刁子宇,袁 野,李 超,劉星明,劉震濤*,張 宇

(1.浙江大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所,浙江 杭州 310027;2.浙江俊博汽車部件有限公司,浙江 麗水 323000)

0 引 言

隨著人們對(duì)于車輛駕駛和乘坐舒適性需求的提升,汽車空調(diào)系統(tǒng)的可靠性也引起了各方的重點(diǎn)關(guān)注[1]。其中,電磁離合器的性能決定了發(fā)動(dòng)機(jī)端的動(dòng)力扭矩能否穩(wěn)定可靠地傳遞給空調(diào)壓縮機(jī)(汽車空調(diào)電磁離合器由3個(gè)部分組成[2],即帶輪總成、線圈總成和驅(qū)動(dòng)盤總成)。

汽車空調(diào)電磁離合器的故障形式主要包括以下幾種,即電磁線圈燒毀、吸合面端跳、磨損或腐蝕[3]、傳送帶或帶輪軸承松曠等[4]。同時(shí),由于對(duì)摩面(由吸盤和帶輪摩擦環(huán)帶組成)在復(fù)雜多變的工況下頻繁經(jīng)歷吸合沖擊載荷和轉(zhuǎn)速切換,對(duì)摩面溫度會(huì)升高,這對(duì)于材料性質(zhì)、摩擦性能、耐磨性等都可能產(chǎn)生影響。

由于電磁離合器主從動(dòng)件之間的動(dòng)力傳遞只依靠摩擦面的摩擦力,因此,需要保證較大的材料摩擦系數(shù)。離合器摩擦片大多采用增摩材料。汽車空調(diào)離合器摩擦片用的增摩材料主要由黏結(jié)劑(包括工業(yè)樹脂、橡膠等)、增強(qiáng)纖維(包括芳綸漿柏、木纖維、硫酸鈣晶須、短切無堿玻纖)、增摩填料(硅灰棉、硫酸鋇、鉻鐵礦粉、氧化鋅等)3個(gè)部分組成。

材料摩擦試驗(yàn)是評(píng)定材料摩擦磨損性能的主要方法之一,通過摩擦磨損試驗(yàn)中測(cè)得的摩擦系數(shù)、摩擦面溫度、磨損量等參數(shù)以表征其摩擦學(xué)性能。

中北大學(xué)的徐少南等人[5]利用CEF-I型銷盤式磨損試驗(yàn)機(jī),對(duì)銅鎳錫合金進(jìn)行了干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn),分析了轉(zhuǎn)速和載荷2種工況因素對(duì)平均摩擦系數(shù)和磨損量的影響規(guī)律,并采用掃描電子顯微鏡、能譜儀和輪廓檢測(cè)儀,對(duì)磨損表面進(jìn)行了比較觀測(cè)和成分分析。河南科技大學(xué)的逄顯娟等人[6]利用多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),對(duì)其制備的純聚醚醚酮(PEEK)及碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)2種材料進(jìn)行了摩擦性能表征和測(cè)試,系統(tǒng)研究了載荷和速度對(duì)幾種復(fù)合材料摩擦學(xué)性能、磨損機(jī)理及抗靜電性能的影響。UNAL H等人[7]通過摩擦磨損試驗(yàn),比較了碳纖維和玻璃纖維2種增強(qiáng)纖維對(duì)于聚四氟乙烯材料摩擦學(xué)特性的影響,在不同轉(zhuǎn)速和載荷工況條件下,探究了2種材料摩擦系數(shù)和磨損率的變化規(guī)律。

對(duì)汽車零部件材料的相關(guān)摩擦磨損研究目前也不乏先例。例如,安徽工程大學(xué)的疏達(dá)等人[8]研究了不同納米填料復(fù)合氧化鑭材料對(duì)汽車摩擦片材料摩擦磨損性能的影響,并探究了納米填料在磨合過程中的影響機(jī)理和作用機(jī)制。武漢理工大學(xué)的吳鑄新等人[9]分別在干摩擦和潤滑狀態(tài)下,在不同潤滑狀況、載荷、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)下,研究了飛龍、丙烯酸酯橡膠(ACM)、SF-1,這3種推力軸承下軸瓦材料的摩擦系數(shù)和磨損量的變化規(guī)律。湯春球等人[10]采用自制的高溫銷盤式摩擦試驗(yàn)機(jī),繪制了微車離合器摩擦材料的瞬態(tài)摩擦系數(shù)隨摩擦面溫度的變化曲線,采用掃描電子顯微鏡分析了樣件表面形貌,探究了磨損機(jī)理及其對(duì)摩擦系數(shù)的影響機(jī)制。陜西科技大學(xué)的LI Wen-bin等人[11]將自制的碳纖維/酚醛復(fù)合材料應(yīng)用于制動(dòng)離合器片上,探究了制動(dòng)壓力、轉(zhuǎn)速、總慣量對(duì)于離合器動(dòng)摩擦系數(shù)的影響規(guī)律。

然而在汽車空調(diào)系統(tǒng)中,電磁離合器的運(yùn)行工況特性不同于軸承、制動(dòng)器等其他汽車零部件,針對(duì)電磁離合器摩擦片用增摩材料的相關(guān)摩擦磨損性能研究較為少見,其設(shè)計(jì)和選型也缺乏相應(yīng)的參照。

基于以上局限,在不同工況、相同對(duì)摩件條件下,筆者主要探究2種常用于汽車空調(diào)電磁離合器的樹脂基增摩材料(分別是B型和Y型)的摩擦性能,并對(duì)磨合前后材料表面的微觀形貌和元素組分進(jìn)行觀測(cè)、分析與比較。

1 材料摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象及儀器

2種增摩材料及其對(duì)摩件材料(10號(hào)鋼)的化學(xué)成分如表1所示。

表1 材料化學(xué)成分

材料的力學(xué)性能如表2所示。

表2 材料力學(xué)性能

試驗(yàn)儀器采用MXW-002型旋轉(zhuǎn)往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 MXW-002摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

該試驗(yàn)機(jī)可以模擬離合器主從動(dòng)件面對(duì)面旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)形式,同時(shí)通過控制并測(cè)量法向加載力、主軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)半徑、時(shí)間等參數(shù),進(jìn)而對(duì)離合器進(jìn)行測(cè)試;動(dòng)態(tài)檢測(cè)摩擦副的摩擦力、力矩、摩擦系數(shù)、表面溫度狀況,并實(shí)時(shí)繪制各測(cè)量參數(shù)曲線[12]。

其中,加載力范圍為0.1 N～20 N,轉(zhuǎn)速最大為1 500 r/min,旋轉(zhuǎn)半徑最大為30 mm。

為探究摩擦過程中的主要磨損機(jī)制,筆者采用日本日立S-3700N鎢燈絲掃描電子顯微鏡,對(duì)磨合前后的銷樣件表面進(jìn)行表面形貌觀測(cè)和元素分析[13]。

S-3700N掃描電鏡如圖2所示。

圖2 S-3700N掃描電鏡

該掃描電鏡的分辨率小于0.8 nm,放大倍率大于8×105倍,加速電壓范圍在0.2 kV～30 kV;并配備X射線能譜儀,可以對(duì)樣品表層的微區(qū)點(diǎn)線面元素進(jìn)行定性及半定量分析,具有形貌、化學(xué)組分綜合分析能力,適用于金屬、無機(jī)非金屬、高分子材料等各種樣品的表面顯微結(jié)構(gòu)分析和元素組分測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)方法及工況

在該次試驗(yàn)中,筆者采用銷-盤對(duì)磨旋轉(zhuǎn)模塊及2種增摩材料,制成直徑為4.8 mm的銷樣件,10號(hào)鋼材料制成直徑為45 mm的盤樣件(其中,10號(hào)鋼盤樣件分別采用100目、80目、60目的砂輪進(jìn)行打磨,以實(shí)現(xiàn)不同的表面粗糙度)。

筆者先用酒精清洗所有樣件并烘干,然后裝配至夾具,選定旋轉(zhuǎn)半徑為15 mm,銷樣件在固定的盤試樣上做圓周滑動(dòng)。

試驗(yàn)機(jī)及試件與摩擦副的接觸形式如圖3所示。

圖3 銷-盤試樣摩擦副

筆者參考電磁離合器的實(shí)際工況,對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、加載力、對(duì)摩件(10號(hào)鋼材料)初始粗糙度確定了3個(gè)水平。

試驗(yàn)中的工況參數(shù)如表3所示。

表3 工況參數(shù)

根據(jù)單一變量原則,筆者共進(jìn)行27組試驗(yàn),每更新一次粗糙度,需更換一個(gè)對(duì)應(yīng)粗糙度的盤樣件;同一粗糙度參數(shù)下每更新一次轉(zhuǎn)速,需更換一次銷樣件。卸載后,需要用酒精棉片對(duì)盤樣件進(jìn)行擦拭清潔。試驗(yàn)中,每秒采集一次摩擦副的瞬時(shí)摩擦系數(shù)、摩擦力和溫度。

為評(píng)估2種材料的耐磨性,探明材料的磨損機(jī)理和失效模式,筆者選取粗糙度為Ra3.6 μm、轉(zhuǎn)速為1 000 r/min工況下的B型和Y型材料的銷樣件,如圖4所示。

圖4 銷樣件

筆者分別觀測(cè)磨合前以及加載力在5 N、10 N、15 N磨合后銷樣件的表面形貌,并選取特征區(qū)域,其經(jīng)掃描后得到元素譜圖,再分析元素能量峰值分布規(guī)律。

2 測(cè)量結(jié)果分析

2.1 不同工況下摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律

筆者分別分析定載荷條件下摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,以及定轉(zhuǎn)速條件下摩擦系數(shù)隨加載力的變化規(guī)律,然后繪制出摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線,如圖5所示。

圖5 摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

由圖5可以看出:2種材料摩擦系數(shù)曲線的變化趨勢(shì)都是先迅速增大到一定值,然后穩(wěn)定在最大值不變。隨著轉(zhuǎn)速和載荷的增加,2種材料的摩擦系數(shù)都有不同程度的增大,在加載力為15 N,轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí),平均摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.45。

轉(zhuǎn)速從500 r/min均勻增大到1 500 r/min時(shí),2種材料的摩擦系數(shù)由0.3增大到0.45,其中B型材料摩擦系數(shù)的增值在高轉(zhuǎn)速范圍較小;

載荷從5 N均勻增大到15 N時(shí),2種材料的摩擦系數(shù)由0.3增大到0.45,且隨著載荷的增加,摩擦系數(shù)的增值均有一定程度的減小。

其中,B型材料在較大載荷和轉(zhuǎn)速條件下摩擦系數(shù)所需穩(wěn)定時(shí)間更長。這可能是由于在高轉(zhuǎn)速和大載荷下,摩擦表面發(fā)生了更嚴(yán)重的黏著和磨粒磨損,表面磨合過程相應(yīng)變緩。

對(duì)于Y型材料而言,其在各轉(zhuǎn)速工況下達(dá)到摩擦系數(shù)峰值的時(shí)間較長,且在各載荷工況下的曲線振蕩較大。在加載力為5 N時(shí),摩擦系數(shù)的波動(dòng)尤為明顯,這可能與Y型材料的硬度較大有關(guān),低載荷時(shí)表面粗糙峰的磨合過程較長,形成硬質(zhì)磨粒相比較軟的B型材料難度更大。

2.2 摩擦系數(shù)及摩擦面溫升變化規(guī)律

為進(jìn)一步探究2種增摩材料摩擦性能的影響因素及規(guī)律,筆者記錄了在不同載荷、轉(zhuǎn)速和初始粗糙度情況下,其穩(wěn)定后摩擦系數(shù)以及磨合前后的摩擦面溫度,并將各組溫度數(shù)據(jù)換算為平均每秒溫升值,根據(jù)正交試驗(yàn)原理做出三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)表,如表4所示。

表4 正交實(shí)驗(yàn)表

筆者比較了9種正交工況下,不同因素水平組合下的摩擦系數(shù)以及溫度的變化規(guī)律。

其中,B型材料在不同初始粗糙度、轉(zhuǎn)速及加載力工況下的摩擦系數(shù),以及其與10號(hào)鋼對(duì)摩件磨合過程中摩擦面溫升的變化規(guī)律,如圖6所示。

圖6 B型材料正交實(shí)驗(yàn)圖線

由圖6可以看出:B型材料的摩擦系數(shù)隨加載力的變化尤為顯著,轉(zhuǎn)速對(duì)其摩擦面溫升的作用效果較弱。這可能是由于其硬度較小,大載荷下材料發(fā)生塑性變形,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,導(dǎo)致其摩擦性能和導(dǎo)熱性質(zhì)發(fā)生了輕微變化。

Y型材料在不同初始粗糙度、轉(zhuǎn)速及加載力工況下的摩擦系數(shù),以及其與10號(hào)鋼對(duì)摩件在磨合過程中摩擦面溫升的變化規(guī)律,如圖7所示。

圖7 Y型材料正交實(shí)驗(yàn)圖線

由圖7可以看出:Y型材料的摩擦面溫升變化幅度總體相對(duì)較大,其摩擦系數(shù)受轉(zhuǎn)速的影響比B型材料明顯,這可能是由于金屬增摩填料對(duì)材料耐熱性能造成一定影響[14];同時(shí),由于Y型材料的硬度較大,在粗糙峰發(fā)生黏著和剝離時(shí)產(chǎn)生的熱量耗散更大[15-16]。

綜合以上兩型材料的摩擦系數(shù)及溫升變化圖線可以看出:摩擦系數(shù)和摩擦面溫升與初始粗糙度、轉(zhuǎn)速和加載力3個(gè)因素均呈正比關(guān)系。

當(dāng)加載力從5 N增加到15 N時(shí),2種材料的摩擦系數(shù)均提高了約0.12(同比增加了44%),摩擦面平均每秒溫升分別為0.023 ℃/s和0.02 ℃/s(同比增加了175%和154%)。

轉(zhuǎn)速從500 r/min增加到1 500 r/min時(shí),B、Y型材料摩擦系數(shù)分別提高了0.046和0.079(同比增加了15.5%和24.4%),摩擦面平均每秒溫升分別為0.007 ℃/s和0.01 ℃/s(同比增加了34.1%和59.4%);

初始粗糙度從Ra2.1 μm提升到Ra3.6 μm時(shí),B、Y型材料摩擦系數(shù)分別提高了0.052和0.062(同比增加了17.7%和19.1%),摩擦面平均每秒溫升分別為0.012 ℃/s和0.013 ℃/s(同比增加了61.6%和82.3%)。

綜上可知:加載力對(duì)摩擦系數(shù)及溫升的影響最為顯著;轉(zhuǎn)速和初始粗糙度對(duì)于兩種材料的摩擦系數(shù)提升效果均較差,轉(zhuǎn)速對(duì)于溫升的作用效果也較弱。

2.3 磨損形貌及元素分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上文中對(duì)于摩擦性能和溫升變化規(guī)律的解釋,筆者分別分析了對(duì)摩件初始粗糙度為Ra3.6 μm時(shí),2種材料銷樣件在磨合前以及在5 N、10 N、15 N加載力作用下的表面微觀形貌和部分區(qū)域的元素組分。

其中,B型材料在掃描電鏡下的微觀形貌如圖8所示。

圖8 B型材料表面微觀形貌

由圖8可以看出:磨合前,材料表面呈不規(guī)則的鱗片狀,散布有大小不一的顆粒和孔洞;加載力為5 N時(shí),有細(xì)微的直列劃痕,部分區(qū)域出現(xiàn)裂紋和剝層,可以推斷這些區(qū)域發(fā)生了黏著磨損;加載力增加到10 N時(shí),微裂紋數(shù)量明顯變多,劃痕被分塊地分割開;加載力為15 N時(shí),除了整體微裂紋以外,部分區(qū)域出現(xiàn)了較大的剝落層并形成微孔洞,可以推測(cè)隨著磨損的加劇,表面材料出現(xiàn)了黏著和剝落現(xiàn)象。

Y型材料在掃描電鏡下的微觀形貌如圖9所示。

圖9 Y型材料表面微觀形貌

由圖9可以看出:相對(duì)于B型材料,Y型材料在磨合前的表面鱗片層較小,表面顆粒分布也較密集;當(dāng)加載力為5 N時(shí),表面的劃痕也更加明顯,但是微裂紋相對(duì)較少;當(dāng)加載力加到10 N時(shí),裂縫則顯著增多、增大,且多個(gè)區(qū)域的裂紋呈現(xiàn)相互聯(lián)接的狀態(tài),可能造成裂紋擴(kuò)展加速;當(dāng)加載力達(dá)到15 N時(shí),表面裂縫進(jìn)一步加深,但相比于B型材料,Y型材料未出現(xiàn)明顯的剝層和孔洞,可能是由于其硬度較大,不易發(fā)生表層材料的剝落。

筆者選取磨合前的銷樣件和在15 N加載力作用下磨合后的銷樣件,對(duì)2組樣件表面的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(記作w/%)進(jìn)行分析和對(duì)比。

磨合前后元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比如表5所示。

表5 磨合前后元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比(%)

由表5可以看出:除了Al、Fe、Si這3種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大外,其他元素成分比例均有不同程度的降低。B型材料磨合后,Zr元素?fù)p耗最大,減少了14.02%;Y型材料中Ba元素?fù)p耗最大,減少了10.54%。其中,B型材料和Y型材料初始分別含有少量的Al元素和Fe元素,其來自于金屬填料。

由于摩件材料(10號(hào)鋼)中含有較多Fe元素,故2種材料在磨合后,Fe元素占比有較大提高,分別為23.95%和7.84%。其中,B型材料中Fe元素占比增加得更顯著,可能是由于B型材料較軟,磨合時(shí)有少量金屬磨粒嵌入B型材料的銷樣件中[17]。

3 結(jié)束語

依托汽車空調(diào)電磁離合器可靠性提升需求,針對(duì)其綜合性能的提升和優(yōu)化,筆者選取了2種常見的復(fù)合增摩材料,以進(jìn)行摩擦磨損性能試驗(yàn)研究,并通過比較磨合前后表面微觀形貌和元素組分,探究了材料耐磨性,并得出了相關(guān)結(jié)論。

研究結(jié)論如下:

1)2種材料摩擦系數(shù)隨著時(shí)間變化的規(guī)律一致,均先迅速增加到較大值,再經(jīng)歷一段時(shí)間的波動(dòng),最后達(dá)到峰值;加載力取5 N～15 N,轉(zhuǎn)速取500 r/min～1 500 r/min時(shí),2種材料的平均摩擦系數(shù)在0.3～0.45范圍內(nèi)。隨著載荷的增加,摩擦系數(shù)振蕩幅度增加;隨著轉(zhuǎn)速的增加,摩擦系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定峰值的時(shí)間延長;

2)在加載力、轉(zhuǎn)速、對(duì)摩件初始粗糙度3個(gè)影響因素中,加載力對(duì)摩擦系數(shù)的提升作用最顯著,隨著加載力從5 N增加到15 N,摩擦系數(shù)同比增加了約44%;隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加,Y型材料摩擦面溫度的變化率較大;

3)在掃描電鏡下觀察到Y(jié)型材料的鱗片狀組織比B型材料的組織更細(xì)密;加載磨合后,2種材料均出現(xiàn)明顯的劃痕,且隨著載荷的增加,材料表面出現(xiàn)了微裂紋(其中,B型材料裂紋更明顯,并出現(xiàn)了表層材料剝落和微孔洞)。磨合過程提高了材料中Al、Fe、Si這3種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比(其中,B型材料中Fe元素含量的提高尤為顯著,達(dá)到了23.95%)。

根據(jù)以上2種材料的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知:相比于B型材料,Y型材料具有更穩(wěn)定的摩擦特性和耐磨性能。因此,采用Y型材料,更加有利于提升汽車空調(diào)電磁離合器的運(yùn)行可靠性和使用壽命。

后續(xù),筆者擬在材料的微觀磨損機(jī)理以及材料磨損形式切換機(jī)制等方面做進(jìn)一步的拓展研究。