内球面接触高剪切粘性牵引传动接触区牵引规律影响机理研究

Traction law in the inner spherical contact area is the key to analyze traction characteristics of toroidal traction drive accurately. However, due to the influence of the spin velocity and the boundary slip between the oil film and the surface of contact area, the changing mechanism of traction law becomes very complex. Therefore, the perfect theoretical analysis model has not yet been formed either at home or abroad. Considering the influence of boundary slip and spin velocity at contact area, the constitutive equation and critical shear stress of traction oil are researched based on experiments and theoretical analysis in this project. Then, the dynamic model of oil film is established to deduce the slip velocity equation at the surface-oil boundary, which is combined with spin velocity to form the velocity boundary condition for the mixed lubrication fluid control equation on contact area. Then, the fluid control equation, asperities contact equation, load balance equation and energy equation are coupled to build the traction model. Consequently, the changing law of traction performance are obtained by studying the characteristics of the pressure, the film thickness, the viscosity shearing stress and the friction of asperities contact. And the influence mechanism of traction law is presented. The achieving results will build the theoretical base for accurate analysis on traction characteristics of traction drive and provide theoretical reference for other studies on friction pair in high pressure and high speed working condition.

内球面接触区的牵引规律是准确分析环盘型牵引传动特性的关键，但受到接触区流体与壁面间的边界滑移以及自旋速度的影响，牵引规律的变化机制非常复杂，国内外尚未形成完善的理论分析模型。本项目拟针对接触区边界滑移与速度自旋现象，采用理论与试验相结合的方法，开展牵引油液本构方程与极限剪应力研究。在此基础上，建立油膜层的动力学模型，研究壁面－油膜边界滑移速度方程，并结合自旋速度方程，构成内球面接触区混合润滑流体控制方程的速度边界条件；进而耦合流体控制方程、粗糙峰接触方程、载荷平衡方程以及能量方程等，构建出牵引力控制模型，研究接触区流场压力、膜厚、粘性剪应力以及粗糙峰接触摩擦力的变化特性，获得牵引特性变化规律，揭示其影响机理。本项目研究成果将为准确分析牵引传动特性提供理论支撑，也将为其它高压高速摩擦副的摩擦与润滑特性的研究提供参考。

内球面接触区的牵引规律是准确分析环盘型牵引传动特性的关键，但受到接触区流体与壁面间的边界滑移以及自旋速度的影响，牵引规律的变化机制变得非常复杂。项目针对接触区边界滑移与速度自旋现象，采用理论与试验相结合的方法，开展不同压力和温度下的牵引油液流变特性、壁面－油膜边界滑移速度模型、内球面接触牵引传动装置接触区自旋与滑移作用下的牵引力模型以及牵引特性等研究工作，获得内球面接触牵引传动装置的牵引特性变化规律。.项目研究工作在以下三个方面取得了重大突破：.1）创新性的提出了结合微观和宏观力学分析的近壁面流体层剪切速度模型，揭示了近壁面流体层密度与速度的阶跃变化机理，解释了近壁面流体出现边界滑移的原因，为开展边界滑移润滑研究奠定了理论基础。相比于分子动力学方法，本方法涉及到的量子力学参数更少，且运算时间更短，更易于与润滑模型进行耦合运算。.2）试验得到了牵引油液宽剪切范围的流变特性，揭示了压力、温度以及剪应变率等参数对剪应力的影响规律，解决了牵引传动从低速到高速宽速域范围内流变模型的获取问题。.3）构建了考虑边界滑移和速度自旋影响的牵引传动接触区弹流润滑模型，提出了考虑边界滑移速度修正的弹流模型数值解法，解决了内球面接触牵引传动装置边界滑移牵引特性的求解分析问题，实现了高剪切油膜牵引力的计算获取。. 项目研究中取得的关于边界滑移速度以及牵引传动特性分析方法方面的成果，可为其他高剪切摩擦副如齿轮、轴承、动密封等的润滑与油膜粘性摩擦阻力分析提供借鉴参考。另外，项目研究成果已被直接用于到某部级项目“高速齿轮边界滑移润滑规律”研究中。利用项目研究成果，目前发表EI论文1篇，1篇SCI论文已录用，1篇EI已通过一审，已授权发明专利1项，授理发明专利4项，培养了1名博士后、1名博士生和1名硕士生，参加了一次国际学术交流。