机械测试

湿式离合器材料筛选

在执行全尺寸离合器测试之前,先在实验室完成摩擦材料筛选,可以降低成本,缩短开发时间

使用 UMT TriboLab 筛选离合器摩擦材料

离合器在自动变速器中的平稳运行,与摩擦系数(COF)的速度依赖性密切相关。全尺寸离合器测试通常用于获取摩擦数据,如 JASO M348 或任何其他在 SAE 2 号摩擦试验机上运行的 OEM 测试方案,这些测试一般成本高且耗时长。此外,评估每一种新的摩擦材料配方或工艺变化,都需要制造并组装全尺寸离合器部件。在执行全尺寸离合器测试之前,先在实验室完成摩擦材料筛选,可以大幅缩短开发时间,降低开发成本。

离合器性能验证

自动变速箱离合器(也称为湿式离合器)在尺寸减小时对更高特定扭矩容量的需求不断增加。为了满足竞争商业环境中的需求,材料设计师和离合器设计工程师可以通过使用分析模型来缩短产品开发时间。利用这些模型,可以探索大量的设计和材料变化,并评估它们对系统性能的影响。离合器和制动器的主要性能特性称为其粗糙度、振动和噪音 (HVN) 响应。HVN 与 COF 的滑动速度依赖性强。随着滑动速度的增加,以及各种接触压力,COF 需要显示一个稳定或略有增加的值。众所周知,摩擦是一种系统属性,而不是物质属性。因此,在设计工作中使用分析模型的便利性因模型的验证需求而有所减弱,尤其是新离合器材料的摩擦行为。此外,与全尺寸设备或系统相比,台式测试必须满足随后的性能证明责任。自动变速器离合器(又称湿式离合器)的尺寸在变小,因此对高扭矩量程的要求日益提高。为了满足竞争激烈的商业环境的需求,材料设计师和离合器设计工程师可以通过使用分析模型来缩短产品的开发时间。此类模型可用于探索大量设计和材料变化,并评估这些变化对系统性能的影响。离合器和刹车共有的一个关键性能特征是声振粗糙度、噪声及振动(HVN)响应。HVN 与 COF 的滑动速度依赖性密切相关。理想情况是,COF 值在滑动加速过程中以及在一系列接触压力条件下保持稳定或略有增长。众所周知,摩擦是一种系统属性,而不是材料属性。因此,对模型验证的需求,特别是新型离合器材料的摩擦性能,影响了在设计工作中使用分析模型的便利性。此外,与全尺寸设备或系统相比,试验台测试必须满足后续的性能验证需求。

全尺寸离合器测试在 SAE 2 号摩擦试验台等测试系统上执行。

COF 性能评估

前面提到,要想将 HVN 降至最低并保证离合器的平稳性能,理想情况是,COF 值在滑动加速过程中保持稳定或略有增长。如果 COF 值在加速过程中降低,会导致离合器颤动或震动。虽然有些分析模型已经包含了离合器系统的刚度、材料对、转子/定子接触压力、温度、滑动速度和 COF,但仍然需要 COF 的实验数据,特别是作为其他变量的函数。全尺寸离合器测试通常用于获得此类数据,如 JASO M348-2012 或任何其他在 SAE 2 号摩擦试验机上运行的 OEM 测试方案,但这些测试成本高,耗时耗时长,而且需要制造并组装全尺寸离合器部件。

如果在选择材料制造成零件及进行全尺寸测试之前,先进行简单的试验台筛选测试,对材料进行排名,预计可以节省材料开发的成本和时间。具体包括离合器材料本身、反应板,以及离合器操作用油,这里指自动变速器油(ATF)。这项研发工作的目的是,设计一种试验台材料筛选测试和方案,用于在执行全尺寸测试之前对材料进行预筛选。衡量研发是否成功的标准是,试验台测试是否能够获得与全尺寸测试相同的材料排名顺序。其目的不是完全复制全尺寸测试方案(包括超过 275 个独立的速度、接触压力和温度搭配条件),而是开发出一套可在台式测试仪上使用的简化的测试序列子集,并根据这个子集确定相同的材料相对排名,包括多种速度条件下的速度依赖性。

模拟中的尺寸效应

虽然在试验台摩擦材料测试中,适当模拟很明显需要接触压力、滑动速度和温度等因素,但最小接触尺寸也非常重要,原因在于离合器材料具有非均匀性,需要包括所有成分以及表面粗糙度和孔隙度的储层和沟道效应。通过使用布鲁克白光干涉仪(WLI)获得的 三维形貌,右图显示了表面纹理上的这种变化。如果接触面过小,不均匀成分和表面粗糙度对摩擦的影响都会丧失,试验台测试将无法正确模拟实际的摩擦系统。

本研究中评估的三种离合器材料的 白光干涉三维形貌
离合器材料测试模拟中使用的 UMT TriboLab 试验台摩擦测试系统,以及小尺寸离合器材料样品(单位:cm)的特写。

完成模拟

以下全尺寸参数对试验台测试中的模拟非常重要:

  1. 给定速度下的离合器材料接合时间
  2. 接触压力的加载速率
  3. 接触压力的加载速率
  4. 测试条件之间的停延时间

左图显示了配备旋转驱动、加热室和液体泵系统的 试验台测试系统UMT TriboLab,以及小尺寸离合器测试样品的特写。

筛选测试结果

右图显示了 UMT TriboLab 试验台系统和全尺寸试验台在 120°C 条件下执行的步速离合器材料测试的 COF 结果。两次测试在相对排名、作为速度函数的曲线形状以及每种材料的 COF 量级方面均较为一致。

材料 B 的 COF 与速度的关系曲线呈正斜率,因此适合用于离合器设计建模。其他小尺寸测试序列,包括COF 和速度依赖性,也显示出与全尺度测试数据的良好关联。

小尺寸离合器材料测试与全尺寸离合器测试的比较。SAE 2 测试数据提供:LuK USA, LLC。

试验台筛选工具

UMT TriboLab 是一款出色的试验台筛选工具,适当应用全尺寸离合器试验台所用的同等接触应力、加速度、滑动速度、流体条件和温度,可以为建模提供数据,同时缩短决策时间,降低全尺寸离合器试验台测试最终验证的材料选取成本。