作者/珠海格莱利摩擦材料有限公司 李 康，龙江虹，曾文天
作者/吉林大学机电设备研究所 王利宁，刘大欣，韩 君
摘要/Abstract
缩比试验是以相似理论为依据的一种试验方法，在产品和生产流程的开发中有广泛的应用。汽车摩擦材料的基础开发需要一种能够模拟实际工况的缩比试验设备，提高开发效率和降低测试成本。本文介绍了JF120 缩比试验台设计理念和基本结构，和依据缩比率提出的缩比试验台的技术参数。
关键词：摩擦材料 缩比试验机 模拟性 缩比率
0. 前言
在工程实验技术中，缩比试验占有重要的位置，广泛应用于产品开发和生产流程的开发。所谓缩比是以相似理论为依据，按照一定比例将全尺寸的产品或者流程缩小，模拟产品或流程的运行条件，再现实际工况，测试产品或流程的各种参数和性能数据，研究这些数据的影响因素和相关关系。因此缩比试验有两个关键点：按比例缩小和模拟工况条件；只有这样，其结果才能与全尺寸试验具有可比性。
缩比试验处于开发过程的早期阶段，通过对大量的模拟试验数据的分析，不断完善产品或流程的设计，然后再进行全尺寸产品或者流程的试验。
相对于全尺寸试验，缩比试验相对简单易行，其结果与全尺寸试验有很好的可比性，不但缩短了开发周期提高了效率，而且大幅度降低了测试成本。缩比试验已经成为产品和流程开发中不可或缺的重要环节。
1. 缩比试验在摩擦材料开发中的重要性
1.1 汽车摩擦材料的发展对测试的要求
汽车摩擦材料是一种组成复杂使用工况特殊的复合材料。它要承受恶劣的工况（滑摩速度、负荷和制动频度），在制动过程中，动能转化成热能，摩擦副的温度急剧上升，在摩擦界面发生一系列物理化学变化，造成摩擦系数和磨损的变化。研究这些变化的影响因素，找到最佳的材料组合和生产工艺，是摩擦材料开发的重要课题。到目前为止，摩擦材料的配方和工艺的研究，很大程度上依赖于模拟工况的试验；在摩擦材料的开发过程中，试验研究占去了大部分工作量。或者说，摩擦材料是一个与试验研究密切相关的学科。
从上世纪九十年代以来，汽车摩擦材料配方结构发生了根本性的变化；以无石棉化为开端，半金属、低金属和NAO 配方体系相继问世；与此同时汽车生产商对制动衬片提出了更为苛刻的要求，噪音、车轮的清洁性、制动抖动（DTV/BTV）、材料转移（MPU）、环保要求等等；产品性能的测试已经从过去较为单一的摩擦磨损性能，延伸到更多性能的测试要求。所以在摩擦材料的开发和过程控制中，我们需要一些更能反应实际工况的测试设备。
1.2 缩比试验与小样试验的关系
评价材料的摩擦性能，通常采用小样试验（Sample Test），或者总成试验（Assembly Test）。缩比试验属于小样试验，但小样试验不都是缩比试验；同样，Krauss试验虽然属于总成试验，但由于采用恒速拖磨，其试验结果与总成模拟试验也不具有可比性。
长期以来，用于条件和认知的局限，国内将定速试验方法大量的应用于产品开发；从原料筛选到配方开发，无不以定速试验为依据。定速试验方法的基本特点，是将制动过程的影响因素简化，在恒定的滑摩速度和正压力条件下，测试不同温度下的摩擦系数和磨损率；显而易见，定速试验方法的最大缺陷在于它不具有模拟性，或者说它是在与汽车制动工况完全不相符的条件下进行试验的。因此定速试验和Krauss试验只能用于过程质量控制，而不适用于产品性能评价。
与定速试验方法相反，缩比试验方法能够与全尺寸试验一样，模拟制动过程中各种因素（速度、压力、温度、力矩）的变化，在此状态下测试的制动效能，与实际使用有较好的可比性。因此国外摩擦材料生产商在产品开发过程中都非常重视采用缩比试验来加快开发进度。
1.3 摩擦材料缩比试验台的历史与现状
多年来，从事摩擦材料开发的人员，就在考虑设计一种既能够模拟总成试验条件，也能够缩短试验时间，节省试验成本的试验机；这就是缩比试验台。早在上个世纪七八十年代，国内的摩擦材料行业中，较为知名的MM-1000 试验机就是一种缩比试验台；该试验台源于前苏联（JO2），最初是专门为粉末冶金摩擦材料的性能试验而设计的。
针对MM1000 试验机，汽车行业发布了缩比试验的方法：JB 3680-84“汽车用摩阻材料惯性制动试验方法”，该标准后来升级为 QC/T 520-1999（1）。在这个标准中，提出了缩比试验参数的计算方法，同时也提出了与全尺寸制动器总成试验规范相对应的试验程序和数据处理方法。
上世纪七、八十年代，由于当时国内制动器总成试验台很少，MM-1000 比较广泛地用于汽车和工业机械摩擦材料的开发。但是，MM-1000 也存在一些问题，影响了试验的模拟性。九十年代以后，在国内，制动器总成试验台的数量迅速增加，MM-1000 逐步被冷落；对缩比试验方法的研究几乎陷于停顿。而在国外，缩比试验台仍然广泛地用于摩擦材料配方开发和质量控制和基础研究。例如Akebono 和Nisshinbo 等国际知名公司。
从2007 年以来，吉林大学机电设备研究所（2）和吉林大学新拓科技开发公司，分别设计并制造了新的摩擦材料缩比惯性试验台。试验台采取两个试样，单侧加载的制动方式，模拟总成试验方法，进行材料的性能测试。
汽车工业飞速发展带来的市场竞争的压力促使更多的摩擦材料生产企业重视开发流程和测试体系。随着对外技术交流的深化，有机会了解到国外知名摩擦材料公司的开发流程和基本理念，缩比试验在这些公司的开发流程中的广泛应用，唤起了我们重新认识和改进缩比试验方法和缩比试验设备的想法。
3.2.2 缩比制动盘的考虑
作为制动摩擦副的另一半，对偶的重要性不亚于摩擦材料；制动盘的材质和金相结构会对试验结果产生很大的影响。整车的制动盘的结构分为通风型制动盘（Ventilate Rotor）和实心盘（Solid Rotor）。
整车前制动器大多是通风盘，后制动器大部分是实心盘。缩比台的制动盘直径较小，厚度也较薄，不可能采用通风盘，只能采用实心盘。
考虑到国内外汽车制动盘的发展趋势，缩比制动盘材质选用 HT 170，这种材质的制动盘有较好的阻尼特性，有助于降低噪音发生率。缩比试验台的温度模拟是一个难题。如果效能试验的制动末温和衰退试验的最高温度相差大，必然会对摩擦系数产生明显影响。在缩比制动盘的设计过程中，进行了大量的计算与验证试验，选择了较为合适的尺寸，基本达到温度模拟的要求。
鉴于制动盘对试验结果影响明显，制动盘要定点批量生产，以保证质量指标的稳定性。
3.2.3 试验惯量的电模拟功能
缩比试验处于摩擦材料开发的初始阶段，在此阶段，不需要针对具体的车型；所以国外有些缩比试验台的制动惯量是基本固定的。在JF120 的策划过程中，考虑到国内的实际情况，试验台要具备对指定车型的试验参数的模拟功能，因此增加了试验惯量的电模拟功能。使用者可以输入所需模拟的车型的参数，试验软件自动生成缩比试验的参数。提高了缩比试验的针对性。
3.2.4 冷却条件的控制
多年来人们就发现，同一种制动衬片在不同条件下摩擦性能的试验结果相差很大；市场也有同一种刹车片在不同季节表现不同的反馈；专题研究的结论表明，这种摩擦效能和NVH 特性的波动与环境条件有密切关系
（4）。因此JF120 缩比试验台考虑了冷却条件的控制条件；配有环境控制单元ECU （Environment Control Unit），使试验在设定的温湿度和冷却风速下进行。
3.2.5 取样机
JF120 缩比试验台的特点之一，就是要求直接从盘式片产品上截取试样，这样才能保证试样的真实性。JF120 试验台将配备有专门的取样机。
结论：
1，在产品和生产流程的开发过程中，缩比试验是一种非常重要而且基础的试验方法。在汽车摩擦材料开发过程中要重视缩比试验方法的应用。
2，缩比试验的试验结果与实际使用有较好的可比性，因此可以应用于摩擦材料开发和过程质量控制。
3，JF 120 缩比试验台的设计理念，基于相似原理中几何要素和物理要素的一致性，强调模拟性和统一的缩比率。本文对此进行了详细的论述。这为缩比试验台的设计、制作与验收提供了理论依据。
4，为了实现与全尺寸总成试验台数据的可比性，JF120 试验在现有缩比试验台的基础上，做了一些重要的改进。
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