重型拖拉机湿式离合器摩擦片耐磨仿生设计与试验

谭立东，宗宣洁，常志勇，王艳博，陈东辉



重型拖拉机湿式离合器摩擦片耐磨仿生设计与试验

谭立东1，宗宣洁1，常志勇2，王艳博1，陈东辉2

（1. 吉林大学交通学院，长春 130022；2. 吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130022）

重型拖拉机湿式离合器作为动力换挡变速箱的重要执行部件，其摩擦副的磨损失效是导致传动系统整体性能下降的主要原因之一，为减少因其带来的资源和经济损失，进而设计一种耐磨离合器摩擦片。该文从仿生学角度出发，以大树蛙为对象，用扫描电镜观测其趾端，发现树蛙趾端微观结构轮廓形状有四边形、五边形、六边形，六边形结构居多且结构大小均匀其直径约为12m，微结构的轮廓间为沟槽，沟槽宽度约为1.5m。研究表明树蛙体表分泌的黏液在围绕着六边形结构的沟槽内循环流动，增强其在潮湿环境下的粘附力，即摩擦系数。树蛙在与湿滑基底接触时表现出很强的黏附力和摩擦力，仿生摩擦片具备这些特点更能满足传递运动和转矩的要求。通过提取树蛙趾端参数，优化摩擦片表面结构，将树蛙趾端的致密六边形沟槽分割结构进一步突出特点、简化结构，对重型拖拉机湿式离合器摩擦片表面的油槽结构进行相似设计，以此为设计思路设计了9种仿生试样并采用激光加工技术制作样件。采用微观摩擦磨损测试仪进行摩擦磨损试验，通过计算摩擦系数对比不同六边形直径与不同沟槽宽度下摩擦摩损效果上的差异。试验结果表明，仿生非光滑结构比光滑结构具有更好的耐磨性特性，且正六边形直径为12 mm，沟槽宽度为1.5 mm时，磨损量最低，摩擦系数相对较高，这因为六边形直径与沟槽宽度综合作用，能够最大限度地降低磨损，提高摩擦片的工作能力和使用寿命。这说明合理地设计摩擦片表面结构，不仅能够满足动力传递的要求，同时可以降低磨损，节省材料，进而达到了改善离合器耐磨性能的要求。

仿生；离合器：设计；摩擦片；磨损；大泛树蛙

0 引 言

湿式离合器是重型拖拉机动力换挡的关键部件，随着传动系统转速和功率密度的提高，现有湿式离合器已经不能完全满足使用要求，经常由于过载而发生打滑现象导致摩擦副过度磨损、局部烧损、钢片翘曲等问题而失效[1]，成为车辆传动系统的易损件之一。为使摩擦片摩擦系数保持稳定并加强油液的冷却效果，摩擦片表面通常开有一定的油槽，试验表明，不同的油槽形式如油槽深度、宽度、布置形式等都会影响摩擦片的磨损性能[2-3]。

在摩擦片油槽的优化和研究方面，A. Khamlichi以及孟永钢等对离合器表面油槽及摩擦特性进行了大量优化设计并给出了相应的加工方法[4]；孟永钢等[5-6]在充分了解湿式摩擦片的材料、分析把握湿式离合器的工作原理及常见的摩擦片油槽结构的基础上分析了离合器冷却效果、摩擦性能与不同摩擦片油槽结构之间的关系，重点研究了油槽结构对离合器工作的影响机制；Le等[7]开发了热弹性模型用于研究湿式多片离合器油槽的影响，张金乐等[8]利用理论建模的方法研究了湿式离合器接合过程，综合考虑了摩擦材料的粗糙度、波纹度、可变形性和渗透性对摩擦副产热情况的影响。北京理工大学马彪等[9]研究了湿式离合器润滑油温升的影响因素，重点考察了离合器内部油路结构、离合器空转速度、摩擦副间隙、摩擦片油槽形式及尺寸。从以上研究可以看出，众多学者对摩擦副表面油槽的优化分析建立了相对完备的理论，但油槽的优化对摩擦磨损性能的影响规律还没有统一的结论，在湿式离合器的实际工作过程中，摩擦副打滑磨损的现象仍十分普遍。通过仿生方法优化摩擦片表面结构、改善其表面耐磨性能的研究工作日益受到重视。

湿式离合器摩擦片耐磨性直接影响离合器寿命及动力换档的可靠性[10-11]，目前市场上应用的重型拖拉机摩擦片[12]多以高转速低负载的汽车摩擦片为参考设计，其耐磨性不能满足低转速、高负载，且档位多变的重型拖拉机动力换挡需求，亟需开发优异摩擦性能的湿式离合器摩擦片。本文从仿生学原理出发，以湿式摩擦片表面油槽结构为研究对象，对其进行仿生优化设计并进行试验验证，得到具有优良摩擦性能的湿式离合器摩擦片表面油槽形式。

1 材料与方法

树蛙作为适应能力极强的两栖类生物，成体经常生活在树上，指、趾末端膨大成椭圆形，具有优异的攀爬能力。鉴于其在湿润环境下强大的附着和运动特性与湿式离合器的摩擦片的工作过程相比具有结构、材料和环境上的相似性。因此，对该生物接触表面间的相互作用方面的研究具有积极的借鉴意义。

选取大泛树蛙（polypedates dennysi）为研究对象。大泛树蛙属无尾目（anura）新蛙亚目（neobatrachia）树蛙科（rhacophoridaae）泛树蛙属（polypedates），体型较大，成年个体体长60～100 mm，体重30～100 g。指、趾末端膨大成明显的椭圆形，质地略为透明。其广泛分布于我国的浙江、安徽、福建、江西等地[13-14]。本文研究工作中首先利用显微镜对树蛙的足垫微观结构进行观察分析，从结构和材料的结合上探索其机理，并运用于仿生结构设计中。

1.1 试验方法

通过观察树蛙趾端微观结构，了解其结构特点及摩擦附着特性的作用机理。根据观察到的结构设计出若干种表面油槽形式，制备试验样件，利用摩擦磨损试验机进行磨损试验，分析其摩擦性能，最终确定具有较好耐磨性能的表面结构。

1.2 扫描电镜试验样本制备

选用中国大树蛙为试验研究对象，在进行扫描电镜试验前对其作如下处理：

1）试验前3 d停止向树蛙喂食，试验时剪下树蛙足趾，并在0.2 mol/L的磷酸盐缓冲液中清洗2次，每次5 min，之后放在载玻片上，将载玻片放入无菌培养皿中保存；

2）清洗。将初步清洗过的树蛙足趾样本放入装有足量清水的超声波清洗机中清洗30 min，之后用磷酸盐缓冲液清洗2次，每次5 min；

3）固定。用福尔马林固定样本4 h，之后用磷酸盐缓冲液清洗3次，每次15 min；

4）脱水。用无水乙醇在烧杯中配置浓度分别为30%，50%，65%，75%，85%，,90%，95%的乙醇溶液，将样本按照低浓度到高浓度的顺序依次在30%，50%，65%，75%，85%，90%，95%的乙醇溶液中脱水各1次，每次30 min，最后在无水乙醇中脱水2次，每次40 min；

5）干燥。将脱水后的样本放回无菌培养皿，在冷冻干燥仪内干燥12 h后拿出；

6）粘台和喷金。由于试验样本为生物样本，经过脱水干燥后多为绝缘体，所以需要进行喷金处理，以增强试样的导电性能。喷金处理后，将树蛙足趾样本固定在扫描电子显微镜的旋转载物台上，粘贴的时候注意不要破坏样本的表面。

1.3 树蛙趾端结构的观测结果与分析

由于树蛙趾端脱水干燥的原因，扫描电镜下看到的沟槽分割结构有轻微收缩变形，但轮廓更加清晰，如图1a所示，树蛙趾端表面被沟槽分割成的结构有四边形、五边形、六边形，以六边形结构居多。重点观察了六边形结构，如图1b所示，树蛙趾端的六边形结构大小均匀，直径约为12m，多边形之间形成的沟槽宽度约为1.5m。通常认为树蛙体表分泌的黏液在围绕着六边形结构的沟槽内循环流动。龙华[15]通过对10种鱼表皮的显微观察，在某些鱼类体表上也发现了同样的六边形结构。经过研究，Scherge等[16]发现在蟋蟀吸附组织表面也分布有类似的六边形结构。图1c所示为放大5 000倍时的六边形结构，可以看到六边形结构表面分布着更加细密的超微沟槽分割结构，进一步放大，如图1d所示，可以看到这些超微结构是由更小的六边形结构构成的，尺寸仅0.2m，但在本文中的湿式摩擦片中这些细微结构对其试验结果影响太小，因此不予考虑。

图1 扫描电镜下的树蛙趾表面结构

分析可知，树蛙趾端吸盘表面的沟槽分割结构，有利于降低足趾刚度，增加柔韧性；同时，树蛙体表分泌的黏液可以在沟槽内流动，当足趾与其他表面接触时，沟槽就能够排开接触表面过多的液体，使得树蛙趾端与接触面充分接触形成吸盘状的粘附作用。在趾端吸盘表面微结构的总数量保持恒定的条件下，采用六边形轮廓的结构可以保证整个趾端吸盘表面与其他表面接触时，接触面积最大，沟槽总长度最小。接触面积大，则接触应力小；沟槽长度短，则便于黏液快速循环流动[17-18]，与其他表面接触时能够更快地排开接触表面过多的 液体，迅速吸附。多种生物都具备这种六边形微观结构，说明六边形结构是一种有利于生物生存活动的优化 结构。

1.4 摩擦片表面结构仿生设计及试验方案

湿式离合器摩擦片表面上的沟槽具有如下作用：一是润滑油从摩擦片表面流过时，能够使摩擦片表面得到更好的冷却和润滑，同时流动的润滑油还可以带走摩擦表面上磨损产生的碎屑微粒[19-20]，对摩擦表面起到清洁的作用。二是当主、从片开始接合时，沟槽的存在有利于摩擦表面上的润滑油快速汇集到沟槽中然后流走，实现快速接合，同时当2片摩擦片相对滑磨时，油槽的存在能够有效刮油和破坏油膜，使2片摩擦片处于固-液临界摩擦状态，摩擦系数增大。

通常摩擦表面的沟槽形状[21]有径向槽、螺旋槽、弧形菱状槽、方形槽、复合槽（径向槽加螺旋槽）。首先沟槽形状不同，摩擦片性能不同，相同形状的沟槽，其宽度、深度和密度的变化也会影响摩擦片摩擦性能[22-23]。沟槽的存在虽然增大了摩擦系数，但同时也减少了摩擦面积，一定程度上加剧了摩擦片的磨损。为了在保证摩擦系数的同时，尽量降低磨损，提高湿式离合器摩擦片的耐磨性能，依据树蛙趾端吸盘的表面结构应用于湿式离合器摩擦片表面结构的设计上。表面结构的几何参数主要包括六边形直径、沟槽宽度、沟槽深度、沟槽剖面形状等。任一参数的变化都将产生不同的效果，影响摩擦系数和耐磨性能。参照仿生原型的机理与市场上销售的湿式离合器摩擦片、具体试验因素、水平与方案的确定如下：选取8、12和15 mm作为正六边形直径的个3试验水平，选取1、1.5和2 mm作为沟槽宽度的3个试验水平，选取1、2和3 mm作为沟槽深度的3个试验水平。

表1 试验因素和水平

由于试验设备加工精度和范围有限，最终确定此次用于摩擦磨损试验的试件仅改变六边形直径和沟槽宽度2个因素，考虑到沟槽深度对摩擦片散热能力的影响，沟槽深度应尽可能增大，又因为沟槽深度过大时，润滑油膜承载能力会降低，最终将沟槽深度统一确定为1 mm，沟槽剖面形状则采用便于加工，应力集中小的圆弧形。

在同样的试验条件下，设计光滑试样即10号试样的作为对照组，具体试验方案见表2。

表2 仿生非光滑模型试件的摩擦磨损试验方案

本试验方案的设计，主要是根据树蛙足趾的微观几何结构的观察结果进行简化并设计：以正六边形为基本单元，单元之间互相平行，交错排列。表面结构均加工在一圆形底板上，试样底板的直径25 mm，厚度6 mm。

所有试样的底板尺寸虽然相同，但由于正六边形单元的外接圆直径相同时沟槽宽度不同，沟槽宽度相同时，正六边形单元直径不同，所以任意2个表面结构不同的试件，接触面积都是不同的。设置相同正六边形单元直径的不同试件目的是为了考察底板面积相同时，由于沟槽宽度的不同造成的摩擦摩损效果上的差异；设置相同沟槽宽度的不同试件目的是为了考察底板面积相同时，由于正六边形单元直径的不同导致摩擦摩损效果上的差异。

1.5 仿生摩擦片样件的制作

根据样件设计图，如图2a（具体参数与编号可见表2），利用激光加工技术制备样件。此次试验中，仿生摩擦片试件均以普通HT250灰铸铁为材料，这种灰铸铁以珠光体和石墨为主要成分，硬度HB180～220。对磨件材料为45钢，硬度为55HRC。每种结构加工3个样件，以减少试验时的偶然误差。加工样件如图2b所示。

a. 样件设计图

a. Prototype design drawing

b. 加工样件

b. Prototype drawing

注：1～9为试样编号。

Note：1-9 is the sample No.

图2 样件设计与加工图

Fig.2 Prototype design and machining drawing

2 摩擦磨损试验

摩擦磨损试验在微观摩擦磨损测试仪上完成的，该设备型号为UMT-2（美国CETR，如图3）提供直线往复运动、旋转运动和振动等多种运动方式。速度从0.1 mm/s（或0.001 r/min）到50 m/s（或10 000 r/min）。有恒力加载、线性加载和通过软件实现对样品的任意动态加载模式。施力范围从0.1 mN(10 mg)到100 N（10 kg），水平移动最大距离，75 mm，垂直移动最大距离，150 mm，最大载荷，100 N，振动频率，50 Hz。

图3 摩擦磨损测试仪

2.1 试验参数设定

试验主要参数为：法向压力80 N，转速200 r/min。离合器摩擦片磨损量测量方式是拆卸后用精密天平称质量（也可用螺旋测微计测量厚度）。为使所得数据更为准确，需要在跑合10 min后开始正式试验。具体的操作过程如下：将试件装卡到试验机的卡具上，设置法向压力和转速，开始进行跑合，跑合结束后，取下试件，冷却至室温，利用精密天平测量试件的质量并记录。然后将试件重新装卡到试验机的卡具上，根据需要调整载荷至80 N，转速为200 r/min。为保证在相同条件下一定的磨损量，试验时，将磨损试验时间统一设置为30 min。试验结束后将试件取下，再次利用精密天平测量试件的质量并记下，最后将测得的数据，输入计算机，计算出平均质量差（即磨损量），通过试验得到不同非光滑形态的摩擦片试样的磨损量。重复3次以防止由于系统误差造成的试验数据不准确等情况。

2.2 试验数据记录与处理

对材料的磨损量进行测量，通常使用3种参数来表示，即线磨损量、体积磨损量、质量磨损量。本文采用质量磨损量作为表征参数，同时定义磨损量与磨损前质量的比值作为相对磨损率。摩擦系数由试验设备自带的系统记录分析得到。每次10组，每组重复3次。

2.3 试验结果与分析

摩擦系数试验数据见表3，磨损量相关数据见表4。对试验数据进行极差分析法处理得到9种不同试样的摩擦系数和平均相对磨损率曲线，如图4所示。衡量材料耐磨性的重要指标是摩擦系数和磨损量[15],而摩擦片工作时一方面需要足够的摩擦系数来保证接合时的动力传递，另一方面要尽可能降低磨损来保证离合器使用寿命。分析曲线可知，在试验条件下，最合适的表面结构为5号试件，即正六边形直径为12 mm，沟槽宽度为1.5 mm时，磨损量最低，摩擦系数相对较高。光滑试件的磨损量为5.83±1.15 mg，均比其他非光滑试件（其中最大磨损量只为5.33±0.12 mg）的磨损量大，也就是说，具有仿生表面结构的试件比光滑表面试件的耐磨性均有所提高。仿生表面结构能提高试件的耐磨性主要有3方面的原因：1）沟槽便于润滑油流动，提高了散热系数；2）沟槽可以储存磨屑，减少了磨粒磨损；3）沟槽增大了散热空间，便于散热。下面对试验结果进行进一步分析。

表3 摩擦系数试验数据

表4 磨损量试验数据

图4 不同试样摩擦磨损特性对比

由图5不同六边形直径的样件摩损情况可知，随着六边形直径的增大，磨损量不断增加。

图5 不同六边形直径的样件摩损情况

由图6可知，只考虑沟槽宽度这一因素时，随着沟槽宽度的增加，样件磨损量先减少后增加。可以推论六边形直径越大，越接近于光滑结构，耐磨效果越差。5号试样最优是六边形直径与沟槽宽度综合作用的结果，其中沟槽宽度为主要影响因素。沟槽宽度过小，摩擦磨损过程中产生的磨屑会堵塞沟槽，冷却油流动受阻，容易引起温升，加剧磨损；沟槽宽度过大，实际接触面积减少，摩擦片承受的应力变大，一方面会导致材料的强度降低，表面结构变形，耐磨效果变差，另一方面还会导致摩擦力增大，从而磨损量增加。因此，沟槽宽度在1.5 mm附近时，样件磨损量最低。

图6 不同沟槽宽度的样件摩损情况

3 结 论

本文通过对树蛙趾端微观结构的观察，基于相似工程学原理，设计出若干种摩擦片表面结构，采用激光加工技术制作样件，进行试验验证与分析，考察其摩擦磨损性能。得出以下主要结论：

1）树蛙趾端微观结构为致密的六边形沟槽分割微结构，六边形微结构大小均匀，直径约为12m；相邻的六边形结构之间被宽度约为1.5m窄沟槽隔开，根据提取到的结构参数，采用仿生学方法，设计了摩擦片表面沟槽结构。

2）树蛙趾端的沟槽能快速排开接触表面过多的液体，形成吸盘状的黏附作用，采用六边形轮廓的结构可以保证整个趾端吸盘表面与其他表面接触时，接触面积最大，沟槽总长度最小，因此树蛙在与湿滑基底接触时表现出很强的黏附力和摩擦力，仿生摩擦片具备这些特点更能满足传递运动和转矩的要求。

3）仿生非光滑结构比不具有沟槽的光滑六边形结构具有更好的摩擦磨损特性，即磨损量低而摩擦系数高，最优组合参数为正六边形外接圆直径为12 mm，沟槽宽度为1.5 mm，沟槽深度为1 mm的表面结构既能改善耐磨性能，又能提高工作能力。

4）在压力80 N，转速200 r/min的摩擦磨损试验条件下正六边形外接圆直径为12 mm，沟槽宽度为1.5 mm，沟槽深度为1 mm的表面结构耐磨性能最优。这是六边形直径与沟槽宽度综合作用的结果，能够最大限度地降低磨损，提高摩擦片使用寿命，进而达到改善离合器耐磨性能的要求。

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Design and test of biomimetic wear resistant for wet clutch friction plate for heavy tractor

Tan Lidong1, Zong Xuanjie1, Chang Zhiyong2, Wang Yanbo1, Chen Donghui2

(1.130022,; 2.130022,)

Wet clutch of heavy tractor is an important executive component of power shift gearbox. The wear failure of the friction pair is one of the main reasons for the overall performance degradation of the transmission system. To reduce the huge resource and economic loss caused by it, a wear-resistant clutch friction plate was designed. In this paper, from the perspective of bionics, the big tree frog was used as the experimental research object, and the toe end was observed by scanning electron microscopy. The microstructure of the toad end of the tree frog is quadrilateral, pentagon, hexagonal, and the hexagonal structure is mostly. The structure is uniform in size and has a diameter of about 10m. The microstructures have a groove between the outlines and a groove width of about 1 μm. Studies have shown that the mucus secreted by the body surface of the tree frog circulates in the groove surrounding the hexagonal structure, enhancing its adhesion, which is the coefficient of friction, in a humid environment. Tree frogs exhibit strong adhesion and friction when in contact with slippery substrates. With these characteristics, the bionic friction linings can better meet the requirements of transmission motion and torque. The toad parameters of the tree frog were extracted, the surface structure of the friction lining was optimized, and the dense hexagonal groove division structure of the toad end of the tree frog was further highlighted and simplified. The oil sump structure on the surface of the wet clutch friction plate of the heavy tractor was similarly designed. Nine kinds of bionic samples were designed for the design idea and the samples were made by laser processing technology. The friction and wear tests were carried out on a micro-friction and wear tester, and the differences of friction and wear with different hexagonal diameters and different groove widths were studied. The test results showed that the bionic non-smooth structure has better wear resistance than the smooth structure, and the regular hexagon has a diameter of 12 mm. When the groove width is 1.5 mm, the wear amount is the lowest and the friction coefficient is relatively high. The combined shape diameter and groove width can minimize wear and improve the service life of the friction plate, thus achieving the requirement of improving the wear resistance of the clutch.

bionic; clutch; design; friction plate; wear; tree frog

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.007

U463.211+.1

A

1002-6819(2018)-19-0054-06

2018-06-20

2018-08-22

国家重点研发计划课题（2016YFD0701102）；吉林省教育厅“十三五”项目（JJKH20180083KJ，JJKH20170808KJ）；吉林省科技厅重点研发（20180201038GX）

谭立东，副教授，博士，主要从事车辆行驶可靠性与安全技术研究。Email：tanld@jlu.edu.cn

谭立东，宗宣洁，常志勇，王艳博，陈东辉. 重型拖拉机湿式离合器摩擦片耐磨仿生设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：54－59. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.007 http://www.tcsae.org

Tan Lidong, Zong Xuanjie, Chang Zhiyong, Wang Yanbo, Chen Donghui. Design and test of biomimetic wear resistant for wet clutch friction plate for heavy tractor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2018, 34(19): 54－59. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.007 http://www.tcsae.org