一種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法，首先分析摩擦副的外在支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取與對(duì)偶片相同材料屬性的銷釘，其次根據(jù)摩擦元件的工況條件模擬摩擦副工作狀態(tài)下的接觸壓力分析，通過(guò)對(duì)接觸區(qū)壓力分析和加載特點(diǎn)確定銷釘在對(duì)偶片上的分布與對(duì)偶片銷釘空的配合尺寸，通過(guò)對(duì)對(duì)偶片進(jìn)行二次加工和磨合，獲得與原對(duì)偶表面相似的屬性，最后通過(guò)預(yù)埋銷釘應(yīng)變獲得該區(qū)域的接觸壓力。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)摩擦副接觸區(qū)的動(dòng)靜態(tài)壓力測(cè)量，在不改變摩擦區(qū)接觸狀態(tài)的前提下，實(shí)現(xiàn)接觸壓力的動(dòng)靜態(tài)測(cè)試，在確定了摩擦副精確邊界條件的同時(shí)，為摩擦副動(dòng)態(tài)測(cè)試提供了依據(jù)。
【專利說(shuō)明】
-種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明的一種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法，屬于履帶車輛傳動(dòng) 領(lǐng)域制動(dòng)器摩擦副接觸表面應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 高能量密度摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)是高性能傳動(dòng)的關(guān)鍵，其顯著特征是大功率、高轉(zhuǎn)速，摩 擦副由于其優(yōu)異的耐磨性和較高的熱容被廣泛應(yīng)用于履帶車輛的傳動(dòng)領(lǐng)域。Cu基、Fe基粉 末冶金摩擦副，包括制動(dòng)器與離合器，工作在多應(yīng)力復(fù)合環(huán)境中，作為=參數(shù)邊界-壓力、速 度、溫度是影響摩擦副摩擦特性的主要因素，也是摩擦副設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要參考?，F(xiàn)階段速 度邊界能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量，而壓力邊界的動(dòng)態(tài)測(cè)試一直是=邊界測(cè)量中的重點(diǎn)和難 點(diǎn)。目前在錐形對(duì)偶片領(lǐng)域一直沒(méi)有有效的并且可靠的摩擦副接觸表面應(yīng)力測(cè)量的成熟方 法，對(duì)摩擦副進(jìn)行多維有限元壓力分析是主要的分析手段。
[0003] 長(zhǎng)期W來(lái)摩擦副表面應(yīng)力測(cè)量困難主要集中在W下幾方面：（1)測(cè)量元件難W測(cè) 量高速摩擦的接觸表面的應(yīng)力；（2)現(xiàn)階段無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于摩擦副從分離、接觸到滑摩的全過(guò) 程動(dòng)態(tài)測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題為:是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的摩擦副壓力邊界條件 無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，提供一種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法，該方法有效的 解決了當(dāng)前摩擦副接觸表面壓力分布無(wú)法真實(shí)獲得的困難，在不改變摩擦副表面接觸狀態(tài) 的前提下，實(shí)現(xiàn)接觸壓力動(dòng)態(tài)測(cè)試，在確定了摩擦副精度壓力邊界條件的同時(shí)，為摩擦副動(dòng) 態(tài)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法， 其實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0006] 步驟一、分析摩擦元件的工況條件及摩擦副的加載支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，獲得摩擦副 的幾何尺寸，按照所需要測(cè)量摩擦面的工藝要求確定摩擦接觸表面的粗糖度要求和同軸度 要求；
[0007] 步驟二、根據(jù)步驟一中分析獲得的摩擦副的支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和摩擦副的幾何尺寸建 立有限元分析模型，添加摩擦副材料屬性，對(duì)=維模型進(jìn)行多方向壓力載荷的有限元仿真， 獲得摩擦副接觸表面的應(yīng)力范圍，為接觸壓力測(cè)試銷釘布局和電阻應(yīng)變片的選擇提供依 據(jù)；
[000引步驟=、根據(jù)步驟一中分析的摩擦副支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、摩擦副的幾何尺寸W及有限 元仿真分析確定對(duì)偶片上的測(cè)量點(diǎn)分布和測(cè)點(diǎn)數(shù)量N;分析獲得的摩擦片的彈性模型和泊 松比的要求，結(jié)合摩擦副接觸表面的尺寸、對(duì)偶片的厚度、應(yīng)變片的尺寸及測(cè)量精度要求確 定銷釘?shù)闹睆紻和長(zhǎng)度L
[0009]步驟四、按照步驟=確定的銷釘?shù)某叽缂庸やN釘，并在銷釘側(cè)圓柱面上加工一平 面，用來(lái)粘貼電阻應(yīng)變片，加工平面的寬度和長(zhǎng)度應(yīng)略大于電阻應(yīng)變片的大小，在對(duì)偶片所 需測(cè)量區(qū)域的布點(diǎn)位置按照已經(jīng)確定好的D和L打預(yù)埋銷釘?shù)目?，在?duì)偶片非接觸面的銷釘 孔內(nèi)攻入螺紋，攻入螺紋的深度為B-UB為對(duì)偶片厚度，選取過(guò)渡配合作為孔與銷釘?shù)呐浜?尺寸公差；
[0010] 步驟五、根據(jù)步驟二的仿真分析初步確定摩擦副接觸表面應(yīng)力的極限范圍，并根 據(jù)此范圍確定電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)：電阻應(yīng)變片初始電阻值、測(cè)量范圍、靈敏度和耐熱 性，進(jìn)而根據(jù)運(yùn)些參數(shù)確定電阻應(yīng)變片的型號(hào)；
[0011] 步驟六、通過(guò)步驟五確定了電阻應(yīng)變片的型號(hào)，將選好的應(yīng)變片粘貼于銷釘?shù)膫?cè) 平面上，并將銷釘裝入對(duì)偶片上對(duì)應(yīng)的銷釘孔中并用預(yù)緊螺釘固定，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片電阻 值是否為電阻應(yīng)變片電阻值來(lái)鑒定電阻應(yīng)變片是否損壞；
[0012] 步驟屯、將安裝電阻應(yīng)變片的對(duì)偶片按照摩擦副接觸表面的粗糖度等要求進(jìn)行二 次加工，然后安裝到摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨合，磨合時(shí)間不低于15min，磨損工況和步驟 一確定的一致；
[0013] 步驟八、將充分磨合過(guò)的摩擦副進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)橋盒連接應(yīng)變片，將電流傳 入應(yīng)變采集儀，獲得銷釘處摩擦表面的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0015] (1)本發(fā)明采用電阻應(yīng)變片貼片式動(dòng)態(tài)測(cè)溫，實(shí)現(xiàn)靜動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力測(cè)量；
[0016] (2)本發(fā)明將電阻應(yīng)變片測(cè)量元件埋于摩擦副內(nèi)部，二次加工使銷釘與對(duì)偶片融 為一體，使測(cè)量元件和對(duì)偶片充分接觸，測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確；
[0017] (3)本發(fā)明測(cè)量方法簡(jiǎn)單，測(cè)試點(diǎn)位布置方便，測(cè)試成本較低。
【附圖說(shuō)明】
[001引圖1為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明中錐形對(duì)偶片樣件圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明中銷釘分布圖；
[0021 ]圖4為本發(fā)明中銷釘結(jié)構(gòu)圖，其中左圖是主視圖，右圖為左視圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明中銷釘?shù)妮S測(cè)圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明中銷釘安裝剖面圖，其中，a為螺塞，b為銷釘，C為平面；
[0024] 圖7為本發(fā)明中銷釘側(cè)平面貼片圖，其中，1、防潮劑;2、應(yīng)變片；3、引線;4、透明膠 紙;5、接線端子;6、錫焊；
[0025] 圖8為本發(fā)明中橋路連接圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為了清楚說(shuō)明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過(guò)一個(gè)具體的實(shí)施方式，并結(jié)合其附圖 對(duì)本方案進(jìn)行闡述。
[0027] 理論研究和試驗(yàn)過(guò)程都發(fā)現(xiàn)Fe基粉末冶金摩擦副在接合過(guò)程中應(yīng)力分布并不均 勻，該特點(diǎn)的產(chǎn)生是由于加壓結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與接觸表面特性共同決定的。為了實(shí)現(xiàn)摩擦副接 觸壓力的測(cè)試，本發(fā)明采用嵌入式銷釘測(cè)量方法，在對(duì)偶片非接觸表面上加工若干銷釘孔， 在銷釘上安裝電阻應(yīng)變片，一起安裝在對(duì)偶片上，并進(jìn)行二次加工，然后在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 上進(jìn)行磨合，并連接多通道應(yīng)變采集儀，實(shí)現(xiàn)摩擦副靜動(dòng)態(tài)接觸壓力測(cè)量。
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明在銷釘上安裝電阻應(yīng)變片測(cè)量的動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力具體測(cè)試方法 如下：
[0029] 步驟一、確定摩擦元件的工況條件及摩擦副的加載支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如圖2所示， 包括采用哪種支撐，加載力的位置和方向；通過(guò)測(cè)繪獲得摩擦副的幾何尺寸，為后面的建模 提供必要的參數(shù)支持;按照所需要測(cè)量摩擦面的工藝要求確定摩擦接觸表面的粗糖度要求 (1.6皿)和同軸度要求(0.05);
[0030] 步驟二、根據(jù)步驟一中分析獲得的摩擦副的支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和摩擦副的幾何尺寸建 立有限元分析模型，添加摩擦副材料屬性，對(duì)=維模型進(jìn)行多方向壓力載荷的有限元仿真， 具體方法為：
[0031] 在Pro/E中按照摩擦副的支撐結(jié)構(gòu)和尺寸，建立錐形對(duì)偶片的S維模型，然后倒入 ANSYS有限元分析軟件，添加摩擦副的材料屬性和加載載荷，選取對(duì)偶片接觸表面節(jié)點(diǎn)處的 應(yīng)力和應(yīng)變作為輸出結(jié)果，獲得摩擦副接觸表面應(yīng)力分布的大致范圍，為后面的應(yīng)變片選 擇提供初步的依據(jù)。
[0032] 步驟=、根據(jù)步驟一中分析的摩擦副支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、摩擦副的幾何尺寸W及有限 元仿真分析確定對(duì)偶片上的測(cè)量點(diǎn)分布和測(cè)點(diǎn)數(shù)量N，如圖3所示，對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)附近和距 離加載點(diǎn)較近的區(qū)域應(yīng)力較大，致使摩擦副變形明顯，造成摩擦片和對(duì)偶片面壓力分布不 均，應(yīng)多布點(diǎn)；分析獲得的摩擦片的彈性模型和泊松比的要求，結(jié)合摩擦副接觸表面的尺 寸、對(duì)偶片的厚度、應(yīng)變片的尺寸及測(cè)量精度要求確定銷釘?shù)闹睆紻和長(zhǎng)度L，確定方法如 下：
[0033] 一般銷釘直徑D<(R-r)/2，R為對(duì)偶片外徑，r為對(duì)偶片內(nèi)徑;B/2<L<2B/3，B為對(duì)偶 片厚度，一般1.6粗糖度0.05同軸度的摩擦接觸表面選用D不應(yīng)大于12mm，接觸程度越好選 用的D越小，但越小不應(yīng)該小于最大應(yīng)變片的寬度，范圍使4-12mm，例如R為120mm，r為 100mm，可選 D 為5mm。
[0034] 步驟四、按照步驟=確定的銷釘?shù)某叽缂庸やN釘b，并在銷釘側(cè)圓柱面上加工一平 面C，如圖4和圖5所示，用來(lái)粘貼電阻應(yīng)變片，加工平面的寬度和長(zhǎng)度應(yīng)略大于電阻應(yīng)變片 的大小，在對(duì)偶片所需測(cè)量區(qū)域的布點(diǎn)位置按照已經(jīng)確定好的D和L打預(yù)埋銷釘?shù)目?，在?duì) 偶片非接觸面的銷釘孔內(nèi)攻入螺紋，如圖6所示，a是螺塞，攻入螺紋的深度為Ui=L片-Lfg,選 取過(guò)渡配合作為孔與銷釘?shù)呐浜铣叽绻睿?br>[0035] 步驟五、根據(jù)步驟二的仿真分析初步確定摩擦副接觸表面應(yīng)力的極限范圍，應(yīng)力 應(yīng)變的選取點(diǎn)在單元的節(jié)點(diǎn)處，并沿著錐角分布，所獲取的范圍就是應(yīng)力分為，并根據(jù)此范 圍確定電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)：電阻應(yīng)變片初始電阻值、測(cè)量范圍、靈敏度和耐熱性，選擇 應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)注意到構(gòu)件的材料性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而根據(jù)運(yùn)些參數(shù)確定電阻應(yīng)變片的型 號(hào)；（具體選擇方法詳見(jiàn)應(yīng)變片相關(guān)數(shù)據(jù)）；
[0036] 步驟六、通過(guò)步驟五確定了電阻應(yīng)變片的型號(hào)，將選好的應(yīng)變片粘貼于盲孔底部 的平面上，如圖7所示，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片電阻值是否為電阻應(yīng)變片電阻值來(lái)鑒定電阻應(yīng)變片 是否損壞，如果電阻顯示和電阻應(yīng)變片的初始電阻差別不大，說(shuō)明應(yīng)變片貼片成功，橋接線 路，如圖8所示，B、D端分別于接線端子相連的導(dǎo)線相連接，A、C端分別接于外部穩(wěn)定5V電壓， 即保證A、C端之間的電壓為穩(wěn)定的5V電壓。其電路的計(jì)算公式為：
[0037]
[003引如果RiR3=R2R4貝化=0，運(yùn)就是應(yīng)變片的調(diào)零電路，當(dāng)電阻在形狀改變時(shí)其電阻發(fā) 生改變后，電壓的值的改變量為：
[0039
[0040] 通過(guò)上式可W求出電阻的改變值，并進(jìn)而根據(jù)電阻本身特性求出應(yīng)變量的值，并 再通過(guò)摩擦副材料特性計(jì)算出壓力值。
[0041] 步驟屯、將安裝電阻應(yīng)變片的對(duì)偶片按照摩擦副接觸表面的粗糖度等要求進(jìn)行二 次加工，然后安裝到摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨合，磨合時(shí)間不低于15min，磨損工況和步驟 一確定的一致；
[0042] 步驟八、將充分磨合過(guò)的摩擦副進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)橋盒連接應(yīng)變片，將電流傳 入應(yīng)變采集儀，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件操作進(jìn)行調(diào)零，然后加載與實(shí)際工況一樣的載荷，采集儀進(jìn) 行采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示，獲得銷釘處摩擦表面的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。接觸壓力較大 地方的應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量值大，反之接觸不充分的地方，應(yīng)力應(yīng)變相對(duì)較小，該方法可W有效 的測(cè)量摩擦片從分離狀態(tài)到接觸狀態(tài)，再到滑摩狀態(tài)的實(shí)時(shí)壓力狀態(tài)的測(cè)量和監(jiān)控。
[0043] 本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于錐形摩擦副接觸壓力銷釘嵌入式測(cè)量方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟一、分析摩擦元件的工況條件及摩擦副的加載支撐結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，獲得摩擦副的幾 何尺寸，按照所需要測(cè)量摩擦面的工藝要求確定摩擦接觸表面的粗糙度要求和同軸度要 求； 步驟二、根據(jù)步驟一中分析獲得的摩擦副的支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和摩擦副的幾何尺寸建立有 限元分析模型，添加摩擦副材料屬性，對(duì)三維模型進(jìn)行多方向壓力載荷的有限元仿真，獲得 摩擦副接觸表面的應(yīng)力范圍，為接觸壓力測(cè)試銷釘布局和電阻應(yīng)變片的選擇提供依據(jù)； 步驟三、根據(jù)步驟一中分析的摩擦副支撐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、摩擦副的幾何尺寸以及有限元仿 真分析確定對(duì)偶片上的測(cè)量點(diǎn)分布和測(cè)點(diǎn)數(shù)量N;分析獲得的摩擦片的彈性模型和泊松比 的要求，結(jié)合摩擦副接觸表面的尺寸、對(duì)偶片的厚度、應(yīng)變片的尺寸及測(cè)量精度要求確定銷 釘?shù)闹睆紻和長(zhǎng)度L; 步驟四、按照步驟三確定的銷釘?shù)某叽缂庸やN釘，并在銷釘側(cè)圓柱面上加工一平面，用 來(lái)粘貼電阻應(yīng)變片，加工平面的寬度和長(zhǎng)度應(yīng)略大于電阻應(yīng)變片的大小，在對(duì)偶片所需測(cè) 量區(qū)域的布點(diǎn)位置按照已經(jīng)確定好的D和L打預(yù)埋銷釘?shù)目?，在?duì)偶片非接觸面的銷釘孔內(nèi) 攻入螺紋，攻入螺紋的深度為B-L，B為對(duì)偶片厚度，選取過(guò)渡配合作為孔與銷釘?shù)呐浜铣叽?公差； 步驟五、根據(jù)步驟二的仿真分析初步確定摩擦副接觸表面應(yīng)力的極限范圍，并根據(jù)此 范圍確定電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)：電阻應(yīng)變片初始電阻值、測(cè)量范圍、靈敏度和耐熱性，進(jìn) 而根據(jù)這些參數(shù)確定電阻應(yīng)變片的型號(hào)； 步驟六、通過(guò)步驟五確定了電阻應(yīng)變片的型號(hào)，將選好的應(yīng)變片粘貼于銷釘?shù)膫?cè)平面 上，并將銷釘裝入對(duì)偶片上對(duì)應(yīng)的銷釘孔中并用預(yù)緊螺釘固定，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片電阻值是 否為電阻應(yīng)變片電阻值來(lái)鑒定電阻應(yīng)變片是否損壞； 步驟七、將安裝電阻應(yīng)變片的對(duì)偶片按照摩擦副接觸表面的粗糙度等要求進(jìn)行二次加 工，然后安裝到摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨合，磨合時(shí)間不低于15min，磨損工況和步驟一確 定的一致； 步驟八、將充分磨合過(guò)的摩擦副進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)橋盒連接應(yīng)變片，將電流傳入應(yīng) 變采集儀，獲得銷釘處摩擦表面的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G01L1/22GK105953953SQ201610279277
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】方景林, 費(fèi)如純, 劉志君, 蘇國(guó)營(yíng), 吳向宇, 王延忠
【申請(qǐng)人】遼寧科技學(xué)院, 北京航空航天大學(xué)