(外文翻譯)在濕式離合器的應(yīng)用中——表面形貌對(duì)摩擦特性的影響

1、在濕式離合器應(yīng)用中表面形貌對(duì)摩擦特性的影響 Pa¨r Nymana, Rikard Ma¨kia, Richard Olssonb, Bager Ganemic呂勒奧大學(xué)，機(jī)器元素分類 ，瑞典蘭斯克魯納的瀚德?tīng)恳到y(tǒng)公司 ，瑞典國(guó)家石油公司潤(rùn)滑油研發(fā)部摘要： 濕式離合器在重負(fù)荷下，例如有限的滑動(dòng)差情況下，燒結(jié)摩擦材料有時(shí)會(huì)用來(lái)替代可供選擇的摩擦材料，憑借它們?cè)诟哓?fù)載和高溫下的韌性，以及它們的競(jìng)爭(zhēng)成本。 在離合器的工作期間，摩擦材料的外形特征發(fā)生了變化。這些變化會(huì)影響離合器的摩擦特性，從而影響傳動(dòng)系統(tǒng)的抗抖動(dòng)性能。本文研究了燒結(jié)摩擦材料的形貌變化的影響并進(jìn)行分類。 利用垂直掃

2、描干涉法測(cè)量外特性。對(duì)不同的參數(shù)進(jìn)行了研究，以找到相關(guān)的材料的磨損參數(shù)。 結(jié)果表明，摩擦材料外形特征的變化確實(shí)影響離合器的摩擦特性，即計(jì)算有關(guān)可以描述材料磨損量的參數(shù)已較為可行。這已被2005Elsevier公司保留所有權(quán)利。關(guān)鍵詞：磨損 表面形貌 濕式離合器 粘滑 燒結(jié)摩擦材料1. 引文 瀚德LSC AWD系統(tǒng)功能濕式多片離合器，其由離合器片覆蓋著新成的摩擦材料由隔板相間，隔板由硬化鋼制成。離合器組件將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配給車輛的后橋。通過(guò)電子控制的濕式離合器，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)矩傳遞的可控性。因此，很可能通過(guò)電力控制驅(qū)動(dòng)車輛以期優(yōu)化不同電力驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)。 濕式離合器在這類應(yīng)用中典型的操作條件包括低滑動(dòng)速度和

3、高的離合器壓力，通常高達(dá)0.5米/秒和10兆帕。在這些條件下出現(xiàn)粘滑或會(huì)出現(xiàn)一抖是很常見(jiàn)的。已有大量的調(diào)查論文陳述了這一現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn) 1，5 和理論 6，8 ，既有實(shí)驗(yàn)性，也有理論性。 在這件事上，為了避免振動(dòng)的一般觀點(diǎn)，摩擦速度（µV）關(guān)系應(yīng)該呈現(xiàn)的低摩擦系數(shù)（µ靜態(tài)和動(dòng)態(tài)系數(shù)的）摩擦（µD）隨滑動(dòng)速度的增加而變化。 在離合器的整個(gè)工作過(guò)程中，摩擦特性不會(huì)是恒定的，一般的抗抖動(dòng)性能會(huì)變差，并且在某些情況下會(huì)引起聲音的顫動(dòng)發(fā)生，這將決定離合器系統(tǒng)的壽命結(jié)束。改變的特性可以歸因于降解的潤(rùn)滑油以及鍍層的摩擦材料磨損或退化的有機(jī)（或紙質(zhì)）摩擦材料。 有機(jī)（或紙質(zhì)）摩擦材料

4、已經(jīng)提前了研究，但對(duì)于燒制燒結(jié)摩擦材料的降解上，迄今為止做出的努力較少。 本文的目的是探討在摩擦性能的變化是否可由燒結(jié)摩擦材料法來(lái)解釋，如果是這樣的話，試試找到相關(guān)的表面參數(shù)，可作為量來(lái)表示磨損和退化。 1.1 方法 通過(guò)在離合器試驗(yàn)設(shè)備的第一次運(yùn)行試驗(yàn)，以調(diào)查是否摩擦的變化是由流體的降解或是摩擦材料的性能變化引起的。 下一步是運(yùn)行一個(gè)不同的滑動(dòng)距離的離合器板，范圍從只有一個(gè)短暫的運(yùn)行期在發(fā)生的振動(dòng)，即實(shí)驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)后，各摩擦用垂直掃描干涉法測(cè)量了在三個(gè)維度上的圓盤，然后對(duì)其進(jìn)行了形貌測(cè)量。 在那之后，表面特征的評(píng)估通過(guò)計(jì)算許多不同的表面參數(shù)來(lái)找到能給出的隔離參數(shù)的值，并且以合適的方式來(lái)描述功

5、能表面，在這項(xiàng)工作中導(dǎo)致許多并發(fā)癥的一個(gè)原因，即是多孔性的摩擦材料使得許多標(biāo)準(zhǔn)化的表面參數(shù)不穩(wěn)定或切斷聯(lián)系，因?yàn)闊o(wú)法用于研究。 然后，最后一步是將表面參數(shù)與滑動(dòng)距離聯(lián)系起來(lái)，為發(fā)現(xiàn)描述摩擦材料的磨損參數(shù)。最終這將會(huì)形成一種方法，即可使得工程師可以通過(guò)只進(jìn)行很少的表面特性測(cè)試即可預(yù)測(cè)摩擦盤的剩余壽命。 1.2局限性 正如燒結(jié)材料中的許多大變形揭示的那樣，與相對(duì)硬化的鋼隔板相比，燒結(jié)的材料更為柔軟，因此，本研究主要研究摩擦盤而不是分隔板外特性的改變。 外特性的研究已經(jīng)到了微米數(shù)量級(jí)，即在圖2中可以看到，如圖所示的油槽，還未包括在研究中。只有部分影響表面特性的參數(shù)被使用計(jì)算，即表面參數(shù)（摩擦）在峰值

6、以下8微米范圍內(nèi)的。 所有的測(cè)試都是使用相同的傳動(dòng)液類型，即商業(yè)用挪威LSC流體。這項(xiàng)研究涵蓋了一種市售的摩擦材料種2個(gè)不同類型（見(jiàn)2.2節(jié)）。2 方法 2.1 設(shè)備研究離合器片已經(jīng)過(guò)測(cè)試，利用有限的滑差離合器試驗(yàn)臺(tái)，與異常的離合器板，從滿量程的車輛測(cè)速，該裝備下面描述。表面形貌已使用垂直掃描干涉儀NT1 1 00 Wyko稱測(cè)量；該方法也簡(jiǎn)要介紹如下： 1有限滑動(dòng)離合器試驗(yàn)臺(tái)的簡(jiǎn)化截面2.1.1.限滑離合器試驗(yàn)臺(tái)圖 摩擦測(cè)量已使用LSC進(jìn)行臺(tái)架（圖1）。速度可以0.5和125rpm之間（2.5600mms的平均半徑）改變。在測(cè)試離合器正常的力是由一個(gè)雙作用空心活塞氣缸4作用。在這種情況下，正

7、常力被限壓閥限制在30KN。在圖1中的離合器殼的放大視圖中，可以看到摩擦盤10和隔板11。摩擦盤與驅(qū)動(dòng)軸9，和分離盤連接到扭力桿6。在操作過(guò)程中，圖1中的陰影部分是旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)一個(gè)正常的力被施加到離合器由液壓缸4，扭矩從驅(qū)動(dòng)軸9傳給扭轉(zhuǎn)桿6。傳遞扭矩是通過(guò)轉(zhuǎn)矩測(cè)量UE傳感器7。所施加的正常力的測(cè)量由負(fù)載元件12完成。這是可能的，由于滑塊系統(tǒng)8，它允許扭力桿和轉(zhuǎn)矩元件在軸線方向自由移動(dòng)。力和力矩傳感器都是全橋，應(yīng)變計(jì)類型與內(nèi)置放大器相同。從而該鉆機(jī)測(cè)量的精度為1%。在本次調(diào)查中熱電偶已安裝在油底殼進(jìn)行油體溫度的測(cè)量，并在隔離盤中進(jìn)行摩擦表面溫度的測(cè)量。 2.1.2Wyko NT1100 Wyko

8、NT1100使用利用垂直掃描的維柯NT1100白光干涉。該技術(shù)使用的明亮和暗的圖案，這是一個(gè)光束分裂的結(jié)果，其中一個(gè)部分是對(duì)一個(gè)內(nèi)部的光滑表面和其他樣本的反射。反射光束后重組在干涉儀和一個(gè)建設(shè)性的且破壞性的干擾模式間發(fā)生。該模式是由一個(gè)CCD相機(jī)拍攝用計(jì)算機(jī)分析。一種壓電換能器將焦點(diǎn)移到另一個(gè)畫面上，直到指定的掃描深度達(dá)成。然后這些照片是分析在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的高度數(shù)據(jù)并創(chuàng)建一個(gè)三維圖片。在此之后的測(cè)量數(shù)據(jù)也可以分析。用于分析的軟件是vision32。在利用光學(xué)對(duì)精度影響較大的外特性測(cè)斜儀。在這項(xiàng)調(diào)查中，已使用了1.25倍的放大率。由于這個(gè)最小可測(cè)面積6.57×6.57nm*nm.高分辨率

9、設(shè)置為1 nm。加上有內(nèi)置的不確定性與一些表面的反射特性的問(wèn)題。測(cè)量總面積為3.8×5.0mm，第二個(gè)是覆蓋了一個(gè)全方的溝槽圖案的燒結(jié)襯里摩擦盤（見(jiàn)圖2）。測(cè)量不確定性分析表明，為了獲得約90%的置信水平的時(shí)間間隔，每個(gè)摩擦盤上10測(cè)量量是足夠的。 圖 2研究的離合器盤，左邊的摩擦盤是淬火鋼盤，右邊的是帶燒結(jié)黃銅摩擦材料的摩擦2.2.摩擦和隔板在這項(xiàng)研究中，對(duì)兩種不同的燒結(jié)摩擦材料進(jìn)行了研究，一種是一個(gè)舊的組合物和其他一個(gè)較新的改性材料。調(diào)查的摩擦材料包括一個(gè)燒結(jié)爐襯用銅基的淬火鋼盤。這些材料能夠承受更高的壓力和溫度相比紙質(zhì)伴侶材料和相當(dāng)與碳纖維材料相反的堆。分隔盤是由硬化鋼制造的。

10、在圖2中可以看到摩擦副。摩擦襯里的外直徑為108毫米，內(nèi)徑為76毫米。當(dāng)油槽已占比2250平方毫米。該溝槽有助于接觸的油分布，并有助于降低離合器的溫度，提高油流量。摩擦材料包括一個(gè)黃銅底座，含有少量固體碳基潤(rùn)滑油。除此之外熱容量是471JkgK和E子模塊是20005000 MPa（孔隙度變化）。較舊的摩擦材料相比于新的材料顏色較深。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)所選擇測(cè)試狀況下，材料壽命因?yàn)橐蛩?而不同，其有利于新的組成，老材料設(shè)法維持其摩擦性能約8h 相比起32h的新材料。試驗(yàn)加速，結(jié)果不應(yīng)視為實(shí)際值，而是作為一個(gè)指示性能材料在高負(fù)荷條件下的值。舊的材料，相較新的材料，含有較少的銅和錫，鋅和固體碳基潤(rùn)滑

11、油的比例較大。摩擦盤燒結(jié)表面的特征是非常多孔的，這使得潤(rùn)滑油流經(jīng)和達(dá)到連接區(qū)域，該區(qū)域可提供潤(rùn)滑并且將摩擦熱散走。測(cè)量表面外特性時(shí)，高孔隙率使測(cè)量復(fù)雜，鑒于底部有孔的事實(shí)，只要有孔，材料即不反射光。這意味著比起同種均質(zhì)鋼板99%的比例，現(xiàn)在測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)與實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)占比為50%-70%。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)包含只有高度信息在3微米-5微米之間，達(dá)到了低于每次測(cè)量最頻繁表面的數(shù)據(jù)，這使問(wèn)題得到了解決。其另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)據(jù)集中的大多數(shù)點(diǎn)都體現(xiàn)了表面間的聯(lián)系，即實(shí)際經(jīng)驗(yàn)所體現(xiàn)的，外特性變化的點(diǎn)。一個(gè)新的摩擦盤的外特性很難用測(cè)斜儀表現(xiàn)。2.3. 潤(rùn)滑油在這項(xiàng)研究中的一個(gè)商業(yè)用的半合成Statoil

12、LSC流體設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序已經(jīng)使用。這種流體具有粘度35cst 40C和6.7cst 100C，并且滿足了車輛上生活充實(shí)服務(wù)的要求。潤(rùn)滑劑在 5 中進(jìn)一步描述。3.摩擦 3.1測(cè)試環(huán)每一個(gè)測(cè)試的離合器片在不同的負(fù)載周期運(yùn)行。負(fù)載循環(huán)由2部分組成，卸載和加載。卸載部分持續(xù)30s，加載30s，即一個(gè)負(fù)載周期/分鐘，在加載部分，對(duì)措施后的一個(gè)正常的15KN力，一個(gè)力，加速了測(cè)試不超過(guò)最大道路應(yīng)用力，應(yīng)用于離合器。當(dāng)離合器接合過(guò)沖的力量是，目前滑移率約為20kN在最初的12S之前穩(wěn)定在15KN?；瑒?dòng)速度始終保持在25rpm和冷卻油流摩擦表面間的200毫升/分鐘。一些離合器盤也被測(cè)試，以確定摩擦特性。在這

13、項(xiàng)荷載為20 kN，和之前的流量也相同情況下。速度首先保持恒定在1轉(zhuǎn)，然后速度呈線性增加從1到10的100rpm時(shí)摩擦產(chǎn)生的摩擦監(jiān)測(cè)速度特性。這個(gè)坡道速度運(yùn)行在溫度50、40和30C。 圖 3離合器工作中摩擦特性的改變 圖 4油改前后離合器摩擦特性的化3.2.摩擦離合器壽命變化時(shí)的特性離合器的壽命變化過(guò)程中的摩擦特性。運(yùn)行后，如圖3所示，摩擦特性穩(wěn)定且滑動(dòng)距離變化非常小。為了驗(yàn)證摩擦盤在離合器的性能中起著重要作用，一組新的摩擦盤加注新鮮減摩的潤(rùn)滑油被驅(qū)動(dòng)，直到穩(wěn)定階段出現(xiàn)。對(duì)摩擦性特征特性進(jìn)行測(cè)量，并在油改。離合器再次運(yùn)行一小時(shí)，并測(cè)量了摩擦特性。如圖4所示，曲線很相似，這表明摩擦材料而不是流

14、體影響摩擦離合器壽命等變化。因此，摩擦材料對(duì)離合器有著嚴(yán)重的影響。較新類型的摩擦盤持續(xù)約32小時(shí)的試驗(yàn)臺(tái)相比，舊材料運(yùn)行約8小時(shí)（見(jiàn)圖9和10）。4.外特性 4.1測(cè)量方法測(cè)量之前，每一個(gè)離合器盤都必須清洗干凈。這是由超聲波清洗完成的。放大1.25倍允許在全方位對(duì)該槽型測(cè)量保持高精度。掃描深度設(shè)置較好的覆蓋了數(shù)據(jù)分析所需要8nm。 4.2.認(rèn)識(shí)到接觸面積的方法如果直方圖曲線表現(xiàn)對(duì)燒結(jié)摩擦盤的磨損表面的高度分布是已知的，可以發(fā)現(xiàn)一直在與工作臺(tái)接觸的最低高度表面。很可能發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)臺(tái)聯(lián)系的最低表面。這是很有趣的，因?yàn)槊恳稽c(diǎn)都高于實(shí)際的磨損。仍然在這項(xiàng)工作中的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)點(diǎn)下面的最低的相關(guān)的高度，

15、因?yàn)閾?jù)猜測(cè)，他們會(huì)影響摩擦特性。操作的方法是通過(guò)試圖找到一個(gè)點(diǎn)在右手側(cè)的直方圖曲線，其中包含的高度信息，從至少三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，一切都高于可以共同考慮噪聲和不應(yīng)考慮。下一步是要找到一個(gè)點(diǎn)的直方圖曲線的突然增加的負(fù)斜率，這一點(diǎn)是指“減少負(fù)斜率在圖5中，一個(gè)點(diǎn)靠近它的負(fù)斜率減小，這一點(diǎn)被表示為“越來(lái)越負(fù)斜率”，從右到左，在圖5。高度這兩點(diǎn)之間的點(diǎn)的表面上，只有部分是參加的摩擦表面之間的點(diǎn)。斜率增加是由于所有的總和MITS高于這些點(diǎn)已被磨損，已在直方圖曲線搬到這個(gè)地區(qū)。斜率減小的區(qū)域，表示在表面上的點(diǎn)最易受磨損。坡度減小，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域使用的點(diǎn)已經(jīng)被磨損了，從而被移動(dòng)到一個(gè)較低的水平，在直方圖曲線上，即該

16、區(qū)域之間的我們所描述的點(diǎn)。總結(jié)了該方法的假設(shè)，在直方圖曲線的點(diǎn)，當(dāng)離合器盤是新的移動(dòng)到左邊的直方圖曲線時(shí)，他們受到磨損；又是使曲線在曲線圖上的斜率變化，如所描述的方法。所有的參數(shù)都包含在伯明翰-英厄姆14個(gè)參數(shù)中，一篇標(biāo)準(zhǔn)化表面形貌測(cè)量的論文。選擇的參數(shù)是SSK，面偏度它描述了斜的高度分布的表面分布，通常稱為振幅參數(shù)。這個(gè)參數(shù)描述了分布的高度但不包含信息結(jié)構(gòu)在表面上保持高度位于CER。下一個(gè)參數(shù)是SDQ，因?yàn)樗枋隽吮砻娴钠骄甭?，即在某種程度上它是一個(gè)特定的高度，它最接近的相鄰量，從而橫向分辨率由于依賴是確定的距離的相鄰量和高度的分辨率，因?yàn)檫@決定了最小的可測(cè)量的高度差。這種方式是類似于下一

17、個(gè)參數(shù)是該算法一個(gè)表面的平均曲率匹配。SSC是高分辨率敏感因?yàn)樗挥?jì)算峰值。SDQ和SSC通常被稱為混合參數(shù)。最終參數(shù)這項(xiàng)研究是SBI，表面承載指數(shù)，它包括在調(diào)查因?yàn)樗暦Q描述表面的承載能力，考慮到重要的東西。Sbi是一個(gè)所謂的功能參數(shù)。 圖6（圖5）中所描述的數(shù)據(jù)點(diǎn)在去除數(shù)據(jù)點(diǎn)之前表面 圖7在圖6中的同一表面 4.4.離合器工作過(guò)程中外特性的變化在材料加載過(guò)程中燒結(jié)摩擦材料外特性的線性改變，如圖8所示。當(dāng)初期的時(shí)候，它是非常多孔的和粗糙的制造方法的成果。運(yùn)行過(guò)程是甲烷使用的磨損率高，這是由于多個(gè)進(jìn)程，一個(gè)是高接觸壓力施加到最高峰。這一結(jié)果在配上了頂峰和新鮮的材料接觸到下面。隨著施加的壓力，通

18、過(guò)實(shí)際接觸面積的增加導(dǎo)致了峰會(huì)的磨損率減小。最終導(dǎo)致一個(gè)恒定的磨損率，這被稱為穩(wěn)定狀態(tài)的狀態(tài)。燒結(jié)面上在摩擦盤的鋼面上，發(fā)現(xiàn)了磨粒磨損的痕跡，可能是由應(yīng)變硬化的碎片造成的。參數(shù)的調(diào)查結(jié)果，如圖9所示，表明SSK隨著滑動(dòng)距離的減小，可用于離合器外特性變化的表征。然而，參數(shù)是太不確定，因?yàn)閷?duì)一個(gè)離合器盤測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)偏差為平均值的75%。SBI并不表示外特性的變化，因?yàn)樗鼘?shí)際上仍不隨滑動(dòng)長(zhǎng)度改變而變化。對(duì)該參數(shù)的進(jìn)一步研究表明，它幾乎呈線性依賴于截止長(zhǎng)度且和平方成反比，均方根于平均粗糙度。然而SDQ和SSC，表現(xiàn)了一個(gè)伴隨磨損增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是在他們的方式描述的表面，反應(yīng)出了較高的磨損率，它們也顯

19、示類似的曲線。有一個(gè)小的差分雖然可能的事實(shí)，SSC只計(jì)算峰會(huì)而SDQ計(jì)算引起的遲來(lái)的整個(gè)測(cè)量過(guò)程的數(shù)據(jù)集。當(dāng)比較SSC和SDQ的更新和較舊的摩擦盤，他們似乎有相同的趨勢(shì)，雖然存在不同的磨損率。 圖8 左邊是新的表面，右邊是磨損的表面這可能是摩擦盤的制造中小的差異所導(dǎo)致的。圖中的每一個(gè)點(diǎn)都代表一個(gè)單獨(dú)的摩擦盤10次測(cè)量的平均值，所測(cè)摩擦盤的結(jié)果對(duì)于材料的多孔性和摩擦材料的復(fù)合型是敏感的。如果一個(gè)來(lái)自車輛或者測(cè)試中的摩擦盤，其組成我們是已知的，那么獲得一個(gè)濕離合器的剩余壽命反應(yīng)表征就是可能的，如通過(guò)在圖10中顯示的。 圖9 Sbi、Ssk左圖是舊的摩擦材料，右邊是較新的 圖 10 SSC/SDQ左

20、邊是舊的摩擦材料，右邊是新的5.結(jié)論 （1）濕式離合器中的摩擦盤在離合器的抗抖動(dòng)性能中起著重要的作用。 （2）通過(guò)總結(jié)外特性和計(jì)算參數(shù)SSC和SDQ，來(lái)預(yù)測(cè)其濕式離合器燒結(jié)摩擦材料的剩余壽命是較為可行的。 （3）由于參數(shù)Ssk的不確定性，用其來(lái)描繪粗糙多孔的表面是不太合適的。 （4）參數(shù)Sbi同樣不適合作為表示濕式離合器燒結(jié)摩擦材料外特性參數(shù)，因?yàn)樗浑S著滑動(dòng)距離變化而改變。致謝作者想表達(dá)感謝的瑞典創(chuàng)新系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和瑞典的金融支持戰(zhàn)略研究基金會(huì)。參考文獻(xiàn)1 Y. Kato, R. Akasaka, T. Shibayama, Experimental study on the lock-up sh

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