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紙基摩擦材料與粉末冶金摩擦材料摩擦特性的試驗比較

文檔作者：孫立群，北林永有，李國平，沙微，李運佩，朱建華，黃慧文檔來源：上海達耐時汽車配件有限公司		點擊數：	更新時間： 2022年10月19日
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孫立群，北林永有，李國平，沙微，李運佩，朱建華，黃慧
(上海達耐時汽車配件有限公司)
摘 要：采用紙基摩擦材料替代粉末冶金摩擦材料，應用于變速器以及制動器!
!中，改善變速器與制動器的換擋及制動平穩性、降低噪聲，提高產品壽命。利用SAE No．i
：2標準試驗機對紙基摩擦材料與粉末冶金摩擦材料進行了摩擦性能、耐久性、能量遞增
i 以及連續滑動的對比試驗。通過詳盡的試驗數據及分析，證明紙基摩擦材料的摩擦性：
：能、耐久性和耐熱性都遠遠優于粉末冶金材料。為國內工程機械制造商提供了用紙基i
i摩擦材料替代粉末冶金摩擦材料所需的詳實的試驗數據。 !
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關鍵詞：紙基摩擦材料；粉末冶金摩擦材料；摩擦性能；耐久性；耐熱性
紙基摩擦材料與粉末冶金摩擦材料在成分上
有非常大的區別。紙基摩擦材料主要由各種纖維、
樹脂及不同的添加劑組成，絕大多數情況下，不含
有金屬成分。而多數粉末冶金摩擦材料以銅粉末冶
金材料為主要成分，它無法像紙基材料一樣通過成
分調整可以得到各種各樣的摩擦特性，以滿足不同
工況的需要。同時，相對于粉末冶金摩擦材料，紙基
摩擦材料還具有低成本的優勢。在有色金屬價格不
斷上漲的環境下，盡快在國內工程機械行業推廣和
使用紙基摩擦材料就顯得更為緊迫。
紙基摩擦材料不僅被廣泛應用于乘用車自動擋
變速器中的離合器和制動器，近年來由于產業機械
的用戶對換擋舒適性、零部件耐久性等要求的不斷
提高，紙基摩擦材料在國外已經基本替代了粉末冶
金摩擦材料，被各大工程機械制造商，例如美國的卡
特彼勒、日本小松、TCM及瑞典的VOLVO等企業，
應用于裝載機、大型翻斗車、叉車以及挖掘機等工程
機械的變速器、濕式制動器、緩行器和停車制動器等
部件。本文使用SAE No．2試驗機，模擬工程機械經
常使用的工況(離合器的系合、制動器的制動以及半
離合器連續滑動等)，對兩種摩擦材料的摩擦性能、
耐久性和耐熱性進行試驗研究比較。
1 試驗裝置、試驗用樣品及油品
1．1 試驗裝置
用于評測摩擦材料及油品的性能、耐久性等各
種指標的SAE No．2標準試驗機，如圖1所示。
1．2 試驗用樣品及油品
紙基摩擦片的摩擦材料尺寸為qb125 mm x
81 mm，單側紙基厚度為0．5 mm，對偶鋼片尺寸為
137 mill (齒頂圓直徑)× 81 mm(內徑)，厚度
1．8 mm。粉末冶金摩擦片的摩擦材料尺寸為qb125
mm× 81 inn'l，單側粉末冶金摩擦材料厚度為0．75
mm，對偶鋼片尺寸為 137 mm (齒頂圓直徑)×
作者簡介：孫立群(197O一)，男，工學博士，研究方向：濕式摩擦原理及濕式摩擦材料在各種車輛上的應用。
一55—
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圖1 SAE No．2標準試驗機
81 mm(內徑)，厚度1．8 iYln3。試驗樣品構成(PDPDP，
P：對偶鋼片，D：摩擦片)。
試驗用油：長城6號傳動油，冷卻油流量：
2000mlJmin。
試驗前紙基摩擦片及對偶鋼片與試驗前粉末
冶金摩擦片及對偶鋼片見圖2與圖3。
圖2 試驗前紙基摩擦片及對偶鋼片
圖3 試驗前粉末冶金摩擦片及對偶鋼片
一56～
2 比較試驗的結果及分析
2．1 摩擦性能、摩擦特性的比較與分析
2．1．1 試驗條件
圖4是一個典型的離合器或制動器系合過程中
各種參數變化曲線的示意圖。離合器或制動器在非
工作狀態下，摩擦片和對偶鋼片沒有動力傳遞關系，
只有回轉差速。當活塞在液壓力的作用下把摩擦片
和對偶鋼片相互壓緊時，摩擦片和對偶鋼片之間的
差速會在短時問內減小到零。從一定的差速到差速
為零的過程，一般叫系合。系合過程中，摩擦材料單
位面積所受的壓強為面壓。同樣，在系合過程中，由
于各種回轉部件(比如液力變矩器、離合器外轂等)
具有回轉慣量，摩擦材料需要把這些回轉的慣性體
的能量吸收，該能量叫做離合器系合時的輸入能量。
圖中的 表示的是系合過程中的動摩擦系數，多數
情況下取系合前差速的一半，假設離合器系合前的
差速為3 000 r／min， 就是轉速下降到1 500 r／min
時那一瞬間的摩擦系數。也可以根據轉速來命名，比
如 ，。。。圖中的 是指系合結束時的摩擦系數。而
／ 是靜動比，該參數是衡量摩擦材料的摩擦性能
的重要指標，該值越大說明在摩擦片和對偶片系合
完成(相對轉速接近于0)時會出現瞬時高轉矩，也
就是瞬時高摩擦系數(翹尾現象)。這種特l生往往會
引起離合器和制動器的振動和噪聲，直接影響到換
擋及制動的平穩性。
摩擦性能試驗條件為系合前轉速：3 000 r／min，
輸入能量：0．33 J／ram ，油溫：80℃，摩擦材料表面面
壓分別為0．3 MPa，0．6 MPa，1．2 MPa。性能試驗主要
是考察摩擦材料的摩擦系數以及摩擦特性。
2．1．2 試驗結果及分析
圖5是兩種摩擦材料在不同面壓情況下測得的
摩擦系數及摩擦特性。從試驗結果可以看出，紙基摩
擦材料和粉末冶金摩擦材料在系合完成時的摩擦系
數 隨系合面壓變化率分別為6％和1 1％，系合過
程中的摩擦系數肛 的變化率分別為9％和30％，這
說明紙基摩擦材料無論是在系合過程中還是在系合
結束時的摩擦系數受面壓的影響更小，更穩定。另
外，紙基摩擦材料的摩擦系數 要比粉末冶金摩擦
材料高出86％(當面壓為0．3 MPa時)到3l％(當面
壓為1．2 MPa時)，這說明在尺寸與摩擦片枚數相同
的情況下，紙基摩擦材料可以縮短離合器系合以及
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時間
圖4 系合過程中轉速與轉矩(摩擦系數)曲線示意圖
圖5 性能試驗結果
制動器制動的時間，改善使用粉末冶金摩擦材料時
經常出現的動力傳遞滯后。從兩種材料的靜動比
枇可以看出，由于粉末冶金材料的 很高，同時
較低，其靜動比要遠遠高于紙基摩擦材料，也就是圖
4中所示的翹尾現象。紙基摩擦材料的 與 基本
相同，從波形來講就是曲線平滑沒有翹尾發生。這也
就是為什么粉末冶金摩擦材料更容易引起離合器與
制動器的振動和噪聲的根本原因。
2．2 耐久特性的比較與分析
2．2．1 試驗條件
耐久試驗主要是考查摩擦材料在高能量輸入情
況下的耐久特性，也就是摩擦材料在耐久試驗過程
中摩擦系數的衰減情況。具體試驗條件是轉速為
3 500 r／min，輸入能量0．8 J／mm2，油溫100℃，摩擦材
料表面壓力1．0 MPa，系合次數6 000次。
2．2．2 試驗結果及分析
圖6是耐久試驗過程中兩種材料摩擦系數的變
化曲線。從該結果可以看出，在該試驗條件下，紙基
摩擦材料在試驗初始階段的摩擦系數要比粉末冶金
摩擦材料高出近75％。經過6 000次高能量輸入的
耐久試驗之后，紙基摩擦材料的動摩擦系數沒有出
現任何下降，而粉末冶金摩擦材料的摩擦系數下降
非常嚴重，摩擦系數在第6 000次系合時，只有0．02
左右，與試驗初始階段相比下降約66％。該試驗結
果充分證明了通過使用紙基摩擦材料可以大幅度延
長變速器及制動器的使用壽命和維修周期。
2．3 耐熱性能的比較與分析
2．3．1 試驗條件
該試驗主要是考查摩擦材料的耐熱性及在高能
量輸入時鋼片的受熱變形情況。表1是耐熱試驗的
條件，油溫為100℃，輸入能量等級共7級，從Step
1開始到Step 7逐級能量遞增，各Step的系合次數
均為30次。
2．3．2 試驗結果及分析
圖7～圖10是試驗后樣品的照片。從圖7和圖
8可以看出粉末冶金材料在第4級能量輸入之后，
一57—
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系合次數
圖6 耐久試驗結果
表1 能量遞增試驗條件
St印 Step 1 St叩2 Step 3 Step4 St印5 step 6 Step 7
轉速／(r／min) 2 500 3 0o0 3 500 4O0o 4 5oo 4 7O0 4 850
輸入能量／(J／mmz) 0．4 0．5 O．7 O．9 1．2 1．3 1．4
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圖7 粉末冶金摩擦材料 后的照片 圖 粉末冶金摩擦材料在 后對偶鋼片
一58一
圖 紙基摩擦材料 后的照片 圖10 摩擦材料在 后對偶鋼片
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對偶片就出現了熱變形，尤其是中間的一片已經變
形成為碗狀，由于變形嚴重所以無法進行下一級能
量輸入試驗。從圖9及圖l0可以看出紙基摩擦材
料經過了所有7級試驗后，雖然中間一片對偶片表
面出現變色，但是沒有出現任何熱變形，另外紙基摩
擦材料也沒有出現燒損。通過該試驗可以看出，與
粉末冶金材料相比紙基摩擦材料具有更好的耐熱性
和抗熱變形的特點。
2．4 耐連續滑動特性的比較與分析
2．4．1 試驗條件
因為工程機械的變速器經常會出現半離合器的
狀態，所以要求摩擦材料需要具有耐連續滑動(An—
ti-inching)的特性，該試驗就是模擬半離合器的工
況，對這兩種摩擦材料的耐連續滑動特性做以比較。
油溫120~C，連續滑動中輸入轉矩固定為180 N·m，
循環次數280次(一個循環包括：連續滑動40 S、間
隔20 S)。
2．4．2 試驗結果及分析
從圖1l的結果我們可以看出，粉末冶金材料在
經過25次連續滑動后，摩擦系數的下降率就已經接
近30％。而紙基摩擦材料在經過長達280次連續滑
動后，摩擦系數的下降率也只有16％，其耐連續滑
動壽命遠遠高于粉末冶金摩擦材料。
圖l1 連續滑動試驗結果
3 結論
本文通過試驗對紙基摩擦材料和粉末冶金摩擦
材料的摩擦性能、耐久性、耐熱性以及連續滑動工況
下的壽命進行了比較，分析了兩種摩擦材料在諸多
方面的差異。從上述試驗的結果及分析可以看出：
1)紙基摩擦材料的摩擦特性，包括與離合器系
合時間和制動器制動時間相關的動摩擦系數，以及
與換擋、制動沖擊和噪聲相關的靜動比，都明顯優于
粉末冶金摩擦材料；
2)在耐久性方面，紙基材料表現出了良好的耐
久穩定性，這種穩定性不但可以大幅度提高離合器
及制動器的使用壽命，同時也會大幅改善離合器的
換擋穩定性和制動器的制動穩定性；
3)從能量遞增試驗可以看出，紙基摩擦材料具
有更佳的耐熱性，也就是單位面積的摩擦材料可以
比粉末冶金摩擦材料承受更大的輸入能量，這對于
減小離合器和制動器的尺寸，減輕整車重量具有非
常重要的意義；
4)對于連續滑動這種特殊工況，紙基摩擦材料
同樣表現出明顯的優勢，耐連續滑動的壽命是粉末
冶金摩擦材料的近2O倍。
參考文獻
【1]Hiroshi Osanai，Kunihiko Ikeda，Daikin R／M Co．Ltd．Re
lations Between Temperature in Friction Surface and
Degradation of Friction Materials During Engaging of Wet
Friction Paper[C]／／SAE Technical Paper Series：No．900553，
1990．
[2]Kenichi Takezaki，Masamitsu Kubam，Dynax Corp．Ther
malan dMechanicalDamageofPaperWetFrictionMaterial
Induced by Non-Uniform Contact[C]／／SAE Technical Paper
Series：No．922095，1992．
通信地址：上海市奉賢區陳橋路1399號2棟工廠 上海達
耐時汽車配件有限公司設計技術部(201400)
(收稿日期：2009—09—20)
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