轮胎与沥青路面微观摩擦接触特性的分子动力学模拟

为了精确表征轮胎与路面微观摩擦接触特性及分子作用力效应,利用分子动力学模拟分析方法建立轮胎(聚异戊二烯)和集料(二氧化硅)三维单体模型和界面接触模型,在纳米尺度上研究轮胎和集料的微观构造和接触特性.模拟结果表明：链状聚异戊二烯分子链为螺旋状结构,分子间隙较大,易产生较大变形,而二氧化硅则为典型脆性材料,表面较为平整;界面接触模型以二氧化硅为固定基底,聚异戊二烯单链在其上匀速滑动,二者间距离为0.5 nm.接触界面摩擦特性模拟结果表明摩擦系数随着速度增加而变小,其变化趋势与实验结果相同,证明模拟结果有效.     

滑动电接触表面粗糙度与接触电阻特性

为获得弓网摩擦副滑动电接触电阻与摩擦副表面材料粗糙度的关系,研究摩擦副表面粗糙度特性对接触电阻的影响,开展载流摩擦实验.从微观方面探究了接触电阻的变化规律,获得了接触压力、滑动速度、接触电流等不同实验条件对粗糙度和接触电阻的影响.研究结果表明:接触压力、接触电流越大,滑动时间越长,接触面粗糙度值越小,接触电阻越小;滑动速度越大,接触面粗糙度值越大,接触电阻越大.     

路面薄水膜状态对行车安全的影响

为研究降雨天气下路面薄水膜状态对行车安全性的影响机理,通过借鉴斯特里贝克曲线中关于流体润滑状态的描述,认为存在薄水膜的轮胎与路面之间的关系符合该曲线中的典型状态。基于此,可通过测试薄水膜状态下路面摩阻系数的变化,来反映车辆在有水膜的湿滑路面行驶中轮胎与路面之间的接触状态。采用动态摩阻系数测试仪,针对3种不同构造深度的典型路面试件,开展不同水膜厚度下的动态摩阻系数测试试验,基于试验观测数据,建立不同滑动速度下水膜厚度对应的动态摩阻系数非线性回归模型,并绘制了模型曲线。基于模型曲线,提出了影响行车安全的临界水膜厚度的概念及取值,以临界水膜厚度来反映轮胎在水膜路面行驶中从混合润滑到流体动力润滑的过程。结果表明:当滑动速度分别为20、40、80km/h时,临界水膜厚度分别为0.48、0.44、0.39mm;在速度一定时,当路面水膜厚度超过临界水膜厚度,黏性水滑发生的风险显著增加;受薄水膜影响,路面构造深度越小,摩阻系数下降越快,摩阻系数值也降的更低;在受降雨影响较严重的地区,路面构造深度越高的路面类型,即采用粗集料的路面,更有利于轮胎与路面之间水膜的排出,从而提高车辆在薄水膜状态下的行车安全性。     

柔性接触压力下接触网导线的温度场仿真

为减小弓网系统温度分布对摩擦副电接触性能的影响,利用COMSOL Multiphysic软件建立了弓网系统温度场仿真模型,通过温升实验验证了模型的有效性.对柔性接触压力下接触网导线的热时间常数和稳态温升进行了仿真计算.随着滑动速度的增加,热时间常数逐渐减小,稳态温升呈现先减小后增加的变化趋势.随着接触电流的增加,热时间常数保持不变,稳态温升变化较小.相比于刚性接触压力,当滑动速度和接触电流恒定时,柔性接触压力下的热时间常数更小、稳态温升更低.     

弓网回路电流间谐波特性的实验研究

为研究周期性波动载荷条件下弓网回路电流的间谐波特性,开展了大量的弓网系统受流实验,分析了静态接触压力、滑动速度、接触电流对回路电流间谐波特性的影响.接触电阻波动和离线电弧/火花是产生回路电流间谐波的主要原因.该间谐波主要分布在0~100 Hz,以特定的频率间隔、以基波50 Hz为中心左右对称分布.间谐波的频率间隔与静态接触压力、接触电流无关,随滑动速度的增加近似线性增加.间谐波幅值随静态接触压力的增加先减小后增大、随接触电流的增加而增大.对于深入研究弓网系统的受流特性具有借鉴意义.     

一种考虑侧接触切向滑动的微凸体弹塑性变形传热模型

为了准确预测热成形中的界面传热特性,提出了一种考虑侧接触切向滑动的微凸体弹塑性变形传热模型.利用材料在塑性变形时的体积守恒原理,对单对侧接触微凸体在切向滑动时的传热模型进行分析,基于微凸体弹塑性变形理论,分析了粗糙表面上单对球形微凸体在侧接触切向滑动时的变形模式与接触压力的关系,推导出单对球形微凸体在弹塑性变形时的传热模型,并将推导模型与有限元法(FEM)的模拟结果进行比较,以验证其准确性.结果表明,所提出的模型在完全塑性接触条件下对接触压力的预测结果与FEM分析的结果接近.随着接触压力增大,侧接触微凸体的传热系数增大;随着滑动位移增大,产生的摩擦热增加,侧接触微凸体的传热系数增大.     

湿滑路面上固体颗粒对轮胎附着性能的影响

文章依据流体动力润滑理论,把轮胎的黏性滑水现象模拟为光滑胎面单元与粗糙路面之间的动压、挤压膜问题,同时考虑了雨水中固体颗粒浓度对黏度的影响,从而建立了轮胎/路面黏性滑水现象的平均流量模型,并进行数值求解,分析了固体颗粒、外载荷、初始高度、滑动速度等因素对轮胎附着性能的影响。结果表明,外载荷、初始高度、滑动速度对轮胎湿附着性能有重要影响,减少液膜中固体颗粒浓度有利于提高胎面单元的湿附着性能。这些结果将促进轮胎黏性滑水理论的进一步完善。     

积水路面轮胎部分滑水数值模拟

为揭示部分滑水状态下轮胎路面作用机理,采用有限元数值模拟方法,分别建立了175-70-R15型轮胎模型和水-空气复合水膜模型,并基于耦合欧拉-拉格朗日法建立了三维充气花纹轮胎滑水数值模型.探讨了水膜厚度和轮胎速度对汽车轮胎受力状态的影响,分析了轮胎所处运动状态对部分滑水过程的影响.计算结果表明:随着水膜厚度的增加,水流竖向托举力增加,纵向附着力减小,轮胎更早地进入完全滑水状态;随着轮胎行驶速度的增加,水流纵向拖拽力大幅增加,同时随着水膜的增厚,这种增加趋势更加明显;回归得到了轮胎受到的水流竖向托举力与水膜厚度和行驶速度的关系式;相比于自由滚动,轮胎处于ABS状态时,更早进入完全滑水状态.     

水平荷载对沥青路面结构的影响

轮胎与路面间的接触压力具有很明显的非均布特性,不同于传统的双圆均布垂直荷载。根据轮胎胎面花纹类型,并参考接触压力的测试结果,提出车轮对路面作用的荷载简化模型。通过计算分析,得到不同水平荷载大小和荷载分布形式下路面结构内的剪应力变化情况。结果表明,水平荷载的大小对路面10cm内的影响较大。     

轮胎-路面三维力解析模型的建立与简化方法

研究轮胎-路面之间的三维作用力,对预测路面早期损坏、优化道路设计具有指导作用,同时也是分析车辆动力学性能、研制和改进整车控制系统的有效手段.文中利用ABAQUS有限元仿真软件,建立了轮胎与路面之间相互作用力与胎冠相对轮辋中心位移之间的力-位移多元非线性回归模型;该模型通过分析在三维力作用下轮胎不同位置处节点的变形和位移...     

湿滑状态下飞机轮胎与道面摩擦特性试验

湿滑道面会造成飞机制动性能下降,影响起降安全。本文通过搭建污染跑道摩擦特性测试装置,根据飞机在湿滑道面滑跑的实际情况,对飞机轮胎在不同水膜厚度、速度、载荷条件下运行的接触力、滑移距离进行研究,分析了湿滑条件下道面摩擦特性与影响因素间的关系。实验结果表明：水膜厚度对道面摩擦特性影响显著,水膜厚度为13mm时,轮胎与道面之间的接触应力变化明显,滑移距离大幅度增加。随着速度的增加,轮胎与道面之间的接触应力呈线性增加趋势,过高的速度会增加滑水风险。轮胎载荷的增加会减少湿滑道面上的滑移距离,在一定程度上提高飞机轮胎的载荷,能有效改善湿滑道面上的摩擦特性。     

基于滑模观测器的电动汽车最大牵引力估计

为实现双电机四轮驱动电动车在不同路面的最大驱动力, 提出了基于LuGre摩擦动力学模型和滑模观测器(SMO： Sliding Mode Observer)的牵引力控制策略。利用LuGre动力学模型中反应路面条件的参数θ, 实现路面条件在线辨识。通过SMO对电动汽车在纵向行车工况下、 轮胎小滑移率时, 主动估计路面条件参数θ, 进而估算其最佳滑移率, 获得路面可提供的最大牵引力。同时采用动态饱和非线性控制策略限制电机的最大输出力矩, 保证电动车在不同路面条件下防滑行驶。仿真实验表明, 基于滑模观测器的最佳滑移率估计方法可在不同路面条件下提供电动汽车最大牵引力, 对汽车行驶的主动安全性有重要意义。     

基于人字齿轮啮合特性的滑动摩擦功率损失

以空间多重共轭啮合理论为基础,利用人字齿轮副轮齿接触特性与承载接触特性,提出一种计算人字齿轮滑动摩擦功率损失的方法。首先,利用人字齿轮副轮齿接触分析(TCA),获得人字齿轮齿面接触路径和印痕。然后,利用人字齿轮副承载接触分析(LTCA),计算得到啮合齿面瞬时椭圆长轴(接触点)上离散点的法向载荷和瞬时接触点的传动误差,把所得到的离散点载荷和传动误差分别转换成齿面瞬时接触点的法向载荷和相对滑动速度,二者与摩擦因数相乘得到人字齿轮瞬时接触点的滑动摩擦功率损失。最后,对人字齿轮齿面所有瞬时接触点的滑动摩擦功率损失进行拟合并积分,最终获得1对人字齿轮轮齿从啮入到啮出的滑动摩擦功损。     

考虑水膜厚度影响的道面轮胎间动态摩擦模型

针对考虑水膜影响的现有摩擦模型无法利用现场测试数据修正并应用于动态摩擦过程分析,提出了道面-轮胎间动态摩擦模型.该模型以平均集总Lugre模型为基础,考虑了水膜厚度、飞机速度、胎压、道面表面构造幅度和滑移率等因素影响下通过实验和数值回归等手段获取参数,用于道面动态摩擦性能的评价预估.通过上海浦东国际机场的现场实测数据,修正模型物理意义明确,具有较高的预估精度,该模型利用现场实测数据获取参数,适用于实际道面安全管理.     

基于流变特性的球轴承差动滑动摩擦热量研究

以高速球轴承拟静力学计算结果为基础,分析了高速球轴承接触区内的差动滑动状态,结合弹流润滑状态下润滑油的流变特性,得到了差动滑动速度、滑滚比、摩擦因数等在接触区内的分布状态,进而确定了高速球轴承的差动滑动摩擦热量. 对轴承转速、载荷、沟曲率系数、初始接触角等参数对差动滑动状态的影响进行了分析计算,得到了差动滑动摩擦热量随转速、载荷、沟曲率系数、初始接触角的变化规律.      

考虑接触面局部散热的湿式离合器摩擦片滑摩温升特性

湿式离合器摩擦元件摩擦温升状态与车辆性能息息相关.首先考虑沟槽冷却、接触面局部散热和摩擦因数实时变化,引入了副间等效对流换热系数和等效增益系数,优化了温度场数值模型.通过有限差分法进行求解,并试验验证了有效性,比原模型具有更高的准确性.在滑摩稳定期,应用滑摩温度场优化模型分析了转速、油压对温度场的影响规律.用试验方法研究了润滑流量对滑摩温升特性的影响规律,并测得了变形失效过程的温升特性变化.      

动态车轮模型动静摩擦算法*

针对传统轮胎模型对低速区轮胎与路面之间摩擦力的描述不精确,无法仿真停车及起步工况,吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室开发了动态车轮模型。该模型将胎体抽象为理想的刚性圆环,胎侧及胎内空气抽象为弹簧阻尼系统并连接轮轴与刚性圆环。基于此模型,研究了刚性环与路面之间动、静摩擦力分离求解的建模方法,并结合LuGre摩擦模型应用E指数函数对静动摩擦过渡过程进行描述。将动态车轮模型编写为C语言建立仿真程序,并嵌入14自由度车辆模型中仿真起步停车工况。仿真结果表明,车辆可以平稳起步并实现完全停车。     

湿式铜基摩擦副局部接触对摩擦因数的影响

考虑金属的热衰退特性及温度、压力和摩滑速度对混合润滑油膜的影响,建立了湿式铜基摩擦副局部接触摩擦因数计算模型,研究了摩滑过程中湿式铜基摩擦副局部接触状态下摩擦因数的变化规律,并通过销-盘摩擦因数测量实验对摩擦因数计算模型进行了验证.研究结果表明:摩擦元件屈曲变形导致摩擦元件间摩擦状态发生变化,在局部接触条件下,接触区摩擦状态随温度升高可分为油膜主导阶段、微凸峰主导阶段、摩擦因数上升阶段和热衰退阶段4个阶段.其中,油膜主导阶段会随摩滑速度的减小而消失.干摩擦状态下,摩滑速度对摩擦因数影响较小.在混合润滑状态下,摩擦因数随摩滑速度增加而下降,且温度越小摩擦因数衰减越显著.局部接触区平均面压较小时,压力对摩擦因数影响较小,当压力超过100 MPa时,接触面压力开始对混合润滑中的油膜主导阶段产生影响,此时摩擦因数随压力升高而增大.      

Tire Grip Performance Simulation and Improving Method Considering the Influence of Tread Pattern Stiffness

The grip performance of radial tires on dry roads was simulated with the software ABAQUS.A sliding-velocity-dependent friction coefficient on the contact behavior at the tire-pavement interface was selected to describe friction phenomenon for tire and road interface.Anti-lock brake system(ABS) process was achieved by controlling the tire angular velocity to obtain the relationship between friction force and slip rate,while the maximum friction forces were used to evaluate tire grip performance.Physical mechanism of tire grip performance was also analyzed through the frictional force generated from the adhesion region and sliding region by considering the contact differences between the longitudinal slip and the lateral slip,and the deformation characteristics of tire pattern were also investigated.In order to improve tire grip performance,carbon fiber material was added to the tread pattern grooves.The results show that carbon fiber has a significant influence on stiffness distribution of tread patterns and friction force vector in the contact zone.Tire grip performance can be improved by controlling the stiffness distribution and deformation direction of the tread pattern.     

基于接触应力集中的沥青路面抗滑性能评价研究

为了给抗滑表层沥青混合料级配设计提供参考,基于高精度压力胶片测试技术,开展不同搓揉时间下的胎/路接触应力分布特性研究。通过2种粗集料2种类型沥青混合料的对比,研究轮胎作用下沥青路面的抗滑性能衰减规律;并从接触力学的角度建立沥青路面抗滑性能评价指标。结果表明:轮胎与路面接触应力呈现显著的非均匀分布,主要包括有效接触面积与应力集中效应。初始状态下胎/路有效接触面积与应力集中主要与级配设计有关;而在搓揉过程中,随着路面构造的二次圧密与粗集料磨耗,有效接触面积持续增加,应力集中减少;应力集中分布度指标可以较好描述应力集中效应。分析表明,轮胎接触应力集中与路面摩擦系数呈现良好的线性关系。试验证明,骨架密实型级配与优质粗集料均有利于提高沥青路面抗滑耐久性能;而级配的影响更显著,磨耗层设计中应当给以重视。