汽车球铰摩擦力矩特性的数值分析与实验研究

摘要

汽车零部件的质量水平是汽车工业发展的重要保障。球铰是汽车底盘系统的重要零部件，其决定了汽车转向的灵敏度、准确性和行驶稳定性，还起到了承载车身重量传递操作力矩的作用。所以为提高球铰质量水平，对球铰进行深入研究是必要的。
　　球铰的主要性能指标为力矩，球铰产品性能良好的主要特征是力矩值符合生产要求，并且同一批产品力矩值离散性小，这就需要设计人员在设计阶段实现球铰力矩值的可控。该力矩值与球头、球碗的接触面摩擦副的摩擦特性有较大关系。为此，本文首先研究了该摩擦副的摩擦特性，然后以球铰产品为研究对象进行了正交实验及有限元分析，并建立了球铰摩擦力矩影响因素与球铰力矩值的函数模型。
　　论文首先基于CETR-UTM多功能摩擦磨损试验机进行了实验。通过旋转运动销盘实验分别研究了球铰材料、粗糙度、润滑剂、压力、接触面积、速度对摩擦力的影响，同时根据速度的变化观察了摩擦副的Stribeck效应。通过往复直线运动销块实验观察到了不同摩擦副的摩擦滞后与摩擦滞回现象，并将不同摩擦副间的现象进行了对比。
　　其次，将摩擦实验中的影响因素推广到球铰产品中，通过正交实验确定了影响球铰力矩的主要影响因素为球头与球碗间过盈量及接触面积。通过改变主要影响因素建立球铰有限元分析模型，对球铰进行了分析，并计算了球铰力矩。在有限元分析中，因缺乏球座材料AL6082的材料参数，根据现有实验条件，设计了一金属材料单轴拉伸实验，获取了弹性模量、泊松比等参数。同时，为对球铰有限元分析的正确性进行验证，基于拉梅公式计算了一假设的过盈配合圆环对的接触压强，并对该圆环采用了与球铰相同的方法进行了有限元计算。之后，将公式计算值与有限元计算值对标，验证了有限元分析方法的正确性。然后以主要影响因素为自变量，所计算力矩为因变量，通过1stopt软件的公式自动搜索功能拟合建立了一个二元二次函数作为力矩模型。最后，将该模型计算力矩值与正交试验中球铰力矩值进行对比验证了所建模型的正确性。所建模型可应用于工程实践，解决了工程师在产品设计阶段仅依据经验的问题。
　　本文从球铰材料摩擦实验入手进而研究了球铰摩擦力矩大小与各主要影响因素的关系，但也仅仅是初步探究，尚有许多方面值得更深入的研究，如球铰产品工作过程中的力矩值的稳定性与摩擦副粘滑特性的关系等。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 课题来源

1．3 国内外研究现状

1．4 摩擦理论、特性综述

1．4．1 摩擦理论

1．4．2 摩擦特性

1．5 本文主要研究内容

1．6 本章小结

2．1 实验部分

2．1．1 实验目的

2．1．2 实验方案设计

2．1．3 实验试样制备

2．1．4 实验过程

2．2 实验结果分析

2．2．1 各影响因素对摩擦力的影响

2．2．2 典型摩擦特性分析

2．3 本章小结

第3章 球铰产品力矩正交实验

3．1 实验概述

3．2 正交实验设计

3．2．1 正交实验概述

3．2．2 正交实验设计的基本步骤

3．2．3 正交表的设计

3．2．4 实验可预计误差分析

3．3 球铰制作及数据测量

3．3．1 试件制备

3．3．2 球铰组装

3．3．3 数据测量

3．4 实验结果分析

3．5 本章小结

第4章 球铰产品力矩建模及验证

4．1 产品力矩模型建模方法

4．2 球座材料性能实验

4．2．1 实验设计

4．2．2 试样取材

4．2．3 实验仪器

4．2．4 实验过程

4．2．5 数据分析

4．3 球头与球碗接触对有限元分析

4．3．1 有限元分析模型建立

4．3．2 模型前处理

4．3．3 模型后处理

4．4 有限元分析方法验证

4．5 球铰力矩计算及力矩建模

4．6 本章小结

5．1 总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目与成果