纸基摩擦材料与粉末冶金摩擦材料摩擦特性的试验比较.pdf

孙立群 ， 北林永有 ， 李国平 ， 沙微 ， 李运佩 ，朱建华， 黄慧 上海达耐时汽车配件有限公司 摘 要采用纸基摩擦材料替代粉末冶金摩擦材料 ，应用于变速器以及制动器 中， 改善变速器与制动器的换挡及制动平稳性、 降低噪声， 提高产品寿命。 利用S A E N o ． i 2 标准试验机对纸基摩擦材料与粉末冶金摩擦材料进行了摩擦性能、 耐久性、 能量递增 i 以及连续滑动的对比试验。通过详尽的试验数据及分析， 证明纸基摩擦材料的摩擦性 能、 耐久性和耐热性都远远优于粉末冶金材料。为国内工程机械制造商提供了用纸基 i i摩擦材料替代粉末冶金摩擦材料所需的详实的试验数据。 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆1 ◆ ◆， ◆ ◆ ◆ l ◆ ◆ ◆ l ◆ 】 ◆ ◆ ◆_ ． ◆ ◆ ◆ ◆ ． ◆ ． ◆ 【 ◆ ◆ ◆ ◆ ． ◆ ． ◆“ l ◆㈣◆ l◆ 关键词 纸基摩擦材料； 粉末冶金摩擦材料 ； 摩擦性能； 耐久性 ； 耐热性 纸基摩擦材料与粉末冶金摩擦材料在成分上 有非常大的区别。纸基摩擦材料主要 由各种纤维 、 树脂及 不同的添加剂组成 ， 绝大 多数情况下 ， 不 含 有金属成分。而多数粉末冶金摩擦材料 以铜粉末 冶 金材料为主要成分 ， 它无法像纸基材料一样通过成 分调整可以得到各种各样的摩擦特性 ， 以满足不同 工况的需要。同时 ， 相对于粉末冶金摩擦材料 ， 纸基 摩擦材料还具有低成本的优势。在有色金属价格不 断上涨的环境下 ， 尽快在 国内工程机械行业推广 和 使用纸基摩擦材料就显得更为紧迫 。 纸基摩擦材料不仅被广泛应用于乘用车 自动挡 变速器中的离合器和制动器 ，近年来 由于产业机械 的用户对换挡舒适性 、零部件耐久性等要求的不断 提高 ，纸基摩擦材料在 国外 已经基本替代 了粉末冶 金摩擦材料， 被各大工程机械制造商， 例如美国的卡 特彼勒、 日本小松 、 T C M及瑞典 的 VO L V O等企业 ， 应用于装载机 、 大型翻斗车 、 叉车以及挖掘机等工程 机械 的变速器、 湿式制动器、 缓行器和停车制动器等 部件 。本文使用 S A E N o ． 2试验机 ， 模拟工程机械经 常使用的工况 离合器的系合 、 制动器的制动以及半 离合器连续滑动等 ，对两种摩擦材料的摩擦性能、 耐久性和耐热性进行试验研究 比较 。 1 试验装置 、 试验用样品及油品 1 ． 1 试验装置 用于评测摩擦材料及油品的性能、耐久性等各 种指标的 S A E N o ． 2标准试验机 ， 如图 1 所示。 1 ． 2 试验用样品及油品 纸 基摩 擦 片 的摩擦 材 料 尺 寸 为 q b 1 2 5 m m x 8 1 m m， 单侧纸基厚度为 0 ． 5 mm， 对偶钢片尺寸为 1 3 7 m i l l 齿顶 圆直径 8 1 m m 内径 ， 厚度 1 ． 8 mm。粉末冶金摩擦片 的摩擦材料尺寸为 q b 1 2 5 m m 8 1 i n n l ，单侧粉末冶金摩擦材料厚度为 0 ．7 5 m m，对偶钢片尺寸为 1 3 7 m m 齿顶圆直径 作者简介 孙立群 1 9 7 O 一 ， 男， 工学博士， 研究方向 湿式摩擦原理及湿式摩擦材料在各种车辆上的应用。 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 S AE No ． 2标 准 试 验机 8 1 m m 内径 ， 厚度 1 ． 8 i Y l n 3 。 试验样品构成 P D P D P ， P 对偶钢片， D 摩擦片 。 试验用 油 长城 6号传 动油 ，冷却 油流量 20 0 0ml Jmi n。 试验前纸基摩擦片及对偶钢片与试验前粉末 冶金摩擦片及对偶钢片见图 2与图 3 。 图2 试验前纸基摩擦片及对偶钢片 图3 试验前粉末冶金摩擦片及对偶钢片 一 5 6～ 2 比较试验的结果及分析 2 ． 1 摩擦性能、 摩擦特性的比较与分析 2 ． 1 ． 1 试验条件 图4 是一个典型的离合器或制动器系合过程中 各种参数变化曲线 的示意图。离合器或制动器在非 工作状态下， 摩擦片和对偶钢片没有动力传递关系， 只有回转差速。当活塞在液压力的作用下把摩擦片 和对偶钢片相互压紧时，摩擦片和对偶钢片之间的 差速会在短时问内减小到零 。从一定的差速到差速 为零的过程 ， 一般叫系合 。系合过程中， 摩擦材料单 位面积所受的压强为面压。同样， 在系合过程中， 由 于各种 回转部件 比如液力变矩器 、 离合器外毂等 具有回转惯量， 摩擦材料需要把这些回转的惯性体 的能量吸收， 该能量叫做离合器系合时的输入能量。 图中的 表示的是系合过程中的动摩擦系数 ， 多数 情况下取系合前差速的一半 ，假设离合器系合前的 差速为 3 0 0 0 r ／ m i n ， 就是转速下降到 1 5 0 0 r ／ m i n 时那一瞬间的摩擦系数。 也可以根据转速来命名， 比 如 ， 。 。 。图中的 是指系合结束时的摩擦系数。而 ／ 是静动比， 该参数是衡量摩擦材料的摩擦性能 的重要指标 ，该值越大说 明在摩擦片和对偶片系合 完成 相对转速接近于 0 时会出现瞬时高转矩， 也 就是瞬时高摩擦系数 翘尾现象 。这种特 l 生 往往会 引起离合器和制动器的振动和噪声 ，直接影响到换 挡及制动 的平稳性。 摩擦性能试验条件为系合前转速 3 0 0 0 r ／ mi n ， 输入能量 0 ． 3 3 J ／ ra m ， 油温 8 0 ℃， 摩擦材料表面面 压分别为 0 ． 3 MP a ， 0 ． 6 MP a ， 1 ． 2 MP a 。性能试验主要 是考察摩擦材料的摩擦系数以及摩擦特性。 2 ． 1 ． 2 试验结果及分析 图 5是两种摩擦材料在不同面压情况下测得的 摩擦系数及摩擦特性。 从试验结果可 以看出， 纸基摩 擦材料和粉末冶金摩擦材料在系合完成时的摩擦系 数 随系合面压变化率分别为 6 ％和 1 1 ％，系合过 程中的摩擦 系数 肛 的变化率分别为 9 ％和 3 0 ％， 这 说明纸基摩擦材料无论是在系合过程中还是在系合 结束时的摩擦系数受面压的影响更小 ，更稳定。另 外 ， 纸基摩擦材料的摩擦系数 要 比粉末冶金摩擦 材料高 出 8 6 ％ 当面压为 0 ． 3 MP a 时 到 3 l ％ 当面 压为 1 ．2 M P a 时 ， 这说明在尺寸与摩擦片枚数相同 的情况下 ，纸基摩擦材料可 以缩短离合器系合以及 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 时 间 图 4 系合过程中转速与转矩 摩擦系数 曲线示意图 图 5性能试 验结果 制动器制动的时间 ，改善使用粉末冶金摩擦材料时 经常出现的动力传递滞后。 从两种材料的静动比 枇 可以看 出， 由于粉末冶金材料 的 很高 ， 同时 较低 ， 其静动比要远远高于纸基摩擦材料 ， 也就是图 4中所示的翘尾现象。 纸基摩擦材料的 与 基本 相同， 从波形来讲就是曲线平滑没有翘尾发生。 这也 就是为什么粉末冶金摩擦材料更容易引起离合器与 制动器的振动和噪声 的根本原因。 2 ． 2 耐久特性的比较与分析 2 ． 2 ． 1 试验条件 耐久试验主要是考查摩擦材料在高能量输入情 况下的耐久特性 ，也就是摩擦材料在耐久试验过程 中摩擦系数的衰减情况 。具体试验 条件是转速为 3 5 0 0 r ／ m i n ， 输入能量 0 ． 8 J ／ mm 2 ， 油温 1 0 0 ℃， 摩擦材 料表面压力 1 ．0 M P a ， 系合次数 6 0 0 0次。 2 ． 2 ． 2 试验结果及分析 图 6是耐久试验过程中两种材料摩擦 系数的变 化曲线。从该结果可以看出， 在该试验条件下 ， 纸基 摩擦材料在试验初始阶段的摩擦系数要 比粉末冶金 摩擦材料高出近 7 5 ％。经过 6 0 0 0次高能量输入的 耐久试验之后，纸基摩擦材料的动摩擦系数没有出 现任何下降，而粉末冶金摩擦材料的摩擦系数下降 非常严重， 摩擦系数在第 6 0 0 0 次系合时， 只有 0 ．0 2 左右 ， 与试验初始 阶段相 比下 降约 6 6 ％。该试验结 果充分证明了通过使用纸基摩擦材料可以大幅度延 长变速器及制动器 的使用寿命和维修周期 。 2 ． 3 耐热性能的比较与分析 2 ． 3 ． 1 试验条件 该试验主要是考查摩擦材料 的耐热性及在高能 量输入时钢片的受热变形情况。表 1 是耐热试验的 条件 ， 油温为 1 0 0℃， 输入能量等级共 7 级， 从 S t e p 1 开始到 S t e p 7 逐级能量递增，各 S te p的系合次数 均为 3 0次。 2 ． 3 ． 2 试验结果及分析 图 7 ～图 1 0是试验后样 品的照片。从 图 7和图 8 可以看出粉末冶金材料在第 4 级能量输入之后， 一 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 置 0．16 { 戢搀犀憬利科 L 士她厶崽妇甘划 -- a 1 4 ．一 n 1 2 ～ 1 ● 一 一 ■ ● 一i 一 ● ●⋯ ～l - 一 一 - ● 一 一 1 a 0 8 0 6 h ．． 一 一●● 0 ． 0 4 一● r ’ ～． n 0 2 U 0 l 0 0 0 20 0 0 30 0 0 40 0 0 50 0 0 60 0 0 系合 次数 图 6 耐久试验结果 表 1 能量递增试验条件 S t 印 S t e p 1 S t 叩 2 S t e p 3 S t e p4 S t 印 5 s t e p 6 S t e p 7 转速 ／ r ／ m i n 2 5 0 0 3 0 o 0 3 5 0 0 4 O 0 o 4 5 o o 4 7 O 0 4 8 5 0 输入能量 ／ J ／ m mz 0 ． 4 0 ．5 O ． 7 O ． 9 1 ． 2 1 ． 3 1 ． 4 螽蟊 舞强 嘲瑶磷糍 强籍 赣簦秘 嗡 擎 l _lll 0 0 √ 羹 囊 毳 骥 夔 豳 辩 ≥鬟 疆 主 奢 疆 糍 端 靴 蕊 嚣 餮 疆 鲭 器萄 l 霞 目 麟 疆 鳝 嘲 N 豳 龉。 。 。霹 灞 一 黧 i 霭 豳 墨 瞄 露 黑 鬻 l 圄 圈 嘲 固 目 鼎 鬣 薹 l 8 澜 。 ．g I 霆 赣 鼹 目 ． i 目 图 7 粉末冶金摩擦材料 后的照片 图 粉末冶金摩擦材料在 后对偶钢片 一 5 8一 图 纸基摩擦材料 后的照片 图 1 0 摩擦材料在 后对偶钢片 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对偶片就 出现了热变形 ， 尤其是 中间的一片 已经变 形成为碗状 ， 由于变形严重所 以无法进行下一级能 量输入试验。从图 9及 图 l 0可 以看出纸基摩擦材 料经过了所有 7级试验后 ， 虽然 中间一片对偶片表 面出现变色， 但是没有出现任何热变形， 另外纸基摩 擦材料也没有出现烧损 。通过该试验可以看 出， 与 粉末冶金材料相 比纸基摩擦材料具有更好 的耐热性 和抗热变形的特点。 2 ． 4 耐连续滑动特性的比较与分析 2 ． 4 ． 1 试验条件 因为工程机械的变速器经常会出现半离合器的 状态 ， 所 以要求摩擦材料需要具有耐连续滑动 A n t i - i n c h i n g 的特性 ，该试验就是模拟半离合器的工 况 ， 对这两种摩擦材料的耐连续滑动特性做以比较。 油温 1 2 0 C， 连续滑动中输入转矩 固定为 1 8 0 N m， 循环次数 2 8 0次 一个循环包括 连续滑动 4 0 S 、 间 隔 2 0 S 。 2 ． 4 ． 2 试验结果及分析 从图 1 l 的结果我们可以看出， 粉末冶金材料在 经过 2 5次连续滑动后 ， 摩擦系数的下降率就已经接 近 3 0 ％。而纸基摩擦材料在经过长达 2 8 0次连续滑 动后 ， 摩擦系数 的下降率也 只有 1 6 ％， 其耐连续滑 动寿命远远高于粉末冶金摩擦材料。 图 l 1 连续滑动试验 结果 3 结论 本文通过试验对纸基摩擦材料和粉末冶金摩擦 材料的摩擦性能、 耐久性、 耐热性 以及连续滑动工况 下的寿命进行 了比较 ， 分析 了两种摩擦材料在诸多 方面的差异。从上述试验的结果及分析可以看出 1 纸基摩擦材料的摩擦特性， 包括与离合器系 合时间和制动器制动时间相关 的动摩擦 系数 ， 以及 与换挡 、 制动冲击和噪声相关的静动 比， 都明显优于 粉末冶金摩擦材料 ； 2 在耐久性方面， 纸基材料表现出了良好的耐 久稳定性 ， 这种稳定性不但可 以大幅度提高离合器 及制动器的使用寿命， 同时也会大幅改善离合器的 换挡稳定性和制动器的制动稳定性 ； 3 从能量递增试验可以看出， 纸基摩擦材料具 有更佳的耐热性 ， 也就是单位面积 的摩擦材料可 以 比粉末冶金摩擦材料承受更大的输入能量 ， 这对于 减小离合器和制动器的尺寸 ， 减轻整车重量具有非 常重要的意义 ； 4 对于连续滑动这种特殊工况 ， 纸基摩擦材料 同样表现出明显 的优势 ，耐连续滑动的寿命是粉末 冶金摩擦材料的近 2 O倍。 参考文献 【 1 ]H i r o s h i O s a n a i ， K u n i h i k o I k e d a ， D a i k i n R ／ M C o ． L t d ． R e l a ti o n s Be twe e n T e mp e r a tur e i n F ri c ti o n S u r f a c e a n d De g r a d a ti o n o f F ri c ti o n Ma t e ria l s D u ri n g E n g a g i n g of We t F ri c ti o n P a p e r [ C ] ／ ／ S A E T e c h n i c a l P a p e r S e ri e s N o ． 9 0 0 5 5 3 ， 1 9 90． [ 2 ]K e n i c h i T a k e z a k i ， Ma s a m i t s u K u b a m， D y n a x C o r p ． T h e r mal an dMe c h a n i c a l Da mag eof P a p e rW e t F ri c ti o nMa t e ri al I n d u c e d b y N o n - U n i f o r m C o n t a c t [ C ] ／ ／ S A E T e c h n i c al P a p e r S e ri e s No ． 9 2 2 0 9 5 ， 1 9 9 2 ． 通信 地址 上海市奉 贤区陈桥路 1 3 9 9号 2栋工厂 上海达 耐时汽车配件有限公 司设计技术部 2 0 1 4 0 0 收稿日期 2 0 0 9 0 9 2 0 一 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m