凹坑形非光滑剎車(chē)盤(pán)-片耦合耐磨性能的研究.pdf

1、隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，汽車(chē)的數(shù)量也在與日俱增，制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車(chē)的一個(gè)重要組成部分，其安全性和耐用性越來(lái)越受到人們的關(guān)注。剎車(chē)盤(pán)/片是汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦部件，如果剎車(chē)盤(pán)/片受到嚴(yán)重磨損，將會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)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(duì)剎車(chē)盤(pán)/片材料的改進(jìn)來(lái)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(lái)，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(zhǎng)期穿梭于土壤之中，但其體表卻毫無(wú)損傷，說(shuō)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(guò)億萬(wàn)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(chē)盤(pán)/片上，將有效解決剎車(chē)盤(pán)/片易磨損的問(wèn)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(chē)盤(pán)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(duì)剎車(chē)盤(pán)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(chē)盤(pán)和剎車(chē)片的材料分別為鑄鐵和半金屬材料。使用MMW-1型立式萬(wàn)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(cè)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(shuō)明凹坑間距和直徑對(duì)磨損量都有顯著的影響，但凹坑的間距和直徑對(duì)磨損量沒(méi)有交互作用。本文還對(duì)光滑與非光滑表面的磨損量進(jìn)行了對(duì)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(duì)于光滑表面的耐磨性提高值。非光滑表面的磨損量相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)剎車(chē)盤(pán)/片的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。設(shè)計(jì)了與摩擦試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的9種非光滑表面和1種光滑表面的剎車(chē)盤(pán)。分別模擬剎車(chē)片模型在10種摩擦條件

6、下的Von Mises stress，經(jīng)過(guò)對(duì)模擬時(shí)間范圍內(nèi)100步中每?jī)刹降挠?jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，做出光滑與非光滑剎車(chē)盤(pán)摩擦?xí)r剎車(chē)片上的Von Misesstress在其均值上下范圍內(nèi)波動(dòng)情況對(duì)比圖，9種非光滑剎車(chē)盤(pán)所對(duì)應(yīng)的剎車(chē)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(duì)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(chē)盤(pán)上表面的壓力很好地分散到了剎車(chē)盤(pán)的下表面，使得剎車(chē)盤(pán)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(duì)作用在不同凹坑形態(tài)尺寸的剎車(chē)盤(pán)和光滑剎車(chē)盤(pán)上的切向剪應(yīng)力τxy也進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，非光滑剎車(chē)盤(pán)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(chē)盤(pán)，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(chē)盤(pán)。對(duì)于不同形態(tài)尺寸的凹坑形非光滑剎車(chē)盤(pán)，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(duì)簡(jiǎn)化的剎車(chē)盤(pán)/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(chē)盤(pán)模型上表面，對(duì)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