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第四节 摩擦性能检测设备及试验方法(下)

浏览次数: 日期:2017-06-28

二、实样摩擦试验机

    (一)、 Krauss试验机

    克劳斯试验机是一种典型的实样试验机。

    KRAUSS试验机诞生于1965年,是由德国ATETEVESERICH.KRAUSS研制开发的。并由克劳斯(KRAUSS)公司制造推广,故称之为克劳斯试验机。

    克劳斯试验机试验原理是依据盘式制动副力矩与压力成正比的特性而确定,因而具有优良的模拟性和数据重现性,且试验简单快速,经济可靠。三十多年来的应用使克劳斯试验机被欧洲及全世界摩擦材料和汽车制造厂商所认可。

    现代的克劳斯试验机已经逐步发展成一种可附加惯性飞轮系统的综合性摩擦试验机。除机械结构和控制手段更先进外,基本功能也更加完善。试验对象由单一盘式片扩大到鼓式片;主轴速度由定速式发展为调速式;加载方式由拖摩式发展为增加了惯性飞轮加载系统;有些试验机还有力矩恒输出功能。所以目前最完善的克劳斯试验机就是一台小型的1:1惯性试验台架(Dynamometer),而且比惯性台架功能更齐全。

    1.克劳斯试验机的测试原理

    克劳斯试验机最基本的特征是采用原尺寸刹车片、原配制动钳和动盘为试验对象,对于鼓式制动器是采用原尺寸制动蹄(包含制动衬片)和原配制动鼓为试验对象。

电动机带动主轴转动,制动盘(或鼓)装于主轴上,而制动钳或制动器用轴承支承在同一主轴(或滑台主轴)上,同时与测力臂相联。测力臂将制动力矩转化为力作用于传感器,经电子系统显示并记录数据。克劳斯试验机的测试原理如图9-5所示。

  图9-5  Kruass试验机的测试原理图

     Kruass试验机,是德国大众(PV3212)制动器衬片摩擦性能台架试验规范 采用的试验机。              

    盘式制动器用摩擦性能台架试验,主要系指汽车用盘式制动器刹车片的摩擦系数试验和磨损试验。主要用于产品批量生产的质量控制。该试验台已经被摩擦材料行业所认可,我国也引进了数十台此试验机。吉林工大与德国克劳斯公司合作,也开始批量生产制造该类试验机。这对我国摩擦材料的生产技术水平的提高和发展,必然起重要作用。

    Kruass试验机评价摩擦材料摩擦性能,只通过用标准小块做试验已证明是不可靠的。应用摩擦性能台架试验对摩擦系数与磨损试验就较可靠了,因为它的试验条件与其实际工况环境非常接近。所以这种扩展试验已证实了它是取得可在汽车上再现的数据的唯一的方法。

    1.试验设备

     Kruass试验机它是把原件尺寸的刹车片嵌入到原件的卡钳中进行实物测试。测定汽车用盘式刹车衬片的摩擦系数、磨损和温度特性。

    2.测试规范

    ⑴试验台转数: 660±10转数/分(恒定)。

    ⑵摩擦半径: 半均半径rm取决于制动器与制动器衬片。

    ⑶接触压力: PA 100牛顿/厘米2

                 PA =  接触压力

                 Pn =  液压接触压力

    ⑷制动循环、间隔:制动时间   5

                      间隔时间   10秒

                      制动循环数  10个制动循环

                      每一制动循环中制动次数  10次 ( 总计制动次数100次)。

     制动试验,从第一次制动循环的第一次制动至第十次制动循环中的第十次(即总第100次)制动试验不允间断的进行。

     ⑸温度测试

     温度测试是在制动盘的外周上进行,热电偶必须准确地靠在制动盘外周。

     ⑹摩擦系数根椐测定的制动力矩确定。

     ⑺制动盘

     每一片衬片的测试时,都要使用相应型号合格的制动盘,否则会导致错误结果。

这种试验用的制动盘表面的最大粗糙度不大于15µm。如需进行表面精磨时,制动盘厚度减少不允大于原始厚度1mm

     3. 试验步骤

     ⑴衬片磨合

     第一至第三个循环,主要是对盘式刹车片进行磨合,在磨合时用冷却风进行冷却。在磨合过程中,制动盘的最高温度不允超过300℃。在各各循环之间,制动盘进行空转时,必须强冷到100℃。如果在这三个制动循环中,不能保证制动盘温度在300℃以下,则应把三个循环划分每循环施加5次制动循环的6个循环。

    ⑵试验程序

    由第四循环开始时,制动盘温度不大于50℃时。

    在进行四到九循环不用冷却。在第十个循环时重新使用冷空气进行冷却。

    在每个循环结束时,温度可能升到550℃或甚至可能达到600℃。

    在各个循环之间,制动盘进行空转必须强冷却到110℃。

    每次制动的制动力矩(校准或摩擦系数)和温度的变化情况,都借助于记录仪记录下来。

    ⑶衬片的称重和测量

    衬片试验前、后都应测出重量,并定位测量厚度尺寸。

    ⑷评价鉴定

    求出摩擦系数(µmµmaxµminµkµF

    ①工作摩擦系数µm

    从第三和第五到第十循环的第一次制动时进行测量。而且在制动过程持续一秒后测量出一个测量点上的摩擦系数(在测定µm时,不考虑第四循环)。

    ②最大摩擦系数µmax

    从第三到十个制动循环中,所有的制动最大的摩擦系数是µmax

    ③最小摩擦系数µmin

    从第三到十个制动循环中,所有的制动最小的摩擦系数是µmin

    ④冷摩擦系数µk

    在第四循环的第一次制动一秒之后测出的值称为冷摩擦系数µk

µk可能就等于µmin

    ⑤衰减摩擦系数µF

    最低的摩擦系数µmin出现在高热负荷下,这种状态一般称之为衰减,在这种情况下,µFmin

    4.分类

    ⑴摩擦系数的鉴定

  ⑵磨损鉴定,损坏

    刹车衬片的磨耗量必须在所要求的公差范围内。

    ⑶经正式试验后,盘式刹车衬片不应有裂纹、起泡,脱落等现象。

 

     (二)、典型的克劳斯试验机有:

     1. RWS75A型

    交流电动机经齿轮箱使主轴获得660转/分的固定转速,制动盘或鼓装于主轴上,而制动钳或制动器用轴承支承在同一主轴上,同时与测力臂相联。测力臂将制动力矩转化为力作用于传感器,经电子系统显示并记录数据。

     2. JF55型(等同于RWS75B型)

    交流电机直接固定在齿轮箱上,经一对斜齿轮驱动主轴。制动盘或制动鼓经一法兰安装在主轴上。滑台的主轴为空心结构,测温热电偶的补偿导线穿过该轴引入集流环。滑台下方是液压站。用电液伺服阀控制产生制动压力,实现恒压力或恒力矩制动。鼓风机的作用是冷却,引风机的作用是排尘。设计时使引风量略大于鼓风量,保持机箱内为负压,防止灰尘外泄。

     3.RWDC100C型

    这种机型采用了直流电机驱动,主轴转速由660转/分的固定转速变为201500/分的可调转速,且电机下置,经齿形带驱动主轴,其余部分与JF55基本相同。这些改进主要是为了适应新标准车速提高的要求,也是为了使传统的克劳斯试验机兼有惯性台架的功能。因此主电机为双轴伸,后部必要时可联接惯性飞轮系统。

    

     三、惯性台架试验机

    惯性台架试验机又称为惯性测功机(Dynamometer),是制动器制动性能试验中最具权威性的测试设备。基本原理是利用飞轮动能等量模拟车辆动能对制动器进行加载。近年来,随着电子技术和计算机的应用,用电模拟方式控制驱动电机输出的力矩和转速,实现惯性制动试验的台架已经实际应用,称为电模拟测功机。

    惯性1:1制动器试验台(简称台架)的产生,最初是为了解决鼓式制动器的摩擦性能测试问题。人们试图尽可能全面地模拟汽车制动器的实际工况,用飞轮的惯性模拟汽车的惯性对制动加载,制动系统,制动压力等都可能模拟实际工况。现代的惯性台架模拟条件更加完善,具有恒输出功能,涉水试验功能,风冷随动功能,静摩擦力测量功能,制冷环境功能等。控制软件方面更加灵活而适应性强,测量数据处理采用计算机而更加方便和精确。

    惯性台架按可试制动器车型载重量不同,可分为三种规格,即轻型台架-轿车及(载重量3吨以下货车)制动器试验;中型台架-中型客货车(载重量10砘以下)制动器试验;重型台架-重型汽车(载重量10砘以上及火车)制动器试验。

制动器惯性试验台的原理是用转动惯量模拟汽车的行驶惯量对制动器进行加载,其类型依据结构可分为单工位,双工位,四工位三种。单工位每次只能试验一个制动器,侧重于制动器本身和摩擦衬片的性能测试;双工位每次可试验二个制动器(前,后制动器各一个),除可测试制动器性能外,还可以完成制动系统的制动力分配等测试项目,因此适用于制动器厂和制动系统生产科研单位。四工位每次可同时试验四个制动器,用于整体制动性能的研究。目前,单工位和双工位的比较多。双工位台架又可分为串联式和并联式两种。

    (一)汽车制动器惯性台架

    1.典型的惯性台架

    吉林大学机电设备研究所先后成功研制了JF120,JF121JF132型制动器惯性试验台。

    ①JF120

    采用250kW直流电机驱动,双工位并联结构方式。试验对象为微型车、轿车、小客车、轻型车盘式或鼓式制动器总成。总转动惯量为330.5 kg·m2,最小级差为2.5 kg·m2,级数可达128级。主轴转速为151800/分,刹停力矩可达10000Nm每工位,拖摩力矩为2390Nm

     ②JF121

    采用250kW直流电机驱动,双工位,电机居中串联结构方式。试验对象为轻型车、中型车,载重量1.26吨车双制动器或1.210吨车单制动器总成。总转动惯量为2005 kg·m2,最小级差为10 kg·m2,级数可达198级。主轴转速为151.500/分,刹停力矩可达28000Nm每工位,拖摩力矩为3980Nm

    ③JF132

    这种机型在全国(含台湾省)已推广21台。该机型在充分吸收德国RWDC系列机优点的基础上,针对我国用户的实际需要而设计的一种克劳斯兼有惯性台架功能的新机型。其主要特点是:增加了独立的惯性飞轮系统,增加了电机功率,由69kW增大到132kW,使惯性飞轮的拖动能力由80kg·m2扩大到180kg·m2,使可试对象由轿车扩大到轻型卡车。在传动方式上,采用可换档式二级齿形带传动,可使主轴在具有较高转速的性能同时,也能充分发挥较大拖摩力矩的优点。更合理的是惯性飞轮轴由主轴直接拖动,缩短了力矩传递路线,使主电机主轴免受制动力矩,也有效延长了齿形带的寿命。

   这种机型可用于轿车和轻型卡车制动器和刹车片的摩擦性能试验。即可进行KRAUSS试验,配惯性飞轮系统后,即可完成惯性试验。

    适用于载重量2.5吨及以下轻型车、微型车、轿车(摩托车)盘/鼓式制动器总成或刹车片。

    其本功能:

  ①具有KRAUSS试验机的全部试验功能。

  ②配惯性飞轮系统后,具有惯性台架的全部功能。

  ③具有恒力矩(恒输出)试验功能。

  ④具有冷却风速模拟功能。

  ⑤具有静力矩测量功能。

  ⑥具有手刹车性能试验功能(选择项目)。

  ⑦具有制冷冷却功能(选择项目)。

  ⑧全面计算机控制,检测,绘图,打印报告。

  ⑨软件充分人机对话, 可执行KRAUSS试验标准及现有全部惯性试验标准。

    可执行代表性标准:VW-PV 3211、VW-PV 3212 。  若配惯性飞轮系统后可执行VW-TL1102.1/2.2SAE J212JB 3980JB 4200等标准。

    (二)、火车合成闸瓦惯性试验台

    火车合成闸瓦惯性试验台,又称1:1试验台。是由采用火车闸瓦实样与火车车轮实物进行摩擦性能测试而得名。火车合成闸瓦惯性试验台的其工作原理与前面介绍过的汽车用摩擦片惯性试验台基本相同,但制动惯量差别较大。是不同型号的火车合成闸瓦惯性试验台,技术参数有所不同,所以其使用的方法也不相同。

1.试验设备

    1:1惯性制动试验台是铁道车辆用合成闸瓦摩擦性能试验标准采用的惯性制动试验台。该惯性制动试验台模拟实际车辆闸瓦制动条件,主要试测合成闸瓦的摩擦系数、磨耗量、初速度、制动温度、制动时间、制动距离等以及测试合成闸瓦在常用、紧急、坡道、潮湿等状态下的制动性能。

    2.惯性试验台试验规范:

    ⑴ 车轮采用φ0.840m整体碾钢轮(火车行车用车轮)

    ⑵ 转动惯量

    ⑶ 闸瓦压力按规范及采用单侧或双侧制动。

    3.试验步骤:(以低摩擦闸瓦试验为例)   

    ⑴磨合

   ①初始速度80kmh,或100kmh

   ②闸瓦压力单侧39.2kN(双侧为19.6kN)。

   ③闸瓦与车轮踏面接触面积达70%以上可进行正式试验。

    ⑵第一次称重

    闸瓦磨合后测量闸瓦的质量,精确至0.02克。

    ⑶紧急制动试验

    ①依规范要求,按初始速度(kmh)的顺序957555353555 7595为一个循环进行制动试验。

    ②闸瓦压力单侧39.2kN(双侧为19.6kN)。

    ③在每个循环的制动试验中,均应记录各种车速时的瞬时摩擦系数、制动距离、制动时间、制动温度等。

    ⑷冷闸制动试验

    ①试验结束的次日,在最高初始速度  (95 kmh)与高闸瓦压力下,进行的第一次制动试验。

    ②闸瓦压力单侧39.2kN(双侧为19.6kN)。

    ③记录瞬时摩擦系数、制动距离、制动时间、制动温度。

    ⑸常用制动试验

    ①按初始速度(kmh)的顺序957555353555 7595为一个循环进行试验, 按试验规范调整好惯量、速度等试验参数。

    ⑹静摩擦试验

    ①对车轮施加转矩,测出车轮开始转动瞬间的摩擦系数即为静摩擦系数;

    ②闸瓦压力:单侧为9.8kN,双侧为4.9kN

    ③试验五次,取试验结果的平均值作为该闸瓦的静摩擦系数。

    ⒄第二次称重

    在高闸瓦压力和低闸瓦压力制动试验完毕后,测量闸瓦的质量。

    ⒅坡道匀速连续制动试验

    ①速度:40kmh

    ②闸瓦压力:单侧为9.8kN(双侧为4.9kN)

    ③匀速连续制动10min

   ⑼潮湿加水制动试验

   ①制动过程中向车轮踏面均匀洒水,洒水量:235mLmin

    ②按初始速度(kmh)的顺序957555353555 、  7595为一个循环进行试验。

    ③闸瓦压力:单侧为19.6kN,双侧为9.8kN

    ④在测量一个循环车速的试验中,分别记录各种车速时的  瞬时摩擦系数、制动距离、制动时间、制动温度。

    ⑽计算:因所测闸瓦性能要求不同,试验条件也不相同,故摩擦系数的计算也不相同,请参考丰关标准规定,这理不做介绍。

    五、汽车离合器性能试验台

    汽车离合器与摩擦片综合试验台,主要用于汽车离合器总成及从动盘衬片进行摩擦磨损性能试验和有关的其它测试。

    图9- 7 给出了吉林大学机电所生产的JF112型汽车离合器综合性能试验台的结构简图,该综合试验台由主机、整流调速系统、液压伺服控制系统、计算机控制检测系统四大部分组成其组成如图9- 7 所示。

 图2.1.6-1 JF112型 汽车离合器综合性能试验台简图

    主机可分为动力、总成实验、惯性负载和从动盘实验等四个单元。

    动力单元由直流电机与计算机配合进行无级调速,测速发电机构成闭环控制。经变速器换挡,可获不同的转速。

    总成实验单元可完成被试离合器总成的实验。与其它同类机型不同的是采用伺服阀控制双作用油缸,推拉分离轴承进退,与位移传感器形成闭环实现进退速度有量控制,使离合器循环接合过程可以精确控制。集流环、扭矩传感器可将实验温度、主轴转速、摩擦力矩及从动部分的转速信号传送给计算机。

    惯性负载单元为离合器总成实验和从动盘实验提供负载。惯性飞轮组有可切换的飞轮,可合出所须惯量值。飞轮用螺钉固定在联接盘上,拆下的飞轮借助两侧的支架和手柄固定或移动。

    从动盘实验单元除了以离合器从动盘为试验对象,进行制动式摩擦试验或连续摩擦试验,还可以换上离合器总成进行制动式摩擦试验或连续摩擦试验。离合器分离、从动盘摩擦试验及标定加载液压原理如图9-8 所示。 

  图9-8 液压原理图

    综合试验台计算机控制检测系统的全部数据采集,处理和控制任务均由计算机自动完成,操作人员在WIN98系统下运行的软件可灵活对试验机系数及试验标准的参数进行设置。

  试验台采用计算机二级控制。主计算机完成数据采集、计算处理、输出及DA控制,它通过串行接口与下级PLC通讯,发出控制指令,所有开关量输出与输入及逻辑控制均由PLC完成,减化了外部逻辑电路,提高了系统控制的可靠性。进行总成试验时,扭矩传感器将扭矩和转速信号通过二次仪表,输出标准的模拟信号,供给A/D转换完成扭矩,转速的测量,零件试验的扭矩由压力传感器及测力臂经放大处理,再通过A/D进入计算机。

    热电偶将温度信号经温度变送器转换成标准电压信号,接至A/D变换器,温度的冷端补偿通过变送器外接热电阻自动实现。

    位移由位移传感器内置高精度放大电路,直接输出标准电压信号。

    压力传感器用桥式电阻应变测量电路,再经放大电路处理之后,供经A/D转换。

试验台的直流电机调速由采用较先进的西门子直流调速装置,使用编码器作为转速反馈,使电机转速控制精度较高,计算机由D/A输出电压信号控制直流调速装置,来控制主电机的转速。

    压力控制系统通过伺服阀采用硬件闭环控制,从而实现了高精度压力或力矩的控制要求,进一步提高了试验台的数据的可靠性。

软件采用WIN98操作系统下全中文操作菜单,更加直观、容易、灵活的参数设置,使试验台适用更广的试验标准。试验程序的编写操作者采用JF语言自行编写,使本试验台应用更灵活。

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