一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法及系统与流程

本发明涉及磨损量计算技术领域，特别是涉及一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法及系统。

背景技术：

湿式离合器是变速直升机传动系统中的核心部件，在直升机起飞和变速换挡过程中起着重要作用，而离合器上摩擦副的磨损直接影响离合器的使用寿命。archard黏着磨损理论提出，磨损量与滑动距离成正比关系，现有技术对摩擦副接合过程中磨损量进行大量的计算研究，滑动距离采用转速与时间的乘积进行计算，并且采用销盘实验进行验证。但是在实际工程中，摩擦副中的从动盘是随主动盘一起转动的，在接合过程中，从动盘转速从初始速度上升到接合完成后与主动盘转速一致时，主、从动盘的相对滑动距离是非线性时变的，并不是现有大量研究中近似归类为销盘实验中的销固定不动，滑动距离为主动盘的转速与时间的乘积。因此，现在研究中，滑动距离的计算与实际工况中有较大的偏差，导致磨损量的计算会有较大的误差。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的是提供一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法及系统，以提高摩擦离合器上摩擦副的磨损量的计算精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法，所述方法包括：

步骤s1：计算离合器上摩擦副的驱动转矩；

步骤s2：计算离合器上摩擦副的摩擦转矩和负载转矩；

步骤s3：根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速；

步骤s4：根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离；

步骤s5：根据所述摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量。

可选地，所述根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速，具体包括：

步骤s31：根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩求解主动盘和从动盘的转矩平衡方程，获得驱动端的转动自由度和负载端的转动自由度；

步骤s32：根据所述驱动端的转动自由度和所述负载端的转动自由度确定主动盘转速和从动盘转速。

可选地，所述根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离，具体公式为：

其中，t表示摩擦片与对偶钢片单次接合时从开始接触到最后转速相同时的时间，n1(t)表示主动盘转速，n2(t)表示从动盘转速，r1表示摩擦副内径，r2表示摩擦副外径，r表示摩擦副直径，t表示时间。

可选地，所述根据所述摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量，具体包括：

步骤s51：计算作用在摩擦副上的法向载荷；

步骤s52：计算两粗糙表面接触的表面膜破坏分数；

步骤s53：根据所述表面膜破坏分数、所述作用在摩擦副上的法向载荷和所述非线性时变滑动距离确定非线性变化的磨损量。

可选地，所述计算作用在摩擦副上的法向载荷，具体公式为：

其中，w表示作用在摩擦副上的法向载荷，wt表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总弹性接触载荷，wel表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总弹塑性接触载荷，ws表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总塑性载荷，c表示接触面积系数，η表示粗糙微凸峰密度，an表示实际接触面积，e'表示当量弹性模量，r表示微凸峰曲率半径，h表示主、从动盘初始间隙，δc表示微凸体弹塑性法向变形量，δ表示微凸体法向变形量，表示高斯分布规律函数，δs表示塑性法向变形量，k表示最大接触压强系数，r＝400k/3，h表示摩擦片材料的硬度。

本发明还提供一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算系统，所述系统包括：

驱动转矩计算模块，用于计算离合器上摩擦副的驱动转矩；

摩擦转矩和负载转矩计算模块，用于计算离合器上摩擦副的摩擦转矩和负载转矩；

转速确定模块，用于根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速；

非线性时变滑动距离确定模块，用于根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离；

磨损量确定模块，用于根据所述摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量。

可选地，所述转速确定模块，具体包括：

转动自由度确定单元，用于根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩求解主动盘和从动盘的转矩平衡方程，获得驱动端的转动自由度和负载端的转动自由度；

转速确定单元，用于根据所述驱动端的转动自由度和所述负载端的转动自由度确定主动盘转速和从动盘转速。

可选地，所述根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离，具体公式为：

其中，t表示摩擦片与对偶钢片单次接合时从开始接触到最后转速相同时的时间，n1(t)表示主动盘转速，n2(t)表示从动盘转速，r1表示摩擦副内径，r2表示摩擦副外径，r表示摩擦副直径，t表示时间。

可选地，所述磨损量确定模块，具体包括：

法向载荷计算单元，用于计算作用在摩擦副上的法向载荷；

表面膜破坏分数计算单元，用于计算两粗糙表面接触的表面膜破坏分数；

非线性变化的磨损量计算单元，用于根据所述表面膜破坏分数、所述作用在摩擦副上的法向载荷和所述非线性时变滑动距离确定非线性变化的磨损量。

可选地，所述计算作用在摩擦副上的法向载荷，具体公式为：

其中，w表示作用在摩擦副上的法向载荷，wt表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总弹性接触载荷，wel表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总弹塑性接触载荷，ws表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总塑性载荷，c表示接触面积系数，η表示粗糙微凸峰密度，an表示实际接触面积，e'表示当量弹性模量，r表示微凸峰曲率半径，h表示主、从动盘初始间隙，δc表示微凸体弹塑性法向变形量，δ表示微凸体法向变形量，表示高斯分布规律函数，δs表示塑性法向变形量，k表示最大接触压强系数，r＝400k/3，h表示摩擦片材料的硬度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法及系统，方法包括：计算离合器上摩擦副的驱动转矩；计算离合器上摩擦副的摩擦转矩和负载转矩；根据离合器上摩擦副的摩擦转矩、负载转矩和驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速；根据主动盘转速和从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离；根据摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量。本发明基于非线性时变滑动距离计算的磨损量，随着接合过程不断推进，摩擦副磨损量虽然呈上升趋势，但并非与近似滑动距离方法中所计算的磨损量与时间呈正比关系，而是随着时间增加，主从动盘的相对转速不断减小，磨损量的增幅不断趋于平缓，因此提高摩擦离合器上摩擦副的磨损量的计算精度。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法流程图；

图2为本发明实施例离合器摩擦片旋转模型示意图；

图3为本发明实施例实际滑动距离示意图；

图4为本发明实施例滑油温度100℃下转速时间图；

图5为本发明实施例纸基在润滑油温度100℃下磨损图；

图6为本发明实施例摩擦离合器上摩擦副磨损量计算系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法及系统，以提高摩擦离合器上摩擦副的磨损量的计算精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明公开一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法，所述方法包括：

步骤s1：计算离合器上摩擦副的驱动转矩。

步骤s2：计算离合器上摩擦副的摩擦转矩和负载转矩。

步骤s3：根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速。

步骤s4：根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离。

步骤s5：根据所述摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量。

下面对各个步骤进行详细论述：

步骤s1：计算离合器上摩擦副的驱动转矩，具体公式为：

其中，te表示摩擦副的驱动转矩，p表示发动机功率，n表示发动机输入转速。

步骤s2：计算离合器上摩擦副的摩擦转矩和负载转矩，具体包括：

步骤s21：计算摩擦片单位面积的压力。

假设湿式离合器接合时主动盘和从动盘之间的压力分布均匀，则计算摩擦片单位面积的压力的具体公式为：

其中，p表示摩擦片单位面积的压力，f表示离合器的接合压力，c表示主动盘和从动盘的接触面积系数，r2表示摩擦副外径，r1表示摩擦副内径。

步骤s22：根据所述摩擦片单位面积的压力计算离合器上摩擦副的摩擦转矩，具体公式为：

其中，tf表示离合器上摩擦副的摩擦力矩，n表示摩擦副的个数，μ表示摩擦系数，通常取值为0.10-0.12之间，r1表示摩擦副内径，r2表示摩擦副外径，r表示摩擦副直径，p表示摩擦片单位面积的压力。

步骤s23：计算离合器上摩擦副的负载转矩，具体公式为：

其中，tl表示离合器上摩擦副的负载转矩，ω表示从动盘实时角速度，tlmax表示接合完成时负载转矩，ωlmax表示驱动端最终角速度，r表示负载螺旋桨的半径，mk表示扭矩系数，ρ表示气质量密度。

步骤s3：根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速，具体包括：

步骤s31：根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩求解主动盘和从动盘的转矩平衡方程，获得驱动端的转动自由度和负载端的转动自由度。

为了研究离合器在接合过程中主、从动盘转速的变化，必须依据图2中的摩擦离合器主从动盘扭转运动力学模型建立所述主动盘和从动盘的转矩平衡方程，所述主动盘和从动盘的转矩平衡方程具体公式为：

其中，ie表示驱动端等效转动惯量，il表示负载端等效转动惯量，θ1、θ2分别表示驱动端的转动自由度和负载端的转动自由度，表示驱动端的转动自由度的二阶导数，表示驱动端的转动自由度的一阶导数，表示负载端的转动自由度的二阶导数，表示负载端的转动自由度的一阶导数，ce和c1均表示等效转动粘性阻尼系数，te表示输入扭矩，tf表示接合过程中离合器上摩擦副的摩擦转矩，tl表示离合器上摩擦副的负载转矩。

步骤s32：根据所述驱动端的转动自由度和所述负载端的转动自由度确定主动盘转速和从动盘转速，具体公式为：

其中，表示驱动端的转动自由度的一阶导数，表示负载端的转动自由度的一阶导数，ω1(t)表示主动盘角速度，ω2(t)表示从动盘角速度，n1(t)表示主动盘转速，n2(t)表示从动盘转速。

步骤s4：根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定摩擦副的非线性时变滑动距离。

图3为摩擦离合器上摩擦副接合过程中实际时变滑动距离示意图。其中a、b点分别为主、从动盘开始接触的对应位置点。a1、b1分别为主、从动盘完成接合一起运动时的对应位置点。实际时变滑动距离是随转速、功率等非线性变化的。摩擦离合器采用销盘结构来模拟实际的摩擦副，因此根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定摩擦副的线性时变滑动距离公式为：

其中，l′(t)表示摩擦副的滑动距离，n1(t)表示主动盘转速，n2(t)表示从动盘转速，r1表示摩擦副内径，t表示时间。

在离合器上摩擦副接合过程中，滑动距离为摩擦片与对偶钢片单次接合时从开始接触到最后转速相同时滑动的实际距离，即主动盘降速，从动盘升速至转速相同时滑动的相对距离是非线性时变的，因此根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定摩擦副的非线性时变滑动距离，具体公式为：

其中，t表示摩擦片与对偶钢片单次接合时从开始接触到最后转速相同时的时间，n1(t)表示主动盘转速，n2(t)表示从动盘转速，r1表示摩擦副内径，r2表示摩擦副外径，r表示摩擦副直径，t表示时间。

步骤s5：根据摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量，具体包括：

步骤s51：计算作用在摩擦副上的法向载荷，具体公式为：

其中，w表示作用在摩擦副上的法向载荷，wt表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总弹性接触载荷，wel表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总弹塑性接触载荷，ws表示摩擦衬片与对偶钢片表面的总塑性载荷，c表示接触面积系数，η表示粗糙微凸峰密度，an表示实际接触面积，e'表示当量弹性模量，r表示微凸峰曲率半径，h表示主、从动盘初始间隙，δc表示微凸体弹塑性法向变形量，δ表示微凸体法向变形量，表示高斯分布规律函数，δs表示塑性法向变形量，k表示最大接触压强系数，r＝400k/3，h表示摩擦片材料的硬度。

考虑到湿式离合器摩擦副上存在润滑油进行冷却换热，湿式离合器摩擦片的磨损属于润滑条件下的滑动黏着磨损。润滑油在摩擦片高速旋转下排出时，存在润滑油膜使得真实接触面积中只有部分结点处于金属直接状态，而其他节点由于油分子吸附作用仍处于流体润滑摩擦状态。

步骤s52：计算两粗糙表面接触的表面膜破坏分数，具体计算公式为：

其中，β表示两粗糙表面接触的表面膜破坏分数，tm表示润滑油温度，℃，vs表示摩擦副相对滑动速度，m/s，m表示润滑油的分子量，ec表示润滑油的吸附热，j，ts表示接触结点内温度，℃，r表示气体常数。

步骤s53：根据所述表面膜破坏分数、所述作用在摩擦副上的法向载荷和所述非线性时变滑动距离确定非线性变化的磨损量，具体公式为：

其中，v″表示非线性变化的磨损量，β表示两粗糙表面接触的表面膜破坏分数，k表示磨损系数，通常取值为10^-7-10^-8之间，w表示作用在摩擦副上的法向载荷，h表示摩擦片材料的硬度，l″(t)表示摩擦副的非线性时变滑动距离。

步骤s54：根据所述表面膜破坏分数、所述作用在摩擦副上的法向载荷和所述线性时变滑动距离确定线性变化的磨损量，具体公式为：

其中，v′表示线性变化的磨损量，β表示两粗糙表面接触的表面膜破坏分数，k表示磨损系数，通常取值为10^-7-10^-8之间，w表示作用在摩擦副上的法向载荷，h表示摩擦片材料的硬度，l′(t)表示摩擦副的线性时变滑动距离。

实验验证

以纸基材料，润滑油温度为100℃为例，仿真摩擦副主动盘和从动盘转速时间关系如图4所示。

利用matlab工具箱，拟合主从动盘的转速关系式如下所示：

当接合时间t为1.3286s，则根据式(7)计算的销盘结构来模拟实际的摩擦副的线性时变滑动距离为25.04m，根据式(8)、(13)和(14)可计算实际中主、从动盘摩擦副的非线性时变滑动距离为11.693m，由计算结果可知，采用销盘模拟摩擦副的滑动距离是将从动盘视为固定不转的，主动盘以转速差3000r/min匀速转动，没有考虑从动盘在主动盘带动的情况下，一起转动直至主、从动盘转速相等的实际情况，故计算的滑动距离要大于实际计算的滑动距离。

将表1中的仿真参数和计算的非线性时变滑动距离代入(11)，可得磨损量变化如下图5所示，当时变滑动距离不同时，对摩擦副接合过程中的磨损量有着直观的影响，且近似滑动距离的磨损量显著大于实际非线性时变滑动距离的磨损量。

表1摩擦片仿真参数

本发明提出的摩擦离合器上摩擦副磨损量计算方法及系统具有以下技术效果：

(1)通过研究主从动盘的动态接合过程特性，分析出主从动盘的转速变化关系，提出了实际非性性时变滑动距离的计算方法，计算分析了摩擦副的磨损量，并与近似滑动距离计算的摩擦副的磨损量进行对比，得出了摩擦副在单次接合过程中磨损量的动态变化规律。

(2)本发明提出根据实际非线性时变滑动距离计算的磨损量，随着接合过程不断推进，摩擦副磨损量虽然呈上升趋势，但并非与近似滑动距离方法中所计算的磨损量与时间呈正比关系，而是随着时间增加，主从动盘的相对转速不断减小，磨损量的增幅不断趋于平缓，也在实际意义上反映了离合器摩擦副在接合过程中，主从动盘之间的磨损量趋于平缓并在最后接合状态时不再产生磨损的实际工况。

如图6所示，本发明还提供一种摩擦离合器上摩擦副磨损量计算系统，所述系统包括：

驱动转矩计算模块1，用于计算离合器上摩擦副的驱动转矩。

摩擦转矩和负载转矩计算模块2，用于计算离合器上摩擦副的摩擦转矩和负载转矩。

转速确定模块3，用于根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩确定主动盘转速和从动盘转速。

非线性时变滑动距离确定模块4，用于根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定所述摩擦副的非线性时变滑动距离。

磨损量确定模块5，用于根据所述摩擦副的非线性时变滑动距离确定摩擦副的磨损量。

本发明所述系统还包括：

线性时变滑动距离确定模块，用于根据所述主动盘转速和所述从动盘转速确定摩擦副的线性时变滑动距离。

作为一种实施方式，本发明所述摩擦转矩和负载转矩计算模块2，具体包括：

压力计算单元，用于计算摩擦片单位面积的压力。

摩擦转矩计算单元，用于根据所述摩擦片单位面积的压力计算离合器上摩擦副的摩擦转矩。

负载转矩计算单元，用于计算离合器上摩擦副的负载转矩。

作为一种实施方式，本发明所述转速确定模块3，具体包括：

转动自由度确定单元，用于根据所述离合器上摩擦副的所述摩擦转矩、所述负载转矩和所述驱动转矩求解主动盘和从动盘的转矩平衡方程，获得驱动端的转动自由度和负载端的转动自由度。

转速确定单元，用于根据所述驱动端的转动自由度和所述负载端的转动自由度确定主动盘转速和从动盘转速。

作为一种实施方式，本发明所述磨损量确定模块5，具体包括：

法向载荷计算单元，用于计算作用在摩擦副上的法向载荷。

表面膜破坏分数计算单元，用于计算两粗糙表面接触的表面膜破坏分数。

非线性变化的磨损量计算单元，用于根据所述表面膜破坏分数、所述作用在摩擦副上的法向载荷和所述非线性时变滑动距离确定非线性变化的磨损量。

线性变化的磨损量计算单元，用于根据所述表面膜破坏分数、所述作用在摩擦副上的法向载荷和所述线性时变滑动距离确定线性变化的磨损量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。