在 摩擦学的发展 1687 - 5923 1687 - 5915 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/8181260 8181260 研究文章 一个阶乘设计,数值研究刹车片性能对摩擦磨损的影响排放 http://orcid.org/0000 - 0003 - 0696 - 7506 瓦尔斯特伦 延斯 1 华 孟 皇家理工学院的k 机械设计 100年斯德哥尔摩44 瑞典 kth.se 2016年 13 11 2016年 2016年 29日 08年 2016年 11 10 2016年 12 10 2016年 2016年 版权©2016延斯•瓦尔斯特伦。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

空气中的微粒排放来自磨损盘式刹车垫和转子的贡献高达50%的道路排放总量在欧洲。磨损过程,发生在一个介观尺度范围在垫和转子之间的接触界面,可以解释为创建和销毁的高原联系。由于这个复杂的接触情况,很难预测的变化垫摩擦材料的磨损和材料参数会影响摩擦磨损的排放。本文报告的调查不同参数的影响垫摩擦材料的摩擦系数和磨损排放。全析因设计开发使用的一个简化版本之前开发的细胞自动机方法探讨四个因素对摩擦系数的影响和穿发射。模拟结果表明,一个稳定的第三个身体,一个高具体穿,和相对较高的金属纤维产量高和平均摩擦系数稳定,而稳定的第三个身体,一个低具体穿,一个稳定的树脂,和相对较高的金属纤维给穿低排放。

 欧盟 636592年 1。介绍

道路运输点总数的80%10排放不是exhaust-related而是源自轮胎,路,和制动磨损‎ 1- - - - - - 3]。点10盘式制动器排放的贡献高达50%的nonexhaust排放总量根据哈里森et al。‎( 4]。PM10盘式制动器排放源自垫和转子的磨损。

有两个保形之间的滑动接触垫和转子盘式制动器。制动事件期间,垫被接触到移动的转子和由此产生的摩擦力减慢。垫与转子接触时,接触表面都穿。总穿的一部分将成为空气中的微粒排放。磨损过程,发生在垫和转子之间的接触界面可以解释在介观尺度(见,例如,‎ 5, 6])。在这个模型中,金属纤维或硬颗粒垫摩擦材料主要形成稳定的高原。一些穿粒子可以主高原之间流动和一些将建立对主高原和创建二级高原。二次高原的形成将会增加接触面积,从而降低接触压力。

能够设计低排放制动系统,重要的是要有模拟工具,考虑到高原动力学(接触的毁灭和创造高原/补丁)之间的接口垫和转子一个介观尺度范围。穆勒和Ostermeyer‎( 7)开发了一种细胞自动机(CA)方法模拟高原动力学在介观的长度范围内。灵感来自这个想法,瓦尔斯特伦et al。‎ 8- - - - - - 10)已经开发出一种CA方法在介观长度范围内,可用于模拟宏观磨损,摩擦,磨损排放的制动事件。比较与实验一个惯性测力计长椅上显示了一个有前途的定性关系模拟和实验测量摩擦磨损行为。

摩擦系数(咖啡)和穿排放取决于许多参数。因此很难预测这些参数的变化将如何影响,穿和排放。因此本文将研究不同的磨损参数的影响垫摩擦材料的咖啡和穿排放使用全因子设计使用CA方法进行。

 2。仿真的方法

基于有限元分析的方法提出的瓦尔斯特伦et al。‎ 11),瓦尔斯特伦‎ 8)提出了一个方法来模拟摩擦,磨损,盘式制动器的磨损排放。这种模拟方法的概述及其验证过程图中可以看到 1。

仿真方法的概述。

在这种方法第一次制动系统和驾驶条件定义,和之后的几何和材料数据组件,制动转矩,并设置减速。这些数据需要设置摩擦计的运行条件和测功器测试CA方法和作为输入数据。当地的咖啡,特定的磨损率,和机载穿分数在不同接触压力和滑动速度是由实验决定修改吊舱设计粒子发射测量‎( 12]。这些措施作为输入参数在CA方法‎( 8- - - - - - 10在介观长度范围内,考虑了高原动力学。验证仿真方法,模拟咖啡,穿的垫和转子,粒子排放,垫和转子的温度相比,实验测量从一个惯性制动测力计‎( 13)为粒子发射测量而设计的。

仿真方法的长期目标是开发一种设计工具,它使用从简单的圆荚体测试输入数据来估计小说垫材料的摩擦磨损性能进一步设计之前,进行相对更加复杂和昂贵的惯性测力计板凳和实地测试。然而,本文将只关注CA方法的简化版本。

 3所示。简单的细胞自动机方法

瓦尔斯特伦的原则的‎ 8]CA方法跟踪多少穿材料用于建立二级高原和叶子多少接触。叶子的部分接触的定义是穿排放。总之,计算开始,首先确定接触压力使用一个简单的弹性地基模型。然后计算咖啡减少当地接触压力的线性函数。使用有限差分方法计算温度根据当地的接触压力和咖啡。与当地的接触压力和温度,当地的磨损是由数值积分Archard穿的法律。高原动力学与CA模型,最后穿排放可以确定。

上面描述的CA方法包括测定垫和盘的磨损和温度。然而,在本文阀瓣将不考虑(例如,阀瓣将被视为刚体,不穿)。板和阀瓣的温度也不会被考虑。这些简化的原因是本文的焦点固定在咖啡和穿排放不同因素在不同相对大量的制动事件。没有这些简化,这种关注不可能因为需要很短的时间步骤确保两盘磨损和温度稳定性。简单的CA方法的总结没有温度和阀瓣穿之前,如图 2。

简单的CA方法模拟日常使用。

在预处理阶段,离散垫使用一个2 d网格与极坐标 N θ × N r 计算点 ( θ , r ) = ( 我 × Δ θ , r 我 + j × Δ r ) ,在那里 Δ θ 是角步骤; Δ r 是径向的步骤; 我 = 1 , 2 , … ; N θ , j = 1 , 2 , … , N r ;和 r 我 是模拟域的内半径的垫。只有部分的总垫表面被认为是模拟。为了进一步减少计算时间,垫分为模拟域 N 子域方向角,每一种都有 N 米 × N r 计算点, N 米 = N θ / N 。划分为子域如图 3。

一个示意图垫的离散化的概述。

的时间步 Δ t 被定义为一个计算点的时间盘表面通过垫表面的子域名。时间步不是常数在制动事件以来,转子的转速变化。子域名中产生磨损 Ω k 在 Δ t 将进入下一子域名吗 Ω k + 1 在接下来的时间步。子域名中产生磨损 Ω N 将在以下时间步排入环境穿排放。

一个弹性地基模型‎( 14)是用来确定当地的接触压力,差距,垫和转子的接触面积。在这种接触模型,接触被视为一组弹性变形彼此独立的酒吧。弹性地基变形的刚性压头是由板和阀瓣之间的差距定义表面变形。当正常负载应用,刚性压头被迫接近基础直到本地加载在每栏的总和等于正常负载应用于刚性压头。不考虑剪切力接触模型。

在盘式制动器摩擦是由第三身体tribofilm形成pad-to-rotor接口(见,例如,( 15, 16])。Osterle和Dmitriev‎ 17]得出的咖啡tribofilm减少几乎线性增加接触压力,当压力达到一定临界值咖啡将保持不变。这咖啡与接触压力的关系也可以看作是在圆荚体的测试中进行低金属垫材料‎( 18]。在目前研究垫树脂和转子之间的咖啡被认为是微不足道的咖啡高原和阀瓣之间的联系。主要和次要高原之间的咖啡被认为是相同的自tribofilm涵盖。

的磨损深度接触高原的数值积分计算Archard穿定律‎( 19]。具体垫摩擦材料的磨损率决定从舱实验可以被认为是有效的联系高原。当树脂垫接触转子,它是假定磨损立即一定量,留下的缺口穿粒子可以流。

高原动力学建模使用CA所提出的渴求et al .‎( 8- - - - - - 10]。七个规则制定确定高原状态(小学,中学,或没有)的每一个细胞表面的垫。这些规则是基于POD研究‎( 20., 21)与复合垫材料与玻璃的光盘视觉展示的视频录制的增长和破坏高原联系。规则(1)(3)处理二级高原的创建。如果细胞相反的方向穿粒子流动(1)有一个高原东邻,(2)有一个高原邻居东部和东南部一个东北或,或(3)有一个高原东部的邻居,一个东北,和一个东南,如果穿卷足以填补这一缺口,二级高原细胞改变其状态。

规则(4)和(5)处理二级高原的破坏。如果一个细胞的次生高原状态(4)只有不到一个东部邻居或(5)穿下来,它将会改变它的状态。

规则(6)和(7)已经定义了主高原。如果一个细胞主要高原状态(6)有一个高度小于最小差距垫和圆盘表面或(7)穿下来,它将会改变它的状态。

CA后,众所周知的磨损体积有多少叶子最后其为环境穿排放。

 4所示。析因设计

全因子设计进行调查的影响不同垫摩擦材料的磨损和纤维参数指的是咖啡和意味着穿排放。意味着咖啡(μ)和平均穿排放( V )被定义为响应变量。辅助触点的稳定性之间的高原制动事件( 年代 ),具体联系高原(WP)的磨损率,垫的磨损深度树脂(WR)和金属纤维表面面积分数( 一个 )选择因素析因设计。2级的因素 年代 考虑二级高原制动事件后发生了什么时,制动负荷为零。高和低水平的 年代 对应于两个极端: 年代 −意味着所有二级高原保持垫表面; 年代 +意味着所有二级高原之间从垫表面制动事件。对于后者情况二级高原在每个制动事件必须改革,这可以被认为是一个stop增加咖啡导致峰值在刹车后穿发射事件。WP因素被定义为三个层面,因为它可能有强烈影响咖啡和穿排放。WP +可能对应于semimetallic‎( 22),WP0低金属‎( 23),和WP−nonasbestos有机垫摩擦材料‎( 24]。二级因素 R 考虑如何垫穿的树脂。 R +对应的情况下接触温度足够高分解树脂更深一层的磨损深度、时间 R −对应于一个更为温和的接触温度情况。二级因素 一个 被定义为接触表面的金属纤维的百分比是足够稳定作为主要联系高原。表 1介绍了选择的四个因素的水平。表 2显示相应的24-run析因实验设计矩阵。

价值观四个因素作为输入数据的全因子试验。

水平 年代 [,] WP [m3/ Nm] 或者说是[m] 一个 (%)
− 0 10−13 10−6 10
0 - - - - - - 10−14 - - - - - - - - - - - -
+ 1 10−15 10−7 20.

24-run完整设计矩阵与四个因素。

测试 年代 WP 或者说是 一个
1 − − − −
2 + − − −
3 − 0 − −
4 + 0 − −
5 − + − −
6 + + − −
7 − − + −
8 + − + −
9 − 0 + −
10 + 0 + −
11 − + + −
12 + + + −
13 − − − +
14 + − − +
15 − 0 − +
16 + 0 − +
17 − + − +
18 + + − +
19 − − + +
20. + − + +
21 − 0 + +
22 + 0 + +
23 − + + +
24 + + + +
5。模拟输入参数

除了设计变量,模拟需要一些其他的输入参数。模拟使用测力计工作台运行周期的运行情况(表 3)由Perricone et al .‎ 13从盘式制动器)来研究微粒排放。这个循环是一个简化版的SAE J2707方法B块磨损周期‎( 25),用于研究刹车的磨损。减速制动期间保持不变通过测量制动转矩和控制应用的正常负载。数据从一个典型的中型车配备单活塞卡钳滑动在前轮作为仿真的输入(表 4)。

驱动循环用于仿真。

# 块 初始速度(公里/小时) 最后的速度(公里/小时) 减速[g] 停止数[#]
1 光泽 50 4 0.25 50
2 城市街区# 1 50 4 0.25 20.
3 高速公路块# 1 150年 80年 0.4 10
4 国家路障# 1 80年 4 0.35 20.
5 国家路障# 2 One hundred. 4 0.4 20.
6 高速公路块# 2 180年 80年 0.5 5
7 城市街区# 2 50 4 0.25 20.
8 县路障# 3 One hundred. 4 0.4 20.
9 山后裔块 80年 4 0.35 5

汽车制动系统的数据用于仿真。

前轮负荷 690公斤
轮半径 314毫米
阀瓣外半径 139毫米
光盘内半径 80毫米
盘有效半径 113毫米
板面积 5080毫米2
油缸直径 57毫米

离散化参数仿真中使用的表 5。对应的参数模拟整个垫角方向和径向方向的20毫米。模拟区域表示垫总面积的40%。

离散化仿真中使用的参数。

角一步, Δ θ 0.044°
径向一步, Δ r 100年 μ米
角点, N θ 1000年
径向点, N r 201年
子域, N 10

COF-pressure函数所描述的瓦尔斯特伦‎( 8使用了)。当地的咖啡线性减少与当地的接触压力;然而,尽可能低的咖啡被设置为0.15(图 4)。

当地的咖啡作为接触压力的函数。

金属纤维将初始垫面积总数的10%和20% 一个 −和 一个 分别为+(图 5)。纤维都视为拥有相同的物理性质。纤维的长度是1 - 10毫米,直径200 - 700 μm。随机生成的纤维的取向分布和高度根据上面提到的直径分布。树脂材料的模拟粗糙度均匀分布在0到100之间 μm。

(一):金属纤维分布在模拟中使用 一个 −。(b)金属纤维分布在模拟中使用 一个 +。

 6。结果与讨论

影响情节的设计变量和响应变量μ呈现在图 6。相应的交互图呈现在图 7。设计变量的变化WP对μ,有最强的影响因素或者说是影响最弱。这意味着,即使树脂的磨损深度增加了10倍,磨损量足够填充板和阀瓣之间的差距。因此,接触面积将是相同的。其他三个设计变量对μ有强烈的影响,这意味着改变会影响接触面积,反过来,接触压力。唯一的交互,可以观察到在图 7因素WR和因素呢 年代 和WP。注意,对μ的影响似乎是线性的WP对因素;这可能意味着使用三个层次并不是必要的,如果目的是研究只μ。

效应的因素 年代 、WP、WR,和 一个 对咖啡的响应。

交互的情节因素交互响应的咖啡。

设计变量和响应变量的影响情节 V 提出了在图 8,图中给出的互动情节 9。在μ,WP对反应也有最强的影响因素变量 V 。这似乎是合理的,因为高原的具体磨损率直接影响的总穿垫。与μ,因素或者说是有重大的影响 V 。三级变量似乎是必要的,能够看到WP下午在响应非线性的影响因素。以上WP0穿排放大幅增加。这可能是因为穿的数量足以创建二级高原,和穿粒子将离开接触。请注意,没有设计变量之间的相互作用可以观察到在图 9。

效应的因素 年代 、WP、WR,和 一个 的反应 V 。

交互的情节因素交互的响应 V 。

模拟μ为整个测试周期呈现在图 10。模拟意味着磨损体积离开联系在测试周期呈现在图 11。

模拟μ24在整个运行周期。

的意思是穿卷( V 24分),使接触。

在图 10可以看出测试运行2μ,8、10仍在咖啡的最低水平0.15整个测试周期。这意味着几乎没有二级高原形成在这些运行,因此这些因素的组合不是有意义的进一步研究。

通过观察数据 6和 10看来,一个稳定的第三体( 年代 −),高具体穿(WP +),和相对较高的金属纤维( 一个 +)给出一个相对较高和稳定的μ。

图中可以看到 8一个稳定的第三体( 年代 −),较低的具体磨损(WP−),稳定的树脂(WR−),相对较高的金属纤维( 一个 +)与较低的磨损率相关联。这意味着特定的磨损率有利于获得高稳定和相对较高的咖啡但不利于保持穿排放。例如,排放最低磨损量的对应于运行13,但我们可以看到在图 10μ太低,在真实的应用程序很有用。这也是运行的1、2、7和14,也有穿发射(数据相对较低 10和 11)。穿低排放和运行19日相对可接受的μ,似乎是一个不错的候选人进行进一步调查。不容易得出任何直接的结论μ和之间的关系 V 从数据 10和 11。

接触条件,给出一个垫表面的大部分由接触高原由于认为压力导致更高的摩擦摩擦的依赖。面积较大的结果在一个较低的压力与摩擦水平很高。此外,如果二级高原不会丢失时释放刹车,摩擦将更稳定,因为没有时间是需要改革的后续制动。保留表面结构将从第一次接触提供低压的情况。自然,所有因素保持垫的磨损率低(稳定二级高原、特定磨损低、稳定的树脂,和高的金属纤维)也在低穿排放结果。很大一部分的情况下制动之间的所有二级高原丢失事件和磨损率很低,需要长时间形成新的二次高原,导致长时间的高摩擦情况建立。

 7所示。结论

介绍一个阶乘设计开发使用细胞自动机方法研究磨损的影响参数垫摩擦材料的平均摩擦系数和平均穿排放。仿真的结果表明,一个稳定的第三个身体,一个高具体穿,和相对较高的金属纤维导致高和稳定意味着咖啡。第三体稳定,低具体穿,一个稳定的树脂,和相对较高的金属纤维导致低穿排放。有一个权衡,取决于特定的磨损率之间的联系高原获得足够高稳定的摩擦和低磨损的排放。

 缩写 咖啡:

摩擦系数

 CA:

细胞自动机

 圆荚体:

Pin-on-disc摩擦计

 下午:

颗粒物质。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

 确认

导致这些结果的研究收到了来自欧盟的资助下地平线2020研究和创新计划资助协议。636592年。

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