無級變速器鎂合金金屬帶表面涂層摩擦磨損性能研究*

劉金剛，向紅娓，王高升，鄒乃威，陳建文，陳建華

（1.湘潭大學機械工程學院，湘潭 411105； 2.寧波工程學院，寧波 315211；3.中國兵器工業(yè)集團江麓機電集團有限公司，湘潭 411100）

前言

近年來，我國汽車產(chǎn)業(yè)不斷向節(jié)能環(huán)保、低消耗、舒適性方向發(fā)展，金屬帶式無級變速器因其良好的經(jīng)濟性、動力性受到了廣大汽車廠商的青睞［1－2］。金屬帶式無級變速器是摩擦式無級變速器，主要依靠摩擦片側(cè)面與帶輪相接觸來傳遞動力［3－4］，由于存在較高的傳動損失，會直接影響CVT的傳動效率。

隨著我國對環(huán)境污染、可持續(xù)發(fā)展等問題的關(guān)注度日趨高漲，提高CVT傳動效率成為當前的熱點［5－6］。張勇等［7］基于傳統(tǒng) CVT夾緊力控制策略正常情況下，提出了滑移率夾緊力控制方法，有效減小了從動帶輪的夾緊力，提高了無級變速器的傳遞效率。Khaniki等［8］以金屬帶式無級變速器傳動損失最小化為研究目標，對無級變速器金屬帶結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，從而提高了CVT的傳動效率。以上研究主要是從CVT控制方面來提高其傳動效率。

通過CVT控制方面提高傳動效率，經(jīng)過長時間不斷研究已經(jīng)趨于完善，改進空間不大。鎂合金因其比強度高、密度小、抗沖擊減振性好、無毒害、能回收等特點，被廣泛應用于軍工、航天、汽車和醫(yī)學等領(lǐng)域［9－10］。付海龍等［11］利用鎂合金密度小等優(yōu)點，將鎂合金材料應用到汽車上，解決了燃油消耗和汽車尾氣污染等問題。趙懌等［12］介紹了國內(nèi)外鎂合金在航空領(lǐng)域的應用與發(fā)展，討論了國內(nèi)在鎂合金應用方面的差距。本文中用鎂合金材料替代無級變速器軸承鋼材料的摩擦片，使CVT輕量化，降低了其離心力，提高CVT的傳動效率。目前，將鎂合金材料應用到CVT金屬帶上最大的阻礙之一就是鎂合金材料本身耐磨性差，這將會加劇CVT摩擦片與帶輪之間的摩擦磨損，影響CVT金屬帶的使用壽命。近年來，國內(nèi)外大量學者研究了如何提高鎂合金表面耐磨性的問題［13－14］。Bernabe等［15］通過激光熔覆技術(shù)在鎂合金AZ61表面噴涂Al－Si粉末，并進行滑動磨損測試，結(jié)論表明，在鎂合金AZ61表面噴涂Al－Si耐磨涂層可提高鎂合金的耐磨性。易德亮等［16］采用等離子噴涂技術(shù)在鎂合金表面制備Al2O3／TiO2復合涂層，并進行摩擦磨損實驗，結(jié)果表明，在鎂合金表面制備Al2O3／TiO2涂層可提高鎂合金的耐磨性。以上研究表明，通過在材料表面制備耐磨涂層，可提高材料的耐磨性。

為提高鎂合金的耐磨性，減少CVT摩擦片與帶輪之間的摩擦磨損，提高無級變速器金屬帶的使用壽命，本文中提出一種在鎂合金表面制備耐磨涂層的熱加工方法，通過改變材料性能來提高鎂合金的耐磨性，從而提高無級變速器金屬帶的使用壽命。

1 對金屬帶離心力分析

由相關(guān)文獻［17］可知：

式中：ω為工作帶輪角速度；γp為金屬帶工作半徑；ρe為金屬片沿周長方向的線密度；ρr為金屬環(huán)沿周長方向的線密度；Ce為金屬片單位長度質(zhì)量在角速度ω和工作半徑γp下所產(chǎn)生的離心力；Cr為金屬環(huán)單位長度質(zhì)量在角速度ω和工作半徑γp下產(chǎn)生的離心力。

離心力的大小主要受摩擦片與帶環(huán)的線密度、速比和輸入轉(zhuǎn)速3個參數(shù)的影響。取輸入轉(zhuǎn)速范圍為1 000～12 000 r／min，速比范圍為 0.44～2.35，ρr1＝0.246 kg／m（軸承鋼帶環(huán)組線密度）、ρe1＝1.178 kg／m（軸承鋼摩擦片線密度）；取 ρr2＝0.061 5 kg／m（鎂 合 金 帶 環(huán) 組 線 密 度 ）、ρe2＝0.294 5 kg／m（鎂合金摩擦片線密度）［18］。在對摩擦片與帶環(huán)進行受力分析時，均設(shè)定受力為連續(xù)的。根據(jù)上述可得軸承鋼材料和鎂合金材料金屬帶的離心力曲面圖，如圖1和圖2所示。

圖1 軸承鋼金屬帶離心力

由于鎂合金材料具有密度小等優(yōu)點，其密度只有鋼的1／4，因此，鎂合金金屬帶產(chǎn)生的離心力比軸承鋼金屬帶產(chǎn)生的離心力對系統(tǒng)的影響要小許多。無級變速器金屬帶用鎂合金材料，可以降低CVT金屬帶的離心力，提高CVT的傳動效率。由圖1和圖2可見，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到6 000 r／min、傳動比為0.44與2.35時，鎂合金摩擦片和鎂合金帶環(huán)的離心力分別達到了602.101與111.616 N和131.256與24.332 N，因此在一定速比和轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，鎂合金金屬帶離心力相比軸承鋼金屬雖然大幅度降低，但其產(chǎn)生的影響也會比較大，在后面的計算當中不可忽略。

圖2 鎂合金金屬帶離心力

2 建立力學模型

2.1 幾何關(guān)系

摩擦片和帶環(huán)是金屬帶式CVT的核心和關(guān)鍵零部件，摩擦片主要是傳遞轉(zhuǎn)矩，帶環(huán)主要是引導摩擦片的運動方向和承擔金屬帶中的張力［19］。由于金屬帶具有獨特的結(jié)構(gòu)，CVT具有的幾何關(guān)系如圖3所示。根據(jù)金屬帶運動特性，整條金屬帶被劃分為4個區(qū)間，即金屬帶與主動帶輪接觸區(qū)間（ab）、主動帶輪出口至從帶輪入口區(qū)間（bc）、金屬帶與從動帶輪接觸區(qū)間（cd）和從動帶輪出口至主動帶輪入口區(qū)間（da）。

圖3 金屬帶式無級變速器幾何關(guān)系

當金屬帶傳動比為i時，主從動帶輪的節(jié)圓半徑、主從動帶輪包角可由下式得出：

式中：L為金屬帶工作長度，mm；A為金屬帶傳動中心距，mm；R1、R2為主、從帶輪節(jié)圓半徑，mm；α1、α2為主、從帶輪包角；Δh為摩擦片的擺棱至鞍面的距離，mm。

2.2 力學分析

大轉(zhuǎn)矩、低速比是金屬帶式CVT的主要工況，對該工況下CVT進行力學分析具有實際意義。無級變速器在運動過程中情況十分復雜，不僅存在偏轉(zhuǎn)、滑移等現(xiàn)象，還存在摩擦片間隙與接觸不連續(xù)等問題，且在力學分析過程中還存在離心力。因此，為了簡化模型，便于分析，做如下假設(shè)［20］：

（1）假設(shè)帶環(huán)為一個整體，不考慮帶環(huán)間的相對滑動與磨損；

（2）不考慮金屬帶的偏移；

（3）將帶輪視為剛體，不考慮帶輪的變形；

（4）不考慮運行過程中金屬片的偏轉(zhuǎn)角與滑移；

（5）將帶輪與金屬片、金屬片與帶環(huán)之間的摩擦因數(shù)視為常數(shù)。

2.2.1 摩擦片、帶環(huán)受力分析

取主動帶輪接觸弧上任意一段金屬帶微元體，如圖4所示。建立X、Y方向平衡方程，略去2階微量后得到

式中：T為帶環(huán)張力；Q為摩擦片之間推擠力；ua為帶環(huán)與摩擦片之間摩擦因數(shù)，取0.16；ub為帶輪與摩擦片之間摩擦因數(shù)，取 0.16［21］；Cr為帶環(huán)離心力；Cp為摩擦片離心力。

圖4 摩擦片、帶環(huán)微元受力分析

2.2.2 Ta值確定

根據(jù)有效圓周力定義，金屬帶式CVT的有效圓周力可以表示為

有效圓周力與輸入轉(zhuǎn)矩具有以下關(guān)系：

式中r1為主動帶輪工作半徑。

將式（5）和式（6）代入上式可得

2.3 軸向力確定

由圖3（b）建立主、從動帶輪平衡方程：

3 應力分析

3.1 邊界條件確定

為了真實反映不同材料的摩擦片對CVT帶輪與摩擦片的接觸應力和摩擦片的應力分布的影響，本文中摩擦片采用涂層1為Al2O3／WC－Co、涂層2為Al2O3／TiO2、涂層3為WC－Co和鎂合金材料。根據(jù)上述力學模型和摩擦磨損實驗得出的實驗數(shù)據(jù)，計算有限元軟件分析所需參數(shù)，結(jié)果如表1所示。為了節(jié)省計算時間，利用ANSYS軟件對一片摩擦片與帶輪之間的接觸進行實體建模并仿真分析，三維模型如圖5所示。

表1 有限元分析參數(shù)

3.2 應力分布結(jié)果與分析

圖6為涂層1、涂層2、涂層3和鎂合金基材摩擦片的接觸應力圖。從圖中可以看出，3種耐磨涂層的鎂合金摩擦片的最大接觸應力值均小于鎂合金基材摩擦片的最大接觸應力值。對比可發(fā)現(xiàn)，涂層3鎂合金摩擦片的最大接觸應力值最?。?3.099 MPa）。這說明，在鎂合金摩擦片表面制備耐磨涂層均可減小摩擦片與帶輪之間的最大接觸應力值。

圖5 三維實體模型

圖6 不同材料摩擦片的接觸應力分布

圖7為涂層1、涂層2、涂層3和鎂合金基材摩擦片的應力分布。對比可發(fā)現(xiàn)，3種耐磨涂層鎂合金摩擦片的最大應力值均略小于鎂合金基材摩擦片的。這說明在鎂合金摩擦片表面制備耐磨涂層對摩擦片的應力分布影響不大。

從上述分析來看，在鎂合金摩擦片表面制備耐磨涂層，改變材料屬性（彈性模量、泊松比）均會影響摩擦片的接觸應力分布。隨著摩擦片耐磨涂層材料彈性模量和泊松比的增加，摩擦片的最大接觸應力值也會增大。CVT在運行過程中，摩擦片側(cè)面與帶輪之間相互摩擦，承受著循環(huán)應力載荷，摩擦片側(cè)面表層內(nèi)不斷積累塑性變形，從而導致摩擦片表面產(chǎn)生裂紋。隨著摩擦片最大接觸應力增加會進一步加劇摩擦片表面裂紋的產(chǎn)生，從而導致CVT金屬帶失效。

圖7 不同材料摩擦片的應力分布

4 實驗

4.1 試件材料

本次實驗選取涂層1為Al2O3／WC－12Co、涂層2為Al2O3－TiO2和涂層3為WC－12Co 3種粉末作為噴涂材料，在鎂合金AZ91D鎂合金基體（30 mm×20 mm×6 mm）表面上制備耐磨涂層。

4.2 涂層制備

在等離子噴涂實驗前首先用丙酮溶液去除AZ91D鎂合金表面油污，再用干式噴砂機對基體表面進行噴砂處理，去除表面氧化物，并粗化表面，提高涂層與基體間的結(jié)合強度。噴涂實驗采用Markham.st80型號的等離子噴涂設(shè)備，如圖8所示。噴涂工藝參數(shù)：激光功率為1.3 kW，掃描速度為150 mm／min，光斑直徑3 mm，噴涂角度為 90°，以氮氣為載體。

圖8 等離子噴涂設(shè)備

4.3 性能表征

采用DHV－1000型顯微維氏硬度計檢測4種試樣的維氏顯微硬度，實驗在2 N載荷下保持10 s，每種樣品取10個硬度點。采用UMT－2型球 盤往復式摩擦磨損（圖9）對4種試樣進行摩擦磨損實驗，選用φ5 mm軸承鋼球作為對磨件。磨損試驗在潤滑條件下進行，潤滑油型號為NS－3。采用VHX－1000超景深顯微儀觀察樣品磨損后表面形貌。

圖9球 盤式摩擦磨損機

4.4 摩擦磨損實驗參數(shù)確定

摩擦片受力模型如圖10所示，根據(jù)摩擦片受力分析，可得帶輪與摩擦片之間的正壓力關(guān)系式［22］：

結(jié)合上述理論模型分析可計算出，帶輪與摩擦片之間的正壓力N＝370 N，也就是摩擦磨損模擬實驗所需參數(shù)。因此，摩擦磨損實驗條件：施加載荷370 N，磨損行程10 mm，磨損時間 8 min，頻率5 Hz。

圖10 摩擦片受力模型

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 摩擦因數(shù)

圖11為4種試樣的摩擦因數(shù)隨摩擦時間變化曲線。從圖中可以看出，隨著磨損時間的增加，4種試樣的摩擦因數(shù)先增加后呈平穩(wěn)趨勢變化。對比4種試樣的摩擦因數(shù)曲線可以發(fā)現(xiàn)，涂層3試樣的摩擦因數(shù)變化最平穩(wěn)，且平均值最小，穩(wěn)態(tài)值可保持在0.25左右。

圖11 摩擦因數(shù)變化圖

5.2 顯微硬度

圖12為4種試樣的硬度情況。由圖可見，3種涂層試樣的顯微硬度都要高于基體試樣的顯微硬度，且涂層 3試樣的顯微硬度最大，達到了1 302 HV，是鎂合金基體試樣顯微硬度的23倍。分析原因可能是由于基體表面沉積形成了 Al2O3、TiO2、WC和Co2O3等硬質(zhì)金屬間化合物，使得鎂合金基體表面硬度明顯增加。

圖12 涂層和基體的顯微硬度

5.3 磨損性能

圖13為4種試樣磨損量圖。由圖可見，隨著試樣硬度的增加，試樣的磨損量呈現(xiàn)明顯的降低趨勢。這主要是由于試樣的耐磨性能隨著硬度的增加而增加。同時也可見，3種涂層試樣的磨損量均小于鎂合金基材試樣的，且涂層3試樣的磨損量最小，為8.5 mg。

圖13 涂層和基材的磨損量

圖14為4種試樣摩擦磨損后表面形貌。由圖可見，4種試樣的表面磨損形貌存在較大差異，呈現(xiàn)出不同程度的犁溝、剝落、凹坑等磨損特征。圖14（a）為涂層1試樣的表面磨損形貌，試樣表面出現(xiàn)較為明顯的剝落，還出現(xiàn)了不連續(xù)性的犁溝。圖14（b）為涂層2試樣的表面磨損形貌，試樣表面剝落明顯減小，表面存在較為嚴重的犁溝。圖14（c）為涂層3試樣的表面磨損形貌，試樣表面較光滑，不存在剝落現(xiàn)象，存在較輕微的劃痕。圖14（d）為鎂合金基材試樣的表面磨損形貌，試樣表面出現(xiàn)嚴重的剝落現(xiàn)象，且剝落塊較大，并存在不連續(xù)性的犁溝。這是由于基體材料不含硬質(zhì)相、硬度較低等原因造成的。而涂層含有Al2O3、WC等硬質(zhì)相，具有很高的硬度，提高了表面耐磨性，從而減小了磨損作用。

圖14 不同材料試樣的磨損表面形貌

綜上所示，在鎂合金表面制備3種耐磨涂層均可以提高鎂合金面的耐磨性。通過對比發(fā)現(xiàn)，涂層3的耐磨性能最好。

6 結(jié)論

（1）通過改變金屬帶摩擦片材料屬性（彈性模量、泊松比）可減小鎂合金摩擦片的接觸應力最大值和應力分布最大值。

（2）在鎂合金基材表面制備耐磨涂層可以提高鎂合金的耐磨性能，且WC－Co涂層的耐磨性最好。