基于相似原理的摩擦材料1∶5缩比台架及其可比性分析

　　在汽车摩擦材料摩擦磨损试验中,长期以来一直存在小样试验的试验结果与台架试验相差较大,严重时甚至会得出相反结论的问题[1-3]。台架试验的试验条件接近实际工况,故其试验数据易于被接受,但试验过程复杂、周期长、设备投资和试验费用高;小样试验简捷、设备投资与试验费用低,但对实际工况的模拟性差,其试验结果不足以对摩擦磨损性能进行全面描述和正确评价[4]。

　　根据相似理论,小样试验与台架试验不具有试验相似性是试验结果可比性差的根本原因。按相似理论进行的小样试验,通常称为缩比试验,是研究模型试验与原型试验之间可比性的重要方法,将其应用于摩擦磨损试验,无疑有助于提高小样试验与台架试验的可比性。缩比试验应与原型试验采用相同的试验方法和标准,同时设备的参数、结构应符合相似性原理,但目前未见到能满足此要求的小样试验机,因此,研制缩比台架试验机显得重要而迫切。本文作者介绍了1∶5缩比台架试验机(以下简称1∶5台架)的设计准则,并与1∶1台架进行了对比试验,结果表明:二者的试验数据具有良好的一致性和可比性。

　　1　缩比台架设计准则

　　按相似理论,缩比试验与1∶1试验具有相同的试验模拟准则,则试验具有相似性,试验结果具有可比性。根据对影响摩擦材料摩擦磨损性能的因素分析,并按模型几何学相似、运动学相似、动力学相似的原则,缩比试验模拟准则确定为:摩擦副形式及材质一致,几何尺寸呈比例关系;摩擦半径处的线速度、摩擦材料摩擦面工作比压、摩擦材料单位面积承担的滑摩功(率)、制动盘单位体积承担的热负荷相等;制动过程相同(如制动减速度相等);摩擦温度变化过程相同。上述模拟准则保证了缩比试验与1∶1试验具有相似性,是缩比台架的设计准则。

　　2　缩比比例的确定

　　几何量缩比是缩比试验最基本的缩比,是其它模拟量缩比的基础。根据摩擦磨损试验的特点,需要考虑的几何缩比有:

　　①摩擦面积缩比系数K1:试样摩擦面积与实际摩擦片摩擦面积之比;

　　②摩擦面数缩比系数K2:试样摩擦结合面数与实际摩擦片摩擦结合面数之比;

　　③摩擦半径缩比系数K3:缩比制动盘的摩擦半径与实际制动盘的摩擦半径之比;

　　④摩擦对偶件热容量缩比系数K4:缩比对偶件与实际对偶件受热部分的体积比。

　　对于轿车盘式制动器,摩擦片的摩擦面积一般为30~60 cm2,参考现有的定速试验机试样尺寸(25mm×25 mm)和Chase试验机试样摩擦面积(约6.45 ),取面积缩比K1=1/5比较合适(即1∶5缩比台架摩擦试验机名称的由来)。采用一个试样单面摩擦,故K2=1/2。摩擦半径缩比系数K3的选取因素为缩比制动盘的结构尺寸和转速。K3过小,会使结构难以实现,过大会使结构庞大。制动盘转速一般小于或等于4 000 r/min,作者选取K3=1/2。由制动盘单位体积承担的热负荷相等的缩比试验模拟准则,确定摩擦对偶件热容量缩比系数K4=1/5。