CN106814029A - 一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法 - Google Patents

一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，首先分析摩擦片的结构形式，获得内外径范围和沟槽参数和材料参数，将摩擦片进行环带划分。以环带中心线所在位置为基准，计算环带的平均半径。然后确定摩擦片的使用工况，通过三维建模和有限元分析，获取不同环带上的实际接触面积和摩擦片的面压分布结果。计算获取不同环带的载荷系数n。再次根据介观尺度实验数据所获得的速度能量系数的值，选取各个环带对应的速度能量系数的值通过滑动摩擦系数计算公式，获得各个环带的摩擦系数的值。最后计算获得各个环带的摩擦扭矩，从而叠加获取摩擦片总扭矩进而获得摩擦片的平均摩擦系数。本发明能够获取更加精确的预测多带积分盘式摩擦副的摩擦性能。

Description

一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法
技术领域
本发明属于摩擦磨损与润滑方面摩擦副摩擦性能预测技术领域，具体涉及一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法。
背景技术
摩擦元件广泛存在于车辆离合器、制动器等基础部件中，摩擦元件性能的好坏直接影响离合器、制动器的性能指标。摩擦特性研究一直是研究的热点，而其中摩擦系数的预测一直是摩擦磨损和润滑领域的核心问题。能否更精确地预测摩擦副的摩擦系数关系到摩擦片各项性能是否能按照设计意图实现。随着高能量密度摩擦元件的大量使用，Cu基材料、Fe基材料以及纸基材料的摩擦片的应用已经成为了趋势。但是由于摩擦副结构、材料的复杂性等原因，摩擦系数的计算方法一直存在依靠经验公式、计算过于粗略以及结构适应性差等问题。比如：摩擦片往往由于其使用结构的影响使得摩擦片的受力存在不均匀的现象，对于一般的车辆离合器，往往采用中心油缸加载的方式，致使摩擦片内圈受力较大，外圈受力较小；另外由于外圈线速度较高，内圈线速度较低等原因，根据Stribeck理论，摩擦系数在不同的边界条件下(速度、压力不同)致使摩擦特性(摩擦系数)也有所不同。在现在的摩擦系数计算过程中并没有考虑这些因素造成的影响。这就造成了摩擦系数预测的失真，摩擦系数计算偏差会使设计者在一个偏差较大的摩擦系数上计算离合器和制动器的摩擦扭矩，所带来的后果是使摩擦元件设计出现偏差，影响摩擦元件的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：是为了解决现有摩擦系数预测技术中存在的边界条件不精确所造成的摩擦系数计算精度差的问题，提供一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，该方法有效的解决了当前摩擦副在不同结构、材料影响下边界条件复杂性所带来的摩擦系数预测困难的问题，其优点在于在通过划定等速环带和有限元结构加载分析，实现了摩擦副速度边界和压力边界的精确界定，用实验抽取的方法提出速度能量系数对于摩擦系数计算的影响，在确定了摩擦系数的同时，为摩擦副精确设计提供了计算依据。
本发明采用的技术方案为：一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，实现步骤如下：
步骤一、分析摩擦片的结构形式，获取摩擦片的主要结构参数、沟槽参数和材料参数，包括：摩擦片内直径D1、外直径D2、摩擦层厚度h和摩擦片厚度H；摩擦片沟槽参数：包括：沟槽宽度B，深度L，螺距β等；材料参数包括：摩擦片材料的弹性模量E。
步骤二、根据步骤一获得内外径范围，以2～3mm为一个环带，将摩擦片进行环带划分。从外到内定义编号，并认为同一个环带的滑动线速度相同，以环带中心线所在位置为基准，计算环带的平均半径。
步骤三、确定摩擦片的使用工况，主要获取参数为：摩擦片转速r和摩擦片面压p。通过步骤二获得的平均半径为计算依据，计算各个环带的平均线速度，作为表征该环带的表征速度。
步骤四、在步骤一获得的各项参数的基础上通过PROE三维建模软件，建立摩擦片三维实体模型，将实体模型按照各个环带的边界范围建立辅助圆柱面，通过软件自带的面积拾取工具，计算获取不同环带上的实际接触面积。
步骤五、在步骤四基础上，根据摩擦副加压结构建立有限元分析模型，带入步骤一获得摩擦片弹性模量E，通过模拟加载获得加载盘对于摩擦片的面压分布结果。通过拾取不同环带中位线上的任意三点的面压平均值，计算获取不同环带的载荷系数n。通过微凸体计算一般关系式，计算实际面压与载荷系数的关系。
步骤六、根据介观尺度实验数据所获得的速度能量系数的值，对应步骤三中计算的线速度值和步骤五中的实际面压值，选取各个环带对应的速度能量系数的值。
步骤七、将步骤五计算获得的载荷系数关系，以及步骤六中选取的速度能量系数的值带入基于微凸体模型的滑动摩擦系数计算公式中，计算获得各个环带的摩擦系数的值。
步骤八、根据等效半径计算公式，计算摩擦片的等效半径。将各个环带计算获得的摩擦系数值与步骤四中获取的环带接触面积作为计算依据，计算获得各个环带的摩擦扭矩，将各个环带扭矩叠加，计算获得摩擦片整体的摩擦扭矩，然后根据获得的等效半径的值，计算整个摩擦片的平均摩擦系数。利用平均摩擦系数预测摩擦片的摩擦性能，并指导多带积分盘式摩擦副的设计与应用。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用等速环带分别计算然后将其进行累加积分，通过离散化的思想将盘式摩擦副内外径线速度的差异所造成的摩擦系数的变化涵盖到计算当中，同时通过有限元分析方法精确获得盘式摩擦片的压力分布特征，为摩擦系数的精确计算提供了精确边界条件，相比传统计算方法考虑更加全面，计算更加精确。
(2)本发明提出了通过试验抽取法，反推出表征摩擦的特性参数——速度能量系数，这种方法相比传统的经验公式参数的人为赋值更加具有说服性和应用性。
附图说明
图1为本发明方法实现流程图；
图2为本发明沟槽形式及尺寸分析，其中，图2(a)为本发明多带积分盘式摩擦副工作部分剖截面特征标定示意图，图2(b)为本发明多带积分盘式摩擦副工作平面特征标定示意；
图3为本发明中的环带划分方法；
图4为本发明中摩擦片三维模型示意图；
图5为本发明摩擦片压力分布有限元仿真云图；
图6为本发明微凸体模型示意图；
图7为本发明速度能量系数曲面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
如图1所示，本发明一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，具体实现过程如下：
步骤一、分析摩擦片的结构形式，本发明主要针对盘式摩擦片，通常摩擦片表面会有沟槽，沟槽的作用是帮助润滑油更好的进行表面润滑。获取摩擦片的主要结构参数、沟槽参数和材料参数等，包括：摩擦片内直径D1、外直径D2、摩擦层厚度h和摩擦片厚度H；摩擦片沟槽参数：包括：沟槽宽度B，深度L，螺距β等；材料参数包括：摩擦片材料的弹性模量E。
步骤二、根据步骤一获得内外径范围，以2～3mm为一个环带，将摩擦片进行环带划分。设摩擦片的内半径为r1，外半径为r2，则环带数C＝(r2-r1)/(2或者3)。然后从外到内定义环带的编号，由于环带宽度较小，所以认为同一个环带的滑动线速度相同，以环带中心线所在位置为基准，计算环带的平均半径，其计算方法为：rip＝(ri2-ri1)/2，其中i表示第i个环带。
步骤三、确定摩擦片的使用工况，主要获取参数为：摩擦片转速r和摩擦片面压p。摩擦片面压p是指外载荷与接触面积的比。通过步骤二获得的平均半径为计算依据，计算各个环带的平均线速度，作为表征该环带的表征速度。其计算过程为：vi＝ω*rip，ω为摩擦片的角速度。
步骤四、在步骤一获得的各项参数的基础上通过PROE三维建模软件，建立摩擦片三维实体模型，包括摩擦片的基体材料。摩擦材料和沟槽结构，以及摩擦片的支撑结构。将实体模型按照各个环带的边界范围，即各个环带的内外径建立辅助圆柱面，通过选取两个辅助圆柱面之间的摩擦副接触表面积，通过软件自带的面积拾取工具能够计算出不同环带上的实际接触面积。
步骤五、在步骤四基础上，根据摩擦副加压结构建立有限元分析模型，带入步骤一获得摩擦片弹性模量E，通过模拟加载获得加载盘对于摩擦片的面压分布结果。获得计算结果云图，取表面压应力作为表面压力。通过拾取不同环带中位线上的任意三点的面压平均值，计算获取不同环带的载荷系数n，其计算过程为：n*W/2R＝0.2*(1-P/10)。W/2R一般取0.2，所以载荷系数与接触压力有关。由于加载结构的影响不同环带的接触压力不同，所以造成载荷系数也有所不同。通过微凸体计算一般关系式，计算出实际面压与载荷系数的关系。
步骤六、根据介观尺度实验数据所获得的速度能量系数的值，对应步骤三中计算的线速度值和步骤五中的实际面压值，选取各个环带对应的速度能量系数的值。速度能量系数的提取方法为：在典型立式摩擦试验机上，通过使用直径D≤100的试验试环，通过设定固定的试验转速r和试验压力p，提取摩擦系数f。将其带入摩擦系数计算公式，反推获得对应转速和压力的速度能量系数的值。对应环带的线速度和接触压力选取对应的速度能量系数。
步骤七、将步骤五计算获得的载荷系数关系，以及步骤六中选取的速度能量系数的值带入基于微凸体模型的滑动摩擦系数计算公式中，计算获得各个环带的摩擦系数的值。
步骤八、根据等效半径计算公式，计算摩擦片的等效半径。其计算公式为：
其中R1和R2分别为摩擦片的内、外半径。将各个环带计算获得的摩擦系数值与步骤四中获取的环带接触面积作为计算依据，计算获得各个环带的摩擦扭矩，将各个环带扭矩叠加，计算获得摩擦片整体的摩擦扭矩。环带扭矩计算公式为：Ti＝rip*Ai*pi*fi，其中Ai为第i个环带的接触面积，pi为第i个环带的接触压力，fi为第i个环带的摩擦系数。然后根据获得的等效半径的值，计算整个摩擦片的平均摩擦系数，其计算公式为：f＝T/(Rd*N)，其中T为总扭矩，N为外载荷。利用平均摩擦系数预测摩擦片的摩擦性能，并指导多带积分盘式摩擦副的设计与应用。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的实现过程。
步骤一、分析摩擦片的结构形式，主要的获取参数为：摩擦片结构参数，包括：摩擦片内直径D1、外直径D2、摩擦层厚度h和摩擦片厚度H；摩擦片沟槽参数：包括：沟槽宽度B，深度L，螺距β等。本例以Cu基粉末冶金螺旋沟槽摩擦片为例进行计算，通过用游标卡尺两区摩擦片的结构参数，获得Cu基粉末冶金摩擦片的D1＝260mm，D2＝212mm，摩擦层厚度h＝3mm，摩擦片厚度H＝13mm。沟槽尺寸见图2所示，摩擦片的弹性模量经测量取80×103MPa。
步骤二、将摩擦片表面沿径向划分成若干速度近似相等的环带区间，在各个速度区间内可以近似认为环带上的摩滑速度是相等的如图3所示，半径划分距离一般不应大于5mm。
本例将106mm～130mm半径范围划分成12个等速环带区间，每2mm一个环带，下表为各个环带的平均半径。
环带号 1 2 3 4 5 6
平均半径 129 127 125 123 121 119
环带号 7 8 9 10 11 12
平均半径 117 115 113 111 109 107
步骤三、计算各个环带的平均速度，如下表所示。计算1000n/min-3250n/min试验工况情况下的不同半径上的初线速度的值，线速度由高到低排列。计算摩擦片的转速根据不同的半径获得各自的线速度，转速单位：n/min，角速度单位：rad/s，线速度单位：mm/s。
转速 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250
角速度 104.72 130.9 157.08 183.26 209.44 235.62 261.8 287.98 314.16 340.34
环带号 线速度 线速度 线速度 线速度 线速度 线速度 线速度 线速度 线速度 线速度
1 13508.88 16886.1 20263.32 23640.54 27017.76 30394.98 33772.2 37149.42 40526.64 43903.86
2 13299.44 16624.3 19949.16 23274.02 26598.88 29923.74 33248.6 36573.46 39898.32 43223.18
3 13090 16362.5 19635 22907.5 26180 29452.5 32725 35997.5 39270 42542.5
4 12880.56 16100.7 19320.84 22540.98 25761.12 28981.26 32201.4 35421.54 38641.68 41861.82
5 12671.12 15838.9 19006.68 22174.46 25342.24 28510.02 31677.8 34845.58 38013.36 41181.14
6 12461.68 15577.1 18692.52 21807.94 24923.36 28038.78 31154.2 34269.62 37385.04 40500.46
7 12252.24 15315.3 18378.36 21441.42 24504.48 27567.54 30630.6 33693.66 36756.72 39819.78
8 12042.8 15053.5 18064.2 21074.9 24085.6 27096.3 30107 33117.7 36128.4 39139.1
9 11833.36 14791.7 17750.04 20708.38 23666.72 26625.06 29583.4 32541.74 35500.08 38458.42
10 11623.92 14529.9 17435.88 20341.86 23247.84 26153.82 29059.8 31965.78 34871.76 37777.74
11 11414.48 14268.1 17121.72 19975.34 22828.96 25682.58 28536.2 31389.82 34243.44 37097.06
12 11205.04 14006.3 16807.56 19608.82 22410.08 25211.34 28012.6 30813.86 33615.12 36416.38
步骤四、在步骤一的基础上，通过PROE三维建模软件，建立摩擦片三维实体模型如图4所示。通过软件自带的面积拾取工具，自动获取不同环带上的接触面积A(去除油槽之后的接触面积)具体结果详见下表所示。
环带 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1042 1211 1260 1174 1154 1199 1115 1093 1134 1051 1028 934
步骤五、通过外载荷获取摩擦片表面的压力N，然后根据各个环带面积计算环带上的面压P。所谓面压，是指单位面积上的压力，计算公式为：P＝N/A。面压分为名义面压与实际面压，名义面压是指忽略沟槽影响的面压，实际面压是考虑沟槽等结构时获得的面压。根据步骤一中获得的沟槽结构，以及步骤四中的三维模型，计算并获取了摩擦片的名义面压与实际面压的关系。
名义面压 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75
实际面压 0.6642 0.9963 1.3284 1.6605 1.9926 2.3247
名义面压 2 2.25 2.5 2.75 3
实际面压 2.6568 2.9889 3.321 3.6531 3.9852
在步骤四基础上，建立有限元分析结构模型，通过模拟加载获得加载盘对于摩擦片的面压分布结果，通过摩擦片环带上对应的面压的不同，计算获取不同的载荷系数n。该压力分布是根据试验设备加压结构或者摩擦副加压结构通过有限元仿真得到的，在得到各个环带的压力分布后获得的结果如图5所示，通过拾取不同环带中位线上的任意三点的面压平均值，获得不同载荷下的环带面压如下表所示。
摩擦系数的计算是以微凸体模型为基础的。根据面压力的划分确定不同载荷系数n，由于不同的压力载荷会导致W/2R产生较为明显的变化(W为微凸体压入部分的截面圆直径，R为微凸体半径)，微凸体模型如图6所示。在假设微凸体为弹性体的情况下，按照W/2R与载荷关系式，通过在凸体上表面加压获得变形量，其一般计算关系式为：
n*W/2R＝0.2*(1-P/10) 式1
式中P为作用在表面的实际面压(单位MPa)。
通过带入各个环带的实际面压，计算获得不同的n*W/2R值。为计算各个环带的摩擦系数提供参数条件。部分计算结果如下表所示。
步骤六、根据介观尺度实验数据所获得的速度能量系数的值，对应步骤三中计算的线速度值和步骤五中的实际面压值，选取各个环带对应的速度能量系数的值。其值在下表中表示，表中显示了速度在10～50m/s范围内，0.5-1.75MPa面压区间的速度能量系数的值。速度能量系数曲面如图7所示。
步骤七、将步骤五计算获得的n*W/2R的值，以及步骤六中选取的速度能量系数的值带入公式2中，计算获得各个环带的摩擦系数的值。
式中μ-摩擦系数
W-界面直径
R-球体半径
n-W/2R相关的载荷系数
λ-速度能量系数
p-摩擦表面单位正压力
k-润滑油导致的犁沟减弱效应，取0.55。
通过摩擦系数模型计算摩擦系数，结果如表所示为1000n/min时，摩擦片各个环带的在不同面压力下的摩擦系数的计算值。
步骤八、根据等效半径计算公式，如式3所示，计算摩擦片的等效半径。将各个环带计算获得的摩擦系数值与步骤四中获取的环带接触面积作为计算依据，计算获得各个环带的摩擦扭矩，将各个环带扭矩叠加，计算获得摩擦片整体的摩擦扭矩，然后根据获得的等效半径的值，计算整个摩擦片的平均摩擦系数。等效半径的表达形式为：
并且根据平均等效公式计算整个摩擦片的等效半径：117.94mm，摩擦片的平均摩擦系数的计算结果如表所示。
实际面压 0.6642 0.9963 1.3284 1.6605 1.9926 2.3247 2.6568 2.9889 3.321
1 8310.098 13008.44 17684.08 22525.13 26945.59 31557.19 35958.78 40071.65 46510.36
2 9886.955 15269.51 20639.23 26197.73 31273.08 36570.44 41623.99 46346.49 53764.86
3 10497.97 16007.91 21517.31 27218.81 32424.07 37859.08 43041.14 47883.73 55514.13
4 9967.994 15017.65 20078.43 25314.22 30093.68 35085.99 39843.38 44289.11 51315.68
5 9954.897 14827.51 19721.23 24782.47 29401.59 34227.76 38824.19 43119.1 49925.76
6 10512.72 15489.58 20499.58 25679.61 30406.56 35347.24 40050.19 44444.62 51430.33
7 9924.316 14472.78 19062.19 23806.02 28134.36 32660.13 36965.78 40988.97 47404.1
8 9864.364 14245.05 18675.52 23253.78 27430.49 31799.4 35953.54 39835.15 46043.48
9 10365.44 14829.53 19354.96 24030.02 28294.5 32756.9 36997.63 40960.14 47317.22
10 9702.567 13758.04 17878.09 22132.92 26013.24 30074.78 33932.32 37536.45 43334.25
11 9590.77 13484.35 17449.28 21542.74 25275.42 29183.91 32894.05 36360.46 41953.72
12 8796.852 12267.98 15811.11 19468.05 22802.24 26294.8 29608.31 32704.13 37714.64
总扭矩 117374.9 172678.3 228371 285951.5 338494.8 393417.6 445693.3 494540 572228.5
系数 1049312 1573968 2098624 2623280 3147937 3672593 4197249 4721905 5246561
名义面压 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5
摩擦系数 0.111859 0.109709 0.108819 0.109005 0.107529 0.107123 0.106187 0.104733 0.109067
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 (4)

1.一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，其特征在于，该方法实现步骤如下：
步骤一、分析摩擦片的结构形式，获取摩擦片的主要结构参数、沟槽参数和材料参数，包括：摩擦片内直径D1、外直径D2、摩擦层厚度h和摩擦片厚度H；摩擦片沟槽参数：包括：沟槽宽度B，深度L，螺距β等；材料参数包括：摩擦片材料的弹性模量E；
步骤二、根据步骤一获得内外径范围，以2～3mm为一个环带，将摩擦片进行环带划分，从外到内定义编号，并认为同一个环带的滑动线速度相同，以环带中心线所在位置为基准，计算环带的平均半径；
步骤三、确定摩擦片的使用工况，主要获取参数为：摩擦片转速r和摩擦片面压p，通过步骤二获得的平均半径为计算依据，计算各个环带的平均线速度，作为表征该环带的表征速度；
步骤四、在步骤一获得的各项参数的基础上通过PROE三维建模软件，建立摩擦片三维实体模型，将实体模型按照各个环带的边界范围建立辅助圆柱面，通过软件自带的面积拾取工具，计算获取不同环带上的实际接触面积；
步骤五、在步骤四基础上，根据摩擦副加压结构建立有限元分析模型，带入步骤一获得摩擦片弹性模量E，通过模拟加载获得加载盘对于摩擦片的面压分布结果，通过拾取不同环带中位线上的任意三点的面压平均值，计算获取不同环带的载荷系数n，通过微凸体计算一般关系式，计算实际面压与载荷系数的关系；
步骤六、根据介观尺度实验数据所获得的速度能量系数的值，对应步骤三中计算的线速度值和步骤五中的实际面压值，选取各个环带对应的速度能量系数的值；
步骤七、将步骤五计算获得的载荷系数关系，以及步骤六中选取的速度能量系数的值带入基于微凸体模型的滑动摩擦系数计算公式中，计算获得各个环带的摩擦系数的值；
步骤八、根据等效半径计算公式，计算摩擦片的等效半径，将各个环带计算获得的摩擦系数值与步骤四中获取的环带接触面积作为计算依据，计算获得各个环带的摩擦扭矩，将各个环带扭矩叠加，计算获得摩擦片整体的摩擦扭矩，然后根据获得的等效半径的值，计算整个摩擦片的平均摩擦系数，利用平均摩擦系数预测摩擦片的摩擦性能，并指导多带积分盘式摩擦副的设计与应用。
2.根据权利要求1所述的一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，其特征在于，步骤一中所述的获取摩擦片的主要结构参数、沟槽参数和材料参数，包括：摩擦片内直径D1、外直径D2、摩擦层厚度h和摩擦片厚度H；摩擦片沟槽参数：包括：沟槽宽度B，深度L，螺距β等；材料参数包括：摩擦片材料的弹性模量E。
3.根据权利要求1所述的一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，其特征在于，步骤六中根据介观尺度实验数据所获得的速度能量系数的值，是以摩擦片环带的线速度、面压作为自变量的一种试验提取参数，其提取方法为：在典型立式摩擦试验机上，通过使用直径D≤100的试验试环，通过设定固定的试验转速r和试验压力p，提取摩擦系数f，将其带入摩擦系数计算公式，反推获得对应转速和压力的速度能量系数的值。
4.根据权利要求1所述的一种多带积分盘式摩擦副摩擦性能预测方法，其特征在于，步骤七中使用的基于微凸体模型的滑动摩擦系数计算公式，具有如下的形式：
μ = F L = 2 π ( 1 n 2 R W ) 2 { k · { sin - 1 ( n W 2 R ) - ( n W 2 R ) [ 1 - ( n W 2 R ) 2 ] 1 / 2 } + 1 3 ( λ ) { 1 - [ 1 - ( n W 2 R ) 2 ] 1 / 2 } }
式中μ-摩擦系数，
W-界面直径，
R-球体半径，
n-W/2R相关的载荷系数，一般取0.2，
λ-速度能量系数，
p-摩擦表面单位正压力，
k-润滑油导致的犁沟减弱效应，对于螺旋槽润滑经过计算应该取0.5，对于双圆弧槽取0.62，对于径向槽取0.55。
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