论定速摩擦试验机检测结果不确定度的评定

王海

前言

在汽车制动系统中，制动衬片磨损率是其重要的性能指标，主要受温度等因素影响，并决定着制动器使用寿命。在利用定速摩擦试验机对其进行检测的过程中，不确定性影响因素主要包括测量分散性、传感器误差等，需要在相关检测标准要求下，明确不确定性影响因素的产生原因和影响作用。

1　定速摩擦试验机测量试验

在实际测量活动中，不确定性影响因素客观存在，测量不确定度的意义是表征被测量值的分散性以及与测量结果相关联的参数。在进行不确定度评定之前，首先要明确其测量试验过程。根据《汽车用制动器衬片》（GB5763-2008）的规定，其摩擦性能的关键参数主要是指摩擦系数与磨损率，需要使用定速摩擦试验机进行检测试验[1]。

具体的检测方法可采用《汽车用制动器衬片》（GB5763-2008）标准中规定的方法。测量试验使用的仪器设备具体为XD-MSM型定速摩擦试验机，其正压强0.98MPa，圆盘旋转轴中心距离试片中心的距离为0.150m，设定转速490r/min，转数5000r。被检测对象是某厂生产的盘式汽车制动器衬片，共包含4类衬片，分别从每个衬片上取量块样片，制成标称尺寸25×25mm、厚度为5～7mm的标准样片[2]。

2　检测结果不确定度评定模型的构建

要得出定速摩擦试验机检测结果不确定度，首先要建立数学分析模型，列出判断结果的不确定度公式。在对摩擦材料磨损率进行测量时，要采用数显卡尺对摩擦片尺寸进行测量，采用千分尺对摩擦片厚度变化进行测量，采用力传感器对摩擦力进行测量，并采用转速传感器对试验机转速进行测量。然后利用公式V=（1/2πR）×（A/n）×[（d1-d2）/fm]计算出摩擦片磨损率。考虑多次测量结果的分散度影响，采用△d=（d1-d2）替换到上述公式中，得到计算模型 V=λ×（1/2πR）×（A/n）×[△d/fm]。在该模型中，V是摩擦片磨损率，单位是cm3/（N·m），λ是多次测量分散度，取值为λ=1。R是圆盘旋转轴中心与试片中心的距离，取值为R=0.150m，A是试片摩擦面总面积，取值为A=12.50cm2，n是圆盘总转数。△d为试验前后的摩擦片厚度变化量，d1为试验前平均厚度，d2为试验后平均厚度，单位为cm。fm为总平均摩擦力，单位为N。将已知参数代入上述模型，即可得到测量结果数学模型 V=13.263×λ×（1/n）×（△d/fm）。模型中的各分量互不相关，可以根据不确定度传播率，得到不确定度计算公式。其中c1～c4的值分别为1，-1，1，-1。其不确定度来源于：①多次测量结果的分散性；②转速传感器误差；③试验前后摩擦厚度平均变化量；④总平均摩擦力测量误差。

3　不确定度分量评估及合成

3.1　不确定度分量评估

在进行定速摩擦试验机测量结果不确定度评定过程中，首先要对不确定度分量进行评估。具体评定过程如下：

（1）测量分散性的不确定度，采用不确定度A类评定方法，对200℃下的试验数据进行检测分析。在试验中采用统一品牌、材料、规格和批次的盘式汽车制动器衬片两组，按《汽车用制动器衬片》（GB5763-2008）标准进行切割，得到8对标准试件，进行8次测量试验，分别记录试验试件的总转数、总平均摩擦力和平均厚度差，并采用上述数学模型计算试片磨损率。根据试验数据结果，测量试验标准差为0.0149，标准不确定度为0.0086，自由度为7，计算得到相对不确定度为3.58%；

（2）传感器误差的不确定度，采用不确定度B类评定方法，首先测量转数精度产生的不确定度，根据设备技术规格书的要求，试验机的磨盘总转数测量误差为±1r，基于均匀分布的考虑，k取值为，得到标准不确定度为0.577。每次试验的设定转速为5000r，则相对不确定度为0.012%，自由度为+∞。然后测量显示分辨力导致的不确定度，试验机显示最小分辨力为1r，基于均匀分布的考虑，k取值为，则标准不确定度为0.289，每次试验转数为5000r，可以得到相对不确定度为0.0058%，自由度为+∞。最后测量转数测量合成的不确定度，由于传感器的多次重复测量不确定度包含在了λ中，不再重复考虑，转数测量合成的不确定度为0.013%，自由度为+∞。

（3）试验前后摩擦片厚度的平均变化量测量不确定度，采用B类评定方法，其中△d=d2-d1包含d2和d1的不确定度，d1不确定度来源于千分尺精度、千分尺分辨力和千分尺合成不确定度。根据千分尺的技术规格书，精度取±0.01mm，k值取，精度的标准不确定度为0.0577，试片平均厚度6mm，相对不确定度为0.00096%，自由度为+∞。千分尺最小分辨力为0.001mm，k值取，标准不确定度为0.00029，相对不确定度为0.0048%，自由度为+∞。千分尺合成不确定度为0.096%，自由度为+∞。d2的不确定度与d1相等，也为0.096%，然后根据互不相关合成规则，可得到△d的不确定度为0.14%，自由度为+∞。

（4）总平均摩擦力测量误差的不确定度采用B类方法进行评定，总平均摩擦力误差主要是因传感器精度引起的，测量误差为±10N，基于均匀分布的考虑，k取值为，标准不确定度为5.77N，8次试验中的总平均摩擦力为339.63N，可以计算出相对不确定度为1.69%，自由度为+∞。考虑到摩擦力显示分辨力是1N，精度允许误差为1/10，可以忽略因分辨力产生的不确定度，多次测量重复性的不确定度已经包含在λ中，也不需要重复计算。

3.2　不确定度分量合成

得到各不确定度分量的评定结果后，根据标准不确定度分量的互不相关性，可以得出合成不确定度为3.96%，有效自由度为10。按照置信概率p取0.95进行计算，查阅t分布表，可以得到k=2.23，由此可以确定定速摩擦试验机测量结果扩展不确定度为8.83%。

3.3　测量不确定度报告

测量不确定度报告的分析和计算主要根据《测量不确定度评定与表示》（JJF1059.1-2012）标准要求进行，得到试验机速度示值的误差测量结果扩展不确定度为8.83%，有效自由度为10。从上述不确定度评定过程来看，由于同批次取样试件数量较少，仅做8组重复实验，所以数据稳定性相对较差。但磨损率检测试验完全根据规定的压力、转数和摩擦轨迹要求进行，基本能够反映出各不确定分量对测量整体的影响度。测量前后的摩擦片体积变化量根据试片面积和厚度变化量乘积确定。试验中采用的摩擦试片采取磨削方法制成，加工误差和模具测量误差均较小。

4　结束语

综上所述，通过对定速摩擦试验机测量结果不确定度进行评定分析，采用数学模型分析方法，在明确不确定度分量的基础上，对其具体影响进行研究，可以得出各不确定分量与测量结果不确定性的关联性。以此为依据，对试验过程进行控制，可以提高定速摩擦试验机测量检测结果的可靠性。

[1]姜礼义，黄长城，姜志坚，吴沨.定速式摩擦试验机自动化检测技术的研究[J].科技与企业，2016（09）：189+191.

[2]孙庆华，李晓盼，张雪竹.定速式摩擦试验机磨损率测量不确定度评定分析[J].北京汽车，2015（06）：7～10.