CN115712960A - 基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法及系统，首先选取马达制动器加载结构的优化对象，并分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型；建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，然后提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值。最后以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数。本优化方法及系统具有通用性、快速性和成本低等优点，对马达制动器的制动性能与可靠性具有重要意义。

Description

基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法及系统
技术领域
本发明属于制动器技术领域，具体涉及一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法及系统。
背景技术
制动器是液压马达中重要的部件之一，通常借助于摩擦过程来实现制动，其中湿式多盘制动器由于其制动力矩大、制动性能稳定、可靠耐久等优点得以应用。制动器加载结构是制动器中的关键结构，其直接影响摩擦片的加载压力分布，而摩擦片的加载压力分布影响制动过程中制动器所传递的扭矩的大小，同时会对其表面的温度场分布产生影响，然而，如果作用在摩擦片上的加载压力分布不合理，会使得摩擦片的表面温度分布不均匀，出现局部过热从而导致局部产生较大的热应力与热变形，温度场和应力场相互影响、相互作用，反之进一步加剧摩擦片表面温度的不均匀分布，循环往复后会进一步导致摩擦片出现翘曲变形、磨损严重、局部温度过高、油液易泄漏等失效问题，严重影响制动器的制动性能与使用寿命。因此，对制动器的加载结构进行优化设计显得尤为重要。
现有关于制动器设计的相关研究，主要集中在摩擦盘的温度场和应力场机理、分布规律和影响因素方面，针对摩擦片温度场的研究重点围绕其自身结构、材料和工艺的较多，大多研究从如何更好散热的角度出发，忽略了如何避免不均匀产热，对制动器加载结构的研究较为薄弱，然而对加载结构的优化设计是避免摩擦片表面的不均匀产热的有效实现方式。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，发明一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法及系统，通过优化碟簧的加载端直径和碟簧分布圆半径、制动器活塞凹槽的深度和宽度，获得理想的加载压力，使得加载过程中造成的摩擦片热变形和应力集中等问题得以解决，优化了制动器的设计过程。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法，该方法包括以下步骤：
S1：以马达制动器的摩擦片温度均匀分布为目标，选取马达制动器加载结构的优化对象，并分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型；
S2：建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值；
S3：根据步骤S2得到的半径和压力值，计算对应的马达制动器模型的摩擦片热流密度，以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数，实现马达制动器加载结构优化设计。
进一步地，步骤S1中，马达制动器加载结构的优化对象分别为：碟簧的加载端直径da、碟簧的分布圆半径rb、制动活塞凹槽的深度sc和制动活塞凹槽的高度hd，选取优化对象相关的不同结构参数，并进行排列组合，得到不同结构参数的马达制动器模型；
进一步地，步骤S2中，将马达制动器模型的几何模型导入ANSYS Workbench仿真平台，经过参数设置与仿真计算，得到对应几何模型的压力仿真结果；
进一步地，步骤S3中，热流密度q根据下式计算：
q＝μpwR
其中，μ为摩擦系数，p为压力值，w为角速度，R为半径，由于μ、w为常数，因此，需使pR趋近于恒定值，即可实现马达制动器加载机构的优化目标；
进一步地，步骤S3中，实际上pR是不断变化的，因此以pR的方差最小值为优化目标，为便于计算分析，令：
Xi,j＝pi,jRi,j
其中，Xi,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处的pR值，pi,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处压力值，Ri,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处半径，每个模型Mi均对应n个Xi,j值，计算Xi,j的方差大小来判断优化结构是否为最优，Xi,j的方差
Figure BDA0003950209640000021
可以通过下式计算：
Figure BDA0003950209640000022
Xi,j的方差
Figure BDA0003950209640000023
最小值为加载结构的优化目标，n为步骤S2中选取的一条半径上的n个点，
Figure BDA0003950209640000024
表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的n个点的均值；将不同结构参数的马达制动器模型依次计算得到不同的方差，最后对比所有方差，取方差的最小值对应的马达制动器模型作为最优结构。
另一方面，本发明还提供了一种实现基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法的马达制动器加载结构优化系统，该系统包括优化对象选择模块、压力仿真模块和最优模型选择模块；
所述优化对象选择模块用于以马达制动器的摩擦片温度均匀分布为目标，选取马达制动器加载结构的优化对象，并分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型；
所述压力仿真模块用于建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值；
所述最优模型选择模块用于根据压力仿真模块得到的半径和压力值，计算对应的马达制动器模型的摩擦片热流密度，以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数，实现马达制动器加载结构优化设计。
本发明的有益结果是：
1、等热流密度方法的应用使得摩擦片表面温度分布较为均匀，可以避免摩擦片的热变形和应力集中。
2、优化对象和优化目标的明确，使得优化过程层层递进、清晰明了，简易化处理且可操作性强，设计成本降低。
3、通过仿真平台的建模与参数设置，能够在短时间内快速实现不同类型马达制动器加载结构的批量优化，具有通用性和快速性。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实例进行详细地描述；
图1为一种基于等热流密度的制动器加载结构优化设计方法的流程图；
图2为某型号马达制动器的结构示意图；
图3为制动器上加载结构优化对象示意图(a.碟簧分布圆半径示意图；b.碟簧加载端大小以及制动活塞凹槽的深度及高度示意图)；
图4为摩擦片沿半径方向压力变化示意图；
图5为摩擦片沿半径方向温度变化示意图；
图6为一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化系统示意图；
附图中，主要附图标记如下：
进油口1，制动缸2，动摩擦片3，静摩擦片4，制动轴5，制动活塞6，碟簧7，导套8，盖板9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下，参照附图对本发明的内容进一步进行说明，本发明提供一种基于等热流密度的制动器加载结构优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：以马达制动器的摩擦片温度均匀分布为目标，选取马达制动器加载结构的优化对象，在某一具体实例下，本发明所优化的某型号马达制动器的结构如图2所示，本发明的优化对象分别为碟簧加载端直径da和碟簧的分布圆半径rb、制动活塞凹槽的深度sc和制动活塞凹槽的高度hd，如图3所示；分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型。
在上述某一具体实例下，具体结构参数分别为：碟簧的加载端直径da分别选取为32mm、64mm，碟簧的分布圆半径rb分别选取为50mm、52mm、54mm、56mm、58mm，制动活塞凹槽的深度sc分别选取为1.0mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm，和制动活塞凹槽的高度hd分别选取为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm，对所述不同结构参数进行排列组合，得到不同结构参数的马达制动器模型Mi，其中，i为第i个模型，根据所设置的参数个数不同可组合出m个制动器模型，其中，在上述某一具体实例下，m取值为200。
S2：建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值。
在上述某一具体实例下，首先建立马达制动器加载结构模型的几何模型，将该几何模型导入ANSYS Workbench仿真平台，对该模型中的优化对象da、rb、sc和hd按照所选取的结构参数进行批量化参数处理，可批量处理出m个几何模型的结构参数，在上述某一具体实例下，m为200；进而对仿真参数进行设置，在碟簧加载位置处给定一个加载力，然后开始仿真过程，可依次得到对应几何模型的仿真结果，对模型的仿真结果进行后处理，提取仿真结果中的所需参数，即几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，在其中任意选取一条半径上的n个点，整理选取的第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处的半径为Ri,j和压力值为pi,j，在上述某一具体实例下，n取值为8。
S3：根据步骤S2得到的半径和压力值，计算对应的马达制动器模型的摩擦片热流密度，以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数，实现马达制动器加载结构优化设计。
进一步地，热流密度q根据下式计算：
Figure BDA0003950209640000051
其中，Q为热量，A为截面面积，t为时间；热量Q根据下式计算：
Q＝Pt
其中，P为功率，根据下式计算：
P＝Ffv＝μpAwR
其中，μ为摩擦系数，p为压力值，w为角速度，R为半径；因此，热流密度q可由下式计算：
q＝μpwR
由于μ、w为常数，因此，需使pR趋近于恒定值，即可实现加载机构的优化目的；
实际上pR是不断变化的，因此可以认为pR的方差
Figure BDA0003950209640000052
最小值为本发明的优化目标，为便于计算分析，可令：
Xi,j＝pi,jRi,j
其中，Xi,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处的pR值，pi,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处压力值，Ri,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处半径，每个模型Mi均对应n个Xi,j值，计算Xi,j的方差大小来判断优化结构是否为最优，Xi,j的方差
Figure BDA0003950209640000058
可以通过下式计算：
Figure BDA0003950209640000053
Xi,j的方差
Figure BDA0003950209640000054
最小值为加载结构的优化目标，n为步骤S2中选取的一条半径上的n个点，
Figure BDA0003950209640000055
表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的n个点的均值；将不同结构参数的马达制动器模型依次计算得到不同的方差，最后对比所有方差，取方差的最小值对应的马达制动器模型作为最优结构。
在上述某一具体实例下，首先根据提取第一个马达制动器模型仿真结果中的摩擦片任一半径上n个点对应的半径为R1,j和压力值p1,j，得到X1,j＝p1,jR1,j，通过方差的计算公式可得到模型M1的方差
Figure BDA0003950209640000056
同理，重复此过程，依次提取第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处的pR值，计算得到模型的方差
Figure BDA0003950209640000057
如表1所示，列举了部分马达制动器模型的Xi,j的方差结果；最后对比所有方差，取方差的最小值对应的马达制动器模型作为最优结构，其最优结构参数分别为碟簧的加载端直径da＝64mm和碟簧的分布圆半径rb＝56mm、制动活塞凹槽的深度sc＝1mm和制动活塞凹槽的高度hd＝1.5mm；将优化前后马达制动器摩擦片任意一个半径上的压力分布进行对比，如图4所示，可以发现优化后制动器摩擦片上的压力分布趋向于理想压力分布，满足优化要求；进一步地，分别对优化前后的模型进行摩擦生热热固耦合仿真分析，得到摩擦片沿半径方向的温度变化，如图5所示，可以发现优化后的温度分布更均匀。
表1部分马达制动器模型方差结果示意表
Figure BDA0003950209640000061
另一方面，本发明还提供了一种实现基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法的马达制动器加载结构优化系统，该系统包括优化对象选择模块、压力仿真模块和最优模型选择模块，如图6所示。
所述优化对象选择模块用于以马达制动器的摩擦片温度均匀分布为目标，选取马达制动器加载结构的优化对象，并分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型；
所述压力仿真模块用于建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值；
所述最优模型选择模块用于根据压力仿真模块得到的半径和压力值，计算对应的马达制动器模型的摩擦片热流密度，以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数，实现马达制动器加载结构优化设计。
在上述某一具体实施例中，依据马达制动器加载结构优化系统各模块实现马达制动器加载结构优化设计。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：以马达制动器的摩擦片温度均匀分布为目标，选取马达制动器加载结构的优化对象，并分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型；
S2：建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值；
S3：根据步骤S2得到的半径和压力值，计算对应的马达制动器模型的摩擦片热流密度，以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数，实现马达制动器加载结构优化设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法，其特征在于，步骤S1中，马达制动器加载结构的优化对象分别为：碟簧的加载端直径、碟簧的分布圆半径、制动活塞凹槽的深度和制动活塞凹槽的高度，选取优化对象相关的不同结构参数，并进行排列组合，得到不同结构参数的马达制动器模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法，其特征在于，步骤S2中，将马达制动器模型的几何模型导入ANSYS Workbench仿真平台，经过参数设置与仿真计算，得到对应几何模型的压力仿真结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法，其特征在于，步骤S3中，热流密度q根据下式计算：
q＝μpwR
其中，μ为摩擦系数，p为压力值，w为角速度，R为半径，由于μ、w为常数，因此，需使pR趋近于恒定值，即可实现马达制动器加载机构的优化目标。
5.根据权利要求4所述的一种基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法，其特征在于，步骤S3中，实际上pR是不断变化的，因此以pR的方差最小值为优化目标，为便于计算分析，令：
Xi,j＝pi,jRi,j
其中，Xi,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处的pR值，pi,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处压力值，Ri,j表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的第j个点处半径，计算Xi,j的方差大小来判断结构是否为最优，Xi,j的方差
Figure FDA0003950209630000023
通过下式计算：
Figure FDA0003950209630000021
Xi,j的方差
Figure FDA0003950209630000024
最小值为加载结构的优化目标，n为步骤S2中选取的一条半径上的n个点，
Figure FDA0003950209630000022
表示第i个马达制动器模型中摩擦片上选取的n个点的均值；将不同结构参数的马达制动器模型依次计算得到不同的方差，最后对比所有方差，取方差的最小值对应的马达制动器模型作为最优结构。
6.一种实现权利要求1-5任一项所述的基于等热流密度的马达制动器加载结构优化方法的马达制动器加载结构优化系统，其特征在于，该系统包括优化对象选择模块、压力仿真模块和最优模型选择模块；
所述优化对象选择模块用于以马达制动器的摩擦片温度均匀分布为目标，选取马达制动器加载结构的优化对象，并分别对所优化对象选取相关的不同结构参数进行参数化建模，得到不同结构参数的马达制动器模型；
所述压力仿真模块用于建立不同结构参数的马达制动器模型的几何模型，并对其进行仿真和后处理，提取几何模型中摩擦片表面的压力仿真数据，选取任意一条半径上的若干个点，得到每个点对应的半径和压力值；
所述最优模型选择模块用于根据压力仿真模块得到的半径和压力值，计算对应的马达制动器模型的摩擦片热流密度，以热流密度趋近于恒值为优化目标，选择最优的马达制动器模型，得到对应马达制动器加载结构的优化对象的结构参数，实现马达制动器加载结构优化设计。
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