CN116151030B - 一种马达制动器低温升的结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种马达制动器低温升的结构优化方法，采用从整体到局部的优化思想，首先，建立制动器扭矩损失和温升的理论数学模型，选取马达制动器摩擦片间隙为优化对象，优化目标是在满足结构设计紧凑性要求的同时，可以整体大幅度降低马达制动器的扭矩损失及温升；其次，建立制动器流固热耦合仿真模型对摩擦片进行局部优化，优化对象是摩擦片的油槽尺寸参数，优化目标是实现局部马达制动器的扭矩损失及温升的降低；最后得到对应马达制动器优化对象的结构参数。本优化方法具有通用性、快速性和成本低等优点，可以降低马达制动器制动工况下发生热失稳及热失效现象的概率。

Description

一种马达制动器低温升的结构优化方法

技术领域

本发明属于制动器技术领域，具体涉及一种马达制动器低温升的结构优化方法。

背景技术

马达制动器是内曲线液压马达的重要部件之一。由于内曲线液压马达高功率密度的特点，与之相配的马达制动器需要在紧凑的空间内提供更大的制动力矩，这对马达制动器的设计提出了挑战。为了满足马达制动性能和结构尺寸要求，所设计的马达制动器摩擦副众多，结构紧凑、摩擦副间隙极小。这种结构在非制动时会造成较大的扭矩损失，损失的能量转换为温升，温度升高会导致摩擦副的摩擦系数降低。此外制动前的初始温度过高，在制动时湿式制动器易发生热失效现象，严重影响制动器的制动性能与使用寿命。因此，通过对马达非制动工况下的扭矩损失及温升进行优化至关重要。

在前人的研究中，主要集中在对制动器的制动特性进行研究，如制动工况下的温度场、压力场等特性进行研究，通过多场耦合分析优化制动器结构及温度分布特性，部分研究对制动器摩擦片自身材料和工艺进行优化以提高制动器的制动性能。大多研究从制动过程中如何更好散热来降低温度的角度出发，忽略了如何降低非制动工况下的扭矩损失及初始制动温度，然而对马达非制动工况下的扭矩损失及温升优化设计是避免摩擦片热失效的有效实现方式。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种马达制动器低温升的结构优化方法，采用从整体到局部的优化思想，通过建立制动器扭矩损失和温升的理论数学模型及流固热耦合模型，对摩擦片间隙值及油槽尺寸参数进行优化，达到马达制动器的扭矩损失及温升的降低的优化目标，低马达制动器制动工况下发生热失稳及热失效现象的发生概率，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来实现的：一种马达制动器低温升的结构优化方法，该方法包括以下步骤：

S1：选取马达制动器摩擦副间隙为优化对象，建立制动器扭矩损失和温升理论数学模型，计算马达制动器制动工况下的初始温升，综合考虑初始温升和马达制动器紧凑性要求，获得最优的摩擦片间隙值；

S2：根据步骤S1得到摩擦片间隙值后，建立制动器摩擦片流固热多场耦合模型，选取马达制动器摩擦片油槽尺寸参数为优化对象，并对所优化对象选取相关的不同参数进行参数化几何建模，导入到流固热耦合模型中，获得最优的油槽尺寸参数，实现马达制动器非制动工况下扭矩损失及温升的结构优化。

进一步地，步骤S1中，基于牛顿内摩擦定律及传热学知识，建立制动器扭矩损失和温升数学模型，建模步骤如下：

S1-1：马达制动器在非制动工况下处于分离状态，根据牛顿内摩擦定律，选取一个摩擦片和对偶钢片为研究对象，建立摩擦扭矩数学模型；

S1-2：基于摩擦扭矩计算马达制动器的摩擦功率损失，并计算对流换热功率，进而计算得到稳态温度；

S1-3：采用迭代算法计算马达制动器的摩擦扭矩和稳态温度，对摩擦片间隙值进行优化，降低扭矩损失及温升。

进一步地，步骤S1-1中，建立摩擦扭矩数学模型过程具体如下：

摩擦片以角速度ω运动，对偶钢片不动，摩擦副的有效内半径为R₁，外半径为R₂，摩擦片与对偶钢片平行放置，且与制动轴轴心垂直，摩擦片与对偶钢片间距为h，在摩擦副任意位置取一微元，微元与摩擦副中心距离为r，此摩擦副的摩擦扭矩为：

；

式中，μ为流体的动力黏度，Ω为摩擦片与对偶钢片接触面积范围；ω为马达制动器制动轴转速的角速度；

马达制动器有n个摩擦副，第i个摩擦副的间距为h_i，整个马达制动器的摩擦扭矩数学模型为：

；

式中，T为马达制动器的总摩擦扭矩；每个摩擦副的间隙不一定相同，选取随机正态分布的间隙模型来计算整个马达制动器的摩擦扭矩。

进一步地，步骤S1-2中，马达制动器的摩擦功率损失Q_s为：

。

进一步地，步骤S1-2中，对流换热功率为：

；

式中，A为对流换热面积；h为外表面传热系数；t_w为湿式制动器稳态温度；t_h为环境温度。

进一步地，步骤S1-2中，稳态温度计算过程如下：

稳态时，马达制动器的摩擦损失功率等于外表面的对流换热功率，即：

；

稳态温度t_w为：

。

进一步地，步骤S1-3中，设定初始温度和稳态温度的差值阈值，当小于阈值时，迭代过程结束，获得真实的稳态温度。

进一步地，步骤S2中，选取油槽数目n和油槽宽度w作为优化对象，对不同油槽尺寸参数进行几何建模，通过流固热耦合模型进行仿真计算，确定最优的摩擦片油槽结构参数。

进一步地，摩擦片径向油槽尺寸参数满足以下公式：

；

式中，S_c为径向油槽总面积；l为径向油槽长度；w为油槽数目；k为油槽数目。

本发明的有益结果是：

1、降低马达制动器在非制动工况下的扭矩损失和温升，可降低制动工况的初始温度，马达制动器摩擦副众多，结构紧凑、摩擦副间隙极小，在非制动时会造成较大的扭矩损失，损失的能量转换为热量，产生温升，该温度为制动工况的初始温度，在马达制动时，摩擦副表面滑动摩擦产生热量，温度在初始温度的基础上升高，温度过高会导致马达制动器发生热失效现象。降低制动工况的初始温度可有效减少马达制动器在制动时热失效现象的产生。

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摩擦片的批量优化，具有通用性和快速性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为一种马达制动器低温升的结构优化方法的流程图。

图2为某型号马达制动器的结构示意图。

图3为马达制动器摩擦扭矩及稳态温度计算流程图。

图4为摩擦片摩擦扭矩计算模型示意图。

图5为稳态温度随间隙变化曲线图。

图6为摩擦片径向油槽结构示意图。

图7为不同油槽尺寸参数的温升对比示意图。

附图中，附图标记如下：

1-制动缸，2-制动活塞，3-制动弹簧，4-后盖，5-制动轴，6-摩擦片，7-对偶钢片。

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，本发明提供一种马达制动器低温升的结构优化方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：选取马达制动器摩擦片间隙为优化对象，建立制动器扭矩损失和温升理论数学模型，计算马达制动器制动工况下的初始温升，以降低马达制动器扭矩损失及初始温升为优化目标，综合考虑初始温升和马达制动器紧凑性要求，满足马达制动器紧凑性要求的同时，获得最优的摩擦片间隙值。

基于牛顿内摩擦定律及传热学知识，建立制动器扭矩损失和温升数学模型，主要建模步骤如下：

S1-1：马达制动器在非制动工况下处于分离状态，根据牛顿内摩擦定律，选取一个摩擦片和对偶钢片为研究对象，建立摩擦扭矩数学模型，其中摩擦片以角速度ω运动，对偶钢片不动，摩擦副的有效内半径为R₁，外半径为R₂，假设摩擦片与对偶钢片平行放置，且与制动轴轴心垂直，摩擦片与对偶钢片间距为h，在摩擦副任意位置取一微元，微元与摩擦副中心距离为r，此摩擦副的摩擦扭矩为：

式中，μ为流体的动力黏度，Ω为摩擦片与对偶钢片接触面积范围。

马达制动器有多个摩擦副，设有n个摩擦副，第i个摩擦副的间距为h_i，整个马达制动器的摩擦扭矩数学模型为：

每个摩擦副的间隙不一定相同，选取随机正态分布的间隙模型来计算整个马达制动器的摩擦扭矩。

S1-2：马达制动器的摩擦功率损失Q_s为：

式中，T为马达制动器的总摩擦扭矩；ω为马达制动器制动轴转速；

对流换热功率为：

式中，A为对流换热面积；h为外表面传热系数；t_w为湿式制动器稳态温度；t_h为环境温度。

稳态时，马达制动器的摩擦损失功率等于外表面的对流换热功率，即：

稳态温度t_w为：

S1-3：温度上升使得油液的黏度发生变化，黏度发生变化又会使得马达制动器摩擦扭矩的变化，这又反过来影响温升和油液黏度，所以在计算过程中考虑油液的黏温特性。由于油液的黏温特性，摩擦扭矩和温度相互影响，因此采用迭代算法计算马达制动器的摩擦扭矩和稳态温度，通过该模型对摩擦片间隙值进行优化，将摩擦副不同的间隙值输入到间隙分布模型中，设定初始温度t₀，根据黏温特性方程和间隙分布模型，计算得到马达制动器的摩擦扭矩，再通过摩擦损失功率及热平衡模型，可以获得稳态的温度t_w，当初始温度和稳态温度的差值大于0.1，说明该模型还没有稳定，此时的稳态温度不是真实的，需要继续迭代，当初始温度和稳态温度的差值小于0.1时，说明该迭代过程结束，此时模型达到稳定状态，可以获得真实的稳态温度。实现降低扭矩损失及温升的目标。

S2：根据步骤S1得到摩擦片间隙值后，为了进一步降低马达制动器的扭矩损失及温升，建立制动器摩擦片流固热多场耦合模型，选取马达制动器摩擦片油槽尺寸参数为优化对象，并对所优化对象选取相关的不同参数进行参数化几何建模，将模型导入到流固热耦合模型中，获得最优的油槽尺寸参数，实现马达制动器非制动工况下扭矩损失及温升的结构优化。

摩擦片径向油槽尺寸参数满足以下公式：

式中，S_c为径向油槽总面积；l为径向油槽长度；w为油槽数目；k为油槽数目；

由上式表明，当径向油槽总面积S_c和径向油槽的长度l的值确定，油槽数目k和油槽宽度w乘积是一定值，选取以上两个参数作为优化对象，对不同油槽参数进行流场建模，通过流固热耦合模型进行仿真计算，获得最优的油槽参数组合，确定最优的摩擦片油槽结构参数。

本发明提供的一个具体实例，具体包括如下步骤：

S1：以降低马达制动器扭矩损失及初始温升为目标，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，高压油液通过进油口进入制动活塞2与制动缸1形成的密封腔室，高压油液推动制动活塞2克服安装在制动活塞2与后盖4之间的制动弹簧3的压紧力，摩擦片6和对偶钢片7分离，此时马达制动器处于解除制动状态（非制动状态）。当高压油腔泄压时，在弹簧力的作用下，制动活塞2压紧摩擦副，摩擦片6和对偶钢片7接触产生摩擦力矩实现制动轴5的制动。基于牛顿内摩擦定律及传热学知识，建立制动器扭矩损失和温升数学模型，选取马达制动器摩擦片间隙为优化对象，在不同制动轴转速下，采用迭代算法计算不同摩擦片间隙对应的扭矩损失和温升的变化趋势，迭代流程图如图3所示，获得最优的摩擦片间隙值，通过优化摩擦片间隙大幅度降低了马达制动器的扭矩损失及温升。

在上述某一具体实例下，取其中一个摩擦片和对偶钢片为研究对象，建立如图4所示的摩擦扭矩模型，具体结构参数分别为：摩擦片角速度ω为15rad/s，对偶钢片不动，摩擦副的有效内半径为R₁为60mm，外半径为R₂为80mm，摩擦副数目k为20，环境温度为25℃。对采用正态分布的摩擦副间隙值的平均值选取0.01mm、0.03mm、0.05mm、0.07mm、0.09mm，在100rpm的转速下的扭矩损失及温升如图5所示，图中可以看出，随着摩擦副平均间隙的增大，稳态温度随之降低，马达制动器的轴向尺寸增大，当平均间隙增大到0.05mm，此后每增大0.01mm的间隙值，温升降低值在8%内，下降幅度较小，但轴向结构尺寸持续增大，综合考虑温升及马达制动器结构的紧凑性，选取平均间隙值为0.05mm为某型号马达制动器摩擦片的最优间隙值。某型号马达制动器的最优摩擦片间隙值为0.05mm，该间隙值可以满足马达设计紧凑性要求，同时实现降低扭矩损失及温升的目标。

S2：根据步骤S1得到摩擦片间隙值后，为了进一步降低马达制动器的扭矩损失及温升，建立制动器摩擦片流固热多场耦合模型，选取马达制动器摩擦片油槽尺寸参数为优化对象，对所优化对象选取相关的不同参数进行参数化几何建模，如图6所示，将模型进行流固热耦合分析，首先对模型进行网格划分，将划好的网格导入到CFD分析模块。在此模块进行以下设置：能量方程用于计算温度场；选择层流的流动形式；设置流体和固体的物性参数，自定义流体黏度随温度变化的表达式；设置固体域中摩擦片旋转速度，以及各部分边界条件；最后对模型初始化求解，得到摩擦片表面的温度，进而获得最优的油槽尺寸参数，实现马达制动器非制动工况下扭矩损失及温升的结构优化。

当摩擦片表面接触压力为18MPa时，油槽总面积S_c为1026mm²，当径向油槽长度l为25mm时，油槽数目k和油槽宽度w乘积是一定值，合理设置油槽参数作为优化变量的取值，之后对不同油槽参数进行流场建模，通过流固热耦合模型进行仿真计算。径向槽尺寸设计变量如表1所示。

表1 径向槽尺寸设计变量表

利用流固热耦合模型对上述六种油槽方案进行仿真分析，摩擦副间隙取步骤S1优化结果为0.05 mm。仿真结果温升对比如图7所示。从图中可以看出，模型4的结果最优，此时的油槽为：径向槽数为8，槽宽为5.13 mm。

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 (7)

1.一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：选取马达制动器摩擦副间隙为优化对象，建立制动器扭矩损失和温升理论数学模型，计算马达制动器制动工况下的初始温升，综合考虑初始温升和马达制动器紧凑性要求，获得最优的摩擦片间隙值；基于牛顿内摩擦定律及传热学知识，建立制动器扭矩损失和温升数学模型，建模步骤如下：

S1-1：马达制动器在非制动工况下处于分离状态，根据牛顿内摩擦定律，选取一个摩擦片和对偶钢片为研究对象，建立摩擦扭矩数学模型，具体如下：

摩擦片以角速度ω运动，对偶钢片不动，摩擦副的有效内半径为R₁，外半径为R₂，摩擦片与对偶钢片平行放置，且与制动轴轴心垂直，摩擦片与对偶钢片间距为h，在摩擦副任意位置取一微元，微元与摩擦副中心距离为r，此摩擦副的摩擦扭矩为：

式中，μ为流体的动力黏度，Ω为摩擦片与对偶钢片接触面积范围；ω为马达制动器制动轴转速的角速度；

马达制动器有n个摩擦副，第i个摩擦副的间距为h_i，整个马达制动器的摩擦扭矩数学模型为：

式中，T为马达制动器的总摩擦扭矩；每个摩擦副的间隙不一定相同，选取随机正态分布的间隙模型来计算整个马达制动器的摩擦扭矩；

S1-2：基于摩擦扭矩计算马达制动器的摩擦功率损失，并计算对流换热功率，进而计算得到稳态温度；

S1-3：采用迭代算法计算马达制动器的摩擦扭矩和稳态温度，对摩擦片间隙值进行优化，降低扭矩损失及温升；

S2：根据步骤S1得到摩擦片间隙值后，建立制动器摩擦片流固热多场耦合模型，选取马达制动器摩擦片油槽尺寸参数为优化对象，并对所优化对象选取相关的不同参数进行参数化几何建模，导入到流固热耦合模型中，获得最优的油槽尺寸参数，实现马达制动器非制动工况下扭矩损失及温升的结构优化。

2.根据权利要求1所述的一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，步骤S1-2中，马达制动器的摩擦功率损失Q_s为：

Q_s＝Tω。

3.根据权利要求2所述的一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，步骤S1-2中，对流换热功率Φ为：

Φ＝AJ(t_w-t_h)；

式中，A为对流换热面积；J为外表面传热系数；t_w为湿式制动器稳态温度；t_h为环境温度。

4.根据权利要求3所述的一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，步骤S1-2中，稳态温度计算过程如下：

稳态时，马达制动器的摩擦损失功率等于外表面的对流换热功率，即：

Q_s＝Φ；

稳态温度t_w为：

5.根据权利要求1所述的一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，步骤S1-3中，设定初始温度和稳态温度的差值阈值，当小于阈值时，迭代过程结束，获得真实的稳态温度。

6.根据权利要求1所述的一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，步骤S2中，选取油槽数目n和油槽宽度w作为优化对象，对不同油槽尺寸参数进行几何建模，通过流固热耦合模型进行仿真计算，确定最优的摩擦片油槽结构参数。

7.根据权利要求1所述的一种马达制动器低温升的结构优化方法，其特征在于，摩擦片径向油槽尺寸参数满足以下公式：

S_c＝lwk；

式中，S_c为径向油槽总面积；l为径向油槽长度；w为油槽数目；k为油槽数目。