濕式多片離合器油槽的影響，張金樂(lè)等[8]利用理論建模的方法研究了濕式離合器接合過(guò)程，綜合考慮了摩擦材料的粗糙度、波紋度、可變形性和滲透性對(duì)摩擦副產(chǎn)熱情況的影響。北京理工大學(xué)馬彪等[9]研究了濕式離合器潤(rùn)滑油溫升的影響因素，重點(diǎn)考察了離合器內(nèi)部油路結(jié)構(gòu)、離合器空轉(zhuǎn)速度、摩擦副間隙、摩擦片油槽形式及尺寸。從以上研究可以看出，眾多學(xué)者對(duì)摩擦副表面油槽的優(yōu)化分析建立了相對(duì)完備的理論，但油槽的優(yōu)化對(duì)摩擦磨損性能的影響規(guī)律還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論，在濕式離合器的實(shí)際工作過(guò)程中，摩擦副打滑磨損的現(xiàn)象仍十分普遍。通過(guò)仿生方法優(yōu)化摩擦片表面結(jié)構(gòu)、改善其表面耐磨性能的研究工作日益受到重視。

濕式離合器摩擦片耐磨性直接影響離合器壽命及動(dòng)力換檔的可靠性[10-11]，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的重型拖拉機(jī)摩擦片[12]多以高轉(zhuǎn)速低負(fù)載的汽車摩擦片為參考設(shè)計(jì)，其耐磨性不能滿足低轉(zhuǎn)速、高負(fù)載，且檔位多變的重型拖拉機(jī)動(dòng)力換擋需求，亟需開(kāi)發(fā)優(yōu)異摩擦性能的濕式離合器摩擦片。本文從仿生學(xué)原理出發(fā)，以濕式摩擦片表面油槽結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到具有優(yōu)良摩擦性能的濕式離合器摩擦片表面油槽形式。

1 材料與方法

樹蛙作為適應(yīng)能力極強(qiáng)的兩棲類生物，成體經(jīng)常生活在樹上，指、趾末端膨大成橢圓形，具有優(yōu)異的攀爬能力。鑒于其在濕潤(rùn)環(huán)境下強(qiáng)大的附著和運(yùn)動(dòng)特性與濕式離合器的摩擦片的工作過(guò)程相比具有結(jié)構(gòu)、材料和環(huán)境上的相似性。因此，對(duì)該生物接觸表面間的相互作用方面的研究具有積極的借鑒意義。

選取大泛樹蛙（polypedates dennysi）為研究對(duì)象。大泛樹蛙屬無(wú)尾目（anura）新蛙亞目（neobatrachia）樹蛙科（rhacophoridaae）泛樹蛙屬（polypedates），體型較大，成年個(gè)體體長(zhǎng)60～100 mm，體重30～100 g。指、趾末端膨大成明顯的橢圓形，質(zhì)地略為透明。其廣泛分布于我國(guó)的浙江、安徽、福建、江西等地[13-14]。本文研究工作中首先利用顯微鏡對(duì)樹蛙的足墊微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，從結(jié)構(gòu)和材料的結(jié)合上探索其機(jī)理，并運(yùn)用于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

1.1 試驗(yàn)方法

通過(guò)觀察樹蛙趾端微觀結(jié)構(gòu)，了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及摩擦附著特性的作用機(jī)理。根據(jù)觀察到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出若干種表面油槽形式，制備試驗(yàn)樣件，利用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，分析其摩擦性能，最終確定具有較好耐磨性能的表面結(jié)構(gòu)。

1.2 掃描電鏡試驗(yàn)樣本制備

選用中國(guó)大樹蛙為試驗(yàn)研究對(duì)象，在進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)前對(duì)其作如下處理：

1）試驗(yàn)前3 d停止向樹蛙喂食，試驗(yàn)時(shí)剪下樹蛙足趾，并在0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液中清洗2次，每次5 min，之后放在載玻片上，將載玻片放入無(wú)菌培養(yǎng)皿中保存；

2）清洗。將初步清洗過(guò)的樹蛙足趾樣本放入裝有足量清水的超聲波清洗機(jī)中清洗30 min，之后用磷酸鹽緩沖液清洗2次，每次5 min；

3）固定。用福爾馬林固定樣本4 h，之后用磷酸鹽緩沖液清洗3次，每次15 min；

4）脫水。用無(wú)水乙醇在燒杯中配置濃度分別為30%，50%，65%，75%，85%，,90%，95%的乙醇溶液，將樣本按照低濃度到高濃度的順序依次在30%，50%，65%，75%，85%，90%，95%的乙醇溶液中脫水各1次，每次30 min，最后在無(wú)水乙醇中脫水2次，每次40 min；

5）干燥。將脫水后的樣本放回?zé)o菌培養(yǎng)皿，在冷凍干燥儀內(nèi)干燥12 h后拿出；

6）粘臺(tái)和噴金。由于試驗(yàn)樣本為生物樣本，經(jīng)過(guò)脫水干燥后多為絕緣體，所以需要進(jìn)行噴金處理，以增強(qiáng)試樣的導(dǎo)電性能。噴金處理后，將樹蛙足趾樣本固定在掃描電子顯微鏡的旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)上，粘貼的時(shí)候注意不要破壞樣本的表面。

1.3 樹蛙趾端結(jié)構(gòu)的觀測(cè)結(jié)果與分析

由于樹蛙趾端脫水干燥的原因，掃描電鏡下看到的溝槽分割結(jié)構(gòu)有輕微收縮變形，但輪廓更加清晰，如圖1a所示，樹蛙趾端表面被溝槽分割成的結(jié)構(gòu)有四邊形、五邊形、六邊形，以六邊形結(jié)構(gòu)居多。重點(diǎn)觀察了六邊形結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，樹蛙趾端的六邊形結(jié)構(gòu)大小均勻，直徑約為12m，多邊形之間形成的溝槽寬度約為1.5m。通常認(rèn)為樹蛙體表分泌的黏液在圍繞著六邊形結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。龍華[15]通過(guò)對(duì)10種魚表皮的顯微觀察，在某些魚類體表上也發(fā)現(xiàn)了同樣的六邊形結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)研究，Scherge等[16]發(fā)現(xiàn)在蟋蟀吸附組織表面也分布有類似的六邊形結(jié)構(gòu)。圖1c所示為放大5 000倍時(shí)的六邊形結(jié)構(gòu)，可以看到六邊形結(jié)構(gòu)表面分布著更加細(xì)密的超微溝槽分割結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步放大，如圖1d所示，可以看到這些超微結(jié)構(gòu)是由更小的六邊形結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，尺寸僅0.2m，但在本文中的濕式摩擦片中這些細(xì)微結(jié)構(gòu)對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果影響太小，因此不予考慮。

圖1 掃描電鏡下的樹蛙趾表面結(jié)構(gòu)

分析可知，樹蛙趾端吸盤表面的溝槽分割結(jié)構(gòu)，有利于降低足趾剛度，增加柔韌性；同時(shí)，樹蛙體表分泌的黏液可以在溝槽內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)足趾與其他表面接觸時(shí)，溝槽就能夠排開(kāi)接觸表面過(guò)多的液體，使得樹蛙趾端與接觸面充分接觸形成吸盤狀的粘附作用。在趾端吸盤表面微結(jié)構(gòu)的總數(shù)量保持恒定的條件下，采用六邊形輪廓的結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)趾端吸盤表面與其他表面接觸時(shí)，接觸面積最大，溝槽總長(zhǎng)度最小。接觸面積大，則接觸應(yīng)力??；溝槽長(zhǎng)度短，則便于黏液快速循環(huán)流動(dòng)[17-18]，與其他表面接觸時(shí)能夠更快地排開(kāi)接觸表面過(guò)多的 液體，迅速吸附。多種生物都具備這種六邊形微觀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明六邊形結(jié)構(gòu)是一種有利于生物生存活動(dòng)的優(yōu)化 結(jié)構(gòu)。

1.4 摩擦片表面結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

濕式離合器摩擦片表面上的溝槽具有如下作用：一是潤(rùn)滑油從摩擦片表面流過(guò)時(shí)，能夠使摩擦片表面得到更好的冷卻和潤(rùn)滑，同時(shí)流動(dòng)的潤(rùn)滑油還可以帶走摩擦表面上磨損產(chǎn)生的碎屑微粒[19-20]，對(duì)摩擦表面起到清潔的作用。二是當(dāng)主、從片開(kāi)始接合時(shí)，溝槽的存在有利于摩擦表面上的潤(rùn)滑油快速匯集到溝槽中然后流走，實(shí)現(xiàn)快速接合，同時(shí)當(dāng)2片摩擦片相對(duì)滑磨時(shí)，油槽的存在能夠有效刮油和破壞油膜，使2片摩擦片處于固-液臨界摩擦狀態(tài)，摩擦系數(shù)增大。

通常摩擦表面的溝槽形狀[21]有徑向槽、螺旋槽、弧形菱狀槽、方形槽、復(fù)合槽（徑向槽加螺旋槽）。首先溝槽形狀不同，摩擦片性能不同，相同形狀的溝槽，其寬度、深度和密度的變化也會(huì)影響摩擦片摩擦性能[22-23]。溝槽的存在雖然增大了摩擦系數(shù)，但同時(shí)也減少了摩擦面積，一定程度上加劇了摩擦片的磨損。為了在保證摩擦系數(shù)的同時(shí)，盡量降低磨損，提高濕式離合器摩擦片的耐磨性能，依據(jù)樹蛙趾端吸盤的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于濕式離合器摩擦片表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。表面結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)主要包括六邊形直徑、溝槽寬度、溝槽深度、溝槽剖面形狀等。任一參數(shù)的變化都將產(chǎn)生不同的效果，影響摩擦系數(shù)和耐磨性能。參照仿生原型的機(jī)理與市場(chǎng)上銷售的濕式離合器摩擦片、具體試驗(yàn)因素、水平與方案的確定如下：選取8、12和15 mm作為正六邊形直徑的個(gè)3試驗(yàn)水平，選取1、1.5和2 mm作為溝槽寬度的3個(gè)試驗(yàn)水平，選取1、2和3 mm作為溝槽深度的3個(gè)試驗(yàn)水平。

表1 試驗(yàn)因素和水平

由于試驗(yàn)設(shè)備加工精度和范圍有限，最終確定此次用于摩擦磨損試驗(yàn)的試件僅改變六邊形直徑和溝槽寬度2個(gè)因素，考慮到溝槽深度對(duì)摩擦片散熱能力的影響，溝槽深度應(yīng)盡可能增大，又因?yàn)闇喜凵疃冗^(guò)大時(shí)，潤(rùn)滑油膜承載能力會(huì)降低，最終將溝槽深度統(tǒng)一確定為1 mm，溝槽剖面形狀則采用便于加工，應(yīng)力集中小的圓弧形。

在同樣的試驗(yàn)條件下，設(shè)計(jì)光滑試樣即10號(hào)試樣的作為對(duì)照組，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 仿生非光滑模型試件的摩擦磨損試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)樹蛙足趾的微觀幾何結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)化并設(shè)計(jì)：以正六邊形為基本單元，單元之間互相平行，交錯(cuò)排列。表面結(jié)構(gòu)均加工在一圓形底板上，試樣底板的直徑25 mm，厚度6 mm。

所有試樣的底板尺寸雖然相同，但由于正六邊形單元的外接圓直徑相同時(shí)溝槽寬度不同，溝槽寬度相同時(shí)，正六邊形單元直徑不同，所以任意2個(gè)表面結(jié)構(gòu)不同的試件，接觸面積都是不同的。設(shè)置相同正六邊形單元直徑的不同試件目的是為了考察底板面積相同時(shí)，由于溝槽寬度的不同造成的摩擦摩損效果上的差異；設(shè)置相同溝槽寬度的不同試件目的是為了考察底板面積相同時(shí)，由于正六邊形單元直徑的不同導(dǎo)致摩擦摩損效果上的差異。

1.5 仿生摩擦片樣件的制作

根據(jù)樣件設(shè)計(jì)圖，如圖2a（具體參數(shù)與編號(hào)可見(jiàn)表2），利用激光加工技術(shù)制備樣件。此次試驗(yàn)中，仿生摩擦片試件均以普通HT250灰鑄鐵為材料，這種灰鑄鐵以珠光體和石墨為主要成分，硬度HB180～220。對(duì)磨件材料為45鋼，硬度為55HRC。每種結(jié)構(gòu)加工3個(gè)樣件，以減少試驗(yàn)時(shí)的偶然誤差。加工樣件如圖2b所示。

a. 樣件設(shè)計(jì)圖

a. Prototype design drawing

b. 加工樣件

b. Prototype drawing

注：1～9為試樣編號(hào)。

Note：1-9 is the sample No.

圖2 樣件設(shè)計(jì)與加工圖

Fig.2 Prototype design and machining drawing

2 摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)在微觀摩擦磨損測(cè)試儀上完成的，該設(shè)備型號(hào)為UMT-2（美國(guó)CETR，如圖3）提供直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)方式。速度從0.1 mm/s（或0.001 r/min）到50 m/s（或10 000 r/min）。有恒力加載、線性加載和通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的任意動(dòng)態(tài)加載模式。施力范圍從0.1 mN(10 mg)到100 N（10 kg），水平移動(dòng)最大距離，75 mm，垂直移動(dòng)最大距離，150 mm，最大載荷，100 N，振動(dòng)頻率，50 Hz。

圖3 摩擦磨損測(cè)試儀

2.1 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)主要參數(shù)為：法向壓力80 N，轉(zhuǎn)速200 r/min。離合器摩擦片磨損量測(cè)量方式是拆卸后用精密天平稱質(zhì)量（也可用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)量厚度）。為使所得數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，需要在跑合10 min后開(kāi)始正式試驗(yàn)。具體的操作過(guò)程如下：將試件裝卡到試驗(yàn)機(jī)的卡具上，設(shè)置法向壓力和轉(zhuǎn)速，開(kāi)始進(jìn)行跑合，跑合結(jié)束后，取下試件，冷卻至室溫，利用精密天平測(cè)量試件的質(zhì)量并記錄。然后將試件重新裝卡到試驗(yàn)機(jī)的卡具上，根據(jù)需要調(diào)整載荷至80 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min。為保證在相同條件下一定的磨損量，試驗(yàn)時(shí)，將磨損試驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置為30 min。試驗(yàn)結(jié)束后將試件取下，再次利用精密天平測(cè)量試件的質(zhì)量并記下，最后將測(cè)得的數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算出平均質(zhì)量差（即磨損量），通過(guò)試驗(yàn)得到不同非光滑形態(tài)的摩擦片試樣的磨損量。重復(fù)3次以防止由于系統(tǒng)誤差造成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等情況。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

對(duì)材料的磨損量進(jìn)行測(cè)量，通常使用3種參數(shù)來(lái)表示，即線磨損量、體積磨損量、質(zhì)量磨損量。本文采用質(zhì)量磨損量作為表征參數(shù)，同時(shí)定義磨損量與磨損前質(zhì)量的比值作為相對(duì)磨損率。摩擦系數(shù)由試驗(yàn)設(shè)備自帶的系統(tǒng)記錄分析得到。每次10組，每組重復(fù)3次。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，磨損量相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析法處理得到9種不同試樣的摩擦系數(shù)和平均相對(duì)磨損率曲線，如圖4所示。衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)是摩擦系數(shù)和磨損量[15],而摩擦片工作時(shí)一方面需要足夠的摩擦系數(shù)來(lái)保證接合時(shí)的動(dòng)力傳遞，另一方面要盡可能降低磨損來(lái)保證離合器使用壽命。分析曲線可知，在試驗(yàn)條件下，最合適的表面結(jié)構(gòu)為5號(hào)試件，即正六邊形直徑為12 mm，溝槽寬度為1.5 mm時(shí)，磨損量最低，摩擦系數(shù)相對(duì)較高。光滑試件的磨損量為5.83±1.15 mg，均比其他非光滑試件（其中最大磨損量只為5.33±0.12 mg）的磨損量大，也就是說(shuō)，具有仿生表面結(jié)構(gòu)的試件比光滑表面試件的耐磨性均有所提高。仿生表面結(jié)構(gòu)能提高試件的耐磨性主要有3方面的原因：1）溝槽便于潤(rùn)滑油流動(dòng)，提高了散熱系數(shù)；2）溝槽可以儲(chǔ)存磨屑，減少了磨粒磨損；3）溝槽增大了散熱空間，便于散熱。下面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表3 摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 磨損量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 不同試樣摩擦磨損特性對(duì)比

由圖5不同六邊形直徑的樣件摩損情況可知，隨著六邊形直徑的增大，磨損量不斷增加。

圖5 不同六邊形直徑的樣件摩損情況

由圖6可知，只考慮溝槽寬度這一因素時(shí)，隨著溝槽寬度的增加，樣件磨損量先減少后增加。可以推論六邊形直徑越大，越接近于光滑結(jié)構(gòu)，耐磨效果越差。5號(hào)試樣最優(yōu)是六邊形直徑與溝槽寬度綜合作用的結(jié)果，其中溝槽寬度為主要影響因素。溝槽寬度過(guò)小，摩擦磨損過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑會(huì)堵塞溝槽，冷卻油流動(dòng)受阻，容易引起溫升，加劇磨損；溝槽寬度過(guò)大，實(shí)際接觸面積減少，摩擦片承受的應(yīng)力變大，一方面會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，表面結(jié)構(gòu)變形，耐磨效果變差，另一方面還會(huì)導(dǎo)致摩擦力增大，從而磨損量增加。因此，溝槽寬度在1.5 mm附近時(shí)，樣件磨損量最低。

圖6 不同溝槽寬度的樣件摩損情況

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)樹蛙趾端微觀結(jié)構(gòu)的觀察，基于相似工程學(xué)原理，設(shè)計(jì)出若干種摩擦片表面結(jié)構(gòu)，采用激光加工技術(shù)制作樣件，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證與分析，考察其摩擦磨損性能。得出以下主要結(jié)論：

1）樹蛙趾端微觀結(jié)構(gòu)為致密的六邊形溝槽分割微結(jié)構(gòu)，六邊形微結(jié)構(gòu)大小均勻，直徑約為12m；相鄰的六邊形結(jié)構(gòu)之間被寬度約為1.5m窄溝槽隔開(kāi)，根據(jù)提取到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用仿生學(xué)方法，設(shè)計(jì)了摩擦片表面溝槽結(jié)構(gòu)。

2）樹蛙趾端的溝槽能快速排開(kāi)接觸表面過(guò)多的液體，形成吸盤狀的黏附作用，采用六邊形輪廓的結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)趾端吸盤表面與其他表面接觸時(shí)，接觸面積最大，溝槽總長(zhǎng)度最小，因此樹蛙在與濕滑基底接觸時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的黏附力和摩擦力，仿生摩擦片具備這些特點(diǎn)更能滿足傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的要求。

3）仿生非光滑結(jié)構(gòu)比不具有溝槽的光滑六邊形結(jié)構(gòu)具有更好的摩擦磨損特性，即磨損量低而摩擦系數(shù)高，最優(yōu)組合參數(shù)為正六邊形外接圓直徑為12 mm，溝槽寬度為1.5 mm，溝槽深度為1 mm的表面結(jié)構(gòu)既能改善耐磨性能，又能提高工作能力。

4）在壓力80 N，轉(zhuǎn)速200 r/min的摩擦磨損試驗(yàn)條件下正六邊形外接圓直徑為12 mm，溝槽寬度為1.5 mm，溝槽深度為1 mm的表面結(jié)構(gòu)耐磨性能最優(yōu)。這是六邊形直徑與溝槽寬度綜合作用的結(jié)果，能夠最大限度地降低磨損，提高摩擦片使用壽命，進(jìn)而達(dá)到改善離合器耐磨性能的要求。

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Design and test of biomimetic wear resistant for wet clutch friction plate for heavy tractor

Tan Lidong1, Zong Xuanjie1, Chang Zhiyong2, Wang Yanbo1, Chen Donghui2

(1.130022,; 2.130022,)

Wet clutch of heavy tractor is an important executive component of power shift gearbox. The wear failure of the friction pair is one of the main reasons for the overall performance degradation of the transmission system. To reduce the huge resource and economic loss caused by it, a wear-resistant clutch friction plate was designed. In this paper, from the perspective of bionics, the big tree frog was used as the experimental research object, and the toe end was observed by scanning electron microscopy. The microstructure of the toad end of the tree frog is quadrilateral, pentagon, hexagonal, and the hexagonal structure is mostly. The structure is uniform in size and has a diameter of about 10m. The microstructures have a groove between the outlines and a groove width of about 1 μm. Studies have shown that the mucus secreted by the body surface of the tree frog circulates in the groove surrounding the hexagonal structure, enhancing its adhesion, which is the coefficient of friction, in a humid environment. Tree frogs exhibit strong adhesion and friction when in contact with slippery substrates. With these characteristics, the bionic friction linings can better meet the requirements of transmission motion and torque. The toad parameters of the tree frog were extracted, the surface structure of the friction lining was optimized, and the dense hexagonal groove division structure of the toad end of the tree frog was further highlighted and simplified. The oil sump structure on the surface of the wet clutch friction plate of the heavy tractor was similarly designed. Nine kinds of bionic samples were designed for the design idea and the samples were made by laser processing technology. The friction and wear tests were carried out on a micro-friction and wear tester, and the differences of friction and wear with different hexagonal diameters and different groove widths were studied. The test results showed that the bionic non-smooth structure has better wear resistance than the smooth structure, and the regular hexagon has a diameter of 12 mm. When the groove width is 1.5 mm, the wear amount is the lowest and the friction coefficient is relatively high. The combined shape diameter and groove width can minimize wear and improve the service life of the friction plate, thus achieving the requirement of improving the wear resistance of the clutch.

bionic; clutch; design; friction plate; wear; tree frog

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.007

U463.211+.1

A

1002-6819(2018)-19-0054-06

2018-06-20

2018-08-22

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFD0701102）；吉林省教育廳“十三五”項(xiàng)目（JJKH20180083KJ，JJKH20170808KJ）；吉林省科技廳重點(diǎn)研發(fā)（20180201038GX）

譚立東，副教授，博士，主要從事車輛行駛可靠性與安全技術(shù)研究。Email：tanld@jlu.edu.cn

譚立東，宗宣潔，常志勇，王艷博，陳東輝. 重型拖拉機(jī)濕式離合器摩擦片耐磨仿生設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：54－59. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.007 http://www.tcsae.org

Tan Lidong, Zong Xuanjie, Chang Zhiyong, Wang Yanbo, Chen Donghui. Design and test of biomimetic wear resistant for wet clutch friction plate for heavy tractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2018, 34(19): 54－59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.007 http://www.tcsae.org