凹坑形非光滑刹车盘/片耦合耐磨性能的研究

摘要

随着中国经济的不断发展，人们生活水平逐渐提高，汽车的数量也在与日俱增，制动系统作为汽车的一个重要组成部分，其安全性和耐用性越来越受到人们的关注。刹车盘/片是汽车制动系统中的摩擦部件，如果刹车盘/片受到严重磨损，将会导致汽车制动失灵，发生安全事故，造成人身和财产的损失，后果十分严重。以往的研究，人们多数集中在对刹车盘/片材料的改进来提高其耐磨性，虽然取得了一定的成果和进展，但其研究仍然存在一些局限性和不足。近年来，仿生非光滑表面作为一种新兴的耐磨技术的研究，逐渐受到人们的重视。仿生学研究发现，蜣螂等土壤动物长期穿梭于土壤之中，但其体表却毫无损伤，说明其体表具有良好的耐磨性能。研究其体表结构，却发现其体表并非光滑的，而是凹凸不平的，这种非光滑形态是经过亿万年进化而形成的优良形态，将这种非光滑形态应用于刹车盘/片上，将有效解决刹车盘/片易磨损的问题，达到其耐磨的效果。本文从仿生学角度出发，研究非光滑表面的耐磨性能，将具有优良耐磨性能的凹坑形态非光滑表面应用于刹车盘上，揭示凹坑形非光滑表面形态的耐磨机理，探索具有最佳耐磨性的凹坑形非光滑表面形态。 本文选用蜣螂体表的凹坑形非光滑表面形态作为仿生原型，利用SilMark-WT标刻工作台，采用激光加工的手段对刹车盘表面进行不同形态分布的凹坑形非光滑表面加工。凹坑形单元体的间距分别为1mm、1.25mm、1.5mm;其直径大小分别为0.4mm、0.6mm、0.8mm。刹车盘和刹车片的材料分别为铸铁和半金属材料。使用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机进行磨损试验，使用L-200型光电分析天平测量其磨损量。采用极差法处理试验结果，得出影响磨损量的主次因素分别为:直径和间距。并得到最优组合是间距为1mm，直径为0.8mm。采用正交多项式回归设计优化回归方程，得出回归方程为:(y)=5.006+1.4Z1-2.5Z2 说明凹坑间距和直径对磨损量都有显著的影响，但凹坑的间距和直径对磨损量没有交互作用。本文还对光滑与非光滑表面的磨损量进行了对比分析，选用最优组合，即间距为1mm，直径为0.8mm，作为非光滑表面的代表，计算其相对于光滑表面的耐磨性提高值。非光滑表面的磨损量相对于光滑表面的磨损量均有所减小，其中最多的减少了65.85％，即相对于光滑表面，其耐磨性提高了65.85％。并且凹坑形非光滑形态对其摩擦系数也有一定影响。 本文采用ANSYS12.O/LS-DYNA有限元分析软件对刹车盘/片的制动过程进行了动态模拟。设计了与摩擦试验相对应的9种非光滑表面和1种光滑表面的刹车盘。分别模拟刹车片模型在10种摩擦条件下的Von Mises stress，经过对模拟时间范围内100步中每两步的计算结果的统计分析，做出光滑与非光滑刹车盘摩擦时刹车片上的Von Mises stress在其均值上下范围内波动情况对比图，9种非光滑刹车盘所对应的刹车片的Von Mises stress波动情况均明显好于光滑模型，并且除其中一种的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。对比中间时刻光滑与非光滑模型的等效应力，光滑模型受力比较大的地方集中在两试件的接触表面，而凹坑形非光滑表面将施加在刹车盘上表面的压力很好地分散到了刹车盘的下表面，使得刹车盘受力更加均匀，减少了应力集中现象，减小了滑动摩擦时产生的热量，提高了耐磨性能。同时对作用在不同凹坑形态尺寸的刹车盘和光滑刹车盘上的切向剪应力τxy也进行了对比分析，结果表明，非光滑刹车盘的切向剪应力主要集中在凹坑附近，但其切向剪应力值明显小于光滑刹车盘，并且受较大切向剪应力的面积也要明显小于光滑刹车盘。对于不同形态尺寸的凹坑形非光滑刹车盘，当凹坑直径不变时，切向剪应力τxy随凹坑间距的增大而增大;当凹坑间距不变时，切向剪应力τxy随凹坑直径的增大而减小。 本文还采用ANSYS14.0/Workbench对简化的刹车盘/片模型进行有限元分析，将最优水平的凹坑形态均匀、致密地排列在刹车盘模型上表面，对比光滑模型和最优水平的凹坑形非光滑模型在初始时刻、中间时刻和终止时刻的等效应力云图和接触应力云图，由于凹坑的存在，使得刹车盘/片受力更加均匀，减小了应力集中现象，提高了刹车盘/片的耐磨性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2刹车盘和刹车片的摩擦磨损概述

1．2．1盘式刹车系统制动原理

1．2．2刹车盘材料

1．2．3刹车片材料

1．2．4制动副的磨损形式

1．2．5影响制动副摩擦性能的因素

1．2．6改善制动副摩擦性能的途径

1．3仿生理论及其应用

1．3．1仿生学概述

1．3．2非光滑表面形态的仿生学基础

1．4国内外研究进展

1．5本论文研究的主要内容

第2章非光滑模型选取的理论基础及试验设计

2．1非光滑表面形态选取的理论基础

2．2试件的仿生非光滑结构设计

2．3试验材料

2．4凹坑形非光滑结构加工形式的选取

2．5实验设备及仪器

2．5．1摩擦试验机简介

2．5．2试验机摩擦副

2．5．3 L-200型光电分析天平

2．5．4试件模型

2．5．5激光表面处理设备

第3章凹坑形非光滑模型试件摩擦磨损试验研究

3．1引言

3．2试验方案的确定

3．2．1试验方法及目的

3．2．2试验因素

3．2．3试验水平

3．2．4方案的编排

3．3非光滑结构的摩擦磨损试验结果分析

3．3．1凹坑形非光滑模型试件摩擦磨损试验结果与分析

3．3．2采用极差法处理和分析试验结果

3．3．3采用正交多项式回归设计处理和分析试验结果

3．3．4通过摩擦系数分析耐磨性能

3．4光滑与非光滑表面的摩擦磨损对比试验与结果分析

3．5耐磨机理分析

3．6本章小结

第4章ANSYS12．0／LS-DYNA有限元分析非光滑模型磨损过程

4．2 LS-DYNA的显示动力学分析方法

4．3有限元分析摩擦磨损过程

4．3．1有限元分析前处理

4．3．2有限元后处理结果和刹车盘／片耐磨性的分析

4．4本章小结

第5章ANSYS14．0／Workbench有限元分析非光滑模型磨损过程

5．1．1功能特点

5．1．2 Workbench分析的一般流程

5．2有限元分析摩擦磨损过程

5．2．1有限元分析前处理

5．2．2有限元分析后处理结果和刹车盘／片耐磨性的分析

5．3本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢