铜基粉末冶金摩擦材料调速制动摩擦系数试验

王延忠，魏 彬，宁克焱，韩 明，沈 蓉

（1.北京航空航天大学机械工程学院，100191北京；2.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，100072北京）

大功率Cu基粉末冶金摩擦材料在高能量密度传动系统中得到了广泛应用.现阶段广泛采用SAE台架试验和Pin On Disc销盘试验作为材料摩擦特性的验证手段.针对复杂边界情况的摩擦元件摩擦特性，大多数试验都在SAE#2或相似的试验台上完成.该试验台能够完成挤压、滑摩、闭锁等多工况的模拟.Haviland［1］、Evans［2］和Holgerson［3］等通过SAE制动试验初步研究了湿式离合器接合过程的摩擦特性，得出了制动过程中存在多种摩擦机理的结论.Tatiah［4］和 Osanai［5］等对湿式摩擦副多次接合过程的热失效机理进行了理论和试验研究，得到了以失效模式为基础的温度场热应力模型，Kim［6］通过制动试验研究了铜基物质在摩擦磨损过程所起到的重要作用，并分析了其成分对摩擦磨损特性的影响.

Pin On Disc销盘试验台因结构简单常用于摩擦磨损模型的验证［7］.YAN Wenyi［8］等以应力分析为基础提出了磨合磨损模型，通过销盘试验对该模型进行了试验验证，Laraqia［9］使用销盘试验机验证了三维温度场解析模型.Wahlströma［10］等采用销盘试验对多种航空制动材料进行了摩擦特性的试验分析.现阶段所采用的试验方法大多为模拟制动试验，该种方法虽然有效模拟了制动的全过程，但不易于对制动过程各个阶段及其相应的摩擦机理进行深入研究，边界条件相互影响，试验数据的同一性和稳定性比较差，销盘试验影响因素单一，不能模拟复杂表面对摩擦特性的影响，试验所得到的结果与结论即使对同一型号的产品也没有普遍的适用性.

本文应用自行设计的调速摩擦磨损试验机，采用模拟制动边界及调速主动控制方法来更精确地分析边界条件对摩擦系数的影响.

1 制动过程阶段划分

行星变速机构中的某铜基粉末冶金湿式摩擦材料的典型制动过程及其参数变化曲线如图1所示.该试验在传统的SAE台架上完成，所采用的试样如图2（a）所示，机械特性如表1所示.

直流电通过三相逆变器输出三相交流电,经滤波后流向电网,三相电网电压平衡时,根据基尔霍夫电压定律,在两相静止坐标系下,三相并网逆变器的数学模型可以表示为

图1 摩擦元件紧急制动过程示意图

图2 用于摩擦机理验证的试验试环

表1 某Cu基粉末冶金材料试验参数

由图1可以看出，在整个制动试验过程中，所施加的载荷变化不大，多组试验过程中的环境温度变化也不明显，速度的变化基本呈线性下降趋势；由于载荷固定，扭矩和摩擦系数曲线呈相同的变化趋势；接合初期摩擦系数有微幅波动，之后趋于平缓，在速度降低到某一特定值后摩擦系数出现峰值（闭锁效应）.由长期实践经验可知，摩擦系数的变化往往对应着摩擦磨损形式的改变即摩擦机理的变化［11］.通过对大量模拟制动试验的观察以及相应的摩擦机理的分析，可以将整个制动过程分为 4个阶段：A（摩擦副流体膜挤压阶段）［12-13］、B（固液混合摩擦阶段）、C（边界接触阶段）和D（黏附闭锁阶段）.影响材料摩擦特性的主要边界条件是面压、速度和温度，整个制动过程各阶段的主要边界条件影响因素如图3所示.闭锁摩擦系数是摩擦副相对转速趋于零时的摩擦系数，本质上该阶段摩擦机理接近低速拖摩、静摩擦系数情况.但闭锁摩擦并不是确定对应着某种摩擦机理的摩擦形式，所以闭锁摩擦系数可以是以上B、C、D中的任何一种摩擦类型，为任一种摩擦机理所主导.黏附闭锁效应的产生是针对于重载情况，在轻载小惯量的试验条件下，可能还没有完全完成A、B、C、D这4个阶段就已经完成了闭锁，结束了整个制动过程.

3种沟槽形式摩擦副不同载荷下的静动比曲线如图11所示，横坐标用名义面压表示，同时对应的是500～3 000 N的载荷.除了螺旋槽500 N（0.2 MPa）情况，3种摩擦副的静动摩擦系数比随载荷增加而减小，这也证实了Cu基粉末冶金湿式摩擦元件更适用于重载情况.除极轻载条件，双圆弧槽摩擦副的静动比曲线低于另外两条，这说明双圆弧槽在相同工况下接合更平顺，工作更平稳，在轻中载条件下，螺旋槽略好于径向槽，重载情况二者特性相近.

图3 摩擦制动过程主要边界条件

2 摩擦机理变速试验验证

双圆弧槽和螺旋槽的静摩擦系数总体趋势和径向槽相似，只是螺旋槽摩擦副的摩擦系数曲线随转速增加没有出现明显的汇聚与交叉，而是基本保持着各自原有的位置关系.这可能是因为双圆弧沟槽的摩擦试样在滑摩速度逐渐增加的过程中摩擦机理处于相对稳定的状态.

2.1 试验设备

中高速区的局部摩擦系数曲线如图8～10所示.速度区间为 500 r／min 到 700 r／min.可以看出，双圆弧槽和径向槽的摩擦特性相似，低速区摩擦系数随着面压的增大而减小，中高速区摩擦系数随着面压的增大而增大（径向槽500 N轻载情况除外）.螺旋槽在500 N载荷情况出现摩擦系数突然增大的情况，总体速度区间内摩擦系数呈现随载荷的增大而减小趋势.在高速区（图5～7），螺旋槽摩擦副的稳定性较差，高速区摩擦系数随速度变化非常敏感，不利于在速度变化较大、较快的工况条件下工作.径向槽和双圆弧槽的特性相似，但径向槽在轻载条件下（500 N）摩擦系数比螺旋槽略大，重载条件下，双圆弧槽摩擦系数随速度变化比径向槽稳定，更适合在较大面压下工作.

3种沟槽在静闭锁区域的摩擦系数曲线如图5～7.速度区间是从 600 r／min 到 0 再到600 r／min，其中摩擦系数峰值处是速度小值.总体来看，相同载荷下，螺旋槽的静摩擦系数最大，径向槽的静摩擦系数次之，双圆弧槽的静摩擦系数最小.在此试验工况下，速度极低，分子间的结合力大，易发生黏附，此时的摩擦系数较大；随着转速增高，分子间结合力下降，黏附现象消失，随着润滑剂的影响不断增加，混合润滑形成，对于径向槽摩擦副（如图5），静闭锁摩擦系数随着载荷的增加而减小，随着转速的增加，摩擦系数逐渐减小，而且载荷越小，摩擦系数随速度增加减小得越快，不同载荷下摩擦系数随速度增加，先趋同一致，然后再相互分离.试验数据显示，Cu基粉末冶金湿式摩擦元件自身特性的稳定性较好，没有出现明显摩擦特性的突变；加速减速过程特性基本对称；面压对静摩擦系数和滑动摩擦系数均存在较大影响，该材料的静摩擦系数远大于滑动摩擦系数，导致了粉末冶金材料多工况工作时的平稳性较差，闭锁冲击很强；静摩擦系数值为摩擦系数极大值，这也阐明了在机理明确的条件下，静摩擦系数和闭锁摩擦系数特性相似的结论.

图4 试验系统构成示意图

2.2 试验方法

为了确定摩擦副在不同边界工况的摩擦机理，设计了定载变速的滑摩试验.选取抗磨液压油，控制冷却油流量为 90 mL／min，冷却油温度350 K，采用线性变速及阶梯压力多工况磨合，磨合时间为150 min，磨合后摩擦系数及冷却油温度都较稳定.摩擦机理验证试验的压力边界条件为不同载荷区间的连续变速试验，速度边界为在3.5 min内转速完成从0～700 r／min匀速增加，再从700 r／min均匀降回0.为了保证试验的同一性和数据的一致性，采用了多组试验连续进行的方法，在编程器内将速度曲线输入，对摩擦系数进行连续的采集.此过程重点分析速度边界及压力边界对流体特性、边界膜特性以及固固接触特性的影响.

3 试验结果与讨论

试验机的转速由速度编程器控制，加载方式为液压闭环加载，稳定性好.有1 500 N和500 N两套扭矩测量系统以及高低频采样采集系统.采用不同夹具可完成多尺度盘盘对摩和销盘对摩的试验.轴心喷油的设计更贴近传动过程中的实际情况.采用球头自调心机构可以保证摩擦表面良好贴合.

图5 径向槽静闭锁区间摩擦系数曲线

图6 双圆弧槽静闭锁区间摩擦系数曲线

图7 螺旋槽静闭锁区间摩擦系数曲线

采用SAE台架制动工况研究摩擦机理有简单、直观的特点［14］.但由于制动过程时间较短，接触面压力变化范围大，并且在制动过程中涉及到元件振动、流体阻尼的影响，摩擦系数在短时间内波动较大.在这种情况下，材料摩擦机理与边界的关系往往会被许多试验因素所掩盖，试验的同一性很不理想.为了验证制动过程所提出的分阶段研究摩擦机理的设想，采用了模拟制动边界、调速主动控制的方法来更精确地分析边界条件对摩擦系数的影响.

甲醛释放水平达到950 ppm，是世界卫生组织指南规定的10倍，大约是在使用了12个月后。另一位供应商提供的重复测试也给出了类似的结果。

试验采用自行设计的调速摩擦磨损试验机，该设备包括调速系统、液压伺服加载系统、双量程扭矩测量系统、高低频信号采集系统、润滑冷却及控制显示系统，如图4所示.

图8 径向槽滑摩区间摩擦系数曲线

图9 双圆弧槽滑摩区间摩擦系数曲线

图10 螺旋槽静滑摩区间摩擦系数曲线

直接的筹款活动仿效西方的慈善宴会，活动组织方将侨民召集起来，向他们募捐。间接的筹款募捐活动则嵌套在传统文化活动、娱乐活动的外壳里，例如选美比赛、才艺秀等。一个最显著的例子是“节日皇后”的评选。节日皇后是伴随着乡镇节庆同时出现的传统活动，却不是比拼外貌、才艺的选美比赛。很多时候，它被组织方设定为一种比拼筹款数额的选“美”比赛。参与者均为女性，筹款最多的人被加冕为皇后。第二名、第三名、第四名依次当选为第一公主、第二公主、第三公主，以此类推，有的活动会一直排序到第15号公主，均基于筹款数额的多寡。

3．加强习近平共享发展理念的实践路径研究。坚持理论与实践相结合，实事求是是我党的执政优势。习近平共享发展理念作为新时期中国特色社会主义建设的重要发展理论，更是要做到理论与中国的实践相结合，提高共享发展理念对于中国特色社会主义实践的指导作用。加强习近平共享发展理念的实践路径，不仅有利于维护社会的公平正义、促进经济社会的奋斗目标，也能为全面建成小康社会提供必要的理论保障。学术界和理论界作为新时期社会主义学者，更要坚守初心，坚持理论为人民服务的本质，在研究习近平共享发展理念的同时，加强实践路径的研究，更好地让习近平共享发展理念为社会主义建设服务。

图11 不同沟槽形式静动摩擦系数比例曲线

4 结 论

对不同沟槽摩擦特性的试验分析表明：Cu基粉末冶金摩擦材料摩擦特性随边界条件变化的特点如下：

实验数据表明：轻载条件下（500 N），摩擦特性存在较大的异性，首先，极轻载荷情况下的闭锁摩擦系数在所有载荷形式中是最高的，但轻载条件下的摩擦系数受沟槽形式和滑动速率变化的影响较为明显.这是因为在载荷较小而滑摩速度又较高的情况下，流体动特性对摩擦特性的影响不能忽略，径向槽、双圆弧槽以及螺旋槽以及不同沟槽的动力效应不同，导致轻载情况下的摩擦特性随速度变化较大，随着面压的增大，流体动力效应对整个系统的加成效应减小，摩擦系数趋于稳定，静动比下降，摩擦特性趋于稳定.

1）当试验转速集中在 0～700 r／min，载荷集中在500～3 000 N时，摩擦系数在加速与制动段呈现出较对称的特性.

2）静闭锁摩擦系数远大于滑动摩擦系数，静动比基本上呈随面压的增大而减小的趋势，这表明Cu基粉末冶金摩擦副更适合于在中、重载条件下工作.

“啧啧，不愧是与云织星人成对出现的猎影星人，小小年纪就懂得舍命相救。”喵星飞鼠大使鄙夷地叫道，“能帮她挡住拳头，那你还能帮她挡住这个吗？”喵星飞鼠大使说着，左手一挥，一支飞鼠小队从他身后闪出，在空中架起一个大号导弹发射器。

3）径向槽和双圆弧槽具有静摩擦系数随载荷增大而减小，滑动摩擦系数随载荷增大而增大的特点（径向槽500 N除外）；螺旋槽摩擦副在速度区间内随载荷增大摩擦系数基本呈降低的趋势.

4）在某些特定工况下，双圆弧槽相比于其他两种槽形静动摩擦系数比较小，双圆弧摩擦元件的接合会较平顺，工作时也更加平稳.

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