CN105953953A - 一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法，首先分析摩擦副的外在支撑结构特点，选取与对偶片相同材料属性的销钉，其次根据摩擦元件的工况条件模拟摩擦副工作状态下的接触压力分析，通过对接触区压力分析和加载特点确定销钉在对偶片上的分布与对偶片销钉空的配合尺寸，通过对对偶片进行二次加工和磨合，获得与原对偶表面相似的属性，最后通过预埋销钉应变获得该区域的接触压力。本发明能够实现摩擦副接触区的动静态压力测量，在不改变摩擦区接触状态的前提下，实现接触压力的动静态测试，在确定了摩擦副精确边界条件的同时，为摩擦副动态测试提供了依据。

Description

一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法

技术领域

本发明的一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法，属于履带车辆传动领域制动器摩擦副接触表面应力应变测量技术领域。

背景技术

高能量密度摩擦传动系统是高性能传动的关键，其显著特征是大功率、高转速，摩擦副由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于履带车辆的传动领域。Cu基、Fe基粉末冶金摩擦副，包括制动器与离合器，工作在多应力复合环境中，作为三参数边界-压力、速度、温度是影响摩擦副摩擦特性的主要因素，也是摩擦副设计过程中的重要参考。现阶段速度边界能够通过实验准确测量，而压力边界的动态测试一直是三边界测量中的重点和难点。目前在锥形对偶片领域一直没有有效的并且可靠的摩擦副接触表面应力测量的成熟方法，对摩擦副进行多维有限元压力分析是主要的分析手段。

长期以来摩擦副表面应力测量困难主要集中在以下几方面：(1)测量元件难以测量高速摩擦的接触表面的应力；(2)现阶段无法实现对于摩擦副从分离、接触到滑摩的全过程动态测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：是为了解决现有技术中存在的摩擦副压力边界条件无法测量的问题，提供一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法，该方法有效的解决了当前摩擦副接触表面压力分布无法真实获得的困难，在不改变摩擦副表面接触状态的前提下，实现接触压力动态测试，在确定了摩擦副精度压力边界条件的同时，为摩擦副动态设计提供了理论依据。

本发明采用的技术方案为：一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法，其实现步骤如下：

步骤一、分析摩擦元件的工况条件及摩擦副的加载支撑结构的特点，获得摩擦副的几何尺寸，按照所需要测量摩擦面的工艺要求确定摩擦接触表面的粗糙度要求和同轴度要求；

步骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的支撑结构特点和摩擦副的几何尺寸建立有限元分析模型，添加摩擦副材料属性，对三维模型进行多方向压力载荷的有限元仿真，获得摩擦副接触表面的应力范围，为接触压力测试销钉布局和电阻应变片的选择提供依据；

步骤三、根据步骤一中分析的摩擦副支撑结构特点、摩擦副的几何尺寸以及有限元仿真分析确定对偶片上的测量点分布和测点数量N；分析获得的摩擦片的弹性模型和泊松比的要求，结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片的厚度、应变片的尺寸及测量精度要求确定销钉的直径D和长度L；

步骤四、按照步骤三确定的销钉的尺寸加工销钉，并在销钉侧圆柱面上加工一平面，用来粘贴电阻应变片，加工平面的宽度和长度应略大于电阻应变片的大小，在对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和L打预埋销钉的孔，在对偶片非接触面的销钉孔内攻入螺纹，攻入螺纹的深度为B-L，B为对偶片厚度，选取过渡配合作为孔与销钉的配合尺寸公差；

步骤五、根据步骤二的仿真分析初步确定摩擦副接触表面应力的极限范围，并根据此范围确定电阻应变片的主要参数：电阻应变片初始电阻值、测量范围、灵敏度和耐热性，进而根据这些参数确定电阻应变片的型号；

步骤六、通过步骤五确定了电阻应变片的型号，将选好的应变片粘贴于销钉的侧平面上，并将销钉装入对偶片上对应的销钉孔中并用预紧螺钉固定，通过测量应变片电阻值是否为电阻应变片电阻值来鉴定电阻应变片是否损坏；

步骤七、将安装电阻应变片的对偶片按照摩擦副接触表面的粗糙度等要求进行二次加工，然后安装到摩擦磨损试验机上进行磨合，磨合时间不低于15min，磨损工况和步骤一确定的一致；

步骤八、将充分磨合过的摩擦副进行静动态加载，通过桥盒连接应变片，将电流传入应变采集仪，获得销钉处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用电阻应变片贴片式动态测温，实现静动态接触应力测量；

(2)本发明将电阻应变片测量元件埋于摩擦副内部，二次加工使销钉与对偶片融为一体，使测量元件和对偶片充分接触，测量结果更准确；

(3)本发明测量方法简单，测试点位布置方便，测试成本较低。

附图说明

图1为本发明方法实现流程图；

图2为本发明中锥形对偶片样件图；

图3为本发明中销钉分布图；

图4为本发明中销钉结构图，其中左图是主视图，右图为左视图；

图5为本发明中销钉的轴测图；

图6为本发明中销钉安装剖面图，其中，a为螺塞，b为销钉，c为平面；

图7为本发明中销钉侧平面贴片图，其中，1、防潮剂；2、应变片；3、引线；4、透明胶纸；5、接线端子；6、锡焊；

图8为本发明中桥路连接图。

具体实施方式

为了清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体的实施方式，并结合其附图对本方案进行阐述。

理论研究和试验过程都发现Fe基粉末冶金摩擦副在接合过程中应力分布并不均匀，该特点的产生是由于加压结构的特点与接触表面特性共同决定的。为了实现摩擦副接触压力的测试，本发明采用嵌入式销钉测量方法，在对偶片非接触表面上加工若干销钉孔，在销钉上安装电阻应变片，一起安装在对偶片上，并进行二次加工，然后在摩擦磨损试验机上进行磨合，并连接多通道应变采集仪，实现摩擦副静动态接触压力测量。

如图1所示，本发明在销钉上安装电阻应变片测量的动态接触应力具体测试方法如下：

步骤一、确定摩擦元件的工况条件及摩擦副的加载支撑结构的特点，如图2所示，包括采用哪种支撑，加载力的位置和方向；通过测绘获得摩擦副的几何尺寸，为后面的建模提供必要的参数支持；按照所需要测量摩擦面的工艺要求确定摩擦接触表面的粗糙度要求(1.6μm)和同轴度要求(0.05)；

步骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的支撑结构特点和摩擦副的几何尺寸建立有限元分析模型，添加摩擦副材料属性，对三维模型进行多方向压力载荷的有限元仿真，具体方法为：

在Pro/E中按照摩擦副的支撑结构和尺寸，建立锥形对偶片的三维模型，然后倒入ANSYS有限元分析软件，添加摩擦副的材料属性和加载载荷，选取对偶片接触表面节点处的应力和应变作为输出结果，获得摩擦副接触表面应力分布的大致范围，为后面的应变片选择提供初步的依据。

步骤三、根据步骤一中分析的摩擦副支撑结构特点、摩擦副的几何尺寸以及有限元仿真分析确定对偶片上的测量点分布和测点数量N，如图3所示，对于支撑结构附近和距离加载点较近的区域应力较大，致使摩擦副变形明显，造成摩擦片和对偶片面压力分布不均，应多布点；分析获得的摩擦片的弹性模型和泊松比的要求，结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片的厚度、应变片的尺寸及测量精度要求确定销钉的直径D和长度L，确定方法如下：

一般销钉直径D<(R-r)/2，R为对偶片外径，r为对偶片内径；B/2<L<2B/3，B为对偶片厚度，一般1.6粗糙度0.05同轴度的摩擦接触表面选用D不应大于12mm，接触程度越好选用的D越小，但越小不应该小于最大应变片的宽度，范围使4-12mm，例如R为120mm，r为100mm，可选D为5mm。

步骤四、按照步骤三确定的销钉的尺寸加工销钉b，并在销钉侧圆柱面上加工一平面c，如图4和图5所示，用来粘贴电阻应变片，加工平面的宽度和长度应略大于电阻应变片的大小，在对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和L打预埋销钉的孔，在对偶片非接触面的销钉孔内攻入螺纹，如图6所示，a是螺塞，攻入螺纹的深度为L_螺＝L_片-L_销，选取过渡配合作为孔与销钉的配合尺寸公差；

步骤五、根据步骤二的仿真分析初步确定摩擦副接触表面应力的极限范围，应力应变的选取点在单元的节点处，并沿着锥角分布，所获取的范围就是应力分为，并根据此范围确定电阻应变片的主要参数：电阻应变片初始电阻值、测量范围、灵敏度和耐热性，选择应变片时，应注意到构件的材料性质和应力状态，进而根据这些参数确定电阻应变片的型号；(具体选择方法详见应变片相关数据)；

步骤六、通过步骤五确定了电阻应变片的型号，将选好的应变片粘贴于盲孔底部的平面上，如图7所示，通过测量应变片电阻值是否为电阻应变片电阻值来鉴定电阻应变片是否损坏，如果电阻显示和电阻应变片的初始电阻差别不大，说明应变片贴片成功，桥接线路，如图8所示，B、D端分别于接线端子相连的导线相连接，A、C端分别接于外部稳定5V电压，即保证A、C端之间的电压为稳定的5V电压。其电路的计算公式为：

$U_i=\left(\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}\right)U_0$

如果R₁R₃＝R₂R₄则E＝0，这就是应变片的调零电路，当电阻在形状改变时其电阻发生改变后，电压的值的改变量为：

${\mathrm{\&Delta;U}}_i=\frac{R_1{R}_2}{{(R_1+R_2)}^2}\&lsqb;\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_2}{R_2}+\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_3}{R_3}-\frac{{\mathrm{\&Delta;R}}_4}{R_4}\&rsqb;$

通过上式可以求出电阻的改变值，并进而根据电阻本身特性求出应变量的值，并再通过摩擦副材料特性计算出压力值。

步骤七、将安装电阻应变片的对偶片按照摩擦副接触表面的粗糙度等要求进行二次加工，然后安装到摩擦磨损试验机上进行磨合，磨合时间不低于15min，磨损工况和步骤一确定的一致；

步骤八、将充分磨合过的摩擦副进行静动态加载，通过桥盒连接应变片，将电流传入应变采集仪，通过计算机软件操作进行调零，然后加载与实际工况一样的载荷，采集仪进行采集，通过计算机显示，获得销钉处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。接触压力较大地方的应力应变的测量值大，反之接触不充分的地方，应力应变相对较小，该方法可以有效的测量摩擦片从分离状态到接触状态，再到滑摩状态的实时压力状态的测量和监控。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种用于锥形摩擦副接触压力销钉嵌入式测量方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤一、分析摩擦元件的工况条件及摩擦副的加载支撑结构的特点，获得摩擦副的几何尺寸，按照所需要测量摩擦面的工艺要求确定摩擦接触表面的粗糙度要求和同轴度要求；

步骤二、根据步骤一中分析获得的摩擦副的支撑结构特点和摩擦副的几何尺寸建立有限元分析模型，添加摩擦副材料属性，对三维模型进行多方向压力载荷的有限元仿真，获得摩擦副接触表面的应力范围，为接触压力测试销钉布局和电阻应变片的选择提供依据；

步骤三、根据步骤一中分析的摩擦副支撑结构特点、摩擦副的几何尺寸以及有限元仿真分析确定对偶片上的测量点分布和测点数量N；分析获得的摩擦片的弹性模型和泊松比的要求，结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片的厚度、应变片的尺寸及测量精度要求确定销钉的直径D和长度L；

步骤四、按照步骤三确定的销钉的尺寸加工销钉，并在销钉侧圆柱面上加工一平面，用来粘贴电阻应变片，加工平面的宽度和长度应略大于电阻应变片的大小，在对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和L打预埋销钉的孔，在对偶片非接触面的销钉孔内攻入螺纹，攻入螺纹的深度为B-L，B为对偶片厚度，选取过渡配合作为孔与销钉的配合尺寸公差；

步骤五、根据步骤二的仿真分析初步确定摩擦副接触表面应力的极限范围，并根据此范围确定电阻应变片的主要参数：电阻应变片初始电阻值、测量范围、灵敏度和耐热性，进而根据这些参数确定电阻应变片的型号；

步骤六、通过步骤五确定了电阻应变片的型号，将选好的应变片粘贴于销钉的侧平面上，并将销钉装入对偶片上对应的销钉孔中并用预紧螺钉固定，通过测量应变片电阻值是否为电阻应变片电阻值来鉴定电阻应变片是否损坏；

步骤七、将安装电阻应变片的对偶片按照摩擦副接触表面的粗糙度等要求进行二次加工，然后安装到摩擦磨损试验机上进行磨合，磨合时间不低于15min，磨损工况和步骤一确定的一致；

步骤八、将充分磨合过的摩擦副进行静动态加载，通过桥盒连接应变片，将电流传入应变采集仪，获得销钉处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。