汽车摩擦材料摩擦性能检测探析*

陈 飞

(福州大学至诚学院，福建 福州 350002)

汽车用摩擦材料作为汽车的功能配件，是以摩擦为主要功能，兼有结构性能要求的复合材料，主要包括制动器衬片和离合器面片。其质量的优劣，不仅影响汽车的可靠性和舒适性，而且在很大程度上直接影响汽车的安全性能。因此，为了更好地监管摩擦材料产品的质量，政府对这类产品的管理已经实行了生产许可证制度。对于摩擦材料，摩擦性能是非常重要和关键的性能指标之一，国家标准中对摩擦性能的评价主要包括摩擦系数和磨损率两个参数[1]。摩擦系数关系着摩擦片执行传动和制动功能的好坏，它不是一个常数，是受温度、压力、摩擦速度或表面状态及周围介质因素等影响而发生变化的一个系数。理想的摩擦系数应具有理想的冷摩擦系数和可以控制的温度衰退。磨损率体现摩擦材料的耐磨性，是其使用寿命的反映，也是衡量摩擦材料耐用程度的重要技术经济指标，耐磨性越好，表明使用寿命越长。

对摩擦材料的性能测试方法有很多，在实验室中，对摩擦材料的摩擦性能的检测方法采用小样测试法[2]，采用的检验设备是定速式摩擦试验机，该试验机已经被产品标准GB5763-2008《汽车制动器衬片》、GB/T5764-1998《汽车用离合器面片》所引用。定速式试验机由于其成本低、试验程序简单、周期短，且能基本反映出摩擦材料的性能，在企业的生产控制和检验机构的产品检测发挥着举足轻重的作用[3]。这里以检验机构实验室中常用的XD-MSM型定速式摩擦试验机为例。试验的基本步骤分别按照标准GB5763-2008《汽车制动器衬片》和GB/T5764-1998《汽车用离合器面片》相应的方法进行，这里重点探讨实验室摩擦材料检测中需要注意的事项、可能碰到的问题以及解决之道。

一、试样制备

依据标准要求，试片应该从同一片样品中制取两个。在实际的检验过程中，若样品过小无法从一个样品中制取时，可从两个样品中分别制取。制取试片时必须注意摩擦面和摩擦方向。盘式制动器衬片无钢背面为摩擦面，鼓式制动器衬片外弧为摩擦面，所有制动器衬片均以长度方向为摩擦方向；离合器面片有槽面为摩擦面，切线方向为摩擦方向。试片制磨好后，在非摩擦面上标出样品的摩擦方向。若样品带有槽、孔，制取的试片摩擦面应无槽、孔。若样品过小无法避开槽、孔时，以无槽、孔面为摩擦面，非摩擦面的五个测量点应尽可能避开槽、孔。试片摩擦面尺寸为25mm×25mm，允许偏差为-0.2mm～0mm。试片厚度为5mm～7mm，若样品厚度小于5mm(如部分离合器面片)，则按其原厚度，两个试片的厚度差在0.2mm以下。在试验的过程中，偶尔会发现试片磨偏的情况，究其原因，很大程度上是因为试样制作的不规范引起的，从而导致试片磨偏，也造成测试数据误差大，重现性差。一般情况下，在整个试验程序做完，测量试片的最大厚度与最小厚度，两者的差如果在1.0mm以内，就是一个正常的结果。为了在试验中保证测量位置的准确性，要求在试片非摩擦面上做上五个测量点标志和左右及摩擦力方向标志，且每个试片五个测量点的厚度差不得大于0.1mm。

二、试验过程

试片都必须先在100℃以下进行初磨(每次3000转)，直至接触面达到95%以上才能正式试验。试验的过程分为升温和降温两个阶段，也就是检验衰退性能和恢复性能，根据摩擦材料的类别不同，升温阶段的最高温度也不同。在升温测定阶段，试验圆盘温度应在1500转以内升至各个规定的试验温度。当仅靠摩擦热在1500转以内达不到规定的试验温度时，应打开辅助加热装置进行加热。辅助加热装置一般是由系统根据温度情况自动设定开启和关闭，但试验中有出现即使长时间开启电热管辅助加热，仍然升温过慢，无法在1500转以内达到规定温度。这种现象可以尝试以下几种途径解决：(1)检查电热管是否有损坏。电热管总共有大小不同的三根，可以用万用表的电阻档检测电热管的通断来确定是某一根或者某几根有损坏，每根直流阻抗大约为30欧姆。如果使用时间较长，建议三根同时更换。(2)检查电磁阀是否有损坏。如果电磁阀损坏，在加热的同时一直在喷水至摩擦盘底部，也会造成升温过慢甚至温度反而下降。(3)检查热电偶与摩擦盘是否接触完好。热电偶和摩擦盘是必须要面接触，才能较准确地测量摩擦盘表面的平均温度。一种是由于热电偶安装不牢或外部振动引起热电偶的输出电动势不稳定；另外一种可能是由于长时间磨损，使热电偶工作端与摩擦盘处于点接触状态甚至接触不良，因此，随时注意热电偶与摩擦盘接触良好，试验温度必须控制在±10℃以内。另外，如果设备完好，一般情况下，当在较高的温度段结束后(比如250℃、300℃、350℃)要取出试样测量厚度期间，最好适时手动打开辅助加热装置进行预加热(特别是冬天)，从而不致使圆盘温度下降过快，以保证摩擦盘在1500转以内，盘面温度达到相应的测试温度，保证测试数据的准确性。降温阶段，温度从上一个阶段下降到下一个阶段应在500转以内完成。由于这个阶段可以通过水阀调整喷水大小，这个条件比较容易控制。

在试验的过程中，摩擦盘与试块之间往往会产生摩擦振动，当振动达到一定程度的时候，就会影响试验的过程及实验结果的准确性。根据试验中遇到的情况，大致主要有以下几个因素造成：第一，装配时摩擦盘的端面跳动误差没有达到规定的要求，这是定速试验机产生振动的主要振动源，所以也是解决振动问题的关键[4]；第二，加载轴与加载杠杆之间的锁紧螺母没有锁紧，这在试验中也比较常见；第三，加载砝码没有成为一个整体，在试验过程中发生砝码倾斜甚至掉落的情况，导致发生振动现象，一般这种情况下振动的声音很大，比较容易判断；第四，加载轴润滑不良也容易产生振动，但加载轴的润滑要注意一次不能加太多的油，防止润滑油流到摩擦盘表面影响测试结果；第五，机架不稳而产生的振动，这个在安装摩擦试验机的时候就要注意这个问题，在底座处安装能吸收振动的地脚垫铁，以吸收和减小电机及外部环境引起的振动。当然，影响振动的因素有很多，这需要在平时的试验中根据遇到的具体情况不断总结，尽可能减小由于振动对试验结果造成的影响。

在试验的过程当中，软件会实时显示各个温度段的摩擦系数曲线。由于摩擦系数是表征摩擦学特性的重要参量，它不仅可以评定一种摩擦材料的减摩性能，而且还可以根据它的变化趋势来获得材料的耐磨效果。因此，我们要在试验过程中随时监测摩擦系数曲线的动态显示。理想的曲线应该是在各个温度段，摩擦系数在它的指定摩擦系数附近有一定的波动范围(即与指定摩擦系数的偏差范围)，但是在试验中也发现过曲线波动范围过大，出现了异常现象。经过分析，主要由以下几个原因造成：一是由于摩擦盘的跳动造成的。这时应卸下摩擦盘重新调整摩擦盘的平整度；二是由于正压力加载轴的缺少润滑。加载轴润滑不良不仅容易造成振动，而且无法提供正确的正压力，而正压力的加载直接关系到摩擦力的大小，因此会使计算出来的摩擦系数显示异常；三是要检查张力传感器是否出现故障，要时刻注意张力零位，一般在20以下，否则拉力传感器就有问题。

三、数据处理

试验过程中要实时采集摩擦力的大小，但在计算摩擦力和磨损率的公式中用到的摩擦力的取值是不同的。摩擦系数中的摩擦力是以总摩擦距离的后半部分稳定的摩擦力的平均值来计算的，而磨损率中的摩擦力是以试验时总的平均摩擦力来计算的。升温阶段，每个温度段试验开始前要用千分尺分别测量两个试片5个点的初始厚度，对于同一个试片，系统自动将上一个温度段试验后的试片厚度作为下一个温度段试验前的试片厚度，因此，在每个温度段装入试片时切记左右样品及装入支撑臂的方向不能变化。由于摩擦产生大量的热量，容易造成试片产生膨胀，因此要注意试片厚度的测定应待试片冷却至室温后进行。要注意的是，磨损率结果不能为负值。降温试验是连续进行的，试验前应先将试验圆盘温度加热至最高温度，不同的温度段转换时没有停机，对于每一个温度段的试验结果值计算摩擦系数，因不测量试片的厚度，故不能计算磨损率。由于所有的温度段的摩擦系数、磨损率等数值均是由计算机自动计算完成，并自动转换成曲线图，因此，要严格按照要求的试验步骤和方法，才能使数据准确可靠。

对于检验机构而言，通过将试验后的数据跟相应的标准相比较，就能判断样品是否合格。生产企业也经常结合与试验有关的因素，对试验数据进行反复处理分析，来判断试验配方的优劣性。比如可以用同一组试样重复试验三次，从而检查反复使用后摩擦性能的变化情况，通过对比三次试验所得的数据，分析其离散程度，以确定材料的性能及生产工艺的稳定程度。另外，由于摩擦材料在摩擦过程中伴随着表面温度的升高，有时会发生膨胀，实测的厚度磨损值很可能不准确，而重量的损耗却比较真实，因为它不受膨胀的影响。因此对于磨损率的处理，企业经常通过对试验前后试片的称重，将重量磨损率折算成体积磨损率。

四、分析小结

经过大量的试验，我们可以总结出，摩擦系数不是固定不变的，摩擦盘表面温度对摩擦系数的大小有很大的影响，随着温度的升高，摩擦系数有变大的趋势。一般来说，升温时衰退率较小，降温时恢复率较高，而且偏差较小的数据，它的摩擦性能也越好。当然，在使用中，摩擦材料性能又与温度、速度和载荷等制动时的工况有关。

参考文献：

[1]GB5763-2008,汽车用制动器衬片[S]. http://www.instrument.com.cn/download/shtml/087193.shtml.

[2]王铁山，曲波.汽车摩擦材料测试技术[M].长春：吉林科学技术出版社，2005.

[3]石志刚.汽车用摩擦材料测试设备及发展趋势[J].非金属矿,1998,21(5):57～58.

[4]胡伟等.定速试验机摩擦振动原因及消除办法[J].机械设计与制造,2012,10(10):190～192.