多錐形摩擦元件摩擦扭矩特性測(cè)試研究

周如意， 李新毅， 賈 爽， 唐 沛

(中國(guó)北方車輛研究所，北京, 100072)

在傳統(tǒng)片式摩擦離合器[1]、制動(dòng)器已經(jīng)趨于成熟難以突破的今天，機(jī)械行業(yè)尤其是車輛行業(yè)亟待尋找新的摩擦元件以實(shí)現(xiàn)更好的制動(dòng)和結(jié)合性能[2].由多錐形摩擦元件構(gòu)成的多錐形制動(dòng)器和離合器，在同等體積的情況下，由于其摩擦錐面更多，可傳遞較傳統(tǒng)濕式摩擦離合器更大的扭矩，所以在大功率變速系統(tǒng)里有很好的應(yīng)用前景[3-5].研究多錐形摩擦元件的扭矩特性，探究不同工況下的多錐形制動(dòng)器制動(dòng)特性，為其在重型車輛上的進(jìn)一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

1 測(cè)試依據(jù)和目的

1.1 測(cè)試依據(jù)

摩擦元件接合過程是從動(dòng)片與主動(dòng)片相對(duì)轉(zhuǎn)速?gòu)淖畲笾到档偷搅愕倪^程，與制動(dòng)過程類似：對(duì)偶鋼片作為主動(dòng)片與機(jī)匣固定w1=0，摩擦片作為從動(dòng)片具有初始轉(zhuǎn)速w2>0，在加載壓力的作用下，對(duì)偶鋼片與摩擦片貼合，在潤(rùn)滑油粘性剪切力矩和摩擦力矩作用下，摩擦片轉(zhuǎn)速逐漸降低到零，制動(dòng)過程結(jié)束.采用制動(dòng)工況模擬接合工況，制動(dòng)試驗(yàn)?zāi)K如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

1.2 測(cè)試目的

摩擦副在摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試材料摩擦特性.在加載壓力下對(duì)偶鋼片和摩擦片貼合，在粘性扭矩和摩擦扭矩的作用下，摩擦片轉(zhuǎn)速保持不變，通過測(cè)試壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，評(píng)價(jià)不同壓力、速度載荷條件下的摩擦扭矩和摩擦系數(shù)穩(wěn)定性，測(cè)試滑摩過程摩擦系數(shù)變化.

2 測(cè)試工況

將制動(dòng)過程分為兩個(gè)階段，分析制動(dòng)瞬間沖擊摩擦扭矩和初始靜扭矩隨載荷和速度的變化規(guī)律.記錄滑摩過程中扭矩、主動(dòng)端轉(zhuǎn)速、加載壓力等數(shù)據(jù)，分析加載壓力、轉(zhuǎn)速等對(duì)摩擦特性的影響規(guī)律.

1)工況1——轉(zhuǎn)速為400 r/min.

電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為固定轉(zhuǎn)速400 r/min.當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，動(dòng)態(tài)條件下控制液壓系統(tǒng)的油壓從0.1 MPa到0.2 MPa.一共2個(gè)油壓等級(jí)，增量為0.1 MPa.當(dāng)扭矩傳感器顯示有扭矩后，快速卸壓，同時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)速降為零.

2)工況2——轉(zhuǎn)速為800 r/min.

電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為固定轉(zhuǎn)速800 r/min.當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，動(dòng)態(tài)條件下控制液壓系統(tǒng)的油壓從0.1 MPa到0.2 MPa.一共2個(gè)油壓等級(jí)，增量為0.1 MPa.當(dāng)扭矩傳感器顯示有扭矩后，快速卸壓，同時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)速降為零.

3)工況3——模擬摩擦元件靜閉鎖狀態(tài)下的扭矩.

試驗(yàn)前摩擦元件未進(jìn)行磨合.油壓從0.1 MPa到0.3 MPa.一共3個(gè)油壓等級(jí)，增量為0.1 MPa.初始轉(zhuǎn)速為0，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為50 r/min,扭矩信號(hào)有讀數(shù)時(shí)，記錄初始轉(zhuǎn)速.

4)工況4——模擬摩擦元件磨合后靜閉鎖狀態(tài)下的扭矩.

試驗(yàn)前摩擦元件充分磨合.模擬摩擦元件磨合后靜閉鎖狀態(tài)下的扭矩.油壓從0.1 MPa到0.7 MPa.一共7個(gè)油壓等級(jí)，增量為0.1 MPa.初始轉(zhuǎn)速為0，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為50 r/min,扭矩信號(hào)有讀數(shù)時(shí)，記錄初始轉(zhuǎn)速.

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及其處理

3.1 制動(dòng)初始狀態(tài)扭矩特性分析

測(cè)試工況1：轉(zhuǎn)速為400 r/min，測(cè)試扭矩峰值類似于制動(dòng)過程的初始扭矩值.測(cè)試結(jié)果如圖2所示，0.1 MPa時(shí)，峰值扭矩為501 N·m；0.2 MPa時(shí)，峰值扭矩為965 N·m.

圖2 400 r/min下的扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)

測(cè)試工況2：轉(zhuǎn)速為800 r/min，測(cè)試扭矩峰值類似于制動(dòng)過程的初始扭矩值.測(cè)試結(jié)果如圖3所示，0.1 MPa時(shí)，峰值扭矩為379 N·m；0.2 MPa時(shí)，峰值扭矩為835 N·m.

圖3 800 r/min下的扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)

由圖2、圖3可知：測(cè)試工況1和測(cè)試工況2摩擦扭矩隨速度變化情況，制動(dòng)初始扭矩值隨著加載應(yīng)力的增大而增大.800 r/min高轉(zhuǎn)速條件下，制動(dòng)初始條件的峰值扭矩比400 r/min時(shí)要小，這是由于高轉(zhuǎn)速條件下摩擦副的接觸表面潤(rùn)滑狀態(tài)要好于400 r/min時(shí).

3.2 靜摩擦扭矩與滑摩扭矩特性分析

測(cè)試工況3：在0.1～0.3 MPa壓力區(qū)間內(nèi)模擬摩擦元件靜閉鎖狀態(tài)下的扭矩.圖4表征了摩擦副在未充分磨合前摩擦扭矩隨轉(zhuǎn)速變化情況，加載應(yīng)力較小時(shí)，滑摩的時(shí)間較長(zhǎng)；加載應(yīng)力較大時(shí)，時(shí)間較短，記錄靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)值.摩擦扭矩非零值出現(xiàn)早于轉(zhuǎn)速非零值的出現(xiàn)，這部分摩擦扭矩為靜摩擦扭矩.在滑摩過程中，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化不大，扭矩不斷增大的現(xiàn)象，這是由于滑摩過程中摩擦扭矩主要受摩擦元件接觸狀態(tài)和溫度的影響，摩擦副接觸不良導(dǎo)致扭矩不斷增大.隨著載荷不斷增大，靜摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)都有所增大.

圖4 不同加載壓力下靜摩擦扭矩變化

測(cè)試工況4：分析0.1～0.7 MPa壓力區(qū)間內(nèi)的摩擦特性變化趨勢(shì).測(cè)試結(jié)果見圖5，在摩擦元件充分磨合后，進(jìn)行摩擦扭矩特性的測(cè)試.記錄不同加載壓力條件下的靜扭矩和滑摩扭矩值,其中靜扭矩為領(lǐng)轉(zhuǎn)速階段對(duì)應(yīng)的最大扭矩值，滑摩扭矩為轉(zhuǎn)速達(dá)到50 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的初始扭矩值，如表1所示，靜扭矩隨著加載壓力的增大不斷增大.靜扭矩與摩擦元件的接觸狀態(tài)和負(fù)載情況有關(guān)，并不是一個(gè)定值，對(duì)于摩擦元件來說動(dòng)靜摩擦系數(shù)相差不大是一種有利的情況.

圖5 不同加載壓力下滑摩扭矩變化

表1 靜摩擦扭矩與滑摩扭矩值

圖6為摩擦扭矩隨著加載壓力的變化情況.從圖6可以看出：隨著加載壓力增大，摩擦扭矩呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是由于隨著加載壓力不斷增大，參與接觸的摩擦面積增大，此時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)為混合潤(rùn)滑狀態(tài).隨著壓力增大，摩擦扭矩和摩擦系數(shù)相應(yīng)增大.圖7為工況4滑摩過程中的動(dòng)態(tài)摩擦扭矩圖.從圖7可以看出，在扭矩和轉(zhuǎn)速恒定的情況下摩擦系數(shù)穩(wěn)定性較好，摩擦扭矩隨接觸應(yīng)力的增大而增大.

圖6 摩擦扭矩隨加載壓力變化規(guī)律

圖7 動(dòng)態(tài)摩擦扭矩

3.3 扭矩估算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

對(duì)滑摩狀態(tài)下的錐形摩擦副進(jìn)行受力分析，通過理論計(jì)算，獲得錐形摩擦元件扭矩估算方法，受力狀態(tài)如圖8所示.

圖8 錐形摩擦元件計(jì)算簡(jiǎn)圖

圓錐表面取面積元，其中α為摩擦錐形的錐角.

dA=(rdφ)(dr/sinα).

法向壓力

dF=pdA.

軸向的壓緊力為法向壓力的分力

dFa=dFsin α=pdAsin α=prdrdφ.

因此

，

則T=μFaRD.

主要涉及的參數(shù)有:錐面角α；液壓加載軸向力Fa；摩擦錐面正壓力Fn=Fa/sinα；A為錐面摩擦面積;摩擦錐面工作比壓p=Fn/A≤[p]，[p]為錐面摩擦材料的比壓許用值，一般其值取2 MPa[6].

摩擦副扭矩估算方法：試驗(yàn)測(cè)試典型載荷條件下的摩擦扭矩，確定等效摩擦系數(shù)值，通過等效摩擦系數(shù)來確定摩擦扭矩值，形成錐形摩擦元件摩擦扭矩設(shè)計(jì)方法.

單個(gè)錐面摩擦力矩

式中：TS錐面摩擦力矩；μ摩擦系數(shù)；d1平均直徑.

通過加載壓力和摩擦扭矩確定等效摩擦系數(shù)值，計(jì)算所得的等效摩擦系數(shù)變化如圖9所示.對(duì)于多錐摩擦副來說，等效摩擦系數(shù)在0.04～0.10之間，加載壓力在0.4 MPa以上，摩擦系數(shù)增速放緩，趨于穩(wěn)定.

圖9 等效摩擦系數(shù)變化

為了驗(yàn)證該扭矩計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，從兩種途徑入手進(jìn)行計(jì)算扭矩值與試驗(yàn)扭矩值的對(duì)比分析.途徑1定義等效摩擦系數(shù)為常數(shù)值0.08，則可以根據(jù)結(jié)構(gòu)形式確定不同載荷條件下的摩擦扭矩值，圖10為摩擦系數(shù)定為0.08時(shí)的扭矩值對(duì)比，隨著載荷不斷增大，摩擦扭矩偏差增大，最大偏差值為614 N·m.途徑2定義摩擦系數(shù)隨載荷變化，圖11為變化摩擦系數(shù)下的試驗(yàn)與計(jì)算扭矩值對(duì)比，摩擦扭矩偏差值基本一致，且偏差較小，最大偏差值為390 N·m.

圖10 定摩擦系數(shù)0.08時(shí)的計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比

圖11 變摩擦系數(shù)時(shí)計(jì)算值和試驗(yàn)值對(duì)比

對(duì)比摩擦扭矩實(shí)測(cè)值與計(jì)算值可以發(fā)現(xiàn)，該計(jì)算方法可以作為估算摩擦扭矩的方法.

4 結(jié)論

本次試驗(yàn)從不同壓力和不同初始狀態(tài)對(duì)多錐形摩擦元件的扭矩特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并通過理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較，得到了錐形摩擦元件的扭矩估算方法，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以得出以下結(jié)論：

1)在測(cè)試工況1和測(cè)試工況2中，制動(dòng)初始扭矩隨著加載壓力的增大而增大.在800 r/min轉(zhuǎn)速條件下的初始扭矩要小于400 r/min的初始扭矩.這是由于800 r/min時(shí)，摩擦元件的表面潤(rùn)滑狀態(tài)要好于400 r/min時(shí)，同時(shí)表面接觸狀態(tài)對(duì)扭矩的影響降低.

2)在測(cè)試工況3，測(cè)試扭矩類似于靜閉鎖摩擦扭矩，扭矩非零值出現(xiàn)早于轉(zhuǎn)速非零值，這部分扭矩為靜摩擦扭矩，滑摩過程中出現(xiàn)扭矩不斷增大的情況，這是由于摩擦副在未充分磨合前，摩擦副接觸不良導(dǎo)致扭矩不斷增大.摩擦扭矩主要受摩擦元件接觸狀態(tài)和溫度的影響，隨著載荷不斷增大，靜摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)都有所增大.

3)靜扭矩與摩擦元件的接觸狀態(tài)和負(fù)載情況有關(guān)，并不是一個(gè)定值，對(duì)于摩擦元件來說動(dòng)靜摩擦系數(shù)相差不大是一種有利的情況.

4)測(cè)試工況4中，隨著加載應(yīng)力增大，摩擦扭矩呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是由于隨著加載應(yīng)力不斷增大，參與接觸的摩擦面積增大，此時(shí)的潤(rùn)滑狀態(tài)為混合潤(rùn)滑狀態(tài)，隨著壓力增大，摩擦扭矩和摩擦系數(shù)相應(yīng)增大.

5)驗(yàn)證了扭矩理論估算方法的正確性，并以此方法獲得等效摩擦系數(shù)隨載荷的變化趨勢(shì).對(duì)于多錐摩擦副來說，等效摩擦系數(shù)在0.04～0.10之間，低載荷條件下，載荷增加的比例要大于接觸面積增大的比例，所以摩擦系數(shù)隨著載荷的增大而增大，加載壓力在0.4 MPa以上時(shí)，等效摩擦系數(shù)增速放緩，趨于穩(wěn)定.