滚动摩擦代替滑动摩擦

2024-11-10

滚动摩擦代替滑动摩擦（精选4篇）

滚动摩擦代替滑动摩擦篇1

0 引言

离合过程是一个动态的摩擦过程,在这个过程中,摩擦因数是摩擦副系统的综合特性,受到滑动过程中各种因素的影响,如材料副配对性质、静

止接触时间、法向载荷的大小、摩擦副的刚度和弹性、滑动速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质以及环境介质的化学作用等。这就使得摩擦因数随着工况条件的变化而发生变化,因而预先确定摩擦因数的准确数据和全面估计各种因素的影响是十分困难的。

在离合过程中,材料副配对性质一定的条件下,摩擦因数主要与摩擦副的载荷、滑动速度、温升三因素有关[1]。对于离合器摩擦片和压盘这对摩擦副而言,压盘金属表面处于弹塑性接触状态,由于实际接触面积与载荷的非线性关系,使得摩擦因数随着载荷的增加而降低,而离合过程中,除离合器工作预紧力(最大工作载荷)外,载荷的大小完全取决于司机的操作习惯、行驶工况等非确定因素,量化过程十分困难,故本文研究摩擦因数的变化采取最大工作载荷下的离合过程。滑动速度影响摩擦力主要取决于温度状况,滑动速度引起的发热和温度变化,改变了表面层的性质以及摩擦过程中表面的相互作用和破坏条件,因而摩擦因数必将随之变化。而对于在很宽的温度范围内机械性质保持不变的材料例如石墨,摩擦因数几乎不受滑动速度影响[2]。

摩擦热是离合过程的必然结果,因此从能量的观点出发,摩擦离合器实质上就是能量转换器或热交换器。能量被吸收会引起摩擦副温度升高,导致材料摩擦表面结构组成发生一系列的物理化学变化,如压盘金属的氧化以及金相组织的变化,聚合物基摩擦材料的热分解、热疲劳等,进而影响其摩擦因数,导致离合性能热衰退[3]。

1 试验

为了系统地研究摩擦面温度对离合器摩擦材料摩擦因数的影响,本文试验选用自制的高温销盘式摩擦试验机,在定载荷和变速摩擦的工况下,结合扫描电子显微镜(SEM)分析等手段,对材料的摩擦因数随摩擦面温度的变化情况及摩擦面工作层的形貌进行分析。

1.1 试验设备

图1为自制的高温销盘式摩擦试验机结构简图,主要技术参数如下:①最大试验力为50kN,准确度为±0.1%;②摩擦力范围为0~500N,准确度为±0.1%;③温度范围为室温~600℃,控制精度为±2℃;④主轴转速为无级调速,转速范围为0~600r/min,精度为±5r/min;⑤时间设定范围为1~12 000s;⑥采用计算机进行数据采集,屏幕显示各主要参数,测量并自行记录离合器摩擦面片的摩擦因数μ,形成摩擦因数、温度、转速的关系曲线。

1.主轴 2.传力手臂 3.上试样 4.下试样 5.电炉 6.滑动轴承 7.扭矩传感器 8.滚动轴承 9.平衡块 10.滑动轴承 11.力传感器 12.载荷

1.2 试样选用

本试验上试样采用多数国内微车制造商选用的离合器摩擦面片,该摩擦面片以质量分数为17%的酚醛树脂和丁晴橡胶作为基体,其他的主要元素如下:w(Cu)为8%~10%,w(Al)为2%~5%,w(C)为5%~10%,w(Si)为8%~12%,w(Ca)为10%~15%,w(Fe)为1%~2%,w(Zn)为7%~10%,加工成25mm×25mm的正方形试验小样,下试样采用ϕ90mm×35mm的HT250试环,硬度为220HB。

1.3 试验项目及方法

小样试验定速式摩擦试验机国家试验标准GB5763-98规定[4]见表1。

根据表1的试验标准和微型汽车的实际工作条件,定载荷选取0.5MPa,摩擦速度分别选取230r/min、330rmin、430r/min、480r/min、530r/min、580r/min6个速度点,25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃ 6个环境温度点。6个速度点和6个环境温度点进行耦合,共进行36组试验,每组试验进行3次,每次试验摩擦时间为30min,每隔30s记录一次瞬时摩擦因数及温度。通过安装在下试样试环侧面距摩擦表面2mm处的热电偶来测量材料摩擦面的温度;然后对摩擦后的摩擦面进行SEM分析,对比不同速度和环境温度条件下材料摩擦因数和摩擦面形貌随摩擦面温度的变化。

2 试验结果与分析

2.1 摩擦因数随摩擦面温度变化的试验结果

在不同速度点和环境温度条件下,耦合出36组试验,每组进行3次30min试验,每隔30s记录一次瞬时温度和瞬时摩擦因数,共计36×3×30×2=3240条数据记录,对这些数据进行统计,如表2所示。

各平均温度与对应的平均摩擦因数的关系如图2所示。通过MATLAB对图2中数据进行三次曲线拟合,拟合曲线如图3所示。

2.2 摩擦面形貌随温度变化的试验结果

通过图3所示的拟合曲线可以看出,20~130℃时摩擦因数逐渐增大,130~220℃时摩擦因数趋于平稳,220℃以上时摩擦因数开始下降,故选取25℃、75℃、170℃、250℃ 4个温度点的摩擦片试样结合扫描电子显微镜(SEM)进行摩擦面形貌观察,结果如图4~图7所示。

2.3 试验结果分析

根据上述试验结果可知,低速低温时,虽然材料表面温度较低(表2),表面没有发生或很少发生变化,但摩擦过程中材料表面受到的压力和摩擦热的作用足以使表面形成不稳定的温度场和压力场。与金属材料不同,摩擦面片的摩擦材料是由金属组元和非金属组元共同组成的复合材料,所以材料中各组元的热膨胀系数不同,这样就造成了受热表面层和次表层的热膨胀率不同,以及表面层中不同区域热膨胀率的差异[5]。由图4可以看出摩擦表面层会产生褶皱或微裂纹,材料表面的这些褶皱和微裂纹在压力作用下与相对较硬的对偶件反复摩擦,造成摩擦面的崩块和点状脱落现象,此时摩擦表面相对平整,磨屑较少,摩擦因数小,如图3所示。

随着摩擦的进行,摩擦表面温度不断升高,各种材料的热膨胀不同,在温度场和压力场的共同作用下经过与对偶件的摩擦,摩擦界面中的钢纤维与铸铁之间的铁原子易发生黏着,黏着点被反复剪切、黏着,形成磨屑而脱落,使细小的钢纤维被拔出或部分被撕裂,铸铁材料也可能被黏着、撕脱,从而造成磨损,形成磨屑。黏着较严重的部位撕脱的磨屑较大,同时,也很容易撕落黏着点周边的摩擦材料,形成块状脱落,如图5所示材料表面明显剥落,内部纤维已磨损至摩擦表面,此时摩擦表面已相当不平整,同时存在大量的磨粒,致使摩擦因数在20~130℃温度区间急剧上升,如图3所示。摩擦表面温度在130~220℃区间时,由表2和图3可知,摩擦因数基本稳定在0.38附近,已达到工作区域的最大值,这是因为,一方面摩擦材料在170℃时的粗大磨屑比较多,而其形状与75℃磨屑中的大颗粒有所区别,类似于材料破碎后的碎片,说明在170℃时复合摩擦材料的剥落比较严重,这是由于没有及时排出的细小磨屑在摩擦界面反复碾磨,黏附在摩擦表面,并形成不稳定的界面膜。同时,摩擦不够稳定,应力分布不均,受力大的地方容易产生裂纹,并随滑动过程的进行逐渐扩展,致使材料局部发生破裂甚至碎化,从而产生图6所示的磨屑形貌,这些大量体积大的磨粒,使摩擦因数提升至最大;随着摩擦面温度的提高,摩擦材料表面已基本形成了一层比较均匀致密的表面膜,大大减小了金属组分与铸铁对偶的直接接触面积,因而使黏着作用大大减弱,这降低了黏着磨损,表面粗糙度得到一定的改善,磨损趋于平缓,致使摩擦因数趋于稳定[6]。此前的摩擦均属于典型的磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损的干摩擦。

在摩擦性能试验过程中,可以明显地观察到,当温度达到220℃左右时可以闻到有烧焦的气味并有少量烟雾冒出,随着温度进一步升高,烟雾增多气味变浓,特别在330℃以后最为明显。这是由于,220℃已达到了酚醛树脂有机物的热分解温度,酚醛树脂产生分解,生成少量的液体和气体,此时,材料表面层发生软化和大量塑性变形,磨屑易滞留在材料表面,对偶材料在运动过程中将细微磨屑重新压入摩擦面,致使高温摩擦后材料形成比低温时相对光滑的表面层,改善了摩擦表面形貌,如图7所示,摩擦因数由最高值逐渐回落;随着温度的进一步提高特别在330℃以后,酚醛树脂分解剧烈,生成大量的液体和气体[7]。酚醛树脂经高温裂解后,其液体产物主要包括苯酚、2-甲基酚、4-甲基酚、2,6-二甲基酚、2,4-二甲基酚、2,4,6-三甲基酚,气体主要包括CO、CO2、CH4,此时导致酚醛树脂对复合材料中的其他材料黏结作用大大降低,材料表面继续大面积地剥落,出现部分纤维断裂,如图7所示。摩擦衬片中的低熔点金属高温液化或有机物黏结剂发生热分解产生液态物,使润滑点扩展而形成局部“润滑层”。同时衬片中酚醛树脂的分解而产生大量的气体物(CO、CO2、CH4等),对偶件金属表面的氧化膜又易吸附气体,因而在摩擦面上形成了局域的一层“气垫层”,在润滑层和气垫层的作用下,摩擦已从典型的磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损的干摩擦过渡到具有流体润滑的磨粒磨损的混合摩擦,摩擦因数出现明显下降,随着温度的升高,分解剧烈,流体润滑效果明显,摩擦因数进而出现陡降现象,如图3后半段曲线所示。

3 结论

微车离合器摩擦材料的摩擦面温度低于酚醛树脂热分解温度时,属于典型的磨粒磨损、黏着磨损和氧化磨损的干摩擦,摩擦因数先逐步增加,后趋于稳定;当高于酚醛树脂热分解温度时,属于具有流体润滑的磨粒磨损的混合摩擦,摩擦因数急剧下降。

从微车离合器摩擦材料摩擦因数的角度可解释微车起步发抖和面片烧蚀的离合器主要故障产生的原因:由图3所示的拟合曲线可知,在摩擦面温度较低的工况下,摩擦因数较低,微车起步时,离合器传递的扭矩不足以克服道路阻力,引起微车起步发抖;而在摩擦面温度过高的工况下,离合过程中,摩擦因数较低,传递扭矩效率低,导致离合器滑磨时间过长,引起烧蚀现象。

参考文献

[1]徐石安,江发潮.汽车离合器[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2]温诗铸,黄平.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,2002.

[3]梁磊,曹献坤,王营.温度分布对制动摩擦片性能的影响[J].武汉工业大学学报,2000,5(6):45-47.

[4]赵小楼,程光明,王铁山,等.汽车摩擦材料摩擦磨损性能试验的现状与发展[J].润滑与密封,2006,10(4):200-203.

[5]林荣会,郗英欣,邵艳霞,等.纳米铜改性酚醛树脂及其应用性能[J].复合材料学报,2004,21(6):114-118.

[6]苏立志,李志章.耐温聚合物基复合材料的摩擦学性能与磨损机理研究进展[J].材料科学与工程,2000,6(2):125-130.

[7]肖桂普.制动工况与摩擦磨损性能的研究[J].摩擦密封材料,2002,1(2):32-35.

滚动摩擦代替滑动摩擦篇2

搅拌摩擦焊经历十几年的研究发展，已经进入工业化应用阶段，搅拌摩擦焊在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域得到了非常成功的应用。

船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先获得应用的领域，主要应用于船舶零部件的焊接上，如甲板、侧板、防水壁板和地板;还有船体外壳和主体结构件等。已成功焊接了6m×16m的大型铝合金船甲板。此甲板采用厚度甲板6mm、宽为200-400mm的6082-T6铝合金进行纵逢拼焊焊成。在航空制造方面，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于试验阶段。主要利用FSW实现飞机蒙皮和衍梁、筋条、加强件之间的连接，以及框架之间的连接。图2-32是欧洲计划用搅拌摩擦焊焊接的空中列车A319机、A321机和大型空中列车A380的机身结构图。图2-32搅拌摩擦焊焊接的空中列车机身结构(图中箭头所指)在航天领域，搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接，如图2-33所示。用ESAB公司生产的称为SuperStir的搅拌摩擦焊机焊接了直径2.4m、板厚22.2mm、型号为-T6铝合金δ火箭燃料筒的纵缝，与MIG焊相比，搅拌摩擦焊缺陷率很低，MIG焊焊缝长832cm出现一个缺陷，而搅拌摩擦焊焊缝长7620cm出现一个缺陷，相当MIG焊的1/10。最近在δⅣ火箭中搅拌摩擦焊焊接的1200m长焊缝中无任何缺陷出现，图2-33搅拌摩擦焊焊接的运载火箭低温燃料筒在铁道车辆中，搅拌摩擦焊已经用来制造高速列车、货车车厢、地铁车厢和有轨电车等;搅拌摩擦焊为汽车轻合金结构的制造也提供了巨大的可能。图2-34为高速列车用结构25m长的搅拌摩擦焊焊缝。图2-34日本新干线高速列车结构在建筑工业方面，采用搅拌摩擦焊焊接了蜂窝状结构的大型地面。面板厚为2.5mm、翅板厚为5mm、中心高为100mm，焊接规范为搅拌头转速1500rpm，焊接速度250 mm/min。此外，搅拌摩擦焊在铝合金桥梁和铝合金、镁合金、铜合金的装饰板的制造中获得了应用。在电子工业方面，搅拌摩擦焊已用于大型铝合金散热片的焊接，使散热片具有很好的热性能和耐振动特性。铜的熔点和热传导率比铝高，铜及铜合金采用一般熔焊方法也是极困难的。在欧洲用搅拌摩擦焊制作了大型铜容器，用来储藏高能放射性物质，将盖和筒体焊接在一起，熔深为58mm，搅拌头的肩部直径为60mm，接头附近的温度高达750℃。与非真空电子束焊相比，非真空电子束焊的焊速为254mm/min，而搅拌摩擦焊为100.4mm/min，焊速较慢，但没增加热输入，所以能满足要求。为了实现搅拌摩擦焊的三维空间焊接，应积极研制和开发机器人搅拌摩擦焊，因受机器人臂的刚性和载荷能力的限制，目前有报道开发了缺陷修补的机器人搅拌摩擦焊。采用3kw的马达作为搅拌头的驱动，机器人臂载荷限制在150kg，搅拌头的转速为1000～1600rpm，焊速350mm/min。采用机器人搅拌摩擦焊焊接了6061-T6铝合金，接头强度为230Mpa，修补焊缝的强度为225 Mpa，其机械性能达到母材的55%～60%。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。

例析干摩擦与湿摩擦篇3

现象二:我们都知道，如果给自行车的车轴里涂上润滑油，则自行车骑起来就变得轻些。这又是为什么呢?

现象三:我们还都知道，在北方的冬天，穿着冰鞋在冰面上溜冰，若轻轻一蹬，就会滑得很远很远，而若在水磨石等地面上溜冰，却很难滑起来的。这又是为什么呢?

分析:木块放到桌面上或在木块下垫几支铅笔，我们吹不动它，这是因为木块和桌面、木块和铅笔之间的滑动摩擦和滚动摩擦较大。木块、桌面和铅笔都是固体，而固体与固体之间的摩擦称之为“干摩擦”。木块和水之间的摩擦是固体和液体之间的摩擦称为“湿摩擦”。实验说明，对同一个物体来说，湿摩擦要小于干摩擦。所以，浮在水面上的木块就容易被吹跑了。

而给自行车车轴里涂上润滑油，自行车骑起来就变得轻些。其原因是润滑油在车轴、滚珠表面上就形成了油膜，这油膜就将车轴、滚珠、轴承套隔离而变得互不接触，于是就把车轴、滚珠、轴承套之间的干摩擦变成了车轴、滚珠、轴承套与润滑油之间的湿摩擦，故使摩擦力大大减小，所以自行车骑起来就变得轻些。

再者，我们穿着冰鞋在冰面上溜冰快而敏捷，而在水磨石等地面上溜冰不能滑起来，其原因和上述情况一样，也是由于将干摩擦变成了湿摩擦。穿着冰鞋在冰面上溜冰，人体的重量都集中在了冰刀上。因冰刀的刀刃面积很小，所以冰刀刃对冰的压强很大。冰在压强增加的时候，熔点就会降低，当压强增加到一定程度，则冰不到0°C就熔化了。于是冰刀下的冰瞬间就熔化成了一薄层水，而这些水便在冰鞋和冰之间起到了润滑作用，因此，冰刀与冰之间的干摩擦就变成了冰刀与水间的湿摩擦，致使摩擦力也大大减小，由此才使人们滑行自如，快而敏捷。当然，冰刀和冰的快速摩擦产生的一些热也使一小部分冰熔化成了水。