一种用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法与流程

本发明涉及重载车辆传动技术领域，具体涉及一种用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法。

背景技术：

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。湿式摩擦元件由于其优异的耐磨性和较高的热容被广泛应用于重载车辆的传动技术领域。湿式摩擦元件常出现热弹性不稳定问题，导致车辆传动系统整体性能下降甚至失效。

当摩擦副相对速度大于某临界值时，温度场的非均匀性会随时间呈指数增大，即系统进入热弹性不稳定状态(thermoelasticinstability，简称tei)。由tei引起的局部高温(热斑点)是元件失效重要原因之一。热弹性失稳问题将使得摩擦副产生局部高温，进而解决摩擦传动过程中出现的高频振动、翘曲变形、甚至疲劳断裂等现象。

通过近半个世纪的研究，tei问题在理论、仿真和实验等方面都取得了较大的成果。热弹性理论研究以barber和burton等人的模型为基础，以理论为支撑采用有限元法作为研究热弹性不稳定问题的有效工具，而实验研究是验证理论研究和仿真研究的重要方法。

但目前国内外大多数学者在摩擦副材料和结构参数对热弹性稳定性影响的研究中，主要集中在摩擦材料本身物理、化学等性能和摩擦副厚度及半径等参数，而未考虑到摩擦层沟槽分布状态及结构特征对tei的动态特性影响。

因此目前亟需一种通过改进湿式摩擦元件的直沟槽特征参数来进行提高湿式摩擦元件的热弹稳定性的方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法，能够通过优化改进湿式摩擦元件的直沟槽特征参数，提高湿式摩擦元件的热弹稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：1、一种用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法，所述湿式摩擦元件由多片交替分布的摩擦片和对偶钢片，其中相邻的摩擦片和对偶钢片组成摩擦副，其中摩擦片上具备设定数量的直沟槽，所述直沟槽将所述摩擦片的摩擦表面分为设定数量的区块，其特征在于，所述直沟槽特征参数优化方法包括如下步骤：

确定直沟槽所需优化的结构特征参数；所述直沟槽所需优化的结构特征参数包括直沟槽数目n、直沟槽角度θ、直沟槽宽度b和直沟槽深度h。

所述直沟槽数目n是单个摩擦片表面上分布的沟槽组的总数目，每个沟槽组由三道相邻且平行的沟槽构成。

所述直沟槽角度θ是指沟槽组的中间沟槽与经过其沟槽长度中点的摩擦片直径的夹角。

所述直沟槽深度h是指直沟槽底部与摩擦片表面的垂直距离。

所述直沟槽宽度b是指摩擦片表面为直沟槽所截区域的宽度距离。

设定结构特征参数的优化顺序为n→θ→b→h。

设定评价指标包括平温度场平均温度μ、温度场不均匀系数σ和温度极差r；设定评价指标顺序为μ→r→σ。

按照设定的结构特征参数优化顺序顺次选取当前优化参数，执行如下优化过程获得当前优化参数的最优取值，直至获取所有结构特征参数对应的最优取值，并以所有结构特征参数取其最优取值设置湿式摩擦元件的直沟槽结构。

所述优化过程为：对当前优化参数设置m个取值，其他结构特征参数设定为固定值，组成m组结构特征参数数据，对所述湿式摩擦元件进行m次热弹性仿真，获取m组仿真结果，所述仿真结果包括摩擦副的温度、热应力以及应变力；依据所述仿真结果计算评价指标的数值，按照设定评价指标的顺序，对当前优化参数的m个取值进行评价，选取最优取值。

进一步地，对当前优化参数设置m个取值，具体为：若当前优化参数为直沟槽数目n，则设置5个取值，分别为4,6,8,10,12；若当前优化参数为直沟槽角度θ，则设置取值分布在[0°，45°]区间，选取间隔为5°。若当前优化参数为直沟槽宽度b，则设置取值分布在[1mm，5mm]区间，选取间隔为0.8mm；若当前优化参数为直沟槽深度h，则设置取值分布在[0.2mm，0.6mm]区间，选取间隔为0.1mm。

进一步地，结构特征参数的最优取值具体为：直沟槽数目n的最优取值为8，直沟槽角度θ最优取值为5°，直沟槽深度h最优取值为0.4mm，直沟槽宽度b最优取值为0.24mm。

有益效果：

(1)本发明所提供给的一种用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法，通过对湿式摩擦元件的热弹稳定性理论进行分析，设定了直沟槽所需优化的结构特征参数包括直沟槽数目n、直沟槽角度θ、直沟槽宽度b和直沟槽深度h；并通过计算热弹性失稳的临界速度，给出了各结构特征参数的优化顺序，同时给出了评价指标顺序，通过热弹性仿真实验取得了每个结构特征参数的最优取值，根据该最优取值设置湿式摩擦元件的直沟槽结构从而获得了热弹稳定性更高的湿式摩擦元件，实现了对湿式摩擦元件的直沟槽的结构特征参数的合理性优化。该优化方法在工程设计领域具有更广泛的适用性和更高的精确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法流程图；

图2为本发明实施例中二维热弹失稳分析模型示意图；

图3为本发明实施例中沟槽当量摩擦半径处示意图；

图4为本发明实施例中不同沟槽角度的采样温度图；

图5为本发明实施例中摩擦片与对偶片实验图；

图6为本发明实施例中实验测试部分数据曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于湿式摩擦元件直沟槽特征参数优化方法，湿式摩擦元件由多片交替分布的摩擦片和对偶钢片，其中相邻的摩擦片和对偶钢片组成摩擦副，其中摩擦片上具备设定数量的直沟槽，直沟槽将摩擦片的摩擦表面分为设定数量的区块。

由于对偶钢片与摩擦材料导热性相差较大，大部分摩擦热传导进入对偶钢片，摩擦材料只有表层受到热点影响，所以可以将摩擦片简化为静止的半无限大平面；而对偶钢片简化为运动的有限厚度平面。采用二维理论模型，并假设摩擦片(材料1)静止，钢片(材料2)以速度v运动，以代表摩擦副相对速度，如图2所示。

直沟槽特征参数优化方法流程如图1所示，包括如下步骤：

s1、确定直沟槽所需优化的结构特征参数；直沟槽所需优化的结构特征参数包括直沟槽数目n、直沟槽角度θ、直沟槽宽度b和直沟槽深度h。

直沟槽数目n是单个摩擦片表面上分布的沟槽组的总数目，每个沟槽组由三道相邻且平行的沟槽构成；直沟槽角度θ是指沟槽组的中间沟槽与经过其沟槽长度中点的摩擦片直径的夹角；直沟槽深度h是指直沟槽底部与摩擦片表面的垂直距离；直沟槽宽度b是指摩擦片表面为直沟槽所截区域的宽度距离。

沟槽划分区块如图3大致分为三种，沟槽分布特征参数中，沟槽数目、角度和宽度明显改变了各个区域的当量摩擦弧长，而沟槽深度也同样会影响每个区块当量厚度，即沟槽分布特征参数将会影响扰动波数及频率等系统稳定性。利用理论分析，可得到三种区块当量弧长公式，根据自平衡性，扰动波长不能大于每块区块的作用弧长，允许的最大波长应等于每块区块所截的当量摩擦半径圆弧长l，所以每个区块若至少要存在一个扰动波长，且只能存在整数个波长。结合热弹性失稳理论分析结果，确定直沟槽所需优化的结构特征参数为直沟槽的数目、角度、宽度和深度等。

s2、设定结构特征参数的优化顺序为n→θ→b→h；

设定评价指标包括平温度场平均温度μ、温度场不均匀系数σ和温度极差r；设定评价指标顺序为μ→r→σ。

其中设定结构特征参数的优化顺序的原理为：

计算热弹性失稳的临界速度vcr：

其中m为失稳状态扰动波波数，m为求解临界速度的中间值；

m＝2π/l；

其中，l为每组沟槽所截当量摩擦圆的圆弧长，l＝l1+l2+l3；

l1＝2πrf/n-2πarctan((s+b)/rf)；l2＝π{arctan[(s+b)/rf]+θ}；

l3＝π{arctan[(s+b)/rf]-θ}；

选取摩擦片上一个设定半径对应的圆作为当量摩擦圆：沟槽将整个模型划分为多个区块，每组沟槽所划分区块按顺时针计数分别为1、2、3区块，l为每组沟槽所截当量摩擦圆的圆弧长，rf为当量摩擦圆半径，l1,l2,l3分别为1、2、3区块的当量摩擦圆弧长。x1,x2,x3分别为1,2,3区块对波数的贡献比例；

结构参数：n为单面摩擦片的沟槽组数，s为每组沟槽中最外侧两槽的间距；

材料参数：f为摩擦系数，k为导热系数，ν为泊松比，α为剪切模量；

求解vcr的意义：当求出临界速度的值越大，其热弹性能越稳定，根据求解公式就可以确定所优化的沟槽特征参数对于热弹性能的贡献，优先优化贡献较大的参数，即得到结构特征参数的优化顺序优化顺序。

s3、按照设定的结构特征参数优化顺序顺次选取当前优化参数，执行如下优化过程获得当前优化参数的最优取值，直至获取所有结构特征参数对应的最优取值，并以所有结构特征参数取其最优取值设置湿式摩擦元件的直沟槽结构；

优化过程为：对当前优化参数设置m个取值，其他结构特征参数设定为固定值，组成m组结构特征参数数据，对湿式摩擦元件进行m次热弹性仿真，获取m组仿真结果，仿真结果包括摩擦副的温度、热应力以及应变力；依据仿真结果计算评价指标的数值，按照设定评价指标的顺序，对当前优化参数的m个取值进行评价，选取最优取值。

若当前优化参数为直沟槽数目n，根据几何尺寸与沟槽间距限制，而且要取对称偶数，取值有4,6,8,10,12。超过12相邻沟槽组会干涉，小于4动平衡不稳定。

若当前优化参数为直沟槽角度θ，设置取值分布在[0°，45°]区间，选取间隔为5°。

若当前优化参数为直沟槽宽度b，则设置取值分布在[1mm，5mm]区间，选取间隔为0.8mm；

若当前优化参数为直沟槽深度h，则设置取值分布在[0.2mm，0.6mm]区间，选取间隔为0.1mm。

其中在根据设定的评价指标的顺序，对当前优化参数的m个取值进行评价时，可以按照μ→r→σ顺序，

考虑到温度场平均温度μ优先顺序较高，选取使得温度场平均温度μ能够达到最好的效果的取值，同时该取值也能使得温度极差r和温度场不均匀系数σ能够达到较好效果。若通过温度场平均温度μ无法选取到最优值，以第二或第三个评价指标来决定最优值。

由热弹耦合机理分析，假设摩擦片静止，对偶片以一定相对转速与对偶片摩擦接触，这个过程两者保持同轴。因此，本发明设置的仿真模型为：摩擦片边界条件为对外柱面施加径向位移约束和对剖面施加y方向转动位移约束；对偶片边界条件为半厚度剖面设定y方向位移约束，对偶片内柱面施加径向位移约束，并给定y方向转动速度约束。

选定湿式摩擦元件仿真结果经过热点区域的圆周路径，对圆周路径节点数据进行采集，获得湿式摩擦元件的温度、应力和应变采样数据，对采样值处理获得采样数据曲线；以沟槽数目这一参数为例，图4为不同沟槽角度采样数据图像，该图像通过将某一结构参数不同的仿真结果数据绘制成一张曲线图。

对采集的数据和数据曲线进行评估分析，其中评价参数选取包括温度场平均温度μ、不均匀系数σ和温度极差r，具体评价指标定义如表1所示；将步骤三中获得的采样数据带入以概率统计理论为基础的评价参数计算公式中，获取评价参数结果，如表2所示；然后在综合分析所获得的评价参数结果后，确定不同的结构特征参数最优化结果，获得整个湿式摩擦元件的最优化沟槽结构为n＝8，θ＝5°，h＝0.4mm，b＝0.24mm；

表1温度场热弹稳定性评价指标

表2温度场热弹稳定性评价指标计算结果

获得了最优化的沟槽结构，其结果为n＝8，θ＝5°，h＝0.4mm，b＝0.24mm；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。