【摘要】 潤(rùn)滑是降低摩擦、減少磨損的主要手段。大概有80%以上的滾動(dòng)軸承和20%的滑動(dòng)軸承是脂潤(rùn)滑的。潤(rùn)滑脂的主要作用就是在軸承的摩擦界面間提供一層潤(rùn)滑膜，防止摩擦界面直接接觸。因潤(rùn)滑膜變薄或破裂而導(dǎo)致的摩擦系數(shù)增大或摩擦磨損，是導(dǎo)致機(jī)械零件和設(shè)備失效的主要原因。潤(rùn)滑膜的厚度直接反映了脂潤(rùn)滑的潤(rùn)滑性能，所以人們通過(guò)各種方法，包括理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方法，對(duì)油潤(rùn)滑的潤(rùn)滑膜厚度及潤(rùn)滑性能研究。潤(rùn)滑脂有極其復(fù)雜的流變性能，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非牛頓流體性質(zhì)。脂潤(rùn)滑的彈流潤(rùn)滑動(dòng)壓理論的實(shí)際工程計(jì)算比油潤(rùn)滑要復(fù)雜得多。潤(rùn)滑現(xiàn)象常常發(fā)生在毫米級(jí)的微小區(qū)域內(nèi)，潤(rùn)滑膜的厚度常為微米級(jí)甚至納米級(jí)，要對(duì)這么微小的區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜潤(rùn)滑現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試，技術(shù)上是相當(dāng)困難的。本課題的目的就是要在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)脂潤(rùn)滑理論及潤(rùn)滑測(cè)試技術(shù)的某些不足加以改進(jìn)和完善。本文具體進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作：1.研制了脂潤(rùn)滑彈流試驗(yàn)臺(tái)。對(duì)油潤(rùn)滑的彈流試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)裝置、圖像采集裝置、供油及加載裝置等進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，研制出脂潤(rùn)滑彈流試驗(yàn)臺(tái)，傳動(dòng)穩(wěn)定性得到了提高，控制更加方便，采集到的圖像清晰穩(wěn)定，靜態(tài)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合，改造與設(shè)計(jì)結(jié)果符合預(yù)期。2.對(duì)基于相對(duì)光強(qiáng)原理的光干涉膜厚測(cè)量法，當(dāng)光干涉級(jí)次超過(guò)零級(jí)的時(shí)候，提出了一個(gè)普適的膜厚計(jì)算公式，討論了雙光束干涉應(yīng)用的條件，和基于雙光束干涉的真實(shí)光強(qiáng)——膜厚干涉曲線改進(jìn)了相對(duì)光強(qiáng)法的測(cè)量精度，并討論了基于數(shù)字式高速工業(yè)相機(jī)和基于交流伺服電機(jī)的膜厚動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)；基于動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)確定了光干涉的級(jí)次，測(cè)量了基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑膜厚度，基于普適公式計(jì)算出完整的膜厚形狀。3.提出了一種無(wú)需動(dòng)態(tài)標(biāo)定干涉級(jí)次的多波長(zhǎng)干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜膜厚的方法，測(cè)量中只需要靜態(tài)和目標(biāo)工況穩(wěn)定運(yùn)行的的圖像，能綜合利用不同波長(zhǎng)單色光在同一膜厚有不同光強(qiáng)分辨率的特點(diǎn)，提高膜厚測(cè)量精度；指出技術(shù)的關(guān)鍵是光強(qiáng)——膜厚曲線的標(biāo)定和擬合。4.比較了實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中觀察到隨著卷吸速度的增大，膜厚是明顯增加的，同時(shí)最小膜厚處向接觸中心移動(dòng)，這與點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑的理論計(jì)算是一致的。對(duì)比證明測(cè)量方法有較好的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，改進(jìn)之后的相對(duì)光強(qiáng)法及動(dòng)態(tài)測(cè)量的技術(shù)是可行的。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Hamrock-Dowson膜厚公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，也發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律是一致的，低速時(shí)的中心膜厚和整個(gè)速度范圍最小膜厚吻合得很好，說(shuō)明了Hamrock-Dowson膜厚公式在輕載高速工況時(shí)候的應(yīng)用局限性。對(duì)比基礎(chǔ)油的三波長(zhǎng)光干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果，兩者有很好的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明三波長(zhǎng)光干涉法有其獨(dú)特之處，方法是可行的。5.對(duì)輪轂軸承的脂潤(rùn)滑進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究。汽車輪轂軸承的脂潤(rùn)滑因基礎(chǔ)粘度大、非牛頓特性強(qiáng)烈、當(dāng)量接觸曲率半徑小，其彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑計(jì)算有很大困難。本文把球軸承形式的輪轂軸承接觸類型近似線接觸來(lái)求解，建立了脂潤(rùn)滑彈流潤(rùn)滑的Reynolds方程、膜厚方程及粘壓方程等，并對(duì)這些方程進(jìn)行無(wú)量綱化和差分?jǐn)?shù)值求解。求得了輪轂軸承脂潤(rùn)滑彈流潤(rùn)滑的數(shù)值解，得到了潤(rùn)滑膜的壓力分布和膜厚形狀。結(jié)果表明：輪轂軸承脂潤(rùn)滑彈流潤(rùn)滑膜具有與油潤(rùn)滑類似的二次壓力峰和出口膜厚頸縮現(xiàn)象；較小的載荷、較高的速度或較大的流變指數(shù)會(huì)形成較厚的潤(rùn)滑膜，相應(yīng)的二次壓力峰也更加明顯；滾珠與滾道間的潤(rùn)滑狀態(tài)實(shí)際處于彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑交替變換狀態(tài)。輪轂軸承潤(rùn)滑脂的流變性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明它們都有明顯的剪切稀化和非牛頓流體性質(zhì)，而且不同稠化劑的潤(rùn)滑脂有不同的高溫潤(rùn)滑性能，這主要?dú)w咎于稠化劑纖維在溫度變化時(shí)不同表現(xiàn)和其對(duì)潤(rùn)滑的作用機(jī)理。

第一章  緒論

 

1.1概述

潤(rùn)滑劑的主要作用是潤(rùn)滑軸承的滾動(dòng)和滑動(dòng)接觸面，通過(guò)防止磨損提高軸承性能。軸承的工作條件千差萬(wàn)別，為了給特定工作條件的軸承提供正確的、必需的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑可以是潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑脂，或者固體潤(rùn)滑劑等等。油潤(rùn)滑有較強(qiáng)的散熱作用，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)的摩擦力矩小，尤其適用于設(shè)備轉(zhuǎn)速很高（DN值大于 350000）的場(chǎng)合；固體潤(rùn)滑則用于極端環(huán)境，如高溫、高壓和高真空等不能使用液體潤(rùn)滑劑或脂的場(chǎng)合。而脂潤(rùn)滑與油潤(rùn)滑相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

潤(rùn)滑脂不容易流失，筆耕文化推薦期刊，防塵密封效果好；

軸承內(nèi)能保留適量的潤(rùn)滑脂，簡(jiǎn)化了密封設(shè)計(jì)；

不需要維持油面高度，減少了維護(hù)的次數(shù)，不需要頻繁更換潤(rùn)滑脂；

不流失和不泄露使得潤(rùn)滑脂對(duì)環(huán)境污染少；

潤(rùn)滑脂的使用溫度范圍比潤(rùn)滑油寬。

世界上最廣泛使用脂潤(rùn)滑的的典型零部件是滾動(dòng)軸承。據(jù)估計(jì)，大概有80%以上的滾動(dòng)軸承和20%的滑動(dòng)軸承是脂潤(rùn)滑的。從潤(rùn)滑脂的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，各種機(jī)械設(shè)備都離不開潤(rùn)滑脂。

潤(rùn)滑脂的主要作用就是在軸承的摩擦界面間提供一層潤(rùn)滑膜，防止摩擦界面直接接觸，從而減小摩擦，降低磨損。如果滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)合理且潤(rùn)滑良好，則滾動(dòng)表面可以被潤(rùn)滑膜隔開，處于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)；低速條件或者重載條件下潤(rùn)滑膜變薄，可能處于薄膜潤(rùn)滑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。溫詩(shī)鑄概括了各種潤(rùn)滑狀態(tài)的特征和應(yīng)用情況，如圖1-1所示。

 

 

 

 1.2 研究的理論基礎(chǔ)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 潤(rùn)滑膜厚度測(cè)試技術(shù)

點(diǎn)、線接觸的彈流潤(rùn)滑發(fā)生在毫米級(jí)的微小區(qū)域內(nèi)，潤(rùn)滑膜厚度則僅為微米級(jí)甚至納米級(jí)。要求對(duì)出現(xiàn)在如此微小區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜潤(rùn)滑現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)試，在技術(shù)上是非常困難的。普通的機(jī)械量測(cè)試方法已經(jīng)不再適用，而須采用專門的測(cè)試技術(shù)。潤(rùn)滑膜的測(cè)試包括潤(rùn)滑膜的厚度、形狀、壓力分布和溫度分布，還有摩擦力等。本文主要討論潤(rùn)滑膜的厚度和形狀測(cè)試。

通過(guò)測(cè)量油膜的電阻來(lái)確定油膜厚度的電阻法是最早測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的方法。油膜厚度較厚，比如0.1 μm時(shí)，油膜電阻可高達(dá)109Ω；當(dāng)油膜更薄或者金屬表面直接接觸的時(shí)候，油膜電阻只有幾個(gè)歐姆。但是由于油膜的電氣特性不穩(wěn)定，電阻法無(wú)法精確測(cè)量出油膜厚度的數(shù)值。電阻法只適用于判斷油膜是否存在的定性測(cè)量。

放電電壓法的基本原理是：將油膜串聯(lián)在電路中，通過(guò)可變電阻改變回路的電流，測(cè)出電路中電壓和電流的關(guān)系曲線，延長(zhǎng)曲線獲得曲線在縱坐標(biāo)上的截距，獲取放電電壓，而放電電壓與油膜厚度是大約成正比的，從而可獲得油膜厚度。但是，因?yàn)闈?rùn)滑劑的性質(zhì)和純潔程度以及金屬的表面形貌都對(duì)放電電壓有影響，所以放電電壓法也不能滿意地定量測(cè)出油膜的厚度。

位移法通過(guò)測(cè)量機(jī)械位移來(lái)間接測(cè)量油膜厚度。有潤(rùn)滑跟無(wú)潤(rùn)滑時(shí)候的摩擦副位移變動(dòng)量即為中心油膜的厚度。此方法要注意消除實(shí)驗(yàn)裝置振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，且只能測(cè)量中心油膜的厚度。

電容法根據(jù)電容值隨膜厚增大而降低的變化關(guān)系來(lái)計(jì)算出油膜平均厚度。測(cè)量的困難是在建立電容值與油膜厚度的關(guān)系時(shí)油膜厚度是未知的。Dyson等人的線接觸彈流膜厚測(cè)量結(jié)果與Dowson的計(jì)算值相當(dāng)接近。Wilson等利用滾動(dòng)軸承內(nèi)圈和外圈間形成的電容搭建了電容電橋，可測(cè)量滾動(dòng)軸承各滾動(dòng)體位置的潤(rùn)滑膜厚度，原理如圖 1-2所示。電容法的主要缺點(diǎn)是測(cè)量精度容易受到試樣與機(jī)架及導(dǎo)線間產(chǎn)生的寄生電容的影響，需要采取嚴(yán)格的屏蔽措施。

 

第二章  脂潤(rùn)滑彈流試驗(yàn)臺(tái)的研制

 

2.1引言

實(shí)驗(yàn)室原有從清華大學(xué)引進(jìn)的TLT-1型光學(xué)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑試驗(yàn)臺(tái)。其裝置原理如圖2-1所示。因其圖像采集部分落后已經(jīng)淘汰，電機(jī)控制性能差，以及摩擦輪傳動(dòng)部分打滑、運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定等等問(wèn)題，須加以改造和設(shè)計(jì)才能進(jìn)行潤(rùn)滑膜干涉圖像的采集。

 

 

 

2.2設(shè)計(jì)方法與改造措施

2.2.1 光干涉法測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的基本原理

光干涉測(cè)量膜厚的基本原理是使得光線在兩個(gè)摩擦副的接觸面上分別產(chǎn)生反射，獲得兩列相干光，從而獲得干涉條紋，條紋的亮度、顏色和干涉的級(jí)數(shù)等反映了膜厚的大小。如圖2-2所示為光干涉測(cè)量膜厚的原理示意圖。

 

 

2.2.2 機(jī)械傳動(dòng)裝置改造與設(shè)計(jì)

原傳動(dòng)裝置為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過(guò)摩擦輪傳動(dòng)帶動(dòng)玻璃盤所在的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此傳動(dòng)裝置不能帶動(dòng)較大的負(fù)載，低速運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，容易打滑。又因?yàn)閭鲃?dòng)比大（達(dá)到10），中心距遠(yuǎn)（約157mm），所以優(yōu)先改造為同步帶傳動(dòng)。

電動(dòng)機(jī)選用了使用簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)速度的感應(yīng)式單相交流電機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速為1400r/min，額定功率 25W。

 

第三章 潤(rùn)滑膜厚度的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)研究....... 36

3.1  引言 ...... 36

3.2  基于雙光束干涉的真實(shí)光強(qiáng)—膜厚干涉曲線的相對(duì)光強(qiáng)法....... 36

3.2.1  相對(duì)光強(qiáng)法測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的原理 .................. 36

第四章 多波長(zhǎng)光干涉法測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度 .......... 63

4.1  引言 .................... 63

4.2  基于等效波長(zhǎng)法的多波長(zhǎng)膜厚測(cè)量原理 .............. 63

第五章 潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算結(jié)果的對(duì)比............. 76

5.1  引言 .......... 76

5.2  與彈流潤(rùn)滑理論數(shù)值求解結(jié)果的對(duì)比 .............. 76

 

第六章  彈流脂潤(rùn)滑在汽車輪轂軸承中的應(yīng)用

 

6.1引言

汽車輪轂軸承是技術(shù)復(fù)雜程度比較高的一種軸承，是汽車的重要部件，對(duì)汽車的舒適性和安全性起到了重要的作用。它承載了車身的重量和為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)提供了精確的引導(dǎo)，它既承受軸向載荷又承受徑向載荷，其在車輛中的位置如圖6-1所示。

 

 

汽車輪轂軸承要求結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能和使用壽命長(zhǎng)，必須保證期其有良好的潤(rùn)滑。為保證良好的密封性，防止外界污染物進(jìn)入軸承，除了要加密封圈以外，比較適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑方式應(yīng)當(dāng)是采用潤(rùn)滑脂密封和潤(rùn)滑。軸承內(nèi)部滾動(dòng)體與滾道間為彈性接觸，因此應(yīng)采用脂潤(rùn)滑的彈流潤(rùn)滑計(jì)算方法求解其膜厚和壓力等。目前針對(duì)轎車輪轂軸承實(shí)際工況的彈流潤(rùn)滑求解并不多見，本課題組鄧?yán)�、于玫等人曾�?duì)脂潤(rùn)滑和輪轂軸承潤(rùn)滑進(jìn)行了初步求解，本章在此基礎(chǔ)上分析輪轂軸承的實(shí)際工況，并對(duì)求解算法作適當(dāng)?shù)男拚沟盟惴ㄊ諗浚蟮脤?shí)際工況下的潤(rùn)滑數(shù)值解。

 

本文成果、創(chuàng)新處與展望

一、本文成果

課題的研究目標(biāo)是改進(jìn)及完善潤(rùn)滑膜厚度的測(cè)量技術(shù)，使得測(cè)量結(jié)果的獲取及處理更加方便，獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果；通過(guò)汽車輪轂軸承的脂潤(rùn)滑計(jì)算與實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充脂潤(rùn)滑的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論，把脂潤(rùn)滑理論計(jì)算推向工程實(shí)際應(yīng)用。本文所取得的主要成果及結(jié)論如下：

1.  研制了脂潤(rùn)滑彈流試驗(yàn)臺(tái)。對(duì)油潤(rùn)滑的彈流試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械傳動(dòng)裝置、圖像采集裝置、供油及加載裝置等進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，研制出脂潤(rùn)滑彈流試驗(yàn)臺(tái)，傳動(dòng)穩(wěn)定性得到了提高，控制更加方便，采集到的圖像清晰穩(wěn)定，靜態(tài)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合，改造與設(shè)計(jì)結(jié)果符合預(yù)期。

2.  提出了基于相對(duì)光強(qiáng)原理的光干涉膜厚計(jì)算的普適公式，討論了雙光束干涉應(yīng)用的條件，和基于雙光束干涉的真實(shí)光強(qiáng)—膜厚干涉曲線改進(jìn)了相對(duì)光強(qiáng)法的測(cè)量精度，并討論了基于數(shù)字式高速工業(yè)相機(jī)的膜厚測(cè)量技術(shù)、基于交流伺服電機(jī)的厚膜測(cè)量技術(shù)；動(dòng)態(tài)測(cè)量了750#基礎(chǔ)油的潤(rùn)滑膜厚度，基于普適公式計(jì)算出完整的膜厚形狀。

3.  提出了一種無(wú)需動(dòng)態(tài)標(biāo)定干涉級(jí)次的多波長(zhǎng)干涉測(cè)量潤(rùn)滑膜膜厚的方法，只需要測(cè)量靜態(tài)和目標(biāo)工況穩(wěn)定運(yùn)行的的圖像，能綜合利用不同波長(zhǎng)單色光在同一膜厚有不同光強(qiáng)分辨率的特點(diǎn)，提高膜厚測(cè)量精度；指出技術(shù)的關(guān)鍵是光強(qiáng)——膜厚曲線的標(biāo)定和擬合。對(duì)比基礎(chǔ)油的三波長(zhǎng)光干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果，兩者有很好的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明三波長(zhǎng)光干涉法有其獨(dú)特之處，方法是可行的。

4.  將潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，分別與點(diǎn)接觸彈流潤(rùn)滑理論數(shù)值求解結(jié)果與Hamcrock-Dowson 膜厚計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果作了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中觀察到隨著卷吸速度的增大，膜厚增加的規(guī)律，以及最小膜厚處向接觸中心移動(dòng)的現(xiàn)象都與數(shù)值求解的結(jié)果相一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明有較好的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，改進(jìn)之后的相對(duì)光強(qiáng)法及動(dòng)態(tài)測(cè)量的技術(shù)是可行的。將單波長(zhǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果、多波長(zhǎng)測(cè)量結(jié)果與 Hamcrock-Dowson 公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種測(cè)量方法有很好的一致性，進(jìn)一步說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)方法的可靠性，并且說(shuō)明了 Hamcrock-Dowson 公式在輕載高速時(shí)候的局限性，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)中心膜厚公式進(jìn)行了擬合和修正。

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本文編號(hào)：10897