徐 偉，程國贊，段富海，劉曉玉，呼斯樂圖

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著多電/全電飛機(jī)（More Electric Aircraft/All Electric Aircraft，MEA/AEA）的發(fā)展，飛機(jī)大功率作動器由以前的液壓驅(qū)動逐漸向電力驅(qū)動過渡。飛機(jī)大功率機(jī)電作動器（Electro-Mechanical Actuator，EMA），由高功率密度高壓（270 V）直流無刷電機(jī)驅(qū)動，通過行星齒輪減速器將轉(zhuǎn)矩傳遞到輸出軸，帶動飛機(jī)翼面動作，完成飛機(jī)的作動控制。

EMA摩擦過載保護(hù)裝置通過主、從動組件之間的摩擦力來傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的動力和轉(zhuǎn)矩。但有時EMA傳動會出現(xiàn)機(jī)械卡滯等故障模式，給飛機(jī)帶來安全隱患。為在卡滯故障出現(xiàn)時能夠確保機(jī)械傳動桿不被折斷，設(shè)計(jì)了一種新型的過載摩擦保護(hù)裝置。由于在較大壓力作用下保護(hù)裝置的摩擦片打滑會產(chǎn)生大量的熱量，而現(xiàn)存的一般摩擦片難以同時滿足高強(qiáng)度、高耐熱性和高穩(wěn)定性的要求，因此急需一種新型摩擦材料來解決這一問題。由于粉末冶金摩擦材料具有摩擦因數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)良的性能[1]，它通過材料間的摩擦和磨損，將動能轉(zhuǎn)化為熱能并將熱量吸收和散發(fā)，從而達(dá)到制動的目的，所以在飛機(jī)、汽車、工程機(jī)械的離合器和制動器中廣泛使用[2]，故目前國內(nèi)EMA的摩擦片一般采用粉末冶金材料。目前隨著EMA動力、速度及負(fù)荷的迅速增大，對摩擦材料的要求不斷提高，特別是重載荷大扭矩EMA的出現(xiàn)，如飛機(jī)著陸時的制動器、飛機(jī)襟翼和縫翼的驅(qū)動器等，摩擦材料性能穩(wěn)定性保證出現(xiàn)了困難。

國內(nèi)外圍繞著摩擦材料成分及燒結(jié)工藝對摩擦材料性能的影響等，對粉末冶金材料開展了較多的研究工作，如文獻(xiàn)[3]做了銅基粉末冶金摩擦材料的沖擊壓縮試驗(yàn)，得到了沖擊動態(tài)參數(shù)；文獻(xiàn)[4]研究了不同摩擦組元、不同孔隙率鐵基粉末冶金摩擦材料的磨損性能；文獻(xiàn)[5]研究了摩擦過程中摩擦面溫度對鐵基粉末冶金摩擦材料摩擦磨損性能的影響機(jī)理；文獻(xiàn)[6]研究了濕式摩擦離合器摩擦片表面溫升和油槽結(jié)構(gòu)的關(guān)系。但國內(nèi)外對重載荷大扭矩摩擦片的應(yīng)用研究報道不多。

為解決重載荷大扭矩EMA中使用摩擦片性能穩(wěn)定性問題，本文根據(jù)加權(quán)因子法選取鐵銅作為基本組元，通過調(diào)整鐵銅基的鐵銅比例以及改變其他合金與非金屬成分[7-8]，改善其在抗粘結(jié)性、耐溫性和抗氧化能力；采用激光表面改進(jìn)技術(shù)優(yōu)化其表面摩擦特性[9]；再通過電控摩擦實(shí)驗(yàn)改變摩擦因數(shù)[10]；最后采用有限元法進(jìn)行了摩擦片靜力學(xué)分析[11-12]。

1 過載摩擦保護(hù)裝置工作原理

某型飛機(jī)EMA摩擦保護(hù)裝置包括相互連接的主動機(jī)構(gòu)和從動機(jī)構(gòu)。主動機(jī)構(gòu)包括傳動軸、與傳動軸連接的齒輪系以及與齒輪系輸出端連接的花鍵軸；從動機(jī)構(gòu)包括齒輪定位圓盤、摩擦盤以及壓緊操縱機(jī)構(gòu)?；竟ぷ髟硎?，當(dāng)扭矩大于所設(shè)計(jì)的臨界扭矩時出現(xiàn)打滑，從動機(jī)構(gòu)停止傳動，轉(zhuǎn)矩恢復(fù)正常時重新開始傳動。因此，當(dāng)EMA作動器出現(xiàn)故障或者卡死情況后，摩擦保護(hù)裝置的主動部分和從動部分的摩擦片出現(xiàn)打滑，較大的力和力矩不會給傳動桿帶來很大的扭矩，造成傳動桿扭斷，保證整個裝置不被破壞，因而起到了過載保護(hù)作用。裝置基本要求是運(yùn)動中接合和分離方便，離合徹底，恢復(fù)平緩。由于在飛機(jī)摩擦保護(hù)裝置工作環(huán)境中存在較大的載荷和溫度沖擊，相應(yīng)的摩擦材料發(fā)生彈塑性變形要盡量小。

2 摩擦片研究

過載保護(hù)裝置摩擦盤內(nèi)安裝的摩擦片是整個裝置的關(guān)鍵部件。

2.1 粉末冶金摩擦材料

摩擦片多孔材料采用粉末冶金復(fù)合材料，它以金屬及其合金（一般是銅或鐵）為基體組元，添加摩擦組元和潤滑組元，采用粉末冶金技術(shù)，經(jīng)過對粉末原材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)、粉料混合、模壓成形、加壓燒結(jié)和后續(xù)機(jī)械加工等過程加工而成。其組分和制作工藝不同，特性也有很大差異。在金屬基粉末冶金摩擦材料中，金屬具有良好的塑性和導(dǎo)熱性，非金屬具有高熔點(diǎn)、堅(jiān)硬、耐磨等特點(diǎn)，合理匹配基體組元、摩擦組元和潤滑組元，才能充分發(fā)揮和兼顧二者的特性，獲得性能優(yōu)良的摩擦材料，使材料具有高機(jī)械強(qiáng)度、高使用溫度、優(yōu)良導(dǎo)熱和抗磨損性能。摩擦組元一般使用二氧化硅或者石棉。粉末冶金摩擦材料具有特殊性能的各種質(zhì)點(diǎn)均勻地分布在金屬基中，金屬基體具有比較好的導(dǎo)熱性和散熱性并可承受應(yīng)力和力矩，使材料具有良好的耐磨性。與傳統(tǒng)的金屬摩擦材料相比，粉末冶金摩擦材料具有摩擦因數(shù)高，在溫度、壓力以及速度變化時摩擦因數(shù)的變化較小，耐高溫和抗咬合性好，磨損小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因其特性良好而被廣泛使用。

粉末冶金摩擦材料按基體成分可分為銅基和鐵基兩大類。鐵基比銅基有稍高的硬度、強(qiáng)度、摩擦因數(shù)，允許承受的工作比壓和表面瞬時溫度也較高；而銅基比鐵基有較好的導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和小的磨損。銅基摩擦材料大多用于離合器中，尤其在濕式離合器中更顯示其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。鐵基摩擦材料多用于制動器中。為增加粉末冶金摩擦材料的強(qiáng)度，通常將其粘結(jié)成為鐵銅基雙金屬結(jié)構(gòu)。

2.2 粉末冶金材料特性研究

為選用合適的材料，下面通過加權(quán)因子法[13]得出材料的性質(zhì)系數(shù)。選用摩擦冶金材料時主要考慮的5個特性及其加權(quán)因子如表1所示[14]。

表1 加權(quán)因子表Tab.1 Weightingfactor table

通過實(shí)驗(yàn)得出如表2所示不同材料的性質(zhì)系數(shù)[15-16]。

表2 不同材料摩擦性質(zhì)表Tab.2 Friction property tableof each material

表2中，P為正判定數(shù)；β為相對重要數(shù)；γ為材料的性質(zhì)系數(shù)。γ值越大代表材料總體性能越好，所以摩擦保護(hù)裝置中摩擦片最終選擇的材料為Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料。材料的主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3[17-18]。

表3 Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.3 Chief component of Fe-Cu base powder metallurgy friction material %

2.3 粉末冶金材料激光改進(jìn)技術(shù)

激光表面改性技術(shù)是一種新型的材料表面改性方法，具有激光功率密度高、材料表面加熱和冷卻速度快、表面改性后零件變形小等特點(diǎn)。將其應(yīng)用于Fe-Cu基粉末冶金摩擦片成品件的表面改性處理，摩擦片表面的Fe-Cu粉末冶金摩擦材料層在高能量密度激光束的作用下，溫度迅速升高，隨著激光束的快速移動，靠自身的冷卻，溫度又迅速降低，在這種較大的過冷條件下，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)必然會細(xì)化。同時，瞬時的高溫會使粉末冶金材料體擴(kuò)散系數(shù)迅速增大，從而增強(qiáng)了孔洞的收縮動力，這將有助于提高材料的致密性。因此，激光表面改性處理后的Fe-Cu基摩擦片在微觀組織結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能等方面會有明顯的改善，并且對摩擦片成品件做表面改性處理不改變材料成分及原始燒結(jié)工藝，也不增加后續(xù)處理工藝。

采用激光束對粉末冶金材料的表面進(jìn)行處理來增強(qiáng)其表面質(zhì)量，通過使用紅外設(shè)備分析改性過程中材料表面的溫度變化，借助微觀試驗(yàn)儀，結(jié)合X射線衍射分析，掃描電子顯微鏡(SEM)分析等手段，對Fe-Cu基粉末冶金摩擦材料的微觀組織形貌、硬度、密度及干滑動摩擦磨損特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.4 摩擦壓緊盤

摩擦片與摩擦壓緊盤分別如圖1和圖2所示。

圖1 摩擦片F(xiàn)ig.1 Friction plate

圖2 摩擦壓緊盤Fig.2 Friction pressureplate

3 電控摩擦實(shí)驗(yàn)

外加電場可以改變金屬材料的表面摩擦因數(shù)[9]?；诖死碚摚疚淖隽穗妶鰧δΣ岭x合器影響的電控摩擦實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程：將摩擦片與電源的正極相連，石墨導(dǎo)體連接電源的負(fù)極；調(diào)節(jié)電源電壓來改變外加電場場強(qiáng)大??；摩擦片放在離子導(dǎo)體溶液中，溶液具有很好的導(dǎo)電性和電控摩擦效應(yīng)。摩擦離合器的驅(qū)動裝置使用步進(jìn)電機(jī)，離合器中的摩擦副有上、下兩片摩擦片；電機(jī)經(jīng)過齒輪減速裝置減速后將動力傳遞到摩擦離合器中，摩擦離合器將轉(zhuǎn)矩通過輸出軸來輸出。在裝置中裝有數(shù)據(jù)傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，可以將數(shù)據(jù)及時傳遞到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理。從動件和主動件接觸并逐漸達(dá)到裝置主動件的轉(zhuǎn)速，在這段時間中摩擦片的摩擦因數(shù)會有所改變，主動件與從動件的摩擦力也會相應(yīng)增加，裝置的承載能力有所提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 摩擦力矩隨外加電壓變化曲線圖Fig.3 Thefriction torque curveswith theapplied voltage

圖4 摩擦力矩增量隨外加電壓變化曲線圖Fig.4 Changecurveof friction torquewith applied voltage

4 摩擦片靜力學(xué)特性分析

4.1 分析目的與意義

為提高摩擦保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)件整體力學(xué)性能，對其關(guān)鍵部件——摩擦片進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。摩擦片除承受摩擦片之間的擠壓作用外，還受相互之間摩擦力的影響。下文對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、接觸狀態(tài)分析。

4.2 分析流程

考慮計(jì)算效率與計(jì)算準(zhǔn)確度，選取兩個摩擦片構(gòu)成摩擦副，進(jìn)行裝配和分析，分析流程為：建立摩擦片CAD模型、進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析、分析結(jié)果評價。

4.2.1 建立CAD模型

根據(jù)摩擦片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，在Inventor中建立三維CAD模型，通過與ANSYS軟件的接口導(dǎo)入ANSYS中。三維模型如圖5所示。

圖5 摩擦片CAD模型Fig.5 CADmodel of friction piece

4.2.2 材料屬性

在ANSYS平臺中設(shè)置摩擦片材料屬性如表4所示。

表4 摩擦片材料屬性Tab.4 Propertiesof friction slices materials

4.2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型的關(guān)鍵步驟，計(jì)算的合理性在很大程度上由網(wǎng)格劃分好壞決定。劃分后的模型如圖6所示。

圖6 摩擦片有限元模型Fig.6 Finiteelement model of friction plate

4.2.4 施加載荷約束

根據(jù)受力分析與摩擦片工作原理，對兩個摩擦片一端固定，一端施加壓力和扭矩載荷，同時孔內(nèi)圓柱面處施加圓柱支撐約束，使摩擦片轉(zhuǎn)動而不徑向和切向運(yùn)動[12]。施加載荷和約束后的狀態(tài)如圖7所示。

圖7 施加約束載荷Fig.7 Imposes theconstraint load

4.2.5 計(jì)算及結(jié)果分析

計(jì)算得到摩擦片的應(yīng)力、應(yīng)變和變形分布云圖，分別如圖8和圖9所示。摩擦片的接觸情況分析如圖10所示。

圖8 應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution cloud diagram

由圖7-10分析可見，摩擦片X、Y、Z向和整體變形量均不大，摩擦片邊緣處變形量最大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在軸孔邊緣處，最大應(yīng)力值391.07 MPa，根據(jù)摩擦片材料屈服強(qiáng)度值（480 MPa）和離合器設(shè)計(jì)要求，摩擦片滿足剛度、強(qiáng)度要求，且接觸狀態(tài)較好。

圖9 應(yīng)變和變形分布云圖Fig.9 Deformation distribution cloud map

圖10 接觸狀態(tài)與應(yīng)力Fig.10 Contact stateand stress

5 結(jié)束語

飛機(jī)重載荷大扭矩EMA中粉末冶金摩擦材料的穩(wěn)定性是EMA實(shí)用的關(guān)鍵。通過冶金摩擦材料的表面激光改性，通過電控實(shí)驗(yàn)提高摩擦材料的摩擦因數(shù)，并用ANSYS進(jìn)行了摩擦片的有限元分析，為過載保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究等提供參考依據(jù)和有益借鑒。

粉末冶金摩擦片具有高耐溫性、高耐磨性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以承受裝置出現(xiàn)故障或者卡死時摩擦離合器打滑產(chǎn)生的大量熱量，提高了飛機(jī)的安全性。摩擦片的高耐磨性，使日常磨損消耗較小，更換頻率減小，可以減小飛機(jī)維護(hù)費(fèi)用。