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通过激光纹理加工改善湿式摩擦离合器的摩擦特性 |
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作者：孟永钢 王东华 |
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引言
纸基湿式摩擦离合器具有较理想的静动摩擦因数比、啮合柔软平稳、噪声小等特点，是一种广泛用于汽车和工程机械自动变速系统的先进离合器，主要由纸基摩擦片、钢质隔离片和自动变速器油组成。
在实际使用和相关研究中发现，摩擦因数通常会随摩擦片和隔离片间相对滑动速度的增大而降低，即摩擦因数一滑动速度曲线出现负斜率，它是引起摩擦离合器自激振动和产生尖叫的主要原因。目前很多研究表明，对隔离片进行适当的表面处理后可以在一定程度上改善摩擦因数随滑动速度的变化特性。因为在隔离片表面进行纹理修饰后，可以影响其与摩擦片啮合时的润滑状态，从而改变摩擦因数随滑动速度的变化。改变隔离片表面形貌的方法有很多，如激光加工、喷丸、电火花、开槽、表面化学处理等方法。激光加工方法由于可控性强、加工方便、效率高、应用范围广等特点得到了广泛的使用。但在应用过程中，需要搞清楚激光加工参数以及纹理的设计对离合器摩擦特性的影响。本文通过对隔离片表面进行不同的激光加工，研究不同的激光纹理对纸基湿式摩擦离合器摩擦特性的影响规律。
1 激光纹理设计和加工
试验所用隔离片为一外齿圆环，外径为70mm，内径为47mm，厚度为2．5mm，材质为低碳钢，显微维氏硬度为250MPa。对隔离片进行激光加工前先将其表面抛光到粗糙度Ra=0．08μm，作为基础片。
激光纹理加工一般是在抛光后的隔离片表面上用聚焦激光束照射后将材料局部烧蚀形成凹坑，通过调整激光器的功率、扫描范围和步进速度等加工参数，可以形成如图1所示的直径和深度不同的圆斑，另外通过改变工作台(加工时隔离片固定在工作台上)的运动轨迹，可以改变圆斑在隔离片圆周方向和半径方向的排列密度。因此，我们设计了如表1所示的4组共21种激光加工纹理，以考察这些纹理参数对湿式摩擦离合器摩擦特性的影响规律。所用激光器为Nd：YAG连续激光器，额定输出功率为50W，激光波长为1064nm。加工出圆斑形状的电镜照片如图1所示，可以看出圆斑内部包含多个微坑。
图1 单个圆斑的扫描电镜照片
2 试验方法
试验所用摩擦片形状为内齿圆环，内径为50mm，外径为60mm，在厚度为1．0mm的中碳钢片表面粘贴了一层厚度为0．5mm的纸基摩擦材料，它由粘合剂、纸纤维和填料三部分组成，不含石棉。试验所选用的润滑油为某汽车厂家指定使用的自动变速传动液。
试验选用Falex 6型多功能摩擦磨损试验机，试验机的转速由变频器控制，可以实现无级调速；加载方式为杠杆一砝码方式，简单可靠；能够在线实时采集载荷、扭矩、速度，温度、磨损量。摩擦片和隔离片的专用夹具采用了自凋心机构，以保证摩擦试验过程中两表面的良好贴合。
试验时，先在接触压力为1．0MPa、速度为0．6m／s的情况下，磨合30min;磨合结束后，等润滑油温度降到80°C后，在接触压力保持不变的情况下，按照图2所示的速度曲线进行摩擦特性试验。
图2 摩擦特性试验中设定的速度特性曲线
3 试验结果与分析
图3所示为不同激光圆斑直径在摩擦副相对速度变化上升过程和下降过程所对应的摩擦因数随速度变化的特性曲线。从图3中可以看出，作为基础片的抛光隔离片在试验中所表现出摩擦因数在高速区随相对速度增大而下降的负斜率现象。
在激光加工的隔离片中，除隔离片F200-800-2外，其他4种激光参数的隔离片都表现出摩擦因数随相对速度增大而升高的正斜率现象。5种激光加工表面的摩擦因数都大于抛光表面，且随单个圆斑直径逐渐增大，摩擦因数总体上呈现出先升高后下降的趋势，说明存在最优直径使摩擦性能最优。从上面的试验曲线可以看出，对于本摩擦系统，隔离片表面激光圆斑直径选取400μm或500μm比较合适。另外，低速时的摩擦因数虽然相对于高速时较低，但是其绝对值大于0．11的设计下限值，因此不会影响制动效果。此外，用相同的试验机和试验规范还与某离合器专业厂家生产的几种隔离片进行了对比测试，这几种激光纹理处理的隔离片在整个测试速度范围内摩擦因数的绝对值和曲线斜率都比较好。
图4所示为不同的激光圆斑周向分布变化对系统摩擦特性的影响曲线，从图4可以看出，当周向间距逐渐变大时，逐渐出现负斜率现象，系统摩擦特性由好变差。其中隔离片F450-800-2表现出较好的摩擦特性，摩擦因数随速度的增大而升高。正斜率现象明显；而隔离片F450-800-4、F450-800-6和F450-800-8的摩擦因数一速度曲线则在高速区出现了负斜率，表现出的摩擦特性开始变差；当间隔进一步扩大(如隔离片F450-800-10和F450-800-12，则在整个速度变化区域内表现出更加明显的负斜率现象，摩擦特性较差。从上面的试验结果可以看出，对于本摩擦系统，隔离片表面激光圆斑周向间隔选取2。比较合适。
图5所示为不同的激光圆斑径向分布对摩擦特性的影响曲线，可以看出，圆斑径向位置分布变化对系统摩擦特性的影响很明显。隔离片F450-600-2和F450-800-2在试验中表现出来较好的摩擦特性，摩擦因数随相对速度的增大而升高，其中隔离片F450-800-2比F450-600-2的摩擦因数略高。在径向间隔进一步扩大后，隔离片F450-1000-2、F450-1200-2、F450-1400-2、F450-1600-2基本在整个速度变化区域内都呈现出摩擦因数随相对速度的增大而下降的负斜率现象，摩擦特性较差。从上面的试验曲线可以看出，对于本摩擦系统，隔离片表面激光圆斑径向间隔选取800μm比较合适。图6所示为不同激光圆斑深度所对应的摩擦特性曲线。可以看出：隔离片F450-800-2-3、F450-800-2-18、F450-800-2-25在试验中都表现出摩擦因数随相对速度的增大而升高的正斜率现象；当圆斑深度继续加大达到35μm时，发现摩擦副在高速区出现负斜率现象，摩擦特性开始变差；说明圆斑深度太大，不利于改善本摩擦副的摩擦特性。考虑到深度太浅影响使用寿命，这里认为隔离片表面激光圆斑深度选取18μm比较合适。 
4 结论
(1)通过试验发现，在经过适当的激光参数处理后的隔离片作为纸基的配偶片进行摩擦特性试验时，表现出摩擦因数随相对滑动速度增大而升高的正斜率现象，这说明适当的激光加工纹理可以改善本系统的摩擦特性。
(2)激光圆斑的大小、分布、深度都对系统摩擦特性有十分明显的影响。激光圆斑直径过大或过小，周向和径向分布密度过稀以及圆斑深度过大，都不利于改善本系统摩擦特性，本摩擦系统存在最优激光纹理参数。
(3)通过试验已经找到适于本摩擦系统的激光纹理参数，即激光圆斑直径为450μm，径向间隔为800μm，周向间隔为2°，深度为18μm。(end)
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(9/10/2008) |
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