CN111563317A - 一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法，包括以下步骤：第一步：根据摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷；第二步：通过仿真计算评估不同喷丸强化工艺对摩擦片齿部的影响；第三步：将第一步中的等效当量载荷加载于第二步对应的喷丸强化工艺下的摩擦片齿部，评估不同喷丸强化工艺下摩擦片的疲劳寿命；该摩擦片喷丸强化评估方法，先计算摩擦片的等效当量载荷，再利用仿真计算评估优选较佳的喷丸工艺，最后将等效当量载荷加载到不同喷丸强化工艺后的摩擦片上并评估不同喷丸强化工艺下摩擦片的疲劳寿命，有效利用仿真方法，并结合试验方法，能够准确预测不同喷丸强化工艺下的摩擦片疲劳寿命，进而优选出摩擦片齿部的最佳喷丸工艺。

Description

一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法

技术领域

本发明涉及车辆传动关键零部件喷丸强化技术领域，具体涉及一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法。

背景技术

浮动支撑摩擦片(以下简称摩擦片)具有相对转速高、结构紧凑、传递功率大等特点，其被广泛应用于综合传动装置的变速机构中。综合传动装置大功率、高转速的要求使得摩擦片处于严酷的工作环境，所引起的热机载荷耦合强，而且因单位时间内的力和速度变化剧烈，致使冲击载荷具有高非线性、强度大等特点，极易出现摩擦片断裂、齿部变形等问题。通过喷丸处理引入有利的残余压应力分布，可以有效缓解齿底所受载荷，增加微裂纹的闭合力，阻滞裂纹扩展，从而延长疲劳寿命。由于喷丸强化是一个复杂的动态碰撞接触过程，涉及到多种非线性的耦合，影响因素众多，目前喷丸工艺参数的选择只能依靠试验或经验，比较耗时耗力，并且不一定取得较佳的效果。同时，摩擦片喷丸强化后的动态强度试验是在摩擦片动态强度试验台上进行，试验结果分散系数比较大，可比性较差，数据可靠性较低，如要提高数据的置信度，需要进行大批量整件的试验，成本太高且效率低下。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法，能够快速、高效地评估浮动支撑摩擦片的喷丸强化工艺，有利于节省成本。

本发明地技术方案为：一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法，包括以下步骤：

第一步：根据摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷；

第二步：通过仿真计算评估不同喷丸强化工艺对摩擦片齿部的影响；

第三步：将第一步中的等效当量载荷加载于第二步对应的喷丸强化工艺下的摩擦片齿部，评估不同喷丸强化工艺下摩擦片的疲劳寿命。

优选地，第一步中根据摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷包括以下步骤：

步骤一：由摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷的公式推导如下：

构件在等幅应力下的疲劳寿命N和应力幅值σ之间的关系，即应力-疲劳寿命曲线的关系式表示为：

σ^mN＝C (1)

其中，C为常数，m为应力-疲劳寿命曲线中的负逆斜率；

在分级变幅应力作用下疲劳寿命由Miner损伤准则确定：

其中，σ_i为第i个等幅应力的应力幅值，N_i为σ_i下的理论疲劳寿命，σ_eq为等效等幅应力的应力幅值，N_eq为σ_eq下的理论疲劳寿命；

根据Miner公式和疲劳损伤等效原理，得到如下公式：

其中，j为正整数，n_i为σ_i下的实际载荷频次，将公式(2)和公式(3)代入公式(4)得：

最终得等效应力σ_eq为：

步骤二：根据试验确定应力幅值σ_i和其对应的实际载荷频次n_i；

步骤三：筛选出导致疲劳损伤的有效应力幅值σ_i及其对应的实际载荷频次n_i；

步骤四：计算

并结合公式(6)计算等效应力σ_eq。

有益效果：

本发明的摩擦片喷丸强化评估方法，先计算摩擦片的等效当量载荷，再利用仿真计算评估优选较佳的喷丸工艺，最后将等效当量载荷加载到不同喷丸强化工艺后的摩擦片上并评估不同喷丸强化工艺下摩擦片的疲劳寿命，有效利用仿真方法，并结合试验方法，能够准确预测不同喷丸强化工艺下的摩擦片疲劳寿命，进而优选出摩擦片齿部的最佳喷丸工艺，有利于节约大量的人力、财力和物力。

附图说明

图1为现有技术中摩擦片动态强度试验台的工作原理示意图。

图2为本发明中摩擦片的应力应变测试点的布置图及其测试原理的示意图。

图3为图2中摩擦片的应力应变测试点的局部放大图。

图4为本发明中设定工况下摩擦片齿底部的应力时域图。

图5为本发明中载荷应力幅值与载荷频次的柱形关系图。

图6为本发明中摩擦片试验件的结构示意图。

图7为本发明中加载夹具的三视图，(a)主视图，(b)右视图，(c)剖视图。

图8为本发明中摩擦片的应力-疲劳寿命关系曲线图。

图9为本发明中摩擦片齿底部喷丸的示意图。

图10为图9的局部放大图。

图11为本发明不同喷丸强化工艺之下齿部的位移变形曲线图。

图12为本发明不同喷丸强化工艺之下齿部的Mise应力曲线图。

图13为本发明不同喷丸强化工艺之下齿部的塑性变形曲线图。

图14为本发明不同喷丸强化工艺之下齿部的环向残余应力分布图。

图15为本发明中摩擦片齿部载荷加载示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法，能够快速、高效地评估浮动支撑摩擦片的喷丸强化工艺，有利于节省成本。

该评估方法包括以下步骤：

第一步：根据摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷：

从疲劳损伤作用效果来看，在随机载荷或恒幅循环载荷作用下，构件的损伤状态最终都能达到相同的临界值而发生失效；基于此，可以认为在某随机载荷的作用过程中，一定存在一个与它等效的恒载荷，使得构件在相同的初始状态下，经过相同时间的作用后，同时发生损坏，则可认为随机载荷与恒载荷对构件的总体损伤是等效的；为了便于摩擦片的疲劳寿命预测，根据线性疲劳损伤的等效原理，对摩擦片的随机载荷的等效当量载荷的计算公式推导如下：

构件在等幅应力(恒幅载荷)下的疲劳寿命N和应力幅值σ之间的关系，即应力-疲劳寿命曲线的关系式可表示为：

σ^mN＝C (1)

其中，C为常数，m为应力-疲劳寿命曲线中的负逆斜率；

在分级变幅应力作用下疲劳寿命由Miner损伤准则确定：

其中，σ_i为第i个等幅应力的应力幅值，N_i为σ_i下的理论疲劳寿命，σ_eq为等效等幅应力的应力幅值，N_eq为σ_eq下的理论疲劳寿命；

根据Miner公式和疲劳损伤等效原理，得到如下公式：

其中，j为正整数，n_i为σ_i下的实际载荷频次，将公式(2)和公式(3)代入公式(4)可得：

最终可得等效应力σ_eq为：

接下来结合试验举例具体计算n_i和

(1)处理得到试验载荷谱下的应力幅值σ_i及其对应的实际载荷频次n_i

由于摩擦片齿部受的载荷为随机载荷，在摩擦片动态强度试验台上对摩擦片的齿根部的应力进行了台架实验测量，如图1所示，当激振源旋转时，通过花键齿安装在内毂上的摩擦片随着内毂一起旋转，摩擦片的齿与内毂的齿相互碰撞从而产生冲击力；通过使内毂的工况与车辆的实际工况(如转速、扭振频率和转动惯量等)一致，从而获得摩擦片齿部的载荷；

为了更加精确的获取摩擦片齿部的载荷，如图2和3所示，沿摩擦片周向选取四个齿部，每个齿部设置一个测点，四个测试点分别记为测点A、B、C和D，在四个测点对应的齿底部安装应变片；然后，将布置有四个测点的摩擦片安装在摩擦片动态强度试验台的内毂上，将各个测点通过导线与测试信号传输减振装置连接，测试信号传输减振装置通过滑环与应变仪相连，测试时间为6.5s，将其作为一个循环，输出每个测点的应变信号，应变仪获取每个测点的应变信号后，经过PC机(即计算机)取平均并时域化处理得到整个摩擦片齿部的应力时域特征曲线(如图4所示)；随后对摩擦片齿部应力时域特征曲线进行当量载荷谱处理，如图5所示，得到载荷应力幅值与实际载荷频次之间关系的统计分析结果，由此可得，测试时间6.5s内所有应力幅值σ_i(根据经验一般选取20组数据，结合实际也可更多或更少)对应的实际载荷频次n_i，如下表1所示；

表1应力幅值σ_i与实际载荷频次n_i的关系分布表

σ<sub>i</sub>(MPa)	468	445	422	400	377	354	331	308	285
												n<sub>i</sub>	0	0	1	1	2	2	7	8	13
σ<sub>i</sub>(MPa)	262	240	217	194	171	148	125	102	79	57	34
												n<sub>i</sub>	15	27	52	102	208	428	813	1263	2049	3019	4221

(2)筛选出导致疲劳损伤的有效应力幅值

同时，还需要获得摩擦片的应力-疲劳寿命曲线数据；标准件的疲劳性能测试反映的是材料的疲劳性能，而实际的摩擦片需要考虑齿结构引起的应力集中效应，因此实验试样是从实际摩擦片截取12个齿结构进行拉伸疲劳实验，在疲劳实验中首先对直接切取的样品进行加载实验，发现会出现加持打滑，以及加载不平衡现象，对实验结果产生了很大的误差，因此，如图6和图7所示，在摩擦片试验件上设置加载孔，并制作与之对应的加载夹具，将设有加载孔的摩擦片通过两个加载夹具夹紧并通过销轴孔轴对应销接，再将加载夹具连接在摩擦片动态强度试验台上，得到如图8所示的试验结果；通过对摩擦片的应力-疲劳寿命曲线所对应的对数坐标系中的曲线进行最小二乘法拟合，得到公式(1)中m的数值，即m＝11.334。疲劳极限应力是一个应力幅值的阈值，当应力幅值低于疲劳极限应力时，不会发生损伤，而当应力幅值高于疲劳极限应力，则会产生疲劳损伤，称为有效应力幅值；定义疲劳寿命N＝10⁷所对应的应力值为疲劳极限应力，如图8所示，可得到摩擦片的疲劳极限应力等于263MPa。因此，表1中应力幅值低于263MPa所对应的数据不予考虑，只考虑产生疲劳损伤的有效应力幅值。测试时间6.5s内的有效应力幅值σ_i及对应的n_i的数值分布表如下表2所示：

表2有效应力幅值σ_i与实际载荷频次n_i的关系分布表

σ<sub>i</sub>(MPa)	468	445	422	400	377	354	331	308	285
										n<sub>i</sub>	0	0	1	1	2	2	7	8	13

(3)计算总疲劳寿命内有效应力幅值σ_i下的n_i和

摩擦片台架试验的疲劳断裂寿命时间为6180s，所以需要将表2中的实际载荷频次n_i乘以倍数6180/6.5，可得总疲劳寿命时间内(包括多个循环)有效应力幅值σ_i对应的载荷频次n_i，如表3所示。

表3总疲劳寿命时间内有效应力幅值σ_i与载荷频次n_i的关系分布表

结合表3及公式(6)，可得到等效应力σ_eq＝342.6MPa；

第二步：通过仿真计算评估不同喷丸强化速度对摩擦片齿部的影响：

基于python语言提供的随机函数，建立弹丸位置在空间随机分布的摩擦片齿部弹丸束喷丸仿真模型，进行真实的喷丸模拟过程，在此模型基础上研究喷丸工艺对摩擦片疲劳寿命的影响；

为了减少计算规模，如图9和10所示，摩擦片模型采用二维模型，且只包含一个齿，齿部具体尺寸和实际摩擦片结构一致，弹丸位置也采用随机分布函数；

接下来举例说明：

由于喷丸工艺参数包括：弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射距离、覆盖率等，其中任何一个参数的变化都会不同程度的影响喷丸强度，即影响强化的效果；而喷丸速度是影响喷丸残余应力分布的主要因素之一，在此以喷丸速度为例，弹丸的速度越高,喷丸强度越高，但并不是说速度越高，效果越好；随着喷丸速度的增加会引起粗糙度增加，进而导致疲劳寿命降低；而喷丸速度过低，表面层残余应力层不均匀，会导致喷丸强化效果不明显，因此应严格控制弹丸速度，现有喷丸机喷射的弹丸速度一般低于100m/s，基于此，仿真采用喷丸速度梯度为60m/s、80m/s、100m/s，研究其对摩擦片齿部表面特征的影响；

如图11-14所示，为摩擦片齿底部的表面状态和残余应力的分布，从计算结果可以看出，不同喷丸速度下，齿部的位移变形、Mise应力，塑性变形以及最能影响摩擦片齿部疲劳寿命的齿底残余应力的表面值都不一样，沿齿部深度方向的分布也都不一样；由此说明，不同的喷丸速度导致了摩擦片齿部表面状态明显的不一致，这会使得齿部的疲劳寿命产生差异，从而为下一步疲劳寿命评估奠定了基础；

第三步：将第一步中的等效当量载荷加载于第二步对应的喷丸强化工艺下的摩擦片齿部，评估不同喷丸强化工艺下摩擦片的疲劳寿命：

如图15所示，将等效应力σ_eq作为疲劳载荷加载于齿部，分别对其进行第二步中三种不同喷丸速度强化，以此作为三个实验组，将未强化的样品状态作为对照组，对四组分别进行仿真模拟计算，得到不同强化状态下的摩擦片疲劳寿命如下表4所示：

表4不同强化状态下的摩擦片的疲劳寿命频次

样品状态	等效应力疲劳寿命频次
		未强化	63100
60m/s喷丸速度强化	539148
		80m/s喷丸速度强化	296643
100m/s喷丸速度强化	118847

由上表可知，喷丸速度为60m/s时，摩擦片的疲劳频次最高，为539148次，对应的疲劳寿命也最高，选择其作为摩擦片的喷丸工艺；

基于此，即可评估得出：采用喷丸速度为60m/s的喷丸工艺对摩擦片进行喷丸强化的效果最好；将喷丸速度为60m/s喷丸强化后的摩擦片安装在摩擦片动态强度台上进行试验，统计其疲劳断裂寿命时间，不同编号的试验件试验后的试验结果如下表5所示：

表5不同编号的试验件喷丸处理后疲劳试验的结果

由上表可知，喷丸强化摩擦片的平均疲劳断裂寿命时间8082s，较未强化的摩擦片的疲劳断裂寿命时间提高了31％，获得了非常有效的疲劳寿命改善。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：根据摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷；

第二步：通过仿真计算评估不同喷丸强化工艺对摩擦片齿部的影响；

第三步：将第一步中的等效当量载荷加载于第二步对应的喷丸强化工艺下的摩擦片齿部，评估不同喷丸强化工艺下摩擦片的疲劳寿命。

2.如权利要求1所述的浮动支撑摩擦片喷丸强化评估方法，其特征在于，第一步中根据摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷包括以下步骤：

步骤一：由摩擦片的随机载荷计算其等效当量载荷的公式推导如下：

构件在等幅应力下的疲劳寿命N和应力幅值σ之间的关系，即应力-疲劳寿命曲线的关系式表示为：

σ^mN＝C (1)

其中，C为常数，m为应力-疲劳寿命曲线中的负逆斜率；

在分级变幅应力作用下疲劳寿命由Miner损伤准则确定：

其中，σ_i为第i个等幅应力的应力幅值，N_i为σ_i下的理论疲劳寿命，σ_eq为等效等幅应力的应力幅值，N_eq为σ_eq下的理论疲劳寿命；

根据Miner公式和疲劳损伤等效原理，得到如下公式：

其中，j为正整数，n_i为σ_i下的实际载荷频次，将公式(2)和公式(3)代入公式(4)得：

最终得等效应力σ_eq为：

步骤二：根据试验确定应力幅值σ_i和其对应的实际载荷频次n_i；

步骤三：筛选出导致疲劳损伤的有效应力幅值σ_i及其对应的实际载荷频次n_i；

步骤四：计算

并结合公式(6)计算等效应力σ_eq。

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