有限厚度闸片制动器热弹性不稳定性研究

在Lee研究的热弹性模型基础上,考虑了制动闸片厚度对热点产生的影响;确定了瞬态热传导方程和热弹性平衡微分方程的边界条件,得到了系统发生热弹性不稳定的临界速度表达式.计算结果表明:系统存在着临界扰动频率;系统的扰动指数增长率随速度近似呈线性变化;扰动在低导热系数的闸片材料内速度几乎为0;不同的扰动频率对临界速度和扰动指数增长率均有影响.     

干式摩擦元件的热弹不稳定性分析

针对干式摩擦元件热弹性失稳问题,通过理论和仿真计算相结合的方法,将系统扰动因素和系统结构因素相统一,从扰动频率对临界速度影响的角度,开展制动器干式摩擦元件的热弹不稳定分析。研究发现,系统失稳与扰动频率有关,造成系统失稳的临界速度存在一个极小值点,在该点系统最容易产生失稳;摩擦副局部热应力过大是造成系统失稳的主要原因,摩擦副整体温度的高低与系统失稳之间不存在必然的联系。提出的基于热固耦合扰动边界的干式摩擦元件热弹不稳定性分析方法,其计算结果可以直接用来指导摩擦片热弹性失稳的结构设计。     

车辆传动系统密封环局部高温热点的热失稳建模研究

根据车辆传动系统密封环的服役特征,提出了一种密封环局部高温热点的热失稳有限元建模方法,可以用来计算密封环发生局部高温热点的临界速度。构建了密封温度存在扰动形式的表达式,基于伽辽金有限元算法,建立密封环局部高温热点的热失稳有限元模型,处理密封系统的热结构耦合关系,形成了密封环局部高温热点临界速度的计算方法。以铜基粉末冶金和灰铸铁密封环为例,计算了不同摩擦因数条件下发生高温热点的临界速度,并考察了临界速度与材料弹性模量、热导率、比热容、热膨胀系数的定量关系。利用自主开发设计的密封性能试验台进行密封热失稳试验研究,设计了密封环热失稳的试验方法,观测了两种密封材料温升及其扰动迁移情况,试验结果与模拟计算结果具有一致性,表明了密封环局部高温热点模拟方法的有效性。     

摩擦材料特性对离合器热弹性不稳定性的影响

针对车辆换挡离合器,应用热弹性不稳定性(Thermoelastic instability,TEI)理论研究其接合过程中的温度场非均匀分布问题。建立离合器接合过程的二维理论模型,采用扰动法求解系统发生TEI的临界条件。通过试验验证TEI理论对离合器温度场分布研究的适用性和临界速度的存在性。研究表明当离合器接合速度超过临界速度时,系统由于摩擦热、热应力和弹性应力等因素耦合作用而失稳,摩擦副表面温度场出现强烈的非均匀性。热点数小于5时,铜基材料临界速度小于纸基材料;热点数大于5时,铜基材料临界速度大于纸基材料。减小摩擦材料弹性模量、增大热导率以及减小对偶材料热膨胀系数,可以提高系统稳定性。     

湿式多盘离合器短暂接合过程中热点生成机理研究

为了解决湿式多盘离合器摩擦副短暂接合过程中热点生成现象,在考虑摩擦副滑动速度、波长、接触压力增长率与迁移速度、热点数之间的对应关系,建立热点生成理论的数值和有限元模型对热点产生机理问题进行规律性研究,研究表明:湿式制动器短暂接合过程中的高速滑动速度是造成严重热点现象的主要原因,滑动速度增加,增长率与临界速度也增加,对应产生的热点数越多,最大增长率对应的波长则向较小的方向移动;弹性模量越小,相同滑动速度对应下的增长率与迁移速度越小,热点生成个数也下降,临界速度提高;增加摩擦材料厚度可以显著降低增长率,但增加了最不稳定状态下的波长,增加摩擦材料厚度可以显著增加临界速度;有限元部分针对不同摩擦材料和摩擦副不同几何参数揭示了材料弹性特征和几何尺寸对热点产生的影响。     

制动过程中闸片材料与制动盘温度关系试验研究

为探讨碳/陶制动盘与不同闸片材料的匹配性,对碳/陶制动盘分别与碳/陶复合闸片、铜基粉末冶金闸片和铁基粉末冶金闸片组成的摩擦副进行制动试验,研究了在制动过程中盘面各点瞬时温度、最高温度、闸片温度与制动工况的关系。结果表明：碳/陶制动盘与碳/陶复合闸片摩擦副温度及温度梯度均高于其他2种摩擦副,其温度梯度在低速制动时随压力的增加而明显增加,当制动速度较高时,温度梯度并没有随压力的增加而增加;对于碳/陶制动盘与铜基和铁基粉末冶金闸片摩擦副,随制动速度和压力的提高,盘面温度梯度变化不明显。原因在于材料导热性和起始摩擦因数决定了盘面的散热能力和制动功率,碳/陶制动盘与碳/陶复合闸片摩擦副因较高的起始摩擦因数以及较低的导热性,其制动功率高和散热能力低,导致盘面温度持续升高。     

材料匹配性对盘式制动器接触应力分布的影响

通过有限元方法分析了盘式制动器接触应力分布状况,研究了材料匹配性对摩擦副接触应力分布的影响.结果表明:弹性模量和热膨胀系数是影响制动器接触应力分布的重要因数,在不影响其它参数的情况下适当降低摩擦片的弹性模量可以使接触应力降低,并且使其分布更为平均,较小的热膨胀系数也有利于改善接触应力分布状况;摩擦副热流参数则通过影响整体热流输入影响制动器接触应力,同时较大的比热容和热传导系数能有效降低接触应力的不均匀性.     

周向接触弧长对闸片温度场分布影响的研究

提出了热流分配系数受摩擦副周向接触弧长影响的观点;使用分段二次插值法确定了摩擦副周向接触弧长和热流分配系数随径向位置的变化关系;基于能量守恒法,计算和比较了2种不同热载荷下闸片的温度及其分布规律。结果表明:周向接触弧长随径向位置呈先增大后减小的变化规律,而热流分配系数的变化趋势正好与其相反;由2种不同热载荷计算得到的温度峰值发生时刻虽接近,但差值较大;温度在径向和轴向方向上的分布规律也不相同。因此,在摩擦副的热分析过程中必须考虑闸片结构带来的影响。     

摩擦副结构与制动盘温度关系的试验与模拟研究

摩擦副结构是影响制动盘温度分布的重要因素之一。针对闸片形状为圆形、三角形和六边形三种结构的摩擦副,采用制动试验台进行了速度为50～250 km/h的制动试验,并利用ABAQUS软件数值模拟了三种摩擦副不同工况条件下制动盘温度场的变化过程。结果表明：数值模拟温度场与试验测试结果具有良好的相似性。摩擦副结构对盘面温度分布的影响程度与制动条件密切相关,其结构形式对制动盘面温度的影响程度在制动初期最为明显,且随制动初速度和制动压力的增加而增加。这缘于闸片结构的不同导致了摩擦面摩擦弧长分布的不同,随制动速度升高和压力增加,摩擦弧长的差异起到了放大能量差别的作用,从而表现制动盘温度分布对闸片结构的敏感程度增加。     

弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响

为了研究弹性材料表面微织构对摩擦副空化现象和润滑特性的影响,建立考虑空化效应的二维弹性织构计算模型,采用流固耦合方法计算润滑流场与材料变形之间的相互作用。对比刚性材料表面微织构,从弹性模量、滑动速度、微织构深度以及织构间距等方面分析弹性材料表面织构对摩擦副润滑性能的影响,通过实验验证模拟结果的准确性。结果表明：弹性织构摩擦副比刚性织构摩擦副摩擦因数更小,润滑性能更好;存在最优织构深度,使得弹性织构摩擦副的摩擦力最小且承载力最大;适当增大滑动速度以及织构间距可以提高弹性摩擦副的润滑性能;随着弹性模量的降低,弹性变形和油膜厚度增加,空化现象更为显著,摩擦副的润滑性能得到提升。     

Frictionally excited thermoelastic instability in a thin layer of functionally graded material sliding between two half-planes

Frictionally excited thermoelastic instability (TEI) is investigated in the system of a layer of finite thickness which is composed of functionally graded material (FGM), sliding against two homogeneous frictional materials of half-planes at speed V. Results show that ceramic-based FGM, which is composed of ceramic at the sliding interface and steel at the middle of the layer, reduces the susceptibility towards TEI. The effect of nonhomogeneous parameters of FGM on critical speed is investigated for the several combinations of FGM such as steel- or ceramic-based FGM with positive and negative nonhomogeneous parameters, respectively. The material sensitivity to the critical speed for the nonhomogeneous parameter of FGM shows that the nonhomogeneous parameters of the thermal expansion coefficient are strong influential factors in ceramic- or steel-based FGM. The transient evolution of temperature perturbation is also obtained to determine the susceptibility towards hot spotting, showing that the ceramic-based FGM with negative nonhomogeneous parameters has the lowest temperature perturbation amplitude during engagement.     

复合材料密封环局部高温热带生成的有限元建模与影响因素

结合密封环的工作特点和结构形式,提出密封环在接触过程中局部高温热带生成的模拟方法。基于伽辽金有限元算法,构建密封系统的热传导、热流密度、温度场扰动等非均匀特性的物理模型,及其各物理场之间的耦合关系,将密封环局部高温热带的热不稳定问题转化为矩阵行列式,并进行求解,可以获得在不同的摩擦条件下,发生局部高温热带的临界速度值。同时,模拟计算获得了临界速度与摩擦因数、弹性模量、导热系数、热膨胀系数和密封环尺寸的关系曲线。除导热系数外,其余几个因素对生成高温热带的临界速度影响较大。利用密封系统试验台进行结果分析和模型验证,在高温热带的临界速度方面,试验结果与模拟计算保持一致。通过扫描电子显微镜进行密封表面形貌分析,在试验速度高于临界速度的条件下进行试验后,密封表面出现明显的带状磨痕,与高温热带特征有较高的吻合度,表明有限元离散模型在密封热不稳定研究方面的适用性。     

Effect of convective cooling on frictionally excited thermoelastic instability

The effect of convective cooling on thermoelastic instability is evaluated using a finite element analysis. This is achieved by inserting a thermal convection term to the frictional heat generation in the formulation. It has been found that the convection or radiation heat dissipation can stabilize the thermal–mechanical feedback process, leading to a raised critical sliding velocity. Two representative models for brake and clutch systems are studied. The computational results reveal that the effect of thermal convection on the critical sliding speed is significant for liquid cooling (e.g. water, lubricants), but negligible for air convection. With the practical range of the convection coefficient estimated from the fundamental heat transfer theories, the critical speed in the presence of convection can be raised by two to three times as much as the original value. However, the wave number for the lowest critical speed remains almost unchanged regardless of the convective dissipation. The comparisons between linear and quadratic finite element interpolations are also made via a set of convergence studies. The results show that implementing quadratic elements in the friction layer has an obvious advantage over linear elements due to the rapid oscillations of the temperature across the thermal skin layer. This is particularly important in future studies when the problems in higher dimensions are of interest.     

Complex approach to investigate mechanical and tribological characteristics of microcontacting objects for MEMS

Abstract

A complex approach based on atomic force microscopy (AFM) is developed to establish influence of nanoscale layer thickness on its elastic, adhesive and frictional properties of polymeric coatings for microelectromechanical systems. Thermoheating element was applied to perform AFM measurements with thermal effects in the temperature range from 20 to 120°C. Friction coefficients at high velocities of sliding and dependences of friction coefficient on the temperature of heated films at low velocities of sliding are defined. This study concludes that the Young’s modulus of ultrathin polymeric films on silicon substrate is reduced when thickness or temperature is increased.     

Effect of external surface cooling of the plane-parallel layer on the temperature of the layer-base tribosystem

An analytical solution is obtained of the boundary-values problem of heat conductivity of the tribosystem with a plane-parallel layer sliding at a constant speed over the surface of a semifinite base. The temperature kinetics and distribution of the aluminum-steel friction pair in the layer and the base normal to the friction surface is explored.     

不同滑动速度下干接触体瞬态温度场计算

工程实际中,由于摩擦力的存在,接触副的运动将导致接触区内产生大量的摩擦热,使接触副温度升高;由此产生的瞬时高温会使接触副更易发生弹塑性变形、引起表层下裂纹的萌生及扩展,甚至使接触副表面发生化学变化。建立了不同滑动速度下干接触体的滑动接触模型,利用快速傅立叶变换,通过求解拉普拉斯热传导方程,获得光滑及粗糙表面接触副的瞬时温升以及接触体内部各离散点的温度分布,即半无限体干接触的温度场。结果表明,相同载荷及摩擦因数条件下,相对滑动速度对接触体的温升及其温度分布有重要影响;粗糙峰表面接触处的瞬时温升远高于光滑表面接触处的瞬时温升。     

湿式摩擦副滑摩过程温度场分析及实验验证

湿式摩擦副滑摩过程温度场与应力场相互耦合作用,温度场分布受到多种因素影响,其中压力、旋转速度、润滑流量作为湿式摩擦副工作参数对其温度场的影响尤为显著。在理论分析基础上,采用有限元数值模拟分析与实验研究相结合的方法,对摩擦界面温度场时空分布特性进行研究,同时研究界面温度场在摩擦副工作压力、相对转速和润滑流量作用下的变化规律。研究表明:在对偶钢片和摩擦片近外径侧更易出现高温和应力集中区,且对偶钢片相对于摩擦片更易出现温度和应力分布不均匀情况;温度场中高温集中区与应力场中应力集中区相对应,最大温度随着压力增加、相对转速增大、润滑流量减少而显著上升,该结果得到试验结果的验证。