瞬态非均匀接触下车辆湿式摩擦片加速试验设计方法研究

The requirement of accelerated test of vehicle wet friction disk is quite clear, but many difficulties exist in the failure mechanism consistency analysis under strengthen loads and in building the accelerated model. The reason is that the study on thermoelastic instability response and wear model of friction disk under transient non-uniform contact is still insufficient. Until now, there is no reasonable accelerated test method of friction disk. In our research program, finite element calculation with Fourier perturbation, thermoelastic modal superposition, mechanism analysis of sliding wear, surface topography measurement, and wear test of vehicle wet friction disk will be adopted. The mechanism and relevant factors of transient non-uniform contact of vehicle wet friction disk will be researched. The solution method and basic characters of thermoelastic instability problem of friction disk under transient non-uniform contact will be studied. And the wear model of vehicle wet friciton disk during once engagement will be obtained based on fatigue delamination theory with considering the energy distribution in space and time domain. At last, studies of the failure mechanism consistency and accelerated model of vehicle wet friction disk are performed, and the methods of load profile design and acceleration analysis in the accelerated test of friction disk are proposed.

尽管工程上对车辆湿式摩擦片加速试验技术的需求十分明确，但由于目前国内外关于瞬态非均匀接触下摩擦片的热弹性不稳定瞬态响应和摩擦磨损模型的研究仍不充分，在判断载荷强化后摩擦片失效机理的一致性和构建加速模型方面存在许多困难，未能形成科学的摩擦片加速试验方法。申请团队拟在前期工作的基础上，综合利用含Fourier扰动的有限元计算、热弹性模态叠加、滑动磨损机理分析等方法，结合摩擦片表面形貌检测、摩擦片台架磨损试验等技术手段，探明车辆湿式摩擦片寿命周期内瞬态非均匀接触机理及相关因素的发展规律，研究复杂扰动下车辆湿式摩擦片热弹性不稳定问题的求解方法和基本特征，建立基于空间和时域内能量分布以及疲劳剥层理论的车辆湿式摩擦片单次接合过程磨损模型。在此基础上，开展车辆湿式摩擦片失效机理一致性研究和加速模型研究，提出摩擦片加速试验的载荷剖面设计方法和加速性分析方法。

本项目围绕瞬态非均匀接触下车辆湿式摩擦片加速试验设计的两个核心问题“失效机理的一致性分析”和“磨损过程物理建模”开展研究。利用含傅里叶扰动的热弹性有限元分析等方法，进行了实际非均匀接触条件下湿式摩擦片热弹性失稳和热翘曲失效过程的数值模拟，探明了摩擦系数、相对转速等载荷因素对湿式摩擦片失效机理一致性的影响，提出了回位弹簧失效等实际非均匀接触因素作用下湿式摩擦片热弹性失稳状态分析方法，试验测定了摩擦片典型铜基材料摩擦特性随温度和载荷的衰退规律。利用磨粒光谱分析和退化可靠性分析等方法，构建了基于磨粒退化信息的湿式摩擦片磨损过程模型，确定了磨粒失效阈值及其离散性对摩擦片磨损可靠性的影响，提出了车辆传动系统摩擦片磨粒退化失效阈值的确定方法。.研究表明：.对于摩擦片刚度和导热性不均匀导致的非均匀接触状态，加速试验设计主要应考虑径向接触力不均匀导致的“带状”高温区域热失效问题，并应充分考虑材料、结构和摩擦片组两端实际固定方式的影响；对于回位弹簧失效导致的周向非均匀接触状态，加速试验设计必须考虑傅里叶扰动下“热点”高温区域热失稳问题；.在非均匀接触下，湿式摩擦片不但可能发生与周向接触压力和温度直接对应的热弹性失稳失效，还可能发生与周向变形直接对应的热翘曲失效。增大摩擦系数可以控制热翘曲，但也将促进热失稳，耦合作用十分复杂；.摩擦片材料在热失稳和热翘曲过程中存在强烈的热衰退现象，摩擦系数和磨损率与温度或载荷间呈强非线性关系，且难以利用低阶多项式函数进行近似；.利用磨粒退化信息构建摩擦片加速磨损模型时，若失效阈值取定值，则失效阈值越大，同一时间下摩擦片的可靠度越高。若失效阈值取随机分布，则失效阈值的离散度越大，摩擦片可靠度随时间下降的趋势越平缓；.在工程实际中，可以参考摩擦片厚度失效阈值，利用“基于不同特征参数退化过程的摩擦片可靠寿命评估结果相同”原理反推磨粒退化失效阈值。

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