Dahl从应力-应变曲线出发,用偏微分方程将应力的作用过程 图2-4 Dahl摩擦模型摩擦力与位移关系曲线
描述出来,即(2-5)
其中 为摩擦力, 为形变量, 为刚度系数, 为库伦摩擦力, 为决定曲线形状的常数。曲线在库伦摩擦范围内变化,当速度反向时,由于 的作用使得微增量变大,从而出现滞后现象。
将方程(2-5)变化后得 (2-6)
该模型即为处于稳态下的库伦摩擦模型,但由于并没有考虑静摩擦和Stribeck效应,因此后来诸多学者对该模型进行了修正及补充。
5 Bliman-Sorine摩擦模型
Bliman-Sorine摩擦模型[13]在Dahl摩擦模型的基础上强调了摩擦力的速度无关性,摩擦力的幅值仅由速度以及距离变量 决定,即
(2-7)
其中 。不同阶数的Bliman-Sorine摩擦模型具有不同的复杂程度。例如一阶模型为 (2-8)
通过与方程(2-6)对比可以看出,上式即为 时的Dahl模型,也就是说一阶模型同样不能描述静摩擦及Stribeck现象。
再来看二阶模型(2-9)
该模型可以看做两个速度不同的Dahl模型结合而成的,快速模型的稳态摩擦力大于慢速模型,通过速度差构成静摩擦峰来描述运动转向时的Stribeck效应。通过模型分析,可得到当 时,一阶模型即为库伦摩擦模型,而二阶模型则是库伦摩擦与静摩擦结合而成的模型。但由于二阶模型所描述的Stribeck效应只在运动开始后的一定范围之内存在,当速度和摩擦力处于稳态时便无法描述Stribeck效应,使得其与现实中的摩擦现象并不相同。
6 LuGre摩擦模型
C.Canudas de Wit等人提出的LuGre模型[14]是在Dahl模型的基础上进一步的动态模型,它将接触面间的突点抽象成弹性刚毛,其中上层刚毛具有弹性,而底层刚毛为固定的。当接触物体相对运动时,相接触的刚毛象弹簧一样产生形变,所有刚毛产生的形变力之和及为摩擦力。LuGre摩擦模型通过刚毛接触点的形成、刚毛形变、接触点断开与新接触点形成的过程描述来摩擦的动态行为。
Lugre摩擦模型简图
我们可以得出摩擦是关于刚毛形变量的函数。该模型具有上文中所提到的绝大部分摩擦特性,其形式如下(2-10)
式中 为刚毛平均形变量, 为刚性系数, 为阻尼系数, 为粘性系数。式中第一项描述了刚毛形变与位移成正比,第二项保证了稳态时 ,所以稳态方程为(2-11)
上式正好是稳恒速度下的指数模型,因此LuGre模型能模拟出Stribeck现象。这个模型同样也能描述变化的静摩擦以及Dahl现象等。