45钢光滑和非光滑试样耐磨性试验研究

采用UMT-2微观摩擦磨损试验机,研究45钢光滑试样、机械和激光加工凹坑形非光滑试样的耐磨性。试验结果表明,在本次试验条件下,光滑试样耐磨性最差,相同尺寸和间距凹坑形激光加工试样耐磨性高于机械加工试样;且凹坑直径和间距相等时,即凹坑分布越均匀耐磨性越好;分析了激光加工试样的耐磨机理,为凹坑型非光滑表面尺寸和分布密度的选取提供了初步的试验数据。     

水压马达配流副仿生非光滑表面摩擦学性能

为探究剩余压紧力条件下具有仿生非光滑表面结构的水压马达配流副的摩擦学性能,选取431不锈钢和碳纤维增强PEEK作为摩擦副配对材料,在保持凹坑面积占有率相同的情况下,设计和制造了三种不同截面且直径分别为0.8 mm、1.0 mm、1.3 mm和1.7 mm的仿生非光滑表面凹坑试件,通过摩擦磨损试验获得了摩擦副摩擦系数、试件摩擦表面微观情况、试件摩擦表面粗糙度分布及磨损量等结果。结果表明,造成配流副磨损的摩擦机理主要有磨粒磨损、粘着磨损和沟犁磨损;配流副间设计的凹坑型非光滑表面都起到了降低摩擦系数、加快摩擦系统平衡和减少磨损量的作用;开口直径为1.0 mm的圆锥形凹坑能起到更好地降低摩擦系数的效果;开口直径为1.0 mm的圆锥形凹坑能起到更好地减少磨损的作用。     

不同粗糙度条件下硅橡胶表面织构润滑特性的研究

为了研究表面织构在不同粗糙度条件下的润滑特性,使用球-盘式摩擦实验机,以具有不同粗糙度和表面织构的硅橡胶(PDMS)试样盘为下试样、GCr15轴承钢球为上试样进行摩擦实验,润滑液采用体积分数为60%的甘油-水溶液.实验结果表明,在较低的滑行速度下,表面织构会增大光滑PDMS试样的摩擦因数,但却降低粗糙PDMS试样的摩擦因数.当摩擦副处于混合润滑状态时,试样表面粗糙度有一个最优值范围,在该范围内织构化的试样具有最优的摩擦性能,如在滑行速度为1mm/s、织构面积率为10.4%的情况下,粗糙度为230nm的试样比粗糙度为20、280和360nm的试样具有更低的摩擦因数.     

力学失配2A12铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸性能分析

对2A12-T4与2A12-O铝合金搅拌摩擦焊接头试样进行拉伸试验,研究不同强度匹配条件下搅拌摩擦焊焊接接头的拉伸性能。针对接头组织非均质导致的变形不均匀问题,采用数字图像相关技术(DIC)与等应力假设相结合进行分析,定量得到了接头各区域的应力应变响应。结果表明焊接接头的应变分布存在显著差异,且断裂位置与组织非均匀性有关,2A12-T4应变集中发生在热机影响区与热影响区并断裂于热机影响区附近,2A12-O母材区出现应变集中并最终断裂。使用ABAQUS模拟接头试样拉伸过程中的变形行为,对比发现数值模拟结果与试验结果吻合度良好。     

ART对灰铸铁试样摩擦表面自修复的研究

运用改装的摩擦实验机对灰铸铁HT150—45钢摩擦副做旋转对磨实验,主要探索ART对灰铸铁摩擦副表面自修复改性的机理和耐磨规律。在摩擦副中加入ART试剂,在定载荷、定转速条件下在大气环境中进行试验。用Kevex能谱仪和S440扫描电镜等,通过测定试样的磨损率,表面显微硬度、粗糙度的测定和显微形貌的观察及表面成分分析与试样镜像组织观察,试验发现灰铸铁摩擦试样表面有一层光滑、平坦的乳白色膜生成,微观发现试样表面有大量灰色光滑块状物生成,表面微区亦增添了大量来自ART粉体中的元素,显微硬度明显提高,其中灰色区尤为显著,局部区域最高可达原来4倍;同时,表面粗糙度显著降低,有的试样Ra值为原来的14％,起到了良好的减摩耐磨效果。     

混凝土试样单轴压缩端面效应及破坏数值模拟

采用复合型界面损伤本构模型,数值模拟了不同端面约束条件下混凝土立方体试样的单轴压缩试验,分析了端面约束对试样变形特征和破坏过程的影响.考虑两种理想端面约束条件,以试样上、下端面垂直于加载方向的侧向变形完全不受试验机加载端头限制模拟光滑端面条件,以试样上、下端面侧向变形完全被限制模拟粗糙端面条件.数值结果表明,端面粗糙条件下得到的试样峰值应力高于光滑端面,对应的峰值应变也是如此;相比于光滑端面,端面粗糙条件下试样的应力-应变曲线所围面积较大,而且曲线峰后软化段表现出更好的延性;光滑端面条件下试样破坏的宏观表现形式为轴向劈裂,粗糙端面条件下则是以在试样上、下端部形成正倒相连的锥形为特征的破坏形式.数值模拟结果可在众多的试验结果中找到佐证.     

凹坑形非光滑表面的耐磨性分析及优化设计

利用两矩形块来模拟实际工程应用中的面-面摩擦副部件,基于ANSYS软件和APDL语言建立了具有正方形凹坑表面的参数化分析模型,采用单因素试验的方法,对凹坑边长、深度和间距对非光滑表面耐磨性的影响进行了有限元分析,为下一步磨损试验作指导。通过研究发现,凹坑表面在接触过程中产生更多的压应变能和弯应变能,从而缓释应力,提高表面耐磨性;随着凹坑边长和间距增大,凹坑表面耐磨性先增大后减小,随着凹坑深度增大,凹坑表面耐磨性逐渐增大;耐磨性最佳的形貌参数为:凹坑边长20μm,凹坑深度80μm,凹坑间距90μm.     

基于小冲杆试验数据的力学性能的数值模拟

小冲杆试验是研究在役设备材料性质的重要手段,小冲杆试验的结果与传统拉伸试验的关联性研究更为重要。已有的小冲杆试验与传统拉伸试验关联性的研究均忽略了摩擦对于试验结果的影响,得出的试验结果过于理想化,参考意义不大,且小冲杆试验的数据难以大量获得,因此通过数值模拟方法在少量数据基础上建立材料的应力-应变关系具有重要的现实意义。以304#不锈钢材料为例,通过已经建立的小冲杆试验数据和有限元数值模拟数据之间的关联关系,在充分考虑摩擦对于试验关联性影响的基础上,研究摩擦因子μ与试样关联参数之间的关系,结果表明两者之间符合程度较高。     

基于等效热-力载荷的20Cr2Ni4预应力车削残余应力模拟及实验

为快速准确预测20Cr₂Ni₄合金钢预应力车削表面残余应力的分布,基于等效热-力载荷建立三维有限元仿真模型,通过切削热-力模型确定等效热-力载荷的分布形状和强度,将切削过程等效为接触正应力、接触剪应力和热流通量在已加工表面的循环作用.模拟的残余应力分布趋势与测量结果基本吻合.基于上述模型研究了切削速度、进给量和预应力大小对残余应力分布的影响.结果表明,切削速度对残余应力分布影响不明显,减小进给量能使表面残余拉应力和最大残余压应力减弱,增加预应力能够有效地减小表面残余拉应力和增大最大残余压应力.      

表面粗糙度对环境友好润滑剂润滑性能的影响

通过接触角测量仪及微摩擦磨损试验机考查了SiO₂试样表面粗糙度对环境友好润滑剂角鲨烷、季戊四醇油酸酯浸润性以及润滑性能的影响.结果表明：随着试样表面粗糙度的增加,润滑液体与试样表面接触角越大,浸润效果越差.角鲨烷润滑介质中,试样表面越粗糙,SiO₂-GCr15间的摩擦系数越大,试样表面磨损体积越大,摩擦副间的摩擦系数随时间先变大而后慢慢减小趋于稳定.季戊四醇油酸酯介质中,12min以后,试样表面越粗糙,摩擦副间的摩擦系数反而越小,随着试样粗糙度的增加,试样表面的磨损体积也随之减小.     

制动盘表面微结构仿生构建与应力场分析

制动盘摩擦磨损不均匀易引起制动失效,导致重大交通事故的发生。基于蝗虫体表因具有非光滑表面结构而表现出的良好耐磨特性,应用SolidWorks三维制图软件建立了不同制动盘表面微结构仿生模型。运用ANSYS Workbench仿真软件,对不同表面微结构制动盘在不同初始速度下摩擦制动过程中的制动时间及应力分布情况进行了分析。得到了仿生制动盘表面结构的变化对制动性能和耐磨性能的影响情况,表明直沟槽表面制动盘的制动性能和耐磨性能相对较好。该研究结果对寻求一种制动性能和耐磨性能良好的仿生制动盘表面优化设计方法提供了理论基础。     

Influence of nano-Al<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>3</Subscript>-reinforced oxide-dispersion-strengthened Cu on the mechanical and tribological properties of Cu-based composites

The mechanical and tribological properties of Cu-based powder metallurgy (P/M) friction composites containing 10wt%–50wt% oxide-dispersion-strengthened (ODS) Cu reinforced with nano-Al₂O₃ were investigated. Additionally, the friction and wear behaviors as well as the wear mechanism of the Cu-based composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM) in conjunction with energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) elemental mapping. The results indicated that the Cu-based friction composite containing 30wt% ODS Cu exhibited the highest hardness and shear strength. The average and instantaneous friction coefficient curves of this sample, when operated in a high-speed train at a speed of 300 km/h, were similar to those of a commercial disc brake pad produced by Knorr-Bremse AG (Germany). Additionally, the lowest linear wear loss of the obtained samples was (0.008 ± 0.001) mm per time per face, which is much lower than that of the Knorr-Bremse pad ((0.01 ± 0.001) mm). The excellent performance of the developed pad is a consequence of the formation of a dense oxide composite layer and its close combination with the pad body.     

盘式制动器铜基摩擦片摩擦制动特性的实验研究

为了研究盘式制动器铜基摩擦片与制动盘的摩擦制动特性,分析了盘式制动器制动原理。通过对铜基摩擦片的摩擦特性进行实验,探讨了不同制动速度以及制动压力下摩擦系数和磨损率的变化规律。研究结果表明:制动压力为30 N时,摩擦系数随时间逐渐增大并趋于稳定,稳定后的平均值为0.46;磨损率随制动压力增加而增加,随制动速度的增加而减小;此外,制动压力为30 N、制动速度为80 mm/min时,达到实验中的最佳制动效果。     

摩擦时间对CaSO4晶须增强树脂基复合材料摩擦学性能的影响

采用模压成型工艺制备CaSO_4晶须增强树脂基复合材料,并选用一种市售材料作对比,研究摩擦时间对两种材料摩擦学性能的影响,利用SEM及EDAX观测磨损表面形貌及成分变化,分析其磨损机理.结果表明:随着摩擦时间的变化,自制材料摩擦系数维持在0.45左右,制动平稳性较好,磨损机理以磨粒磨损为主;市售材料摩擦系数在0.32~0.36范围内波动,制动过程易产生颤动和噪声,磨损机理以粘着磨损和热疲劳磨损为主;两种材料摩擦表面平均温度及其磨损率均随着摩擦时间的延长而逐渐升高,且与对偶件存在明显的粘着效应.     

通风盘式制动器热机耦合理论建模与分析

针对制动盘内外侧壁厚不等的通风盘式制动器,基于实测制动副摩擦系数一相对速度试验数据,建立了3维瞬态热-机耦合理论模型及有限元模型,分析了紧急制动工况下制动盘瞬态温度场和法向应力场在径向、周向和法向的分布特征,以及制动盘侧面热弹性变形和厚薄差变化规律.在台架试验中利用热电偶和非接触式位移计测量了制动盘表面温度和热弹性变形,仿真计算结果与试验结果具有良好的一致性,研究结果表明:制动盘瞬态温度、法向应力、热弹性变形之间存在复杂的耦合关系,这主要是由于制动盘通风槽和内、外侧壁厚不等的结构特点以及摩擦、热、机械的相互作用所致.     

盘式制动器旋转结合面的热-结构耦合特性

为探索盘式制动器制动盘与制动片之间的摩擦生热规律及其热流分配规律,应用有限元软件对汽车紧急制动过程进行模拟,研究了制动器在制动过程中温度场、应力场的分布规律及其变化特征.研究结果表明:在制动过程中,系统的应力场和温度场分布都不均匀,二者沿径向和轴向都有较大的梯度,而沿周向的梯度相对较小;由于热应力和机械应力的作用,制动盘会发生热变形,从而使接触状态改变,并导致压力分布的变化,而接触压力的变化反过来又影响摩擦热流的输入;制动盘的变形既是温度场和应力场耦合作用的结果,也是振动摩擦耦合作用的结果.     

紧急制动工况下汽车通风盘式制动器瞬态温度场分布的研究

以某乘用车前轮采用的通风盘式制动器为研究对象,建立其热-结构耦合的3维有限元分析模型.在此基础上采用直接耦合法对该通风盘式制动器在紧急制动工况下的瞬态温度场进行仿真分析,获得整个通风式制动盘和摩擦片在紧急制动过程中温度场的分布情况及变化特性.结果显示:在整个紧急制动过程中,制动盘温度场的分布不是轴对称的,其在径向、周向及轴向3个方向上均存在着一定的温度梯度; 制动盘的最高温度出现在1.91 s,最高温度为227.1 ℃.同时对该通风盘式制动器进行了与仿真分析相同制动工况下的台架试验,所获得的实验结果与仿真计算结果基本一致,从而验证了仿真分析的有效性,为通风盘式制动器的设计及优化提供了理论基础.     

面向热机耦合特性分析的制动器摩擦特性模型

以通风盘式制动器为对象,建立制动器热-机耦合有限元模型,并建立实测摩擦系数、最大恒定摩擦系数、最小恒定摩擦系数和等效恒定摩擦系数4种摩擦特性模型,进行紧急制动工况下制动器热-机耦合特性的仿真分析.通过对比分析4种摩擦特性模型条件下的制动盘瞬态温度场、应力场以及热变形情况,探讨了面向制动器热-机耦合特性分析的制动副摩擦系数特性的模型建立方法.     

刹车系统摩擦自激振动的数值研究

建立了刹车系统的三自由度动力学方程,采用LuGre模型计算摩擦块、盘之间的摩擦力。通过数值模拟,揭示非内共振摩擦块的复杂动力学行为。研究表明,随着摩擦盘速度减小,切向静平衡状态失稳,依次出现完全滑动和非完全黏滞-滑动的干摩擦自激振动现象。当黏性摩擦系数非常大时,会导致带有非完全黏滞特征的混沌运动。扭转运动的非完全黏滞自激振动中,包含了速度快速抖动现象;而切向和扭转运动是导致低、高频噪声的原因。     

底盘角系统制动颤振多体动力学建模与分析

基于多体动力学方法,考虑制动系统、悬架系统、等效传动系统的具体结构和空间位置以及制动器摩擦特性,以传动系统驱动力矩和制动压力为输入,提出了一种制动颤振瞬态动力学模型.分析了制动盘与制动块间的黏滑运动和相图特性以及制动系统和悬架系统关键部件振动特性,明确了制动颤振的主要传递路径.结果表明:制动颤振包含2种典型振动模式,一种是幅值较大、持续时间较短的冲击振动,另一种是幅值较小、持续时间较长的周期性谐波振动;制动钳和悬架关键部件均以制动盘切向振动为主,经过减振器支柱和下摆臂的传递,整车以纵向振动为主.