平头“V”形凹槽织构化表面及摩擦副

平头“v”形凹槽织构化表面及摩擦副
技术领域
1.本发明涉及摩擦副技术领域，特别地，有关于一种平头“v”形凹槽织构化表面及摩擦副。


背景技术：

2.早期的摩擦学理论认为，表面粗糙度导致摩擦的产生，相互接触的表面越光滑，磨损量越小。一般情况下，减小表面粗糙度可以降低摩擦系数，但是超精加工后获得的表面摩擦系数反而剧增。近年来，大量学者的研究表明，在相互接触的表面上加工一系列具有一定分布规律和尺寸的微小形貌，可以改善接触表面的摩擦学性能。这种利用不同加工方法在材料表面制造出一定形状、尺寸、排列的图案，以此来改变材料表面摩擦学性能的微小形貌就称为表面织构。表面织构因其良好的减摩耐磨特点，是一种新颖且作用明显的表面改性技术。
3.在机械工程领域，在摩擦副表面加工表面织构后，将对摩擦副的承载能力、减摩耐磨性、摩擦系数、运行稳定性、可靠性及服役寿命等产生极大影响，可能产生正面的效果，也可能无效甚至使这些性能参数变差。这主要取决于织构的参数，比如形状、尺寸及分布等，因此需要合理地设计摩擦副表面织构的参数，提升摩擦副的摩擦学性能，延长机械零部件的使用寿命。传统的织构设计方法主要采用试错法，通过试验或数值计算的方式，比较有限个人为想象出来的织构参数，从其中选择性能指标最好的织构参数。目前，摩擦副表面织构形状主要使用圆形、椭圆形、三角形、矩形、菱形和梯形等规则形状。由于圆形凹坑形状简单，加工效率高，摩擦学性能比较好，得到了广泛应用。
4.虽然这些规则形状的织构得到了广泛应用，但是这些形状并不是最优的。在流体动压润滑状态下，表面织构产生的流体动压效应对油膜承载力起着决定性作用，但是规则形状织构产生的流体动压效应不是最强的。因此需要对织构的形状进行优化设计，使其能够产生最大的油膜承载力，提升摩擦副的润滑性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种平头“v”形凹槽织构化表面及摩擦副，以解决目前规则形状的织构并不能使表面产生更大的油膜承载力而不能提升摩擦副的润滑性能的技术问题。
6.本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
7.本发明提供一种平头“v”形凹槽织构化表面，包括表面以及凹设于所述表面的多个凹槽织构，所述表面具有一运动方向，所述凹槽织构具有一平头部以及两侧边部，所述侧边部具有在所述运动方向上位于前方的前端以及在所述运动方向上位于后方的后端，两所述侧边部自其后端向其前端逐渐靠近彼此地延伸至所述平头部，所述平头部垂直于所述运动方向延伸设置。
8.本发明的实施方式中，其中多个所述凹槽织构沿所述运动方向排布形成第一凹槽
织构分布结构。
9.本发明的实施方式中，其中多个所述凹槽织构沿所述运动方向的垂直方向排布形成第二凹槽织构分布结构。
10.本发明的实施方式中，所述运动方向为直线方向或旋转方向。
11.本发明的实施方式中，所述侧边部的后端呈一尖端结构。
12.本发明的实施方式中，两所述侧边部具有远离彼此设置的外侧边缘，两所述侧边部的外侧边缘能延长形成一前夹角，所述前夹角的角度为30
°
～60
°
。
13.本发明的实施方式中，两所述侧边部具有靠近彼此设置的内侧边缘，两所述侧边部的内侧边缘相交形成一后夹角，所述后夹角的角度为45
°
～90
°
。
14.本发明的实施方式中，所述凹槽织构的外轮廓上具有十八个特征点，十八个所述特征点通过十八条线段依次连接，所述线段的无量纲长度为0.125至0.3271。
15.本发明的实施方式中，以第一个所述特征点为原点建立一直角坐标系，十八个所述特征点在所述直角坐标系中的无量纲坐标值分别为：(0，0)，(0.2713，0)，(0.5736，0.1250)，(0.7984，0.2500)，(1，0.3750)，(1，0.5000)，(1，0.6250)，(0.7907，0.7500)，(0.5969，0.8750)，(0.3256，1)，(0，1)，(0.2403，0.8750)，(0.4729，0.7500)，(0.5814，0.6250)，(0.7132，0.5000)，(0.5659，0.3750)，(0.4419，0.2500)，(0.2248，0.1250)。
16.本发明的实施方式中，以第一个所述特征点为原点建立一直角坐标系，十八个所述特征点在所述直角坐标系中的无量纲坐标值分别为：(0，0)，(0.2500，0)，(0.5000，0.1250)，(0.7500，0.2500)，(1，0.3750)，(1，0.5000)，(1，0.6250)，(0.7500，0.7500)，(0.5000，0.8750)，(0.2500，1)，(0，1)，(0.2000，0.8750)，(0.4000，0.7500)，(0.6000，0.6250)，(0.8000，0.5000)，(0.6000，0.3750)，(0.4000，0.2500)，(0.2000，0.1250)。
17.本发明的实施方式中，所述凹槽织构的深度为5μm～20μm；所述凹槽织构的面密度为20％～40％。
18.本发明还提供一种摩擦副，包括上述平头“v”形凹槽织构化表面。
19.本发明的特点及优点是：
20.本发明的平头“v”形凹槽织构化表面及摩擦副，通过两侧边部逐渐靠近彼此地延伸设置而使凹槽织构大体呈“v”形，通过在两侧边部的前端形成一垂直于运动方向延伸设置的平头部，从而大体呈平头“v”形，使得润滑油在表面的带动下沿运动方向在表面上运动时，一方面能够在该平头部产生大面积的高压区和较大的压力峰值，另一方面在两侧边部的后端则会产生很小的空化区，从而有效地减小了低压区面积，再一方面同时张开的两侧边部能够避免了相邻两凹槽织构间的高压区和低压区的相互影响，这三方面的原因使得本发明可以在流体动压润滑条件下可以获得优异的摩擦学性能，显著提升摩擦副间的油膜承载力。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是本发明中平头“v”形的凹槽织构的外轮廓的示意图。
23.图2是本发明中平头“v”形凹槽织构的白光微观形貌图。
24.图3是本发明第一实施例中平头“v”形的凹槽织构的压力分布云图。
25.图4是本发明第二实施例中平头“v”形的凹槽织构的压力分布云图。
26.图5是现有技术中圆形凹槽织构的压力分布云图。
27.图6是本发明中平头“v”形凹槽织构的横截面轮廓图。
28.图7是本发明中直线运动的摩擦副的结构示意图。
29.图8是本发明中旋转运动的摩擦副的结构示意图。
30.图9是本发明第一实施例中平头“v”形的凹槽织构的外轮廓的设计图。
31.图10是本发明第二实施例中平头“v”形的凹槽织构的外轮廓的设计图。
32.图11是本发明第一实施例与现有技术的摩擦性能对比图。
33.图12是本发明第二实施例与现有技术的摩擦性能对比图。
34.图中：
35.1、表面；2、凹槽织构；21、侧边部；211、前端；212、后端；213、外侧边缘；214、内侧边缘；215、连接边缘；216、尖端结构；22、平头部。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.实施方式一
38.如图1至图2所示，本发明提供一种平头“v”形凹槽织构化表面，包括表面1以及凹设于表面1的多个凹槽织构2，表面1具有一运动方向f，凹槽织构2具有一平头部22以及两侧边部21，侧边部21具有在运动方向f上位于前方的前端211以及在运动方向f上位于后方的后端212，两侧边部21自其后端212向其前端211逐渐靠近彼此地延伸至平头部22，平头部22垂直于运动方向(即沿方向t)延伸设置。
39.结合图3和图4所示，本发明的平头“v”形凹槽织构化表面，通过两侧边部21逐渐靠近彼此地延伸设置而使凹槽织构2大体呈“v”形，通过在两侧边部21的前端211形成一垂直于运动方向延伸设置的平头部22，从而大体呈平头“v”形，使得润滑油在表面1的带动下沿运动方向在表面1上运动时，一方面能够在该平头部22产生大面积的高压区和较大的压力峰值，另一方面在两侧边部21的后端212则会产生很小的空化区，从而有效地减小了低压区面积，再一方面同时张开的两侧边部21能够避免了相邻两凹槽织构2间的高压区和低压区的相互影响，这三方面的原因使得本发明可以在流体动压润滑条件下可以获得优异的摩擦学性能，显著提升摩擦副间的油膜承载力。
40.此外，将图3和图4与图5对比所示，现有技术中圆形凹槽织构附近形成的高压区的面积明显小于本发明中平头“v”形凹槽织构2的平头部22附近形成的高压区的面积，且现有技术中高压区的高压峰值也明显低于本发明中高压区的高压峰值。
41.具体的，结合图6所示，凹槽织构2的深度为5μm～20μm；凹槽织构2的面密度为20％
～40％。其中多个凹槽织构2沿运动方向f排布形成第一凹槽织构2分布结构。其中多个凹槽织构2沿运动方向f的垂直方向t排布形成第二凹槽织构2分布结构。
42.如图1所示，为了进一步减小侧边部21的后端212产生的空化区，以进一步减小低压区的面积，本发明的实施方式中，侧边部21的后端212呈一尖端结构216。具体的，尖端结构216朝向运动方向f的后方设置。两侧边部21具有远离彼此设置的外侧边缘213以及靠近彼此设置的内侧边缘214。内侧边缘214的后端212和外侧边缘213的后端212通过连接边缘215相连接，外侧边缘213和内侧边缘214均相对于运动方向f倾斜延伸设置，连接边缘215沿运动方向延伸设置，连接边缘215的后端212与外侧边缘213的后端212连接形成尖端结构216。
43.如图1所示，两侧边部21的外侧边缘213的前端211与平头部22的两端连接。两侧边部21的外侧边缘213延长能相交形成一前夹角α，前夹角α的角度为30
°
～60
°
。两侧边部21的内侧边缘214相交形成一后夹角β，后夹角β的角度为45
°
～90
°
。
44.如图7和图8所示，本发明的平头“v”形凹槽织构化表面可以作为摩擦面应用于摩擦副上。
45.如图7所示，本发明的一些实施例中，运动方向f为直线方向u。具体的，多个凹槽织构2呈矩形阵列分布；其中多个凹槽织构2沿表面1的长度方向间隔均匀地排布形成第一凹槽织构分布结构；其中多个凹槽织构2沿如表面1的宽度方向间隔均匀地排布形成第二凹槽织构分布结构。
46.如图8所示，本发明的另一些实施例中，运动方向f为旋转方向ω。具体的，表面1大体呈一环形平面，多个凹槽织构2呈放射状阵列分布；其中多个凹槽织构2沿表面1的周向间隔均匀地排布形成第一凹槽织构2分布结构；其中多个凹槽织构2沿表面1的径向间隔均匀地排布形成第二凹槽织构2分布结构。
47.如图9和图10所示，本发明的实施方式中，凹槽织构2的外轮廓上具有十八个特征点，十八个特征点通过十八条线段依次连接形成凹槽织构2的外轮廓，线段的无量纲长度为0.125至0.3271。
48.具体的，基于遗传算法和序列二次规划算法的混合优化算法，对面接触摩擦副上的平头“v”形凹槽织构的形状进行优化设计。优化设计的计算域为扇形区域或正方形区域，设计变量为决定织构形状的十八个特征点的坐标值，优化设计的目标函数(适应度)是计算域内的油膜承载力，优化设计的目标是寻找十八个特征点的坐标值，使得计算域内的油膜承载力取得最大值。随机产生n个个体，这n个个体组成一个种群，每个个体中包含决定平头“v”形凹槽织构的具体形状的十八个特征点的坐标值。通过遗传算法得到织构形状的一个种群，然后使用序列二次规划算法寻找织构形状的局部最优解，交替使用遗传算法和序列二次规划算法，油膜承载力会逐渐增大，直到计算域内的油膜承载力保持一定进化代数保持不变，停止迭代，输出决定平头“v”形凹槽织构的具体形状的十八个特征点的无量纲坐标值。
49.如图9所示，本发明的第一实施例中，以第一个特征点为原点o建立一直角坐标系，其中，直角坐标系的x轴沿运动方向设置，y轴垂直于运动方向设置；十八个特征点在直角坐标系中的无量纲坐标值如下：
50.第一个特征点p1的坐标值为(0，0)，第二个特征点p2的坐标值为(0.2500，0)，第三
个特征点p3的坐标值为(0.5000，0.1250)，第四个特征点p4的坐标值为(0.7500，0.2500)，第五个特征点p5的坐标值为(1，0.3750)，第六个特征点p6的坐标值为(1，0.5000)，第七个特征点p7的坐标值为(1，0.6250)，第八个特征点p8的坐标值为(0.7500，0.7500)，第九个特征点p9的坐标值为(0.5000，0.8750)，第十个特征点p
10
的坐标值为(0.2500，1)，第十一个特征点p
11
的坐标值为(0，1)，第十二个特征点p
12
的坐标值为(0.2000，0.8750)，第十三个特征点p
13
的坐标值为(0.4000，0.7500)，第十四个特征点p
14
的坐标值为(0.6000，0.6250)，第十五个特征点p
15
的坐标值为(0.8000，0.5000)，第十六个特征点p
16
的坐标值为(0.6000，0.3750)，第十七个特征点p
17
的坐标值为(0.4000，0.2500)，第十八个特征点p
18
的坐标值为(0.2000，0.1250)。
51.具体的，十八个特征点依次连接形成的十八条线段p1p2，p2p3，p3p，p4p5，p5p6，p6p7，p7p8，p8p9，p9p
10
，p
10
p
11
，p
11
p
12
，p
12
p
13
，p
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14
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p
15
，p
15
p
16
，p
16
p
17
，p
17
p
18
，p
18
p1的无量纲长度分别为直线0.2500，0.2795，0.2795，0.2795，0.1250，0.1250，0.2795，0.2795，0.2795，0.2500，0.2358，0.2358，0.2358，0.2358，0.2358，0.2358，0.2358，0.2358。
52.如图10所示，本发明的第二实施例中，十八个特征点在直角坐标系中的无量纲坐标值如下：
53.第一个特征点p1的坐标值为(0，0)，第二个特征点p2的坐标值为(0.2713，0)，第三个特征点p3的坐标值为(0.5736，0.1250)，第四个特征点p4的坐标值为(0.7984，0.2500)，第五个特征点p5的坐标值为(1，0.3750)，第六个特征点p6的坐标值为(1，0.5000)，第七个特征点p7的坐标值为(1，0.6250)，第八个特征点p8的坐标值为(0.7907，0.7500)，第九个特征点p9的坐标值为(0.5969，0.8750)，第十个特征点p
10
的坐标值为(0.3256，1)，第十一个特征点p
11
的坐标值为(0，1)，第十二个特征点p
12
的坐标值为(0.2403，0.8750)，第十三个特征点p
13
的坐标值为(0.4729，0.7500)，第十四个特征点p
14
的坐标值为(0.5814，0.6250)，第十五个特征点p
15
的坐标值为(0.7132，0.5000)，第十六个特征点p
16
的坐标值为(0.5659，0.3750)，第十七个特征点p
17
的坐标值为(0.4419，0.2500)，第十八个特征点p
18
的坐标值为(0.2248，0.1250)。
54.具体的，十八个特征点依次连接形成的十八条线段p1p2，p2p3，p3p，p4p5，p5p6，p6p7，p7p8，p8p9，p9p
10
，p
10
p
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，p
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17
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18
，p
18
p1的无量纲长度分别为0.2713，0.3271，0.2572，0.2372，0.1250，0.1250，0.2438，0.2306，0.2987，0.3256，0.2709，0.2640，0.1655，0.1816，0.1932，0.1761，0.2505，0.2572。
55.结合图11和图12所示，相较于现有技术中圆形凹槽织构化表面，本发明的平头“v”形凹槽织构化表面的油膜承载力明显提高，摩擦系数明显下降。并且对比本发明的第一实施例和第二实施例可知，通过将部分特征点的位置进行调整，使凹槽织构2的性能进一步地优化，油膜承载力进一步地提高，摩擦系数也进一步地下降，并且摩擦力也减小。
56.实施方式二
57.结合图7和图8所示，本发明还提供一种摩擦副，包括平头“v”形凹槽织构化表面。平头“v”形凹槽织构化表面构成摩擦副的摩擦面。本实施方式中平头“v”形凹槽织构化表面与实施方式一中平头“v”形凹槽织构化表面的具体结构、工作原理以及有益效果均相同，在此不再赘述。
58.以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容
可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

技术特征：
1.一种平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，包括表面以及凹设于所述表面的多个凹槽织构，所述表面具有一运动方向，所述凹槽织构具有一平头部以及两侧边部，所述侧边部具有在所述运动方向上位于前方的前端以及在所述运动方向上位于后方的后端，两所述侧边部自其后端向其前端逐渐靠近彼此地延伸至所述平头部，所述平头部垂直于所述运动方向延伸设置。2.根据权利要求1所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，其中多个所述凹槽织构沿所述运动方向排布形成第一凹槽织构分布结构。3.根据权利要求2所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，其中多个所述凹槽织构沿所述运动方向的垂直方向排布形成第二凹槽织构分布结构。4.根据权利要求2所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，所述运动方向为直线方向或旋转方向。5.根据权利要求1所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，所述侧边部的后端呈一尖端结构。6.根据权利要求1所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，两所述侧边部具有远离彼此设置的外侧边缘，两所述侧边部的外侧边缘能延长形成一前夹角，所述前夹角的角度为30
°
～60
°
。7.根据权利要求1所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，两所述侧边部具有靠近彼此设置的内侧边缘，两所述侧边部的内侧边缘相交形成一后夹角，所述后夹角的角度为45
°
～90
°
。8.根据权利要求1所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，所述凹槽织构的外轮廓上具有十八个特征点，十八个所述特征点通过十八条线段依次连接，所述线段的无量纲长度为0.125至0.3271。9.根据权利要求8所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，以第一个所述特征点为原点建立一直角坐标系，十八个所述特征点在所述直角坐标系中的无量纲坐标值分别为：(0，0)，(0.2713，0)，(0.5736，0.1250)，(0.7984，0.2500)，(1，0.3750)，(1，0.5000)，(1，0.6250)，(0.7907，0.7500)，(0.5969，0.8750)，(0.3256，1)，(0，1)，(0.2403，0.8750)，(0.4729，0.7500)，(0.5814，0.6250)，(0.7132，0.5000)，(0.5659，0.3750)，(0.4419，0.2500)，(0.2248，0.1250)。10.根据权利要求8所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，以第一个所述特征点为原点建立一直角坐标系，且所述直角坐标系的纵坐标轴沿所述运动方向的垂直方向延伸设置，十八个所述特征点在所述直角坐标系中的无量纲坐标值分别为：(0，0)，(0.2500，0)，(0.5000，0.1250)，(0.7500，0.2500)，(1，0.3750)，(1，0.5000)，(1，0.6250)，(0.7500，0.7500)，(0.5000，0.8750)，(0.2500，1)，(0，1)，(0.2000，0.8750)，(0.4000，0.7500)，(0.6000，0.6250)，(0.8000，0.5000)，(0.6000，0.3750)，(0.4000，0.2500)，(0.2000，0.1250)。11.根据权利要求1所述的平头“v”形凹槽织构化表面，其特征在于，所述凹槽织构的深度为5μm～20μm；所述凹槽织构的面密度为20％～40％。12.一种摩擦副，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的平头“v”形凹槽织构化表面。

技术总结
本发明公开了一种平头“V”形凹槽织构化表面及摩擦副，包括表面以及凹设于表面的多个凹槽织构，表面具有一运动方向，凹槽织构具有一平头部以及两侧边部，侧边部具有在运动方向上位于前方的前端以及在运动方向上位于后方的后端，两侧边部自其后端向其前端逐渐靠近彼此地延伸至平头部，平头部垂直于运动方向延伸设置。本发明通过将凹槽织构大体设计呈平头“V”形，润滑油在表面的带动下沿运动方向运动时，能够在该平头部产生大面积的高压区和较大的压力峰值，在两侧边部的后端则会产生很小的空化区，从而有效地减小了低压区面积，同时张开的两侧边部能够避免了相邻两凹槽织构间的高压区和低压区的相互影响。压区和低压区的相互影响。压区和低压区的相互影响。


技术研发人员：何永勇 李玉龙 张哲浩 金宝 陈广炎 房大振 雒建斌
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.08.11
技术公布日：2023/9/19