凹坑形非光滑剎車盤-片耦合耐磨性能的研究.pdf

1、隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，汽車的數(shù)量也在與日俱增，制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車的一個(gè)重要組成部分，其安全性和耐用性越來越受到人們的關(guān)注。剎車盤/片是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦部件，如果剎車盤/片受到嚴(yán)重磨損，將會(huì)導(dǎo)致汽車制動(dòng)失靈，發(fā)生安全事故，造成人身和財(cái)產(chǎn)的損失，后果十分嚴(yán)重。以往的研究，人們多數(shù)集中在對剎車盤/片材料的改進(jìn)來提高其耐磨性，雖然取得了一定的成果和進(jìn)展，但其研究仍然存在一些局限性和不足。近年來，仿生非光滑表面作為一種新

2、興的耐磨技術(shù)的研究，逐漸受到人們的重視。仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，蜣螂等土壤動(dòng)物長期穿梭于土壤之中，但其體表卻毫無損傷，說明其體表具有良好的耐磨性能。研究其體表結(jié)構(gòu)，卻發(fā)現(xiàn)其體表并非光滑的，而是凹凸不平的，這種非光滑形態(tài)是經(jīng)過億萬年進(jìn)化而形成的優(yōu)良形態(tài)，將這種非光滑形態(tài)應(yīng)用于剎車盤/片上，將有效解決剎車盤/片易磨損的問題，達(dá)到其耐磨的效果。本文從仿生學(xué)角度出發(fā)，研究非光滑表面的耐磨性能，將具有優(yōu)良耐磨性能的凹坑形態(tài)非光滑表面應(yīng)用于剎車盤上，揭示凹

3、坑形非光滑表面形態(tài)的耐磨機(jī)理，探索具有最佳耐磨性的凹坑形非光滑表面形態(tài)。
　　本文選用蜣螂體表的凹坑形非光滑表面形態(tài)作為仿生原型，利用SilMark-WT標(biāo)刻工作臺(tái)，采用激光加工的手段對剎車盤表面進(jìn)行不同形態(tài)分布的凹坑形非光滑表面加工。凹坑形單元體的間距分別為1mm、1.25mm、1.5mm;其直徑大小分別為0.4mm、0.6mm、0.8mm。剎車盤和剎車片的材料分別為鑄鐵和半金屬材料。使用MMW-1型立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨

4、損試驗(yàn)，使用L-200型光電分析天平測量其磨損量。采用極差法處理試驗(yàn)結(jié)果，得出影響磨損量的主次因素分別為:直徑和間距。并得到最優(yōu)組合是間距為1mm，直徑為0.8mm。采用正交多項(xiàng)式回歸設(shè)計(jì)優(yōu)化回歸方程，得出回歸方程為:y=5.006+1.4Z1-2.5Z2
　　說明凹坑間距和直徑對磨損量都有顯著的影響，但凹坑的間距和直徑對磨損量沒有交互作用。本文還對光滑與非光滑表面的磨損量進(jìn)行了對比分析，選用最優(yōu)組合，即間距為1mm，直徑為0.8

5、mm，作為非光滑表面的代表，計(jì)算其相對于光滑表面的耐磨性提高值。非光滑表面的磨損量相對于光滑表面的磨損量均有所減小，其中最多的減少了65.85％，即相對于光滑表面，其耐磨性提高了65.85％。并且凹坑形非光滑形態(tài)對其摩擦系數(shù)也有一定影響。
　　本文采用ANSYS12.0/LS-DYNA有限元分析軟件對剎車盤/片的制動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。設(shè)計(jì)了與摩擦試驗(yàn)相對應(yīng)的9種非光滑表面和1種光滑表面的剎車盤。分別模擬剎車片模型在10種摩擦條件

6、下的Von Mises stress，經(jīng)過對模擬時(shí)間范圍內(nèi)100步中每兩步的計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，做出光滑與非光滑剎車盤摩擦?xí)r剎車片上的Von Misesstress在其均值上下范圍內(nèi)波動(dòng)情況對比圖，9種非光滑剎車盤所對應(yīng)的剎車片的VonMises stress波動(dòng)情況均明顯好于光滑模型，并且除其中一種的Von Mises stress略高于光滑模型外，其他非光滑模型的Von Mises stress均小于光滑模型。對比中間時(shí)刻光滑與非光

7、滑模型的等效應(yīng)力，光滑模型受力比較大的地方集中在兩試件的接觸表面，而凹坑形非光滑表面將施加在剎車盤上表面的壓力很好地分散到了剎車盤的下表面，使得剎車盤受力更加均勻，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象，減小了滑動(dòng)摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，提高了耐磨性能。同時(shí)對作用在不同凹坑形態(tài)尺寸的剎車盤和光滑剎車盤上的切向剪應(yīng)力τxy也進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，非光滑剎車盤的切向剪應(yīng)力主要集中在凹坑附近，但其切向剪應(yīng)力值明顯小于光滑剎車盤，并且受較大切向剪應(yīng)力的面積也要明顯小

8、于光滑剎車盤。對于不同形態(tài)尺寸的凹坑形非光滑剎車盤，當(dāng)凹坑直徑不變時(shí)，切向剪應(yīng)力τxy隨凹坑間距的增大而增大;當(dāng)凹坑間距不變時(shí)，切向剪應(yīng)力τxy隨凹坑直徑的增大而減小。
　　本文還采用ANSYS14.0/Workbench對簡化的剎車盤/片模型進(jìn)行有限元分析，將最優(yōu)水平的凹坑形態(tài)均勻、致密地排列在剎車盤模型上表面，對比光滑模型和最優(yōu)水平的凹坑形非光滑模型在初始時(shí)刻、中間時(shí)刻和終止時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖和接觸應(yīng)力云圖，由于凹坑的存在，使