Page 119 - 《摩擦学学报》2020年第6期
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802 摩 擦 学 学 报 第 40 卷
曲面接触副真实接触面积大，且在局部接触不均 所示，将球形垫片放置在试验台的旋转支撑座上，通
匀的状态下，通过磨合或接触变形可以显著降低局部 过垫片内孔与支撑座凸台嵌套一起，实现周向固定.
极限应力 ，如差速器中差速齿轮球面端面与差壳之 球形垫片随电机做旋转运动. 差速齿轮球面端端面朝
[1]
间的滑动接触副. 重型车辆频繁在不良路况行驶时， 下，与球形垫片内侧球形表面组成滑动摩擦副，差速
车桥总成所受载荷具有周期性循环变化特征. 当受到 齿轮与承载支柱沿周向固定连接.
高频循环载荷或冲击载荷时 [2-4] ，运动副易发生瞬态润
滑不良，使推力垫片表面产生严重磨损，且运动副处 Sliding pair Force sensor
于密封环境，使摩擦磨损状态难被及时检测和准确判
断，造成重大安全事故. 因此，研究高频循环载荷下球 Dead weight
面接触配副的摩擦学性能和响应特征具有重要的工 L 0
程意义.
强冲量时变载荷对运动副的摩擦学状态影响极 P 1 Spring-connecting
weight
大 ，研究表明减小随机循环载荷幅值能够明显降低
[5]
其关键机械零部件损伤程度 [6-7] ，运动副结构损伤受载 P 2
L 0
荷频率的影响显著 [8-9] . 当重型车辆行驶在恶劣路况
Fig. 1 Schematic diagram of test rig
时，冲击载荷通过减震系统转变为阻尼高频循环交变 图 1 试验台原理示意图
[10]
载荷 . 在该载荷的作用下，差速齿轮与球面垫片相
对滑动时，产生的摩擦力曲线同样具有高频脉动循环 如图2所示，在承载支柱上方设置滚动轴承，相较
特征，利用离散小波变换(DWT)可提取运动副的摩擦 于滑动副产生的摩擦力矩，滚动轴承产生的静摩擦力
状态信号 [11-12] . 矩可忽略不计，因此，利用测力传感器监测柔性连接
本文中试验研究了高频循环载荷对重型车辆差 绳所受拉力，实时获得摩擦副产生的摩擦力矩信号.
弹簧振子悬挂在固定载荷下方，固定载荷设置在杠杆
速齿轮端面与球面垫片滑动配副的摩擦学性能影响.
通过激励弹簧振子产生高频循环载荷，并分别利用力 远端，以4:1的载荷比例施加在滑动摩擦副上. 试验期
传感器、分析式铁谱仪和颗粒计数器等获取摩擦力信 间动载荷处于最小值时，固定载荷用于确保摩擦副始
号和磨损相关数据，应用DWT方法对摩擦力信号进行 终保持接触状态.
分析，通过扫描电子显微镜(SEM)观测磨痕形貌. 通过
Loading direction
对摩擦磨损响应特征进行监测和分析，研究高频循环
载荷下球面接触副的摩擦学状态.
1 试验部分 Force sensor
1.1 摩擦副
所选摩擦副为差速行星锥齿轮大端端面和球面 Rotational direction
Mating position
支撑垫组成的滑动摩擦副. 差速齿轮大端端面粗糙度
R 为0.15 μm，材料为20CrMnTi，硬度约为HV520. 球
a
形垫片采用某汽车零件制造厂生产样件，表面粗糙度
#
R 为0.45 μm，材料为20 钢，硬度约为HV165. 齿轮端 Fig. 2 Spherical-surface contacting pairs on test rig
a
图 2 试验台上球面接触配副
面和球形垫片的接触面曲率半径相同，为78 mm. 由于
#
球面垫片材料硬度较低，表面粗糙，较齿轮端面更易 室温下，试验采用32 齿轮油对摩擦副进行连续油
发生磨损，因此，将采用扫描电子显微镜(SEM)观测球 润滑，持续时间为4 h或达到摩擦失稳状态，球面垫片
形垫片接触表面的磨痕，分析高频循环载荷下接触副 转速设为350 r/min，而差速齿轮试样始终保持静止状
的磨损特征. 态. 试验过程中，通过激励杠杆远端的弹簧振子，产生
1.2 试验条件 周期性连续变化的高频循环变载荷，利用杠杆传递至
本试验利用自主设计的磨损试验台，结构如图1 摩擦副位置，试验载荷与激励周期列于表1中，试验
