湿式离合器制动器纸基摩擦材料的研究.pdf

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1、湖南大学硕士学位论文湿式离合器制动器纸基摩擦材料的研究姓名：马卫平申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：叶南海20070330硕士学位论文 II摘 要 纸基摩擦材料的出现是摩擦材料领域的一个变革，由于其特有的性能，提高了主机的性能，使主机体积变小，传递扭矩能力提高。在国外，纸基摩擦材料已广泛应用于各种湿式离合器、制动器上，特别是在汽车自动变速器上大量使用。本文从纸基摩擦材料的产业化生产工艺流程和材质配方进行研究。通过采用连续成型工艺和真空抽滤成型工艺流程进行试制，研制结果表明纸基摩擦材料生产工艺流程采用湿法真空抽滤成型工艺方案具有创新性和实用性，且各项摩擦磨损性能稳定。在纸基摩擦材料真空抽

2、滤成型工艺流程下，研究总结出了一套完整的工艺参数和工艺标准，提出了纸基材料真空抽滤器、打浆机等专用设备的工作原理和工艺要求。在纸基摩擦片的生产过程中，研究总结出了热压定形、电解除油、二次粘结、平板硫化机固化等一系列新的工艺方法和质量保证体系。在材质配方研究上，研究设计适用性强的基础配方，创造性提出了添加碳纤维和芳纶纤维的改进配方，极大改善了纸基摩擦材料的综合性能。通过对纸基摩擦材料的研究，论文提出了一些新的工艺方法和材质配方，纸基摩擦材料的产品质量好，各项摩擦磨损性能稳定，提高了纸基摩擦材料的热稳定性，从而使纸基材料可以在大功率、高载荷工况下使用，为拓展纸基摩擦材料应用领域奠定了基础。关键词：

3、纸基摩擦材料；生产工艺；材质配方；真空抽滤；碳纤维；芳纶纤维 湿式离合器制动器纸基摩擦材料的研究 IIIAbstract The study on the industry production technical process and the material quality formula on friction based on paper carrying on the trial manufacturing through continuously shape the craft and shape the craft using the vacuum pulling out fi

4、lters.The result suggests that shape the craft using the vacuum pulling out filters is better,for example,more usable and stable or innovational.Our researcher has obtained a set of parameter and standard,besides work mechanism and technical process demand for the especial equipments for shape the c

5、raft using the vacuum pulling out filters.Those are series of quality guarantee system and production technical process method,for example,shape through hot,the electrolysis eliminates the oil,two time coheres and the plate vulcanizing machine to solidify.Innovating argument is adding carbon fiber a

6、nd fragrant black silk ribbon textile fiber in formula has better performance.Include because of more stable in hotter environment,friction based paper can be used under the high efficiency and high load environment so this research has developed the application domain of friction based paper.Key wo

7、rds:friction based paper production technical process material formula the vacuum pulling out filters 湿式离合器制动器纸基摩擦材料的研究 VII插图索引 图 1.1 捷达宝来轿车 01M 自动变速器离合器 K3 部件分解 1 图 1.2 纸基摩擦片外观2 图 1.3 纸基摩擦片生产工艺流程3 图 2.1 纸基摩擦材料生产流程 7 图 2.2 连续成型工艺示意图 8 图 2.3 真空抽滤成型工艺流程 9 图 2.4 真空抽滤成型工艺示意图9 图 2.5 打浆机原理示意图10 图 2.6 真空抽滤

8、成型过程示意图 11 图 2.7 毛坯堆放示意图12 图 2.8 纸坯干燥工艺曲线图 12 图 2.9 固化过程示意图14 图 3.1 摩擦扭矩的推导18 图 4.1 纸基摩擦片简图21 图 4.2 纸基摩擦片生产工艺流程21 图 4.3 钢背生产工艺流程22 图 4.4 热压工艺曲线 23 图 4.5 粘接强度检测示意图 23 图 4.6 钢背表面处理工艺流程 24 图 4.7 二次粘接工艺流程25 图 4.8 纸基摩擦片油槽简图 27 图 4.9 制油槽机原理简图27 图 5.1 材质检测流程 35 图 5.2 -p 曲线图37 图 5.3 -n 曲线图37 图 5.4 不同速度下摩擦性能

9、比较图38 图 5.5 磨损曲线图38 图 5.6 动摩擦系数与制动循环的关系曲线图41 硕士学位论文 VIII附表索引 表 2.1 打浆工艺纪录 10 表 2.2 渗胶参数纪录 13 表 2.3 固化工艺参数 14 表 2.4 压制工艺参数记录15 表 4.1 粘结工艺效果比较表 24 表 5.1 纸基摩擦材料常用原材料30 表 5.2 基础配方35 表 5.3 三种配方物理参数36 表 5.4 三种配方的-p 性能（n=2000rpm）37 表 5.5 三种配方的-n 性能（p=1.0Mpa）37 表 5.6 三种配方磨损性能参数 37 表 5.7 添加碳纤维和芳纶纤维的配方组成如下 39

10、 表 5.8 物理性能参数记录表 39 表 5.9 -p 性能参数（n=2000rpm）40 表 5.10-n 性能参数（p=1.0Mpa）40 表 5.11 磨损性能参数41 湿式离合器制动器纸基摩擦材料的研究 IX基本符号 摩擦系数 j静摩擦系数 d动摩擦系数 d密度 PI转动惯量 V磨损率 N转速 P压力 ME连结扭矩 ML负载扭矩 MA加速扭矩 MT传递扭矩 F摩擦力 M扭矩 nL达到寿命的可能的离合次数 Lo摩擦材料层的厚度或油沟深度 LrLo的最大残留量 I湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加

11、以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应

12、方框内打“”）作者签名：日期：年 月 日 导师签名：日期：年 月 日 硕士学位论文 1第 1 章 绪论 1.1 纸基摩擦材料的发展概况 随着机电液一体化技术的飞速发展，各类新型液力驱动的湿式离合器和制动器得到广泛应用，在这种湿式离合器和制动器中是靠多对摩擦片传递扭矩，其中摩擦片大部分是采用纸基摩擦片，摩擦片既是关键零件又是易损件。如图 1.1 所示是捷达宝来轿车 M01 自动变速器低速档离合器 K1的分解图，其摩擦片全部是纸基摩擦片。纸基摩擦片的外形如图 1.2 所示。图 1.1 捷达宝来轿车 01M 自动变速器离合器 K3 部件分解 纸基摩擦材料主要用于各类车辆和工程机械、机床、船舶、矿山机

13、械等行业湿式离合器和制动器中，特别是作为汽车自动变速器中湿式离合器的摩擦材料，更具有广阔的应用前景，纸基摩擦材料主要由纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料等组成，通常采用类似造纸的工艺生产，因而被称为“纸基”。随着对纸基摩擦材料配方和生产工艺的不断改进，纸基摩擦材料已具有摩擦系数高、摩擦性能硕士学位论文 2稳定、耐磨损性能良好，动静摩擦系数比可调、能量吸收能力高等一系列优良性能，因而被广泛采用。图 1.2 纸基摩擦片外观 1.1.1 湿式纸基摩擦材料发展史 伴随着自动变速装置的发明问世，湿式摩擦材料应运而生，纸基摩擦材料是一种在油介质中工作的新型摩擦材料，与其他摩擦材料相比，具有摩擦系数高，动静

14、摩擦系数接近、传送扭矩能力强、结合柔和、噪音小、不伤对偶等一系列优点。国外纸基摩擦材料出现于五十年代末1，其经历了从石棉纸基片到无石棉纸基材料，从轻载工况到重载工况，从低能量，低功率吸收到高能量，高功率吸收的发展过程，该种材料已广泛应用于汽车、船舶、工程机械、矿山机械等领域的离合器、制动器中。目前，世界上较大的机械传动制造商，在其湿式制动器和离合器中广泛采用了纸基摩擦材料，如卡特皮勒、东芝、约翰迪尔、通用、克莱斯勒、福特、三菱、小松等2。1.1.2 国外纸基摩擦材料生产工艺介绍 国外纸基摩擦材料通常采用标准连续造纸机以类似造纸的方式生产6、7，一般使用的造纸机是长网造纸机，纸基摩擦片的生产过程

15、包括造纸、浸渍树脂、热压固化、裁切、粘结钢芯等工序。具体生产工艺根据实际情况下纸基材料的配方和生产条件的差异以及性能、成本要求的不同而变化，典型的生产过程如图 1.3所示。硕士学位论文 3 图 1.3 纸基摩擦片生产工艺流程 随着对纸基摩擦材料性能要求的提高以生产条件的改进，其生产工艺也有了进一步发展，国外文献中有关纸基摩擦材料制造工业的发展主要是7-10：一是两次浸渍树脂；二是双层结构的纸基摩擦材料；三是加入水溶性有机聚合物控制摩擦材料孔隙度；四是将摩擦性能调节剂和填料随树脂浸渍加入。1.1.3 国外材质配方研究情况 纸基摩擦材料的材质配方组成分为四个部分：纤维、粘结剂、摩擦性能调节剂、填料

16、。1.1.3.1 纤维 发达国家生产摩擦材料用的纤维已大部分改为非石棉纤维，应用最为普遍的纤维是：芳纶纤维、纤维素纤维、碳纤维及无机物混合纤维。1.1.3.2 粘结剂 虽然国外纸基摩擦材料使用的粘结剂已日趋多样化，但由于酚醛树脂是有良好的耐热性能和机械性能等优点，因此酚醛树脂及其改性树脂仍然是使用最多的粘结剂。另外，硅酮树脂也是国外纸基摩擦材料使用较多的粘结剂。混料制浆 抄造纸坯 干 燥 浸渍树脂 热压固化 冲压成型 表面磨削 加压固化 粘结钢芯 钢芯制造及表面处理 油槽加工 检 验 包 装 硕士学位论文 41.1.3.3 调节剂和填料 加入多种摩擦性能调节剂和填料可以获得较好的综合性能，国外

17、常用的调节剂和填料主要有硅藻土、石墨、腰果壳粉、树脂颗粒和橡胶颗料以及粘土、氧化铝、铁红和二氧化硅等。1.1.4 我国纸基摩擦材料的发展现状 由于历史原因，我国机械工业和纸基摩擦材料的发展均比较落后9-11。我国改革开放以来，许多单位进口了大量各式各样的主机，或与国外进行合资生产主机，特别汽车和工程机械行业，其湿式离合器和制动器中广泛使用纸基摩擦材料，由于纸基摩擦片是易损件，引进的主机往往因为不得不花大量的外汇、高额的价格进口纸基摩擦片配件，且供货时间得不到保证，在这种情况下，促使我国很多科研院所和企业从事纸基摩擦片的国产化研究工作，且各研制单位在技术上相互封锁。目前，纸基摩擦研发开展较好的单

18、位是：杭州粉末冶金研究所、武汉材料保护研究所、杭城摩擦材料有限公司、湖北黄石摩擦材料公司、常德摩擦材料有限公司。目前，我国汽车、工程机械中广泛使用的纸基摩擦片还未完全实现国产化，与国外产品仍存在很大差距。主要表现在：（1）制造技术方面：生产自动化水平低，生产效率低，设备简陋，精度低，质量不高，难以形成规模化，且外观质量差。（2）材质配方方面：材质配方比较单一，没有形成系列化、标准化，对摩擦磨损机理研究不够。（3）产品性能方面：产品的稳定性差，热衰退率和磨损率高，产品粘结性能差，使用寿命短。1.2 纸基摩擦的成分及性能特点 纸基摩擦材料的基本组成成分是：纤维、粘结剂、摩擦性能调剂和填料。1.2.

19、1 纤维 纸基摩擦材料中的纤维可增强摩擦材料的机械强度，同时也对摩擦材料的摩擦性能起着非常重要的作用。纸基摩擦材料中最常用的纤维有芳纶纤维和酚醛纤维，也有使用碳纤维、玻璃纤维和其他有机合成纤维的，其中芳纶纤维以其高强度、高耐热性、耐磨耐腐蚀、能产生细小分枝、密度小等优点被广泛采用。由于酚醛纤维与粘结剂酚醛树脂结合良好，所以可为摩擦片提供更高的强度。纸基摩擦材料中纤维的含量随摩擦磨损性能参数要求的不同而变化，其含量通常为4090%。硕士学位论文 51.2.2 粘结剂 粘结剂的作用是将纸基摩擦材料各组分粘结在一起，同时为整个摩擦材料提供一定的机械性能与摩擦性能，随着对摩擦材料耐热性和负荷要求的提高

20、，过去采用的热塑性有机粘结剂已被具有较高耐热性和较高强度的热固性有机粘结剂所取代。1.2.3 摩擦性能调节剂和填料 摩擦性能调剂和填料的作用是调节纸基摩擦材料的摩擦磨损性能，获得较好的综合性能，常用的种类有：石墨、硅藻土、Al203、Baso4、铁红、云母、高岭土、其含量一般在 2040%。1.3 纸基摩擦材料的磨损机理 纸基摩擦材料是一种成分复杂的复合材料，其中含有机粘结剂，增强纤维，润滑剂及摩擦性能调节剂等，在磨擦磨损过程中，各组分相互作用、相互制约，摩擦材料与对偶件间的摩擦可以使用其接触表面变形，粘着点撕裂，其作用程度与表面形貌，滑动过程，使用的材料及环境因素等有关12，所以磨损过程非常

21、复杂，摩擦偶件之间的界面处不仅有复杂的物理作用，还有复杂的化学过程。许多研究表明，纸基摩擦材料的磨损形成主要有以下几种：（1）热磨损 纸基摩擦材料虽然是在湿式环境下工作，但高速运转的主动片，在离合器或制动器工作时，主动片与从动摩擦片接合，动能转化化为摩擦材料与其偶件之间因摩擦而产生的热能，致使摩擦瞬间温度升高，从而使用摩材料中的某些组分发生诸如高温分解、氧化、颗粒化、暴裂融化、蒸发和升华，以及伴随机械力变化的一系列物理和化学的现象，使摩擦材料原子间不断破坏，导致材料磨损13。（2）粘着磨损 摩擦材料与其偶件在压力作用下，表面上微凸体受到应力较大，发生塑性变形，有些接触点的长程范德华力将起作用，

22、出现强烈的短程交互作用力，两个接触面将通过分子间的作用发生粘着，产生粘着磨损，由于在摩擦过程中摩擦表面瞬间温度可达 200左右，导致有机树脂变软甚至分解，粘接点在剪切力的作用下，会使摩擦表面产生较大的磨屑，甚至使增强纤维从磨擦材料中抽出导致大磨损14。（3）磨料磨损 由于摩擦材料内部含有纤维的填料，在树脂固化后形成颗粒，这些颗料在摩擦材料中起承载作用，并在表面形成一系列的小突起，在摩擦过程中，这些小突起被钢质偶件切割，小突起停留在摩擦材料与偶件之间，促使摩擦材料表面磨损硕士学位论文 6和偶件磨损15。（4）疲劳磨损 在离合器或制动器工作过程中，摩擦材料与其偶件相对滑动，在两者接触区将造成很大的

23、应力和塑性变形，在长期反复的交变应力作用下，摩擦材料及其偶件表面某些薄弱环节处将会引发疲劳裂纹，并逐步扩展，最后将可能以微细薄片形式断裂剥落下来，另外，在每次离合过程中，都伴随着材料表层温度的升高，导致材料的热疲劳，在长期反复热应力作用下，将加速材料表面裂纹的产生与扩展，加速材料的疲劳磨损17、18。综上所述，在摩擦过程中，材料的磨损可能不止一种磨损机理在起作用，而是几种可能同时作用，并且在不同磨擦阶段，可能会有不同的磨损机理做主导作用，有时可相互转化，同时材料的磨损并不仅限于以上同种，这些都给认识和研究摩擦材料的磨损机理带来一定的难度。1.4 本研究的目的和内容 近几年来，随着我国大量引进国

24、外设备或整机，特别是随着我国汽车工业和工程机械的快速发展，湿式离合器制动器对纸基摩擦材料需求量急剧增加，完全依赖进口纸基摩擦材料无法满足市场需求，而我国对纸基摩擦材料的生产还未形成产业化，大部分科研院所和企业，都处于小批量试制、仿制阶段，对生产工艺和材质的研究还有很大的潜力。由于我国目前对纸基摩擦材料的生产工艺和材质配方研究上与国外相比还有很大的差距，在生产工艺上，还未形成完整的工艺控制参数和专用高效的工艺装备，材质配方上还未形成系列化，本研究的主要内容是：1、研究制定适应纸基摩擦材料批量生产的工艺方案。2、根据小批量试制结果，摸索完整的工艺参数控制标准，为开发专用工艺装备提供设计要求和方案。

25、3、完成纸基摩擦片生产工艺参数、工艺标准的制定。4、提出纸基摩擦片部分专用设备的工作原理、工艺要求。5、设计纸基摩擦材料的基础配方，并进行材质分析。6、设计添加高性能纤维的纸基摩擦材料改进配方，并进行材质分析。硕士学位论文 7第 2 章 纸基摩擦材料生产工艺研究 在纸基摩擦材料的生产过程中，选择合理的生产工艺方案、制定严格的工艺参数是保证纸基材料具有良好的摩擦磨损性能及综合性能的关键38。在生产工艺方案的制定过程中，不能盲目照搬国外有关文献纪录，要根据我国的实际情况，通过大量的分析论证及试验，总结出切实可行的工艺路线。工艺方案确定后，通过大量的对比试验，对工艺参数进行分析论证，形成科学、合理的

26、生产工艺参数。2.1 工艺方案的制定 为了论证纸基摩擦材料最优且具有很强实用性的成型方案，与武汉材料保护研究所、杭城摩擦材料有限公司等单位的共同研究，制定了两种工艺方案，一是连续成型工艺方法，二是真空抽滤成型工艺。2.1.1 连续成型工艺方法 纸基摩擦材料连续成型工艺方法仿照造纸机的原理，将造纸机小型化改制后，浆料经小型圆网成型机成型后，进入下道工序，其工艺路线如图 2.1 所示。图 2.1 纸基摩擦材料生产流程 连续成型工艺是将打浆机打好的浆料输送到备料单元，通过圆网成型机以类似造纸的方式连续成型制成纸坯，其生产工艺过程如下图 2.2 所示。打浆 园网连续成型 干燥 浸胶固化 后续加工 硕士

27、学位论文 8 图 2.2 连续成型工艺示意图 这种工艺方法从理论上分析是非常合理的，可以实现不间断的连续生产，生产效率高，并且国外文献中介绍也是采用此种工艺方法生产。为此，我们在造纸厂、人造板厂进行了大量的考察，并且设计制作了供试验用微型园网造纸机，通过试制，发现存在如下问题：1、由于纸基摩擦材料的最终厚度在 1.5mm 左右，而浸胶纸坯需保证在2.3-5mm 左右，通过挤压单元时，轧辊是线接触，使纸坯等厚差偏大，最大偏差达 3mm。这主要是由于纸基材料组成成分较多，而造纸是纯纤维。2、由于是连续成型，材料成分中纤维长度又较短，另外，此种方法毛坯含水量偏高，毛坯断裂现象非常严重，使毛坯很难满足

28、要求。3、在挤压单元，轧辊与毛坯是线接触，加上经过过滤后，还有大量的水分，挤压单元无法保证毛坯表面的平整度。4、连续生产无法裁切成规则的小方块，便于进行浸胶。5、毛坯厚度无法控制，因为不同的产品，需要不同的毛坯厚度。6、一次投料大，不能满足多品种、多颜色的生产要求。由于上述原因，园网成型工艺在毛坯厚度、等厚差、表面平整度等方面存在严重影响后序加工的质量缺陷，并且在造纸机的改进上也很难得到根本性改变，可以说这种工艺方法在纸基材料的生产上无法满足要求。2.1.2 真空抽滤成型工艺 由于通过改进园网成型机无法从根本上解决质量问题，通过分析、论证，寻找其他的工艺方法，经过反复论证，改连续成型为单次成型

29、方法，采用真空抽滤法抽干水分，再进行后续加工。其工艺路线如图 2.3 所示。打浆机备料单元过滤单元挤压单元干燥单元硕士学位论文 9 图 2.3 真空抽滤成型工艺流程 真空抽滤成型工艺是通过真空泵抽去真空罐内的空气形成负压，浆料在成型器内利用真空罐内的负压迅速抽干水分形成纸坯，生产工艺过程如图 2.4。图 2.4 真空抽滤成型工艺示意图 通过试制，真空抽滤法具有明显的优势：1、毛坯单整度好，由于是瞬间负压，脱水迅速，加上负压产生一定压力，使毛坯平整度完全符合要求。2、毛坯等厚差小，通过检测发现，毛坯等厚度可在 0.5mm 左右，完全满足后续加工的要求，且毛坯厚度可以通报料量进行控制。3、此种方法

30、投料量不受限制，可以满足多品种多颜色的生产要求，并且可以增加真空抽滤器同时生产不同配方的产品。通过上述两种方案的试制比较，适合纸基摩擦材料成型的工艺方法是真空抽滤成型法。2.2 打浆与成型 2.2.1 打浆 由于纸基摩擦材料主要是纤维和填料，打浆工序是将水与纤维及填料按比例配比，制成悬浮状溶液，使纤维束充分散开来与填料混合均匀，我们与武汉材料保护研究所合作，联合设计制作一台 80 升的高速打浆机，其工作原理图如图 2.5。打浆 真空抽滤单次成型 干燥 浸胶 后续加工 固化 打浆机水份水水真空泵真空罐真空抽滤器硕士学位论文 10 图 2.5 打浆机原理示意图 该打浆机是利用高速旋转的刀盘与底刀相

31、互作用将纤维束充分分散，刀盘与底刀间隙必须是可以任意调节。经过试用，这种机型打浆效果好，并且对打浆过程进行记录，如表 2.1。表 2.1 打浆工艺纪录 序号 投料顺序 打浆时间与水配比 叩解度 打浆效果 1 水纸浆玻纤填料 20 分钟 1：40 18-20 差 2 水填料纸浆玻纤 25 分钟 1：50 20-44 差 3 水玻纤纸浆填料 30 分钟 1：60 35-30 较好 4 水纸浆水玻纤填料 35 分钟 1：50 23-26 好 通过上表可以得出结论，最好的打浆工艺参数为：配比：1：50 投料顺序：水纸浆水玻纤填料 打浆时间：35 分钟 刀盘间距调整：10-0.5mm 2.2.2 成型

32、前面已经论证，采用真空抽滤单次成型制成毛坯质量好，其关键是制作专用成型器，成型过程示意图如图 2.6。0-10mm可调刀盘底刀硕士学位论文 11 图 2.6 真空抽滤成型过程示意图 操作过程：1、放置好成型模具（模具根据产品尺寸更换）2、加入定量浆料 3、打开阀门 4、抽滤时间：2 分钟 5、拿开模具，取出毛坯 6、检测毛坯厚度，测量等厚差 以每 100 片作为检测单位，检验 5 个批次，经检测，每件毛坯等厚差平均值在 0.3-0.6mm 之间，厚度误差在 0.5mm 以内，表面平整度好，强度好，不易破损完全符合后续加工的要求，不足之处，真空抽滤时间偏长，适当增长真空泵功率，可以将抽滤时间控制

33、 1 分钟左右。2.3 干燥 干燥是为了完全除去毛坯中的水分，设备可以选用温度在 250以内具有送风装置的电热烘箱，干燥工艺的关键是保证纸坯含水率低于 4%，毛坯不变形、起泡，确定合理的参数是保证。毛坯采用专用网垫水平堆放，成批加热干燥，毛坯堆放时，为保证适当的孔隙率，毛坯不能受压，且通风效果更好，毛坯堆放如图 2.7。浆料毛坯模具成型器成型器阀门阀门接真空泵接真空泵成型前成型后毛坯硕士学位论文 12毛坯网垫 图 2.7 毛坯堆放示意图 经过大专对比实验，最优干燥工艺曲线如图 2.8 所示。1 3 4 89050随炉冷却 温度/小时 图 2.8 纸坯干燥工艺曲线图 干燥过程中，须开启送风机构，

34、保证热空气均匀，排出水蒸气，通过检测，经干燥后的毛坯含水率低于 4%，完全满足下道工序浸胶对含水量的要求，没有出现毛坯起泡、翅曲现象。2.4 浸胶与固化 2.4.1 浸胶 浸胶工序是将干燥后的纸基摩擦材料毛坯浸入液体酚醛树脂中，然后沥干或风干，浸胶的目的是毛坯中的各种材料粘结成一个整体，浸胶对摩擦材料的强度起到关键作用，浸胶要探索的关键参数是浸胶时间、含胶量，由于各种材料配方不同，浸胶时间及含胶量不一样，因此，必须反复实验对比，在浸胶方式上，采温度/硕士学位论文 13用人工浸胶的方式，将毛坯放进专用浸胶托网上，一组可以放 10 件毛坯，对浸胶前毛坯厚度、质量等数据按要求填写数据表格，部分数据记

35、录如表 2.2。表 2.2 渗胶参数纪录 编号 毛坯厚度 mm 浸胶时间(秒)测定含胶量%浸胶效果 1 2 60 25.8 未浸透 2 2 90 32.4 心部未浸透 3 2 120 37.6 心部浸透 4 2 150 45.1 浸胶过量 5 2.5 60 24.9 未浸透 6 2.5 90 31.8 心部未浸透 7 2.5 120 35.9 心部少量未浸透 8 2.5 150 37.8 心部浸透 9 2.5 180 46.2 浸胶过量 10 3.0 60 23.7 明显未浸透 11 3.0 90 29.8 未浸透 12 3.0 120 32.5 心部未浸透 13 3.0 150 35.7 心

36、部少量未浸透 14 3.0 180 37.9 心部浸透 15 3.0 210 39.8 心部浸透 16 3.0 240 48 浸胶过量 根据上述记录方法，反复进行实验对比，得出浸胶的基本工艺参数是：浸胶时间：2-3 分钟（根据材质配方、毛坯厚度、温度适当调整）含胶量：37-40%含胶量计算：浸胶后质量-毛坯质量含胶量=毛坯质量100%（2-1）2.4.2 固化 固化工序通常又称为热压，目的是使浸过树脂的毛坯中的酚醛树脂固化，使之成为具有一定强度的纸基材料板材。为保证纸基材料具有较好的强度和表面的平整度，固化时需采用加压固化。固化过程示意图如图 2.9 所示，为保证固化时，纸基材料既要有一定的致

37、密性和强度，又要是有合理的孔隙率，在固化时，必须从以下三个方面在工艺措施上保证：硕士学位论文 14 图 2.9 固化过程示意图 1、有效地控制纸基材料的质量，上、下电热模板的温度须自动控制在 180220以上，因为酚醛树脂的固化温度在 180-230。2、严格控制加压时间，防止因树脂固化时间过长，影响强度，根据反复试验，得出合理的加压时间与温度关系如表 2.3 所示。表 2.3 固化工艺参数 180-190 200-210 210-220 0.5-0.9 45 40 30 1.0-1.4 60 50 40 1.5-1.9 85 65 50 2.0-2.9 120 90 60 3、准确控制压力，

38、防止压力过大致使材料结构过密，因为纸基材料在工作时必须具备一定的孔隙率，经过摩擦磨损试验和装车试验得出，孔隙率控制在35-45%，密度在 0.6-3.0g/cm2。根据这一标准，通过实验确定压制压力是关键，因为压力是形成孔隙率大小的唯一参数。空隙率的计算公式：2132100%GGPGG=（2-2）密度的计算公式：132100%GdedGG=（2-3）式中：d：试样的密度，g/cm3 G1：干燥试样的重量 G2：饱油试样在油中的重量 g G3：饱油试样在空气中重量 g de：油的密度，g/cm3 P：孔隙率 温度 时间（秒）毛坯厚 mm 电热模板电热模板 纸基材料 硕士学位论文 15根据上述公式

39、计算，确定一组压力作为试制参数，试验记录数据表 2.4。表 2.4 压制工艺参数记录 序号 压制压力 Mpa 密度 g/cm3 孔隙率%1 0.1 0.51 59.8 2 0.2 0.53 58.1 3 0.3 0.56 52.8 4 0.4 0.95 39.7 5 0.5 2.8 24.1 按上述记录方法反复对多组数据进行计算，结果显示误差值很小，显然，合理的压制压力是 0.4Mpa。根据实验过程显示，固化时温度、压力、加压时间是保证产品质量三个关键参数。根据这三个参数的要求，橡胶厂使用的平板硫化机、砂轮厂的热压机能满足固化的要求，只要适当改造，就可以成为固化专用设备。2.5 本章小结 通过

40、对纸基摩擦材料生产工艺的分析研究，可以得出如下结论：1、本文确定的纸基摩擦材料湿法真空抽滤成型生产工艺方案具有创新性，这种生产工艺方案与国内外文献中介绍的双圆网式连续成型工艺有很大的区别，双圆网连续成型工艺适用于单一品种大批量生产，圆网成型设备精度要求高，一次性投料量大，而我国纸基摩擦材料的生产应用还处于推广阶段，纸基材料的需求量呈现的是多品种、小批量阶段，湿法真空抽滤成现生产工艺是采用真空负压抽滤单次成型，投料量不受任何限制，完全可以满足多种材质、多品种、不同批量的生产需求，且毛坯表面平整度、强度、等厚差等综合技术参数优于双圆网式连续成型工艺。2、制浆工艺过程中，打浆机使用效果好，符合成型要

41、求。3、浸胶工艺采用手工操作方式，得出了浸胶与毛坯厚、含胶量之间的工艺参数，为设计专用浸胶机的设计制作提供一些合理的要求。4、固化工艺采用加热加压的方式，可以有效控制摩擦材料的表面质量、等厚差以及孔隙率、密度。硕士学位论文 16第 3 章 纸基摩擦片容量和寿命的计算方法 纸基摩擦片是将纸基摩擦材料双面粘结在钢芯板上而制成的离合器片或制动器片。多片式离合器或制动器是一种摩擦离合装置，就是将内片（纸基摩擦片）与外片（钢对偶片）在轴向压紧，借这时产生的摩擦力，通过杠杆臂传递摩擦动量扭矩。为保证纸基片在工作过程中具有足够的扭矩和能量，保证必要的使用寿命，因此，必须分析容量和寿命的计算方法。3.1 扭矩

42、容量的计算方法 3.1.1 扭矩的区分 考虑离合器的扭矩容量时，必须将扭矩区分为：ME连结扭矩 ML负载扭矩 MA加速扭矩 MT传递扭矩 1、连结扭矩 ME 连结扭矩是克服被驱动侧的负载扭矩和加速惯性体，使被驱动侧与驱动侧同步所需之扭矩，因此 ME=ML+MA （3-1）2、负载扭矩 ML 负载扭矩是使离合器出力侧负载的总阻力矩。这时必须将下列情况区分开来。（1）将被驱动侧从静止状态引出和使之起动所需之扭矩；（2）以某一速度持续运动所需之扭矩。3、加速扭矩 MA 加速扭矩是在给与的时间内，将驱动侧的惯性体加速到给与的回转速度所需之扭矩，因此 MA=IW （3-2）硕士学位论文 17 21221

43、(-)30-()120ssnnItnnGDgt=式中：I换算成离合器轴的总的质量的惯性力矩 I=2()4GDkg m gg g重力加速度，g=9.8m/s2 W由于加速扭矩 MA产生的角加速，W=2212()(1/)60nnsts n1离合器被动侧的转速(r/min)，与n2方向相同时取（+）n2离合器主动侧的转速 ts实际连结时间，等于离合器滑磨时间 3.1.2 扭矩容量计算 湿式纸基片式离合器制动器是靠摩擦扭矩M来传递动力，因此，扭矩容量就是摩擦扭矩M。根据库仑定律：F=P （3-3）式中 F摩擦力（kgf）P压力（kgf）摩擦系数 压力可表示为：P=P1A1 （3-4）式中 P1比压（k

44、gf/mm2）A1摩擦表面面积（mm2）当摩擦力作用于一杠杆臂r时，产生摩擦扭矩M：M=Fr （3-5）=Pr=P1A1r 根据传递给一圆形表面（即摩擦表面）的平面单元的摩擦扭矩（图3-1），可求出总摩擦扭矩：硕士学位论文 18 图 3.1 摩擦扭矩的推导 M=11P dA r （3-6）平面单元可用r、d及dr来表示：dA1=rddr 将dA1代入上式，并对整个圆形面积积分，则：M=221()RroPrddr 由图3-1知：M=33112()3PRr 由于P1=2221111()PARrA=和，所以 M=331221()2()3RrPRr （3-7）设 R 为圆形面积重心的半径，R=3322

45、12()3RrRr，代入上式，则对摩擦副数为 Z的多片离合器，可传递扭矩为：M=PRZ （3-8）M=P1A1RZ 3.2 能量容量计算方法 离合器滑摩时，在摩擦面上由于摩擦力而进行作功，这种功变成了热能，从而变成了离合器的一种负担。离合器工作一次的摩擦功（Eo）可按下式进行计算：Eo=EL+EA dFr1P1ddrReR硕士学位论文 19=21()7160EELGD nnMMM （3-9）分母的负号意味着，依据离合器的工作 a若被驱动侧被加速，则为 MEML b若被驱动侧减速，则为 ME+ML 离合器的能量负担可按下面的三个尺度来进行评价 1e 值 它是离合器工作一次时，单位摩擦面积负担的总

46、能量，即 e=1oEAZ (kgfm/cm2)2 值 它是离合器工作一次时，单位摩擦面积负担的摩擦功率的平均值，即=1ossEeAZtt=3ef 值 在离合器工作的时间间隔长，即可以无视它以前工作的热影响的场合，也就是单发离合器的场合，可用 e 值与 值来评价能量负担的程度，否则，在评价的尺度中必须增加 f，f 是离合器每小时工作的次数，以（次/小时）表示，即 ef=ef （kgfm/cm2h）3.3 寿命计算方法 3.3.1 摩擦材料的磨损率 对应于摩滑功，在摩擦表面产生磨损，对应于单位摩滑功的体积磨损值叫做摩擦材料的磨损率（i）。若一摩擦片的磨损厚度为t，则t为：t=nWiA （3-10）

47、式中 n摩擦次数 W摩擦一次作的功，（kgfm）A摩擦表面面积，（cm2）因此 i=Atn W（cm3/kgfm）（3-11）磨损率因摩擦条件，特别是摩擦的气氛及 值而异。硕士学位论文 203.3.2 寿命计算 达到寿命的可能的离合次数可按下式计算 nL=hei（次）（3-12）式中 nL达到寿命的可能的离合次数 h达到寿命所容许的磨损厚度（cm）。因此，寿命设计时，重要的是怎样规定h。这必须根据用途来考虑。例如，规定h时，在电磁离合器要考虑到磁路间隙的大小，在油压式离合器要考虑到活塞冲程与油沟深度等。寿命不一定决定于摩擦片的磨损，有时是其它原因造成的，例如，决定于它周围零件的使用寿命。这时，

48、nL规定后，就决定了摩擦材料层的厚度或油沟深度。oLrln eil=+（3-13）式中 ol 摩擦材料层的厚度或油沟深度 rl ol 的最大残留量（cm）rl 是由设计者规定的，一般的只要大于 0.20.3mm 就可以了。本章小结：纸基摩擦片与其它材质的摩擦片一样，要根据工况对扭矩容量、能量容量、使用寿命进行计算分析，本文分析推导的这些计算方法是分析论证纸基摩擦片是否满足离合器或制动器在具体工况下的使用要求的计算方法。硕士学位论文 21第 4 章 纸基摩擦片生产工艺研究 4.1 概述 湿式离合器、制动器使用的摩擦片分为主动片（钢片）、从动片（各种材质摩擦片）成对使用，一般是装很多片。从动摩擦片

49、是内花键，装在花键轴上，如图 4.1 所示，是纸基摩擦片的简图。图 4.1 纸基摩擦片简图 纸基摩擦片是将纸基摩擦材料按产品要求冲裁成环形，然后将纸基材料粘接在钢背两面，钢背须先按图纸要求加工好，粘接好纸基材料后，进行固化保证粘接强度、最后进行油槽加工、表面磨削等续加工，以保证摩擦片平面度，其生产过程如下图 4.2 所示。图 4.2 纸基摩擦片生产工艺流程 纸基材料 冲裁 钢背 钢板 粘接固化后续加工 表面处理 渐开线花链油槽纸基材料层钢背硕士学位论文 224.2 钢背的制造及表面处理 钢背是为了保证纸基片的强度作为骨架，同时，钢背的渐开线内花键将摩擦片工作时摩擦力矩传递到花键轴上输出扭矩。钢

50、背的厚度根据传递扭矩的大小厚度一般在 1.5-6mm，钢背从制造工艺上分析，要保证其平面度、等厚差在合理范围内，同时，不允许有翅曲变形现象产生，为保证粘接强度，钢背表面不允许有油污。为保证钢背质量，经过大量的试验比较，采用如图 4.3 工艺路线是合理的。图 4.3 钢背生产工艺流程 4.2.1 热压定形 在上述工艺路线中，采用热压定形工序。此道工序类似退火处理，与退火不同的是，在保温时增加加压过程，压力为 2-5MPa，定形处理的作用是消除材料内部的残余应力，防止后续加工时产生变形，进一步细化内部晶粒，增强材料和塑性和可加工性。为防止材料在高温下氧化脱碳，影响钢背质量，加热过程须有保护气氛。为