一种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法
【专利摘要】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。
【专利说明】—种用于环形摩擦副接触压力嵌入式测量方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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:(I)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】
[0004]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。
[0005]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:
[0006]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；
[0007]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，力口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；
[0008]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:
[0009]盲孔直径D应根据应变片尺寸选择常用的Φ IOmm或者Φ 12mm，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。
[0010]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1.6 μ m ;
[0011]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；
[0012]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。
[0013]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，磨合时间不低于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；
[0014]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:
[0015](I)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。
[0016](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。
[0017](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。
[0018](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。
[0019](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。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明方法实现流程图；
[0021]图2为三维模型图(图2为三维加载接触分析模型图)；
[0022]图3为三维模型的仿真测试结果；
[0023]图4为盲孔底部应变状态
[0024]图5为本发明中盲孔分布工程图；
[0025]图6为环形摩擦副的加工件；
[0026]图7为本发明中盲孔底部平面的贴片正视图；
[0027]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
[0028]图8为本发明中桥路连接图
[0029]【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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:
[0034]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0.8 μ m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。
[0035]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:
[0036]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。
[0037]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；
[0038]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。
[0039]例如需要测Φ 10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1.6 μ m，平面度0.04，选取D为Φ IOmm或Φ 12mm。
[0040]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1.6μπι以下。
[0041]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)
[0042]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:
【权利要求】
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Φ IOmm或者Φ 12mm，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1_，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1.6 μ m，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，磨合时间不低于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。
【文档编号】G01L1/22GK103630275SQ201310589181
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】王延忠, 魏彬, 郭超, 吴向宇, 李圆 申请人:北京航空航天大学