太阳城集团

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一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法.pdf

摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201310589181.1

申请日:

2013.11.20

公开号:

CN103630275A

公开日:

2014.03.12

当前法律状态:

终止

有效性:

无权

法律详情: 未缴年费专利权终止IPC(主分类):G01L 1/22申请日:20131120授权太阳城集团日:20160406终止日期:20161120|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01L 1/22申请日:20131120|||公开
IPC分类号: G01L1/22 主分类号: G01L1/22
申请人: 北京航空航天大学
发明人: 王延忠; 魏彬; 郭超; 吴向宇; 李圆
地址: 100191 北京市海淀区学院路37号
优先权:
专利代理机构: 代理人:
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法律状态
申请(专利)号:

CN201310589181.1

授权太阳城集团号:

|||||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.07.31|||2016.04.06|||2014.04.09|||2014.03.12

法律状态类型:

专利权的终止|||授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法,首先分析摩擦副的加工工艺要求及加载结构特性,然后根据加载结构的特点在对偶片上确定盲孔的分布及尺寸,最后通过对盲孔的应变测量获得摩擦副在该区域的接触压力。本发明能够实现摩擦副接触压力的静动态测试,在不改变摩擦副表面接触状态的前提下,实现了接触压力的静动态测试,在确定了摩擦副精确压力边界条件的同时,为摩擦副动态设计提供了理论依据。

权利要求书

权利要求书
1.  一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法,其特征在于实现步骤如下:
步骤一、分析摩擦副工作状态下的工况条件及摩擦副的加载结构特点,获得摩擦副的几何尺寸,按照所要测量的摩擦副的工艺性要求确定摩擦副接触表面的粗糙度要求和表面平面度的加工要求;
步骤二、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构特点,加载特点等建立摩擦副三维仿真模型,对三维模型进行多方向压力载荷的有限元仿真,为接触压力测试提供理论基础和数值范围的预测;
步骤三、根据步骤二中分析获得的摩擦副的加载结构特点和摩擦副的几何尺寸确定摩擦副对偶片上的测量点的位置分布及测点数量N;分析获得的摩擦片弹性模量和泊松比的要求,结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片厚度、应变片尺寸及测量精度要求确定出盲孔的直径D及孔深H,确定方法如下:
盲孔直径D应根据应变片尺寸选择常用的Φ10mm或者Φ12mm,由于需要测量孔底应变获得接触应力,孔底部的厚度应控制在1mm,若假设钢片厚度为B,这样孔的深度H可以表示为B=H-1。
步骤四、按照步骤三获得的盲孔尺寸及分布加工盲孔,并且精铣盲孔底面,用来粘贴应变片,盲孔底面的大小应大于应变片的大小,根据对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和H在对偶片非接触表面加工盲孔,盲孔底部粗糙度应该小于1.6μm,平面度 小于0.04;
步骤五、根据步骤二的仿真结果初步确定摩擦副接触表面的应力范围,并根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,所述主要参数包括应变片的初始电阻,灵敏系数和应变极限,通过主要参数获得应变片选择的依据;
步骤六、通过步骤五选取并获得合适的测量应变片,将适应于仿真所得的应变量程的应变片贴于盲孔底部加工的平面上,检查应变片电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,如果电阻显示与电阻应变片的初始电阻差别不大,说明应变片贴片成功,桥接应变控制线路,测试系统状态。
步骤七、将装配完成的对偶钢片安装到摩擦磨损试验机上进行磨合,磨合太阳城集团不低于30min,磨合转速根据步骤一中分析获得的摩擦副的所处工况转速确定;
步骤八、将磨合充分的摩擦副进行静动态加载,接通电阻应变采集仪,通过电压指示计调零电路,并通过桥接电路的信号传输,获取盲孔处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。

说明书

说明书一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法
技术领域
本发明一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法,属于履带车辆传动领域离合器摩擦副接触表面压力测量技术领域。 
背景技术
高能量密度摩擦传动系统是高性能传动的关键,其显著特征是大功率、高转速,摩擦副由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于履带车辆的传动领域。Cu基粉末冶金摩擦副,包括制动器与离合器,工作在多应力复合环境中,作为三参数边界-压力、速度、温度是影响摩擦副摩擦特性的主要因素,也是摩擦副设计过程中的重要参考。现阶段速度和温度边界能够通过实验准确测量,而压力边界的测试一直是三边界测量中的重点和难点,动态测试更加困难,目前在湿式摩擦片的设计领域一直没有有效的并且可靠的摩擦副接触表面压力测量的成熟方法。对摩擦副进行三维建模模拟加压接触是获得接触压力的主要手段。现阶段采用的表面张贴薄膜传感器的方法由于改变了接触表面特性且不能进行动态测量,不能适应履带车辆摩擦副的动态设计,无法满足新型号新装置摩擦副的设计要求。 
长期以来摩擦副表面压力测量困难主要集中在以下几方面:(1)测量元件参与接触,改变了接触表面的接触特性,摩擦副真实接触情况得不到反映,接触压力的测量不够准确;(2)无法实现对于摩擦副从分离、接触到滑摩的全过程的动态测量;(3)由于湿式摩擦副接触压力分布范围小,常规的压力感应纸方法精度低,很难有效反映出接触表面的压力分布状态。 
发明内容
本发明的技术问题:是为了解决现有技术中存在的摩擦副压力边界条件无法测量的问题,提供一种用于摩擦副接触压力动态测量方法,该方法有效的解决 了当前摩擦副的接触表面压力分布无法真实获得的困难,在于不改变摩擦副表面接触状态的前提下,实现了接触压力的静动态测试,在确定了摩擦副精确压力边界条件的同时,为摩擦副动态设计提供了理论依据。 
本发明技术解决方案:一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法,实现步骤如下: 
步骤一、分析摩擦副工作状态下的工况条件及摩擦副的加载结构特点,获得摩擦副的几何尺寸,按照所要测量的摩擦副的工艺性要求确定摩擦副接触表面的粗糙度要求和表面平面度的加工要求; 
步骤二、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构特点,加载特点等建立摩擦副三维仿真模型,对三维模型进行多方向压力载荷的有限元仿真,为接触压力测试提供理论基础和数值范围的预测; 
步骤三、根据步骤二中分析获得的摩擦副的加载结构特点和摩擦副的几何尺寸确定摩擦副对偶片上的测量点的位置分布及测点数量N;分析获得的摩擦片弹性模量和泊松比的要求,结合摩擦副接触表面的尺寸、对偶片厚度、应变片尺寸及测量精度要求确定出盲孔的直径D及孔深L,确定方法如下: 
盲孔直径D应根据应变片尺寸选择常用的Φ10mm或者Φ12mm,孔底粗糙度1.6平面度0.04,由于需要测量孔底应变获得接触应力,孔底部的厚度应控制在1mm,若假设钢片厚度为B,这样孔的深度H可以表示为B=H-1。 
步骤四、按照步骤三获得的盲孔尺寸及分布加工盲孔,并且精铣盲孔底面,用来粘贴应变片,盲孔底面的大小应大于应变片的大小,根据对偶片所需测量区域的布点位置按照已经确定好的D和H在对偶片非接触表面加工盲孔,盲孔底部粗糙度应该小于1.6μm; 
步骤五、根据步骤二的仿真结果初步确定摩擦副接触表面的应力范围,并根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,所述主要参数包括应变片的初始电阻,灵敏系数和应变极限,通过主要参数获得应变片选择的依据; 
步骤六、通过步骤五选取并获得合适的测量应变片,将适应于仿真所得的应变量程的应变片贴于盲孔底部加工的平面上,检查应变片电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,如果电阻显示与电阻应变片的初始电阻差别不大,说明应变片贴片成功,桥接应变控制线路,测试系统状态。 
步骤七、将装配完成的对偶钢片安装到摩擦磨损试验机上进行磨合,磨合太阳城集团不低于30min,磨合转速根据步骤一中分析获得的摩擦副的所处工况转速确定; 
步骤八、将磨合充分的摩擦副进行静动态加载,接通电阻应变采集仪,通过电压指示计调零电路,并通过桥接电路的信号传输,获取盲孔处摩擦表面的各个测点的应力应变状态。本发明与现有技术相比的优点在于: 
(1)本发明采用嵌入式盲孔测量的方法,实现摩擦副静动态接触压力的测量。 
(2)本发明将测量元件埋于摩擦副内部,接触表面与原表面具有相似的特性,消除了测量元件本身对接触特性的影响。 
(3)本发明可以实现对于摩擦副从分离、接触到滑摩的全过程的动态接触压力测量,本方法对摩擦副的动态接触特性能够有效地进行测量。 
(4)本发明测量精度高,测量方法简单,测试点位布置方便,测试成本较低。 
(5)该方法有效的解决了当前摩擦副的接触表面压力分布无法真实获得的困难,在于不改变摩擦副表面接触状态的前提下,实现了接触压力的静动态测试,在确定了摩擦副精确压力边界条件的同时,为摩擦副动态设计提供了理论依据。 
附图说明
图1为本发明方法实现流程图; 
图2为三维模型图(图2为三维加载接触分析模型图); 
图3为三维模型的仿真测试结果; 
图4为盲孔底部应变状态 
图5为本发明中盲孔分布工程图; 
图6为环形摩擦副的加工件; 
图7为本发明中盲孔底部平面的贴片正视图; 
1、防潮剂 2、应变片 3、引线 4、透明胶纸(聚乙烯塑料薄膜)、5、接线端子、6锡焊接点 
图8为本发明中桥路连接图 
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。 
理论研究和试验过程都发现Cu基粉末冶金摩擦副在接合过程和结合状态存在着接触压力分布不均匀(特别是径向)的特点,该特点的产生是由于加压结构的特点与接触表面特性共同决定的。本发明采用嵌入式盲孔测量的方法,实现摩擦副静动态接触压力的测量。 
为了实现摩擦副接触压力的测试,在对偶钢片非接触表面加工盲孔若干,对于盲孔尺寸和分布特点需要根据摩擦副的尺寸、加压特点、测试区域及精度的要求而定,孔直径的大小直接关系到测量的接触区域的大小,布置原则应考虑到接触压力的实际变化规律。为了不影响Cu基粉末冶金摩擦片的摩擦表面的真实情况,对偶钢片厚度应超过孔深应0.5mm以上。按照贴片的要求将应变片按径向方向贴于盲孔底面,嵌入对偶钢片之中。将摩擦副装载到摩擦试验台,并接入多通道应变测量系统,针对不同工况下静动接触压力的测量,需要更改采样频率,以获得更理想的测量结果。 
如图1所示,本发明预埋销钉应变测量的动态接触压力测试方法具体实现过程如下: 
步骤一、确定需要测量的摩擦副的工艺性要求,包括烧结材料要求、加工工艺要求,其中包括表面粗糙度、摩擦片表面的平面度,例如某摩擦副表面采用 粉末冶金烧结工艺,摩擦表面磨削加工,平面度0.04,粗糙度0.8μm等。对于工艺性要求的分析主要是对偶片的制造加工工艺摩擦副工作状态下的工况条件(主要为载荷);摩擦片的几何尺寸(内外径,厚度,摩擦层厚度等)及加载结构特点,包括摩擦副工作时的支撑结构特点,加压结构特点,如采用哪种支撑,轴承位置以及加载力位置和方向等。摩擦副几何尺寸、工况条件和加载结构的分析主要对加载结构进行化简,用以完成摩擦副接触压力分布的初步分析,为仿真模型的建立提供必要的参数支持。 
步骤二、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构,加载特点以及测点分布及尺寸等各项参数建立摩擦副及其加载结构的三维仿真模型,具体方法为: 
在ANSYS中按照摩擦副的支撑结构,尺寸要求等建立三维模型,按照摩擦副的材料属性赋予三维模型材料单元属性,按照加载结构特点按照载荷大小加载,获得稳态有限元分析结果,选取对偶钢片接触表面的节点处的应力与应变的值,作为三维仿真的计算结果。模型的建立及有限元的分析是为了获取摩擦副接触表面的压力分布的大致范围,为后续应变片的选择提供初步的依据。 
步骤三、根据步骤一中确定的摩擦副的加载结构的特点(摩擦副支撑结构特点、加载力位置和方向等)以及步骤二中进行的三维模型的仿真结果确定其对偶钢片(对偶钢片是与摩擦片相摩擦的结构,一般由钢制成,它与摩擦片共同组成了摩擦副)上的应力应变范围(尤其是盲孔底部及盲孔周边的应力应变状态),从而根据应变量和压应力的分布情况确定测量点的分布及测点数量,根据摩擦副尺寸和结构特点对测点数量和分布进行合理布置。对于支撑结构附近和距离加载点较近的区域应力较大,致使摩擦副变形明显,造成摩擦片与对偶片面压力分布不均明显的地方,应多布点,布点遵循周向均布原则,以减小周向的不均匀程度;周向和径向的测点和分布应根据测试需求而定,径向压力测试主要针对静力测试,而考虑周向压力分布的测试往往要实现动力学测试的效果。在压力梯度较大的区域,应该考虑多布置测量点,布点要求尽量满足均布的原 则。布点的疏密应根据摩擦片几何尺寸和测量的精细程度确定,大尺寸摩擦副可多布点,布点越多测量越精细,布点是以了解摩擦片表面的压力分布状态为目的,没有固定的数目,一般不超过24个。例如对于中心轴承支撑,中心加载的摩擦副结构,对于对偶片的布点应在内圈多布点; 
步骤四、按结构尺寸及照精度要求确定盲孔的基本分布状态,盲孔直径D及孔深H,完成了摩擦副测点数量和分布特性之后,需要根据测量区域的大小和测量精度确定盲孔D及长度H,盲孔的直径有一定的限制,盲孔直径的大小直接关系到表面的应变测试的区域大小及精度范围。但过小的盲孔直径尺寸可能带来加工难度较高、应变片粘贴困难,残余应力过大等不良后果。若采用过大的盲孔直径,测点的数量就会受到一定的限制,测量的精度也会下降。 
例如需要测Φ10毫米点接触区域的接触压力,对偶片厚度为4mm,H取9mm,孔底粗糙度1.6μm,平面度0.04,选取D为Φ10mm或Φ12mm。 
在盲孔底部径向方向粘贴应变片,,孔底加工平面的大小应大于应变片的大小,粗糙度应在1.6μm以下。 
步骤五、从三维模型进行多维压力载荷的有限元仿真结果,初步确定摩擦副接触表面的应力应变范围。应力应变的选取点在单元的节点处,并沿着径向分布,所获取的数据范围即为压力的范围。并根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,包括应变片的初始电阻,灵敏系数和应变极限,依据参数选取合适的应变片,选择应变片的规格和形式时,应注意到构件的材料性质和构件的应力状态。因应变片测出的是平均应变,在构件应力变化范围较大时,一般选用小标距应变片。(具体选择方法详见应变片选择相关书籍) 
步骤六、将适合的电阻应变片贴于销钉的平侧面,检查应变片电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,如果电阻显示与电阻应变片的初始电阻差别不大,说明应变片贴片成功,桥接线路,B、D端分别于接线端子5相连的导线相连接,A、C端分别接于外部稳定5V电压,即保证A、C端之间的电压为稳定的5V电压。其电路的计算公式为: 
Ui=(R1R3-R2R4(R1+R2)(R3+R4))U0]]>式1 
如果有R1R3=R2R4则E=0,这是应变片的调零电路,当电阻在形状改变时其电阻值发生改变后,电压的值的改变量为: 
ΔUi=R1R2(R1+R2)2[ΔR1R1-ΔR2R2+ΔR3R3-ΔR4R4]]]>式2 
通过上式可以求出电阻的改变值,并进而根据电阻本身的阻值特性求出应变量的值,并再通过摩擦副材料特性计算出压力的值。 
步骤七、将摩擦副安装到摩擦磨损试验机上进行磨合,磨合太阳城集团不低于30min,磨合转速根据摩擦副的所处工况转速确定,目的是使摩擦表面得到充分的接触; 
步骤八、将磨合充分的摩擦副按照实际工况条件进行加载,加载环境可以为静态的压力测试,也可以为动态压力测试(所谓动态是指摩擦盘与对偶盘相对滑动),在进行动态压力测试时应变片的连接回路上需加上电刷,用以防止回路电线的缠绕,加载压力与实际工况载荷相一致,打开电阻应变采集仪,通过电压指示计调零电路,并通过桥接电路的信号传输,采集信号并获取摩擦表面的各个测点的应力应变状态。各个测点的应力应变测量值直接反映了摩擦副接触表面的接触状态,接触压力较大的地方应力应变的测量值相对较大,反之接触不充分的地方,应力应变的测量值相对较小,该方法可以有效的测量摩擦片从分离状态到接触状态,再到摩滑状态的实时压力状态的测量与监控。 
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、确定需要测量的摩擦副的工艺性要求,如烧结材料要求、加工工艺要求,其中包括表面粗糙度、摩擦片表面的平面度。摩擦材料为Cu基粉末冶金烧结材料,选取内径为Φ358mm,外径为Φ406mm的摩擦副作为研究对象,对偶片的厚度为4mm,材料为45#钢,表面淬火处理,表面加工工艺为精车后粗磨,粗糙度0.8,平面度为0.04。材料为30CrMnSiA,热处理特性为调制,硬度为HRC55-60。液压加载,压力范围为0-20000N,工作温度不超过100℃。 
步骤二、根据步骤一所获得的摩擦副材料特性,几何尺寸特性,支撑结构,加载特点等建立摩擦副及其加载结构的三维仿真模型,如图2所示。模型的边界条件应与实际条件相近,根据支撑结构确定模型的约束条件,根据工况(静摩擦、滑动摩擦等)确定接触表面的接触类型,以及单元的选择和载荷施加的大小等。加载结果如图3所示,获得径向方向的应力应变状态,通过仿真获得了盲孔底部的应变量的范围,如图4所示,为之后应变片的选择提供了依据。 
对三维模型进行多维压力载荷的有限元仿真,初步确定摩擦副接触表面的应力应变范围。 
步骤三、根据不同摩擦副结构的特点及获得的三维仿真结果(面压力分布状态)确定测量点的分布及测点数量。 
为了测量径向压力分布的状态,在径向上选取测点,如假设接触压力在径向上满足线性分布,则在靠近内外径处选取两个测点即可满足测量要求。若接触压力的径向分布复杂,则需要选择多个测点,选取的测点分布如图5所示。 
步骤四、按照精度的要求确定出盲孔直径D及孔深H,完成了摩擦副测点数量和分布特性之后,需要根据测量区域的大小和测量精度确定盲孔D及长度H,选择对偶片材料为30CrMnSiA调质热处理,HRC55-60,表面粗糙度为1.6需要测Φ10mm米点接触区域的接触压力,对偶片厚度为4mm,H取9mm,孔底粗糙度1.6μm,平面度0.04,,可选D为Φ10mm或Φ12mm。对偶片的加工完成后的示意图如图6所示。 
在盲孔底部径向方向粘贴应变片,,孔底加工平面的大小应大于应变片的大小,粗糙度应在1.6μm以下。 
步骤五、从三维模型进行多维压力载荷的有限元仿真结果,初步确定摩擦副接触表面的应力应变范围。根据此范围确定出适合于该摩擦结构的电阻应变片的主要参数,依据参数选取合适的应变片,应变片的类别为箔式,基底为玻璃纤维增强合成树脂,敏感栅长度选用5*3mm,结构形式为AA标准电阻为120Ω,工作最高温度150℃,对于温度自补偿或弹性模量自补偿。 
步骤六、将适合的电阻应变片2贴于销钉的平侧面,贴片过程如图7所示,贴片采用502胶水在测点位置和应变片的底基面上,涂上薄薄一层胶水,一手捏住应变片2引出引线3,把应变计轴线对准坐标线,上面盖一层聚乙烯塑料薄膜4作为隔层,用手指在应变计的长度方向轻轻滚压,挤出片下气泡和多余的胶水,直到应变计与被测物紧密粘合为止,最后在其表面涂盖一层防潮剂1作为保护。 
通常静应变测定用双芯多股平行线。焊接导线前,先用万用电表接于接线端子5的两端,检查电阻值是否为电阻应变片的初始电阻,通过接线万用表的阻止显示为120.3Ω,说明应变片贴片成功,检查导线没有断路,然后在每个测点应变片的接线端子两端贴上号码标签,以示区分避免测点多时造成差错,使用锡焊将接线端子与导线相连接,桥接线路如图8所示,B、D端分别于接线端子5相连的导线相连接,A、C端分别接于外部稳定5V电压,即保证A、C端之间的电压为稳定的5V电压。 
步骤七、将装配完成的埋有销钉的对偶钢片与摩擦片安装到离合器试验台上进行磨合,启动设备控制转速为1500r/min,太阳城集团为30min,加载压力为1MPa,冷却流量为4ml/mm2s。 
步骤八、按实际工况条件进行加载,加载压力为:0.886MPa,调零电路,调零电路的计算公式见式1。 
如果有R1R3=R2R4则E=0,这是应变片的调零电路,当电阻在形状改变时其电阻值发生改变后,电压的值的改变量计算依据式2 
通过测量电压值的变化完成对压力状态的测量,由电阻应变仪将电压值传输给信号采集分析器,由信号采集分析系统将相应的电压变化转化为应变,并通过材料弹性模量E计算出应力。随半径的增大,测点所测出的应力值呈下降趋势,这是加载结构对于压力接触状态的影响,对于曲线内的微小波动,则体现出了由于表面加工工艺性特点(粗糙度、平面度)的影响造成的。在周向上由于加载及装配的影响,周向方向的应力也是分布不均匀的。 
通过实验测试可知本发明可以有效的测量摩擦副静动态接触压力,实验结果对仿真结果进行了初步验证,为摩擦副压力边界条件的精确获取及动态设计方法提供了试验支持。 
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。 

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