復(fù)擺腭式破碎機(jī)設(shè)計(jì),復(fù)擺,破碎,設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器在潤(rùn)滑的環(huán)境下 的設(shè)計(jì)方法的研究 秦大同 孫東葉 ( 重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家中心實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)重慶 400044 ) 摘要:在摩擦副之間發(fā)生的機(jī)械熱現(xiàn)象極大地改變多個(gè)濕制動(dòng)器圓盤(pán)的襯套壓力和摩擦表面溫度的分配。 它已經(jīng)成為制動(dòng)失敗的主要因素之一。 為了了解這些機(jī)械熱現(xiàn)象, 很多設(shè)計(jì)和對(duì)機(jī)械熱現(xiàn)象有很大影響的物質(zhì)因素，例如熱轉(zhuǎn)移系數(shù)，摩擦因素, 滑動(dòng)速度, 最初的襯套壓力等等都應(yīng)分析。等溫的設(shè)計(jì)方法是計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)多個(gè)濕制動(dòng)器圓盤(pán) 關(guān)鍵字: 濕制動(dòng)器 機(jī)械熱現(xiàn)象 熱轉(zhuǎn)移系數(shù) 摩擦因素 0 介紹 多個(gè)濕制動(dòng)器圓盤(pán)主要地有摩擦副, 一個(gè)反對(duì)板塊和一個(gè)活塞。每一個(gè)摩擦副包括一個(gè)摩擦片和一個(gè)鋼片。摩擦片是圓盤(pán)中在摩擦材料的兩邊排成一行的金屬軸。正常濕制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖 1 多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器 機(jī)械熱現(xiàn)象由非均勻的 墊片熱變形所引起的。因?yàn)樵趶较虻臒岚l(fā)散，熱轉(zhuǎn)移系數(shù)和摩擦因素的分布不均勻, 所以在濕制動(dòng)的嚙合期間摩擦表面溫度將會(huì)以不同的比率增加。 在較高溫度的分布區(qū)中，比較大的墊片熱變形將會(huì)見(jiàn)到。 即使最初的熱發(fā)散是均勻分布的。由于熱移動(dòng)系數(shù)和摩擦因素效果的變化，變形將變的不均勻。 在變形較高的局部區(qū)域，必然產(chǎn)生較大的壓力。 依次，由于在這些區(qū)域的熱膨脹，從而引起較高的溫度上升和促進(jìn)局部壓力的增加。 這個(gè)過(guò)程叫做 機(jī)械熱現(xiàn)象。 這個(gè)現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致實(shí)連接區(qū)域的減少, 表面溫度和摩擦片損壞率的增加。機(jī)械熱現(xiàn)象主要是由于濕制動(dòng)的失敗而造成的。 通過(guò)將摩擦襯套的壓力分布的最佳化來(lái)減少機(jī)械熱現(xiàn)象的效果。 基于有限的元素分析, 等溫的設(shè)計(jì)方法是計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)多個(gè)濕制動(dòng)器圓盤(pán)。 1 機(jī)械熱現(xiàn)象的影響因素 1.1 摩擦因素的影響 摩擦片和鋼板之間的動(dòng)摩擦因素在機(jī)械熱現(xiàn)象 上是影響因素之一。 當(dāng)滑動(dòng)速度 v和襯套壓力 p 是常數(shù)的時(shí)候，熱發(fā)散 q 可能隨著摩擦因素 f的改變而不同。 因此 , 一個(gè)非均勻的熱墊片將會(huì)產(chǎn)生變形。 根據(jù)他們的構(gòu)成，用于濕制動(dòng)器的摩擦材料分為多個(gè)類(lèi)型, 例如sintered青銅-, 石墨- 和以紙為基礎(chǔ)的材料。材料的改變?cè)趪Ш掀陂g能極大的影響平均動(dòng)摩擦因素。 即使相同類(lèi)型的摩擦材料, 隨著摩擦表面溫度 t , 滑動(dòng)速度v 和襯套壓力 p的改變，平均動(dòng)摩擦因素 f 將會(huì)極大的不同。 以紙為基礎(chǔ)的摩擦材料在于研究紙。" 紙 " 以它的高動(dòng)摩擦因素和極低的靜態(tài)的/動(dòng)態(tài)的系數(shù)比而聞名。 這個(gè)特征使得以紙為基礎(chǔ)的摩擦材料在制動(dòng)期間非常的平滑和安靜。 為了獲得隨著溫度 t變化的摩擦因素, 速度v 和壓力 p 的規(guī)律性, 以紙為基礎(chǔ)的摩擦材料的正交實(shí)驗(yàn)完成的是一個(gè) LBA0049 慣性力。 在這實(shí)驗(yàn)中，摩擦因素被定義為客觀的數(shù)值。 像溫度 t, 速度 v 和壓力 p 這樣的叁數(shù),以一個(gè)多線形的衰退方法被分析。 標(biāo)準(zhǔn)的正交表格 L 被采用。參數(shù) x，y， z,k和m 被定義為上限、下限、零界限、變化范圍和可變代碼。所有的叁數(shù)的變化范圍如表 1 所示。代碼變量只能從 -1 到 +1變化. (1) (2) (3) 表 1 代碼變量計(jì)劃 變量 溫度（Z1）t/℃ 速度（Z2）v/(m·s-1） 壓強(qiáng)（Z3）p/MPa --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 80 0.3 0.7 90 0.4 0.9 85 0.35 0.8 5 0.05 0.1 函數(shù) 摩擦因素的衰減方程由以下方程給出： (4) (5) 這里，， ---------衰減系數(shù) 表 2 摩擦因素的多線性變量衰退分析 i=1,2,3 (6) j>i (7) 這里 N----實(shí)驗(yàn)數(shù)字，N=8 M----相同實(shí)驗(yàn)中的重復(fù)數(shù)字，M=3 衰減方程系數(shù)的測(cè)試通過(guò)以下方程獲得： ~ (8) (9) 摩擦因素的衰減方程為： (10) 如果溫度t,速度v,壓強(qiáng)p代替以變量,則得到摩擦因素新的方程： (11) 1.2 熱轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響 摩擦材料的表面有允許冷卻液流動(dòng)的凹槽。 熱轉(zhuǎn)移系數(shù)分布將會(huì)隨著凹槽式樣和徑向的位置而極大的改變。 即使熱發(fā)散的分布在沿著徑向是均勻的, 熱墊片的變形由于熱轉(zhuǎn)移系數(shù)的變化，也將會(huì)是非均勻的。 因此在冷卻液和鋼板之間的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)也是機(jī)械熱現(xiàn)象影響因素之一。 首先, 拋物線的流程需要被定義。如果在那里存在一個(gè)三維空間流量的主方向 , 動(dòng)力的散布,熱,質(zhì)量，等等，能在這些方向被疏忽。 如果沒(méi)相反的流程,這個(gè)流程叫做拋物線的流程。 在引進(jìn)在凹槽熱轉(zhuǎn)移問(wèn)題上的數(shù)學(xué)方程之前，確定簡(jiǎn)單假定的描述將會(huì)單個(gè)凹槽的層流流動(dòng)和熱轉(zhuǎn)移的數(shù)學(xué)分析中給出（圖2）。 圖 2 (1) 在主要的流動(dòng)方向, 熱發(fā)散和重量都被疏忽，而且對(duì)流是冷卻液流動(dòng)和板塊之間的熱傳遞的主要因素。 (2)因?yàn)樵阡摪搴鸵约垶榛A(chǔ)的摩擦片之間的熱傳導(dǎo)率極大的不同, 所以大部份在制動(dòng)期間產(chǎn)生的熱被鋼板吸收。 在摩擦片和冷卻液之間的熱傳導(dǎo)率能被認(rèn)為等于零。 上述的假定能減少訂單數(shù)目的計(jì)算量。 三維空間的流程將會(huì)被轉(zhuǎn)化為一系列的二維空間的流程。 在笛卡爾坐標(biāo)系 中x ， y, z（圖 2） 被解決如下。 連續(xù)性 (12) Navier-stokes 方程： 在 x=0 , 0≤y≤d; u=0,v=0 在 x=b , 0≤y≤d; u=0,v=0 在 y=0 , 0≤x≤b; u=0,v=0 在 y=d , 0≤x≤b; u=0,v=0 (13) 這里 u,v,w ------在x,y,z方向的速度的組成 b,d,l ------凹槽的寬度，深度和長(zhǎng)度 ρ -------油液密度 μ ------動(dòng)態(tài)黏度 pf --------液流壓強(qiáng) X,Y,Z ------在x,y,z方向的重力 u和 v 的結(jié)果能通過(guò)使用有限的不同方法的數(shù)字解決而獲得。速度 w 的整個(gè)分布能從下列方程式中獲得。 (14) 在 x=0 或 x=b, 0≤y≤d; w=0 在 y=0 或 y=d, 0≤x≤b; w=0 (15) 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)假設(shè)滿足，則等于零。溫度分布能從以下方程式中獲得。 在 y=d, 0≤x≤b; t=tm 在 y=0, 0≤x≤b; =0 在 x=0, 0≤y≤d; =0 在 x=b, 0≤x≤b; =0 在 z=0, 0≤x≤b 0≤y≤d; t= (16) 這里----------鋼板的溫度 -----冷卻液的初始溫度 ---------平常溫度的斜率 -------液體的具體的熱度 --------冷卻液的導(dǎo)熱率 基于冷卻液的速度場(chǎng)能通過(guò)方程 （12） 到 （15）而得到, 每一個(gè)相連部分的溫度分布能藉著有限不同方法通過(guò)方程（16）獲得。 根據(jù)在表 3 所顯示出的參數(shù), 當(dāng) z 等于 35.5 毫米和 71 毫米的時(shí)候。 結(jié)果如圖 3 所示。在正常的鋼板和冷卻液之間方向的平均溫度的梯度是由下列圖表給定的。 圖 3 在z = 35.5 mm和z = 71 mm時(shí)的溫度域 (17) 表 3 結(jié)構(gòu)和物理參數(shù) 摩擦片的內(nèi)部半徑/mm 160.5 摩擦片的內(nèi)部半徑/mm 231.5 油液凹槽的寬度 b/mm 3.18 油液凹槽的深度 d/mm 0.64 油液凹槽的長(zhǎng)度 l/mm 71 在單個(gè)凹槽中的油液質(zhì)量流動(dòng)率m/(kg·s-1 ) 3.24× 冷卻液的初始溫度 50 液體的具體的熱度 2177 -冷卻液的導(dǎo)熱率 0.126 最后，熱傳遞系數(shù)沿著徑向通過(guò)方程 (18) 計(jì)算的: (18) 被定義為如性質(zhì)上的溫度并通過(guò)下列方程計(jì)算: (19) 圖 4 舉例說(shuō)明在徑向的多個(gè)平行的凹槽熱移動(dòng)系數(shù)的分布。 它顯示在摩擦片的內(nèi)部附近的冷卻效果顯然地是比較好的超過(guò)一在外部附近。 在設(shè)計(jì)一個(gè)濕制動(dòng)器時(shí)，巨大的熱發(fā)散應(yīng)該在內(nèi)部附近產(chǎn)生來(lái)確保沿著板塊的徑向墊片的熱變形是均勻的。 圖 4 制動(dòng)器的幾何和材料參數(shù) 2 機(jī)械熱現(xiàn)象的 FEA 模型 在圖 1 所示的方案能在圖 5描述。它主要地包括摩擦片，鋼板，一個(gè)對(duì)立板塊和一個(gè)活塞。為了要建立有關(guān)的 FEA 模型,下列的關(guān)鍵點(diǎn)需要被考慮。 (1) 多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器的最重要的結(jié)構(gòu)特征是摩擦片和鋼板之間的間隙。 為了計(jì)算在摩擦副之間的壓力分布, 間隙被使用。 有間隙的 FEA 模型會(huì)成為一個(gè)非線性模型。 (2) 摩擦因素不是常數(shù)。 它將會(huì)隨著像板塊的表面溫度 t ，滑動(dòng)速度v 和襯套壓力 p 不同的使用條件而改變。 (3)在冷卻液和鋼板之間的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)在徑向不是一個(gè)常數(shù)。 在 FEA 模型中，每個(gè)部分被假設(shè)成一個(gè)線性彈性物體。系統(tǒng)的外力包括作用在活塞上的液體的壓力 p'和通過(guò)在軸方向的浮液而作用在對(duì)立板上的支承力。 液體的壓力 p' 依下列各項(xiàng)被定義無(wú)尺寸的量綱。 (20) 這里 F----作用于活塞的應(yīng)力 A----單個(gè)摩擦表面的接觸面積 P----襯套壓力 圖 5 多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器的組合圖 當(dāng)多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器的幾何學(xué)的和物質(zhì)參數(shù)在表 4 中給出的時(shí)候. 表 4 制動(dòng)器的幾何和材料參數(shù) 鋼板的厚度g/mm 2.4 摩擦片的厚度g+2/mm 2.74+2×1.18 油管的實(shí)際半徑/mm 174 鋼的彈性系數(shù) 200 摩擦材料的彈性系數(shù) 2.1 鋼的關(guān)比率 0.3 摩擦材料的關(guān)比率 0.2 油液壓強(qiáng) 2.5 為了核對(duì) FEA 模型, 在開(kāi)始的襯套壓力分布方面的實(shí)驗(yàn)被完成。 有限元素的分析和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖 6 所示。 圖 6 無(wú)綱量襯套壓強(qiáng)的分布 在現(xiàn)實(shí)的制動(dòng)器中，活塞和對(duì)立板的幾何參數(shù)是復(fù)雜的。 設(shè)計(jì)活塞和對(duì)立板的硬分配的率的方法學(xué)是在建立理想的起始?jí)毫Ψ峙浞矫鏅z索[表] 。 3 設(shè)計(jì)方法 在濕制動(dòng)器的操作方面，二個(gè)不同的模態(tài)可能被識(shí)別。 在緊急制動(dòng)模態(tài), 摩擦片和鋼板在非常短的時(shí)間內(nèi)彼此相互滑動(dòng)。 它通常從 0.2秒到 2 秒之間變化。 在嚙合期間被產(chǎn)生時(shí)期的磨擦熱大都被和流動(dòng)熱轉(zhuǎn)移的一個(gè)附屬角色的凹槽的鋼板吸收。 在持續(xù)不斷的制動(dòng)模態(tài)中，二個(gè)板塊的滑動(dòng)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)10 秒到 20 秒。 在這一模態(tài)中，溫度在板塊延伸結(jié)局定態(tài)的各種不同的翎骨針在幾秒之內(nèi)評(píng)價(jià)。 在哪一個(gè)所有的被產(chǎn)生的熱一定被在摩擦片的凹槽中流動(dòng)的液移動(dòng)之后。 熱轉(zhuǎn)移的價(jià)值 , 鋼板和凹槽之間的液體系數(shù)將會(huì)決定制動(dòng)器的穩(wěn)定的溫度水平。 摩擦副和切線的上升溫暖氣流的溫度 t 的強(qiáng)調(diào)分別地,相同鋼的板塊的被顯示為持續(xù)不斷的制動(dòng)如圖 7所示。 圖 7 在持續(xù)制動(dòng)中溫度和切應(yīng)力的斜坡曲線 在緊急制動(dòng)過(guò)程中，鋼板的表面溫度和切線壓力被一個(gè) LBA0049 慣性動(dòng)力計(jì)的熱和標(biāo)準(zhǔn)度量測(cè)量了。 熱和標(biāo)準(zhǔn)度量沿著徑向均勻的分布。 在實(shí)驗(yàn)的和有計(jì)劃的結(jié)果之間的比較如圖 8所示。 圖 8 測(cè)量和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比 雖然開(kāi)始的襯套壓力在內(nèi)部的輻部 ( 在圖 6 所示) ，圖 7 和圖 8 表所示的附近比較高高的電動(dòng)壓力和高的溫度在外面的輻部附近 這是局部熱流出輸入為什么在任何的翎骨是一個(gè)正常壓力，摩擦因素和滑動(dòng)速度。 雖然濕制動(dòng)器可能被設(shè)計(jì)到低的平均每單位襯套區(qū)域能源, 當(dāng)?shù)氐母咭r里壓力地點(diǎn)由于 熱 可能引起摩擦襯里的表面燒-在摩擦雙之間的機(jī)械不穩(wěn)定。 鋼板通常在支援板塊附近的活塞和最后的鋼板塊附近的第一鋼板塊被發(fā)現(xiàn)。 失敗的主要因素是由于棒的溫度不同而且熱的毀壞。 因?yàn)槎€(gè)鋼的板塊只有一個(gè)摩擦表面, 盤(pán)子失敗可能是更多產(chǎn)生超過(guò)其他的板塊。 鋼板的破裂失敗由重復(fù)的剎周期的疲累損害所引起。 在一個(gè)嚙合期間，表面的溫度比鋼板的主要身體劑量更加快速地上升。 它在被張應(yīng)力平衡的鋼板的外部者引誘壓力在那比較冷的內(nèi)部鋼板塊。 當(dāng)這剎周期結(jié)束的時(shí)候，鋼板的外部溫度由于冷卻油的效果將會(huì)變成比鋼板的內(nèi)部溫度冷。 壓力在鋼板的外部者變成鋼板是內(nèi)部的在比較熱人中被壓力平衡的張力。 因此破裂可能在一個(gè)周期的無(wú)法欣然接受低數(shù)字中發(fā)生。 概述這些分析, 為了要避免由局部高溫和壓力所引起的剎車(chē)損壞, 運(yùn)行動(dòng)態(tài)壓力的有限元素計(jì)算和表面溫度是必需的。 對(duì)于濕的剎車(chē)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)程序能在下列的步驟被描述: 首先，光線的方向的開(kāi)始的襯里壓力分配在統(tǒng)一發(fā)情流出的情況之下被估計(jì)。其次，以熱轉(zhuǎn)移系數(shù)和摩擦因素的非均勻分布的影響力看來(lái)，開(kāi)始的襯套壓力分布根據(jù)動(dòng)態(tài)的壓迫力和摩擦溫度被校核。 第三, 為了要了解表面溫度的均勻分布和 墊片的熱變形, 活塞的結(jié)構(gòu)而且對(duì)立板最佳化。 這是等溫的設(shè)計(jì)方法。 它將會(huì)減少不宜的機(jī)械熱現(xiàn)象。 4 結(jié)論 (1) 機(jī)械熱現(xiàn)象由非理性的開(kāi)始的襯套壓力和熱轉(zhuǎn)移系數(shù)和摩擦因素的非均勻分布所引起。機(jī)械熱現(xiàn)象導(dǎo)致局部高溫和高壓力是導(dǎo)致多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器失效的主要因素。 (2) 在鋼板的表面上的切線壓力比徑向的壓力大。 因此鋼板的表面損壞通常是在徑向產(chǎn)生的。 (3) 如何設(shè)計(jì)活塞的幾何外型是多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器的重點(diǎn)。 活塞在摩擦副之間有在開(kāi)始的襯套壓力分布上比較大的影響。 (4) 為了避免多個(gè)圓盤(pán)濕制動(dòng)器的失效,等溫設(shè)計(jì)的方法被提出。 換句話說(shuō), 濕制動(dòng)器設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡全力沿著鋼板的徑向達(dá)成均勻的溫度分布。 傳記: 秦大同： 現(xiàn)在是中國(guó)重慶大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)院的一位教授。 在 1991 年,他獲得中國(guó)重慶大學(xué)的機(jī)械工程博士學(xué)位。 他的研究興趣包括齒輪傳輸， CVT(不斷可變的傳輸), 對(duì)于汽車(chē)的AMT(自動(dòng)的機(jī)械傳輸) 系統(tǒng), 等等。電話: +86-23-65104217; 電子郵件: dtqin@cqu.edu.cn 孫東葉：現(xiàn)在是中國(guó)重慶大學(xué)的自動(dòng)化系的一位副教授。 在 1991 年,他獲得中國(guó)吉林科技大學(xué)博士學(xué)位。 他的研究興趣包括 CVT(不斷可變的傳輸), 對(duì)于汽車(chē)的AMT(自動(dòng)的機(jī)械傳輸) 系統(tǒng), 等等。電話: +86-23-65103566; 電子郵件: dysun@cqu.edu.cn 參考： ［1］ Zagrodzki P.多個(gè)離合器和剎車(chē)的機(jī)械熱現(xiàn)象的分析 。Wear,1990:(140) 291 ～ 308 ［2］Murali M R Krishna, Douglas Chojecki。結(jié)合使用有限元素對(duì)離合器和剎車(chē)中心軸的的失效分析。SAE Paper No. 982799, 1998 ［3］ Tasuhite Miura ， Noboru Sekine。基于紙的濕離合器的動(dòng)態(tài)特性的研究 。SAE Paper No. 981102, 1998 ［4］ Payvar P.在濕離合器的油凹槽中的Laminar熱傳遞。Int. 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