[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】多个圆盘湿制动器在润滑的环境下的设计方法的研究-中文翻译

航空与机械工程学院 第 1 页 共 14 页 多个圆盘 湿制动器 在润滑的环境下 的设计方法的研究 摘要 :在 摩擦副 之 间发 生的机械 热现 象极大地改 变 多个 湿制 动 器 圆盘 的 衬 套 压 力和摩擦表面温度的分配 。 它已 经 成 为 制 动 失 败 的主要因素之一 。 为 了了解 这 些机械 热现 象 , 很多 设计 和 对 机械 热现 象有很大影响的物 质 因素 ， 例如 热转 移系数 ， 摩擦因素 , 滑 动 速度 , 最初的 衬 套 压 力等等都 应 分析 。 等温 的 设计 方法是 计 划 设计 一个多个湿制 动 器 圆盘 关键字 : 湿制 动 器 机械 热现 象 热转 移系数 摩擦因素 0 介绍 多个 湿制 动 器 圆盘 主要地有摩擦副 , 一个反 对 板 块 和一个活塞 。 每一个摩擦副包括一个摩擦片和一个 钢 片 。 摩擦片是 圆盘 中在摩擦材料的两 边 排成一行的金属 轴 。 正常 湿制 动 器 的 结 构如 图 1所示 。 图 1 多个圆盘 湿制动器 机械 热现 象由非均匀的 垫 片 热变 形所引起的 。 因 为 在径向的 热发 散 ， 热转 移系数和摩擦因素的分布不均匀 , 所以在 湿制 动 的 啮 合 期 间 摩擦表面温度将会以不同的比率增加 。 在 较 高温度的分布区中 ， 比 较 大的 垫 片 热变 形将会 见 到 。 即使最初的 热发散是均匀分布的 。 由于 热 移 动 系数和摩擦因素效果的 变 化 ， 变 形将 变 的不均匀 。 在变 形 较 高的局部区域 ， 必然 产 生 较 大的 压 力 。 依次 ， 由于在 这 些区域的 热 膨 胀 ， 从而引起 较 高的温度上升和促 进 局部 压 力的增加 。 这 个 过 程叫做 机械 热现 象 。 这 个现 象将会 导 致 实连 接区域的减少 , 表面温度和摩擦片 损 坏率的增加 。 机械 热现 象主要是由于 湿制 动 的失 败 而造成的 。 通 过 将摩擦 衬 套的 压 力分布的最佳化来减少机械 热现 象的效果 。 基于有限的元素分析 , 等温 的 设计 方法是 计 划 设计 一个多个 湿制 动 器 圆盘 。 航空与机械工程学院 第 2 页 共 14 页 1 机械热现象的影响因素 1.1 摩擦因素的影响 摩擦片和 钢 板之 间 的 动 摩擦因素在机械 热现 象 上是影响因素之一 。 当滑 动 速度 v和 衬 套 压 力 p 是常数的 时 候 ， 热发 散 q 可能随着摩擦因素 f的改 变 而不同 。 因此 , 一个非均匀的 热垫 片将会 产 生 变 形 。 根据他 们 的构成 ， 用于 湿制 动 器 的摩擦材料分 为 多个 类 型 , 例如 sintered青 铜 -, 石墨 - 和以 纸为 基 础 的材料 。 材料的改 变 在 啮 合 期 间 能极大的影响平均 动 摩擦因素 。 即使相同 类 型的摩擦材料 , 随着摩擦表面温度 t , 滑 动 速度 v 和 衬 套 压 力 p的改变 ， 平均 动 摩擦因素 f 将会极大的不同 。 以 纸为 基 础 的摩擦材料在于研究 纸 。 纸 以它的高 动 摩擦因素和极低的静 态 的/动态 的系数比而 闻 名 。 这 个特征使得以 纸为 基 础 的摩擦材料在 制 动 期 间 非常的平滑和安静 。 为 了 获 得随着温度 t变 化的摩擦因素 , 速度 v 和 压 力 p 的 规 律性 , 以 纸为 基 础 的摩擦材料的正交 实验 完成的是一个 LBA0049 惯 性力 。 在 这实验 中 ， 摩擦因素被定 义为 客 观 的数 值 。 像温度 t, 速度 v 和 压 力 p 这样 的叁 数 ,以一个多 线 形的衰退方法被分析 。 标 准的正交表格 L 被采用 。 参数 x， y， z,k和 m 被定 义为 上限 、 下限 、 零界限 、 变 化范 围 和可 变 代 码 。 所有的 叁 数的 变 化范围 如表 1 所示 。 代 码变 量只能从 -1 到 +1变 化 . (1) 2)(120iiiZ(2) iii(3) iiiiX)(0表 1 代码变量计划 变量 温度（ Z1） t/ 速度 （ Z2） v/(ms-1） 压强 （ Z3） p/MPa - 80 0.3 0.7 )1(tZ90 0.4 0.9 2t85 0.35 0.8 t0 航空与机械工程学院 第 3 页 共 14 页 5 0.05 0.1 t函数 18/xz20.35/.xz30.8/1xz摩擦因素的衰减方程由以下方程 给 出 ： (4) ijijiixbxbf310(5) MNfBbApn10这里 ， ， -衰减系数 0biji表 2 摩擦因素的多 线 性 变 量衰退分析 i=1,2,3 (6) MNfxBbpiii 1ji (7) fxppjijiji 1)(这 里 N-实验 数字 ， N=8 M-相同 实验 中的重复数字 ， M=3 航空与机械工程学院 第 4 页 共 14 页 衰减方程系数的 测试 通 过 以下方程 获 得 ： (8) ekKkfSF),(ekaf(9) )()(12112 pvtSptyMNy kkijiNijie 摩擦因素的衰减方程 为 ： (10) 3232121 0.1.47.803.58.03. xxxf 如果温度 t,速度 v,压强 p代替以 变 量 ,则 得到 摩擦因素新的方程 ： (11) vptpvtf .0.6.21. 1.2 热转移系数的影响 摩擦材料的表面有允 许 冷却液流 动 的凹槽 。 热转 移系数分布将会随着凹槽式 样和径向的位置而极大的改 变 。 即使 热发 散的分布在沿着径向是均匀的 , 热垫 片的 变形由于 热转 移系数的 变 化 ， 也将会是非均匀的 。 因此在冷却液和 钢 板之 间 的 热转 移系数也是机械 热现 象影响因素之一 。 首先 , 抛物 线 的流程需要被定 义 。 如果在那里存在一个三 维 空 间 流量的主方向 , 动 力的散布 ,热 ,质 量 ， 等等 ， 能在 这 些方向被疏忽 。 如果没相反的流程 ,这 个流程叫做抛物 线 的流程 。 在引 进 在凹槽 热转 移 问题 上的数学方程之前 ， 确定 简单 假定的描述将会 单 个凹槽的 层 流流 动 和 热转 移的数学分析中 给 出 （ 图 2）。 航空与机械工程学院 第 5 页 共 14 页 图 2 (1) 在主要的流 动 方向 , 热发 散和重量都被疏忽 ， 而且 对 流是冷却液流 动 和板 块 之 间的 热传递 的主要因素 。 (2)因 为 在 钢 板和以 纸为 基 础 的摩擦片之 间 的 热传导 率极大的不同 , 所以大部份在制 动 期 间产 生的 热 被 钢 板吸收 。 在摩擦片和冷却液之 间 的 热传导 率能被 认为 等于零 。 上述的假定能减少 订单 数目的 计 算量 。 三 维 空 间 的流程将会被 转 化 为 一系列的二 维空 间 的流程 。 在笛卡 尔 坐 标 系 中 x ， y, z（ 图 2） 被解决如下 。 连续 性 (12) 0yvxuNavier-stokes 方程 ： 2yuxpXyuvxf2vyYf在 x=0 , 0 y d; u=0,v=0 在 x=b , 0 y d; u=0,v=0 在 y=0 , 0 x b; u=0,v=0 航空与机械工程学院 第 6 页 共 14 页 在 y=d , 0 x b; u=0,v=0 (13) 这 里 u,v,w -在 x,y,z方向的速度的 组 成 b,d,l -凹槽 的 宽 度 ， 深度和 长 度 -油液密度 -动态 黏度 pf -液流 压强 X,Y,Z -在 x,y,z方向的重力 u和 v 的 结 果能通 过 使用有限的不同方法的数字解决而 获 得 。 速度 w 的整个分布能从下列方程式中 获 得 。 (14) 0zw02z22ywxypXyvxuf在 x=0 或 x=b, 0 y d; w=0 在 y=0 或 y=d, 0 x b; w=0 (15) 当第一个假 设满 足 ， 则 等于零 。 温度分布能从以下方程式中 获 得 。 2zt2ytxctwyvxtupf在 y=d, 0 x b; t=tm 在 y=0, 0 x b; =0 tn在 x=0, 0 y d; =0 在 x=b, 0 x b; =0 t在 z=0, 0 x b 0 y d; t= (16) 0t 航空与机械工程学院 第 7 页 共 14 页 这 里 -钢 板的温度 mt-冷却液的初始温度 0-平常温度的斜率 tn-液体的具体的 热 度 pc-冷却液的 导热 率 f基于冷却液的速度 场 能通 过 方程 （ 12） 到 （ 15） 而得到 , 每一个相 连 部分的温度分布能藉着有限不同方法通 过 方程 （ 16） 获 得 。 根据在表 3 所 显 示出的参数 , 当 z 等于 35.5 毫米和 71 毫米的 时 候 。 结 果如 图 3 所示 。 在正常的 钢 板和冷却液之 间 方向的平均温度的梯度是由下列 图 表 给 定的 。 图 3 在 z = 35.5 mm和 z = 71 mm时的温度域 (17) bdxytxnt0表 3 结构和物理参数 摩擦片的内部半径 /mm 160.5 1r摩擦片的内部半径 /mm 231.5 0 航空与机械工程学院 第 8 页 共 14 页 油液 凹槽 的 宽 度 b/mm 3.18 油液 凹槽 的深度 d/mm 0.64 油液 凹槽 的 长 度 l/mm 71 在 单 个 凹槽中的 油液 质 量流 动 率 m/(kgs-1 ) 3.24 310冷却液的初始温度 50 0/tc液体的具体的 热 度 2177 1()pjkg-冷却液的 导热 率 0.126 /fWmK最后 ， 热传递 系数 沿着径向通 过 方程 (18) 计 算的 : (18) bdsyttmf0被定 义为 如性 质 上的温度并通 过 下列方程 计 算 : t(19) dbwxytt0图 4 举 例 说 明在径向的多个平行的凹槽 热 移 动 系数的分布 。 它 显 示在摩擦片的内部附近的冷却效果 显 然地是比 较 好的超 过 一在外部附近 。 在 设计 一个 湿制 动 器 时 ，巨大的 热发 散 应该 在内部附近 产 生来确保沿着板 块 的径向 垫 片的 热变 形是均匀的 。 航空与机械工程学院 第 9 页 共 14 页 图 4 制动器的几何和材料参数 2 机械热现象的 FEA 模型 在 图 1 所示的方案能在 图 5描述 。 它主要地包括摩擦片 ， 钢 板 ， 一个 对 立板 块 和一个活塞 。 为 了要建立有关的 FEA 模型 ,下列的关 键 点需要被考 虑 。 (1) 多个 圆盘 湿制 动 器 的最重要的 结 构特征是摩擦片和 钢 板之 间 的 间 隙 。 为 了 计 算在摩擦副之 间 的 压 力分布 , 间 隙被使用 。 有 间 隙的 FEA 模型会成 为 一个非 线 性模型 。 (2) 摩擦因素不是常数 。 它将会随着像板 块 的表面温度 t ， 滑 动 速度 v 和 衬 套 压 力 p 不同的使用条件而改 变 。 (3)在冷却液和 钢 板之 间 的 热转 移系数在径向不是一个常数 。 在 FEA 模型中 ， 每个部分被假 设 成一个 线 性 弹 性物体 。 系 统 的外力包括作用在活塞上的液体的 压 力 p和通 过 在 轴 方向的浮液而作用在 对 立板上的支承力 。 液体的 压 力 p 依下列各 项 被定 义 无尺寸的量 纲 。 航空与机械工程学院 第 10 页 共 14 页 (20) FpA这 里 F-作用于活塞的 应 力 A-单 个摩擦表面的接触面 积 P-衬 套 压 力 图 5 多个 圆盘 湿制 动 器的 组 合 图 当多个 圆盘 湿制 动 器 的几何学的和物 质 参数在表 4 中 给 出的 时 候 . 表 4 制动器的几何和材料参数 钢 板的厚度 g/mm 2.4 摩擦片 的厚度 g+2 /mm 2.74+21.18 fg油管的 实际 半径 /mm 174 r钢 的 弹 性系数 200 /sEGPa摩擦材料的 弹 性系数 2.1 /f钢 的关比率 0.3 s摩擦材料的 关比率 0.2 f 航空与机械工程学院 第 11 页 共 14 页 油液 压强 2.5 /pMPa为 了核 对 FEA 模型 , 在开始的 衬 套 压 力分布方面的 实验 被完成 。 有限元素的分析和 实验 的 结 果如 图 6 所示 。 图 6 无 纲 量 衬 套 压强 的分布 在 现实 的制 动 器中 ， 活塞和 对 立板的几何参数是复 杂 的 。 设计 活塞和 对 立板的硬分配的率的方法学是在建立理想的起始 压 力分配方面 检 索 表 。 3 设计方法 在湿制 动 器的操作方面 ， 二个不同的模 态 可能被 识别 。 在 紧 急制 动 模 态 , 摩擦片和 钢 板在非常短的 时间 内彼此相互滑 动 。 它通常从 0.2秒到 2 秒之 间变 化 。 在 啮合期 间 被 产 生 时 期的磨擦 热 大都被和流 动热转 移的一个附属角色的凹槽的 钢 板吸收 。 在持 续 不断的制 动 模 态 中 ， 二个板 块 的滑 动时间 可能 长 达 10 秒到 20 秒 。 在 这一模 态 中 ， 温度在板 块 延伸 结 局定 态 的各种不同的翎骨 针 在几秒之内 评 价 。 在哪一个所有的被 产 生的 热 一定被在摩擦片的凹槽中流 动 的液移 动 之后 。 热转 移的价 值 , 钢 板和凹槽之 间 的液体系数将会决定制 动 器的 稳 定的温度水平 。 摩擦副和切 线 的上升温暖气流的温度 t 的 强调 分 别 地 ,相同 钢 的板 块 的 被 显1示 为 持 续 不断的制 动 如 图 7所示 。 航空与机械工程学院 第 12 页 共 14 页 图 7 在持 续 制 动 中温度和切 应 力的 斜坡曲 线 在 紧 急制 动过 程中 ， 钢 板的表面温度和切 线压 力被一个 LBA0049 惯 性 动 力 计 的 热和 标 准度量 测 量了 。 热 和 标 准度量沿着径向均匀的分布 。 在 实验 的和有 计 划的 结果之 间 的比 较 如 图 8所示 。 图 8 测 量和 计 算 结 果的 对 比 虽 然开始的 衬 套 压 力在内部的 辐 部 ( 在 图 6 所示 ) ， 图 7 和 图 8 表所示的附近比 较 高高的 电动压 力和高的温度在外面的 辐 部附近 这 是局部 热 流出 输 入 为 什么在任何的翎骨是一个正常 压 力 ， 摩擦因素和滑 动 速度 。 虽 然湿制 动 器可能被 设计 到低的平均每 单 位 衬 套区域能源 , 当地的高 衬 里 压 力 航空与机械工程学院 第 13 页 共 14 页 地点由于 热 可能引起摩擦 衬 里的表面 烧 -在摩擦双之 间 的机械不 稳 定 。 钢 板通常在支援板 块 附近的活塞和最后的 钢 板 块 附近的第一 钢 板 块 被 发现 。 失败 的主要因素是由于棒的温度不同而且 热 的 毁 坏 。 因 为 二个 钢 的板 块 只有一个摩擦表面 , 盘 子失 败 可能是更多 产 生超 过 其他的板 块 。 钢 板的破裂失 败 由重复的刹周期的疲累 损 害所引起 。 在一个 啮 合期 间 ， 表面的温度比 钢 板的主要身体 剂 量更加快速地上升 。 它在被 张应 力平衡的 钢 板的外部者引诱压 力在那比 较 冷的内部 钢 板 块 。 当 这 刹周期 结 束的 时 候 ， 钢 板的外部温度由于冷却油的效果将会 变 成比 钢 板的内部温度冷 。 压 力在 钢 板的外部者 变 成 钢 板是内部的在比 较热 人中被 压 力平衡的 张 力 。 因此破裂可能在一个周期的无法欣然接受低数字中 发 生 。 概述 这 些分析 , 为 了要避免由局部高温和 压 力所引起的刹 车损 坏 , 运行 动态压 力的有限元素 计 算和表面温度是必需的 。 对 于湿的刹 车 适当的 设计 程序能在下列的步骤 被描述 : 首先 ， 光 线 的方向的开始的 衬 里 压 力分配在 统 一 发 情流出的情况之下被估 计 。 其次 ， 以 热转 移系数和摩擦因素的非均匀分布的影响力看来 ， 开始的 衬 套 压力分布根据 动态 的 压 迫力和摩擦温度被校核 。 第三 , 为 了要了解表面温度的均匀分布和 垫 片的 热变 形 , 活塞的 结 构而且 对 立板最佳化 。 这 是等温的 设计 方法 。 它将会减少不宜的机械 热现 象 。 4 结论 (1) 机械 热现 象由非理性的开始的 衬 套 压 力和 热转 移系数和摩擦因素的非均匀分布所引起 。 机械 热现 象 导 致局部高温和高 压 力是 导 致多个 圆盘 湿制 动 器失效的主要因素 。 (2) 在 钢 板的表面上的切 线压 力比径向的 压 力大 。 因此 钢 板的表面 损 坏 航空与机械工程学院 第 14 页 共 14 页 通常是在径向 产 生的 。 (3) 如何 设计 活塞的几何外型是多个 圆盘 湿制 动 器的重点 。 活塞在摩擦副之 间 有在开始的 衬 套 压 力分布上比 较 大的影响 。 (4) 为 了避免多个 圆盘