CN111766198B - 一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料摩擦试验领域，涉及一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法与装置，所述试验方法基于折叠摆结构，被试摩擦副材料压在折叠摆中间板上，在小幅激振下，该中间板作近似直线往复振动并在运动方向上具有接近于零的恢复刚度，通过测量作用到折叠摆中间板上的瞬时激振力和加速度响应便可获得被试摩擦副产生的动态摩擦力。所述装置是所述方法的一种实现和特例，包括支架、摩擦副、折叠摆、摩擦副压紧机构、激振机构及测控系统。折叠摆由一个正摆和一个倒摆连接而成，中间板用于承载被试摩擦副的法向正压力和切向激振力，本发明结构简单、测试精度高、测量的实时性好、可扩展性强，易于制造、适用于不同形状、不同材料的动态摩擦力试验。

Description

一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法与装置

技术领域

本发明属于材料摩擦测试领域，涉及一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法与装置

背景技术

材料动态摩擦力试验方法与装置在汽车振动噪声、非线性动力学，特别是汽车的摩擦异响机理研究中占有重要的地位。材料的摩擦异响往往是由摩擦材料的结构振动引起的，而摩擦材料的结构振动通常是由摩擦材料的动态摩擦力引起的。然而，传统的摩擦异响测试方法和装置主要集中在对摩擦噪声的测量上，由于通过摩擦噪声难以体现出摩擦运动副本质的特性，该类测试方法往往不利于对材料摩擦机理的研究。此外，传统的材料动态摩擦力试验方法与装置中激励往往为不可控或激励为匀速直线运动形式，不能很好的描述摩擦异响中常见的往复摩擦运动。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法与装置，以准确、实时测量材料动态摩擦力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法，该方法基于折叠摆结构，所述折叠摆结构包括正摆、倒摆、以及用于连接所述正摆与所述倒摆的中间板；所述中间板的切向为摩擦测试方向，记为X向；所述中间板的法向为摩擦副压紧方向，记为Z向；垂直于XZ平面的自由度记为Y向；所述摩擦副包括固定在中间板表面的第一摩擦件以及从Z向压紧在第一摩擦件上的第二摩擦件；还包括激振机构，驱动所述中间板以给定规律做往复振动；通过调整折叠摆的几何参数、质量分布调整折叠摆在X向刚度可忽略；试验条件确定时，通过激振机构施加到折叠摆中间板的动态力和折叠摆中间板在X自由度的加速度描述摩擦副之间的动态摩擦力。

可选的，所述折叠摆通过铰链悬挂于支撑架结构，正摆质量为m_p，长度为L_p；倒摆质量为m_i，长度为L_i，所述折叠摆的恢复刚度k＝m_pg/L_p-m_ig/L_i+γ，其中γ为铰链引入的等效刚度。

可选的，激振机构施加到折叠摆中间板的瞬态激振力为F_e、折叠摆的质量为m、折叠摆中间板X向瞬态加速度为a，由于折叠摆在测试方向的刚度k≈0，故，此时摩擦副之间的瞬态摩擦力F_r≈F_e-ma。

一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验装置，包括：支撑架结构；折叠摆机构，悬挂于支撑架结构，包括正摆、倒摆、以及用于连接所述正摆与所述倒摆的中间板，中间板的法向为摩擦副压紧方向，记为Z向；垂直于XZ平面的自由度记为Y向；激振机构，用于驱动所述中间板以给定规律做往复振动；摩擦副，包括固定在中间板表面的第一摩擦件以及从Z向压紧在第一摩擦件上的第二摩擦件；以及测量控制系统。

可选的，所述支撑架结构包括支座，分设在支座两侧的第一立柱与第二立柱；两端分别与第一立柱及第二立柱相连的连接梁；设置在第一立柱远离支座的一端上的水平横梁，设置在水平横梁上的上安装座以及设置在支座上的下安装座；所述中间板设置在连接梁上；所述正摆安装在上安装座内，所述倒摆安装在下安装座内。

可选的，所述支座下方设有用于调平的可调支脚。

可选的，所述折叠摆结构包括两组相同的正摆、连接正摆与倒摆的中间板、两组相同的倒摆、连接正摆与支撑架结构的铰链、以及固定在中间板上用于安装第一摩擦件的安装平台；两组正摆结构完全相同，在Y自由度前后分布，且前后正摆的中心线位于XZ平面；两组倒摆结构完全相同，在Y自由度前后分布，且前后正摆的中心线位于XZ平面。

可选的，所述压紧机构包括直线作动器、连接在其上的压杆、设置在压杆端部的压力传感器以及压头；第二摩擦件安装在压头的施压表面。

可选的，所述压头与压力传感器之间设有第一球铰，允许压力传感器与第二摩擦件的压头在XZ平面内扭转。

可选的，所述激振机构包括激振作动器、连接在其上的导杆、设置在导杆端部的动态力传感器；通过动态力传感器连接中间板。

可选的，所述动态力传感器与中间板之间设有第二球铰，允许动态力传感器与折叠摆中间板在XZ平面内做小幅扭转。

可选的，测量控制系统包括测量子系统和控制子系统；所述测量子系统由动态力传感器、加速度传感器和压力传感器构成。其中动态力传感器用于测量激振机构施加到折叠摆中间板的动态力；加速度传感器用于测量折叠摆中间板的瞬态加速度；压力传感器用于测量压紧机构施加到摩擦副的实时压紧力；控制子系统为连接至压紧机构及激振机构的工业控制计算机和功率放大器。

可选的，为减轻整体装置质量，在保证支撑架刚度的前提下，所述第一立柱与第二立柱为空心；支座、第一立柱、第二立柱、水平横梁、连接梁均开有孔。

本发明的有益效果在于：

1、本发明可以实时、准确的测量摩擦副的动态摩擦力；

2、本发明折叠摆中间板在平衡位置附件在动态摩擦力测试方向具有接近于零的刚度，且在其他两个自由度保持很大的刚度；

3、本发明的折叠摆中采用柔性铰链作为扭转运动副，从而避免和减小折叠摆在测试过程中的摩擦损耗。

4、折叠摆配合柔性铰链和双摆臂结构使折叠摆成为一个平面运动机构。

4、本发明的摩擦副可更换；本发明压紧力的规律可控、可调；本发明的激振规律可控、可调。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法原理图；

图2为基于折叠摆的材料动态摩擦力试验装置的正视图；

图3为图2的另一视角示意图；

图4为测量控制系统示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-图4，附图中的元件标号分别表示：支撑架结构1、正摆2、中间板3、倒摆4、铰链5、第一摩擦件6、第二摩擦件7、激振机构8、压紧机构9、可调支脚10、支座11、第一立柱12、第二立柱13、水平纵梁14、水平横梁15、矩形板16、支撑板17、上安装座18.1、下安装座18.2、连接梁19、两组相同的正摆21、中间板22、右侧两组相同的倒摆23、柔性铰链24、正摆下方支座25，倒摆上方支座26，安装平台27、加速度传感器28、直线作动器31、直线作动器安装平台32、压杆33、压力传感器34、第一球铰35、压头36、激振作动器安装平台41、激振作动器42、细长导杆43、动态力传感器44、第二球铰45、第一摩擦件51、第二摩擦件52、功率放大器61、工业控制计算机62。

本发明提供如下试验方法：该方法基于折叠摆结构，折叠摆由正摆2和倒摆4通过中间板3连接而成。折叠摆通过铰链5悬挂于支撑架结构1。正摆2与中间板3、中间板3与倒摆4之间亦通过铰链5连接。摩擦测试中折叠摆配置为一个平面运动机构。中间板3切向为摩擦测试方向，记为X；中间板3法向为摩擦副的压紧方向，记为Z；垂直于XZ平面的自由度记为Y。

所测试的摩擦副由第一摩擦件6和第二摩擦件7构成。第一摩擦件6固定在中间板3表面；第二摩擦件7通过压紧机构9从Z向压紧第一摩擦件6；压紧机构9为被试摩擦副提供可控的Z向压紧力并在试验期间维持压紧力为设定常量；激振机构8在X向驱动折叠摆中间板3按照任意给定规律做往复振动。

若折叠摆正摆2质量为m_p，长度为L_p；倒摆4质量为m_i，长度为L_i，对于小幅激振，折叠摆在X向的恢复刚度k＝m_pg/L_p-m_ig/L_i+γ，其中γ为铰链5等引入的等效刚度。可见，通过调整折叠摆的几何参数、质量分布和铰链5等效刚度，折叠摆可以在X自由度实现接近于零的恢复刚度。作为特例，当m_p＝m_i、L_p＝L_i，且γ接近于零时，k≈0。

进一步的，折叠摆在Z向具有很大的刚度；在小幅激振下，激振机构8施加到折叠摆中间板的瞬态激振力为F_e、折叠摆的质量为m、折叠摆中间板X向瞬态加速度为a。由于折叠摆在测试方向的刚度k≈0，故，此时摩擦副之间的瞬态摩擦力F_r≈F_e-ma；摩擦副的动态摩擦力F_r可以通过测量激振机构8施加到折叠摆中间板3的动态力F_e和折叠摆中间板的X向实时加速度a获得。

本发明提供如下试验装置：

材料动态摩擦力试验装置是材料动态摩擦力试验方法的一种实现和特例。该装置由支撑架结构1、折叠摆结构、摩擦副压紧机构9、激振机构8、摩擦副和测控系统构成。压紧机构9按照给定压紧力在Z向压紧第一摩擦件51，同时激振机构8按照给定规律推动折叠摆在X向做水平往复运动，从而实现安装在折叠摆的第二摩擦件52与安装在压紧子系统的第一摩擦件51之间的往复直线摩擦，通过测控系统获得摩擦件之间实时的动态摩擦力。

进一步的，支撑架结构1，由可调支脚10、支座11、第一立柱12、第二立柱13、水平纵梁14、水平横梁15、矩形板16、支撑板17、上安装座18.1、下安装座18.2、连接梁19构成，其中可调支脚10用于设备调平。为了在保证支撑架刚度的前提下，减小质量，支座11、第一立柱12、第二立柱13、水平纵梁14、水平横梁15、支撑板17、连接梁19均开有孔。支撑架结构整体为可拆卸形式，以方便安装和运输；

进一步的，折叠摆结构由左侧两组相同的正摆21、中间板22、右侧两组相同的倒摆23、柔性铰链24、连接正摆与中间板的支座25，连接倒摆与中间板的支座26、第一摩擦件的可更换安装平台27组成。第一摩擦件的安装平台27固定于中间板22表面中央，为可拆卸形式，方便第一摩擦件的更换。两组正摆21结构完全相同，在Y自由度前后分布，且前后正摆的中心线位于XZ平面；两组倒摆23结构完全相同，在Y自由度前后分布，且前后正摆的中心线位于XZ平面。通过两组正摆、两组倒摆的双摆臂结构可以增大折叠摆在Y自由度的刚度、增加稳定性。折叠摆结构在支撑架上有两个悬挂点：左上角的折叠摆正摆悬挂在上安装座18.1；右下角的折叠摆倒摆悬挂在下安装座18.2。

在小幅激振下，材料动态摩擦力试验装置的中间板作近似直线往复振动并在运动方向X具有接近于零的恢复刚度；材料动态摩擦力试验装置的折叠摆在Z向具有很大的刚度。

进一步的，基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法与装置采用薄钢板制成的柔性铰链24作为扭转运动副。将柔性铰链24在X向的刚度设计为接近于零，从而避免和减小折叠摆在激振方向X运动时引入的摩擦扭矩、摩擦振动和摩擦噪声；同时将柔性铰链24的垂向刚度Z设计为很大、将Y自由度刚度设计为较大的形式；折叠摆的柔性铰链24结构配合两组正摆21、两组倒摆23的双摆臂结构，确保测试时，折叠摆在Y自由度具有很大的刚度，使折叠摆成为一个平面运动机构。

进一步的，摩擦副压紧机构由直线作动器31、直线作动器安装平台32、压杆33、压力传感器34、第一球铰35、压头36构成。第二摩擦件的可更换压头36为可拆卸形式，方便第二摩擦件的更换。第二摩擦件安装在压头36下方。第一球铰35允许压力传感器34与第二摩擦件的压头36在XZ平面内做小幅扭转。

进一步的，激振机构由激振作动器安装平台41、激振作动器42、细长导杆43、动态力传感器44、第二球铰45构成。第二球铰45允许动态力传感器44与折叠摆中间板22在XZ平面内做小幅扭转。

进一步的，摩擦副由第一摩擦件51和第二摩擦件52构成。第一摩擦件51安装在可更换安装平台27的上表面；其中第二摩擦件52安装在压头36下方。

进一步的，测控系统可以进一步分为测量子系统和控制子系统。测量子系统由动态力传感器44、加速度传感器28、压力传感器34和计算机62构成。控制子系统由计算机62、功率放大器61、激振作动器42、压紧作动器31构成。其中动态力传感器44安装在细长导杆43和球铰45之间，用于实时测量激振机构施加到折叠摆的X向动态力；加速度传感器28安装在折叠摆中间板22上，用于实时测量折叠摆中间板55的X向加速度；压力传感器34安装在压杆33末端和第一球铰35之间，用于测量压紧机构施加到摩擦副的Z向压紧力。计算机62通过功率放大器61和激振作动器42输出给定实时激振位移；压紧作动器31按照计算机62输出到功率放大器61的给定信号输出稳定压紧力；计算机62一方面从测量子系统输入被测信号、进行相关数据处理，另一方面按照要求向控制系统发出控制指令。

进一步的，压紧作动器31为被试摩擦副提供可控的Z向压紧力并在试验期间维持压紧力为设定常量；激振作动器42按照任意给定规律驱动折叠摆中间板做往复振动；通过动态力传感器44和加速度传感器28的测量信号可以实时、准确的获得当前摩擦副的动态摩擦力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验装置，其特征在于，包括：

支撑架结构，所述支撑架结构包括支座，分设在支座两侧的第一立柱与第二立柱；两端分别与第一立柱及第二立柱相连的连接梁；设置在第一立柱远离支座的一端上的水平横梁，设置在水平横梁上的上安装座以及设置在支座上的下安装座；

折叠摆机构，悬挂于支撑架结构，包括正摆、倒摆、以及用于连接所述正摆与所述倒摆的中间板，中间板的法向为摩擦副压紧方向，记为Z向；垂直于XZ平面的自由度记为Y向；

所述中间板设置在连接梁上；所述正摆安装在上安装座内，所述倒摆安装在下安装座内；

所述折叠摆机 构包括两组相同的正摆、连接正摆与倒摆的中间板、两组相同的倒摆、连接正摆与支撑架结构的铰链、以及固定在中间板上用于安装第一摩擦件的安装平台；两组正摆结构完全相同，在Y自由度前后分布，且前后正摆的中心线位于XZ平面；两组倒摆结构完全相同，在Y自由度前后分布，且前后正摆的中心线位于XZ平面；

摩擦副压紧机构，所述摩擦副压紧机构包括直线作动器、连接在其上的压杆、设置在压杆端部的压力传感器以及压头；第二摩擦件安装在压头的施压表面；

激振机构，用于驱动所述中间板以给定规律做往复振动；所述激振机构包括激振作动器、连接在其上的导杆、设置在导杆端部的动态力传感器；通过动态力传感器连接中间板；

摩擦副，包括固定在中间板表面的第一摩擦件以及从Z向压紧在第一摩擦件上的第二摩擦件；

以及测量控制系统。

2.如权利要求1中所述的基于折叠摆的材料动态摩擦力试验装置，其特征在于，所述支座下方设有用于调平的可调支脚。

3.如权利要求1中所述的基于折叠摆的材料动态摩擦力试验装置，其特征在于，测量控制系统包括测量子系统和控制子系统；所述测量子系统由动态力传感器、加速度传感器和压力传感器构成；其中动态力传感器用于测量激振机构施加到折叠摆中间板的动态力；加速度传感器用于测量折叠摆中间板的瞬态加速度；压力传感器用于测量摩擦副压紧机构施加到摩擦副的实时压紧力；控制子系统为连接至摩擦副压紧机构及激振机构的工业控制计算机和功率放大器。

4.一种基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法，其特征在于，

该方法基于权利要求1-3任一项中所述的基于折叠摆的材料动态摩擦力试验装置，通过调整折叠摆的几何参数、质量分布调整折叠摆在X向刚度可忽略；

试验条件确定时，通过激振机构施加到折叠摆中间板的动态力和折叠摆中间板在X自由度的加速度描述摩擦副之间的动态摩擦力。

5.如权利要求4中所述的基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法，其特征在于，所述折叠摆通过铰链悬挂于支撑架结构，正摆质量为

，长度为

；倒摆质量为

，长度为

，所述折叠摆的恢复刚度

，其中

为铰链引入的等效刚度。

6.如权利要求4中所述的基于折叠摆的材料动态摩擦力试验方法，其特征在于，激振机构施加到折叠摆中间板的瞬态激振力为Fe、折叠摆的质量为m、折叠摆中间板X向瞬态加速度为a，由于折叠摆在测试方向的刚度，故，此时摩擦副之间的瞬态摩擦力Fr≈Fe-ma。

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