Podatkovno modeliranje procesa trošenja i faktora trenja tarne obloge suhe spojke

Tarne spojke predstavljaju ključnu komponentu u pogonskim sustavima cestovnih vozila, pri čemu njihovo ponašanje u pogledu trošenja i faktora trenja izravno utječe na pouzdanost, udobnost i kvalitetu upravljanja prijenosom snage. Suhe tarne spojke su se unatoč dugogodišnjoj primjeni u sustavima s ručnim mjenjačem tek nedavno počele primjenjivati zajedno sa suvremenim automatskim i automatiziranim transmisijama, prvenstveno zbog njihove efikasnosti i jednostavnosti. Takvi sustavi zahtijevaju precizne i robusne modele trošenja i faktora trenja za koje su potrebna istraživanja koja nisu dostupna u dosadašnjoj literaturi. Cilj ove doktorske disertacije je eksperimentalna karakterizacija procesa trošenja i koeficijenta trenja kod suhih spojki s organskom tarnom oblogom, te razvoj podatkovno vođenih stohastičkih modela za predviđanje očekivane vrijednosti i varijabilnosti. Model trošenja razvijen je na osnovu opisa procesa na bazi ciklusa te je primjenjiv za simulacije prijenosnih sustava, ali i za procjenu preostalog životnog vijeka spojke u vozilu tijekom vožnje, dok model faktora trenja procjenjuje trenutnu vrijednost i varijabilnost za dane radne uvjete. Eksperimentalna karakterizacija trošenja provedena je na CNC tribometru tipa disk-na-disk za tri različita materijala tarnih podloga. Rezultati su pokazali izraženu fazu uhodavanja tarne ploče sa značajno povišenim trošenjem i smanjenim faktorom trenja te povećanom varijabilnosti tih veličina. Ovaj efekt je pripisan oksidaciji površinskih slojeva materijala tarne obloge, uklanjanju zaštitnih proizvodnih premaza i utjecaju udjela vlage. U stabiliziranoj fazi uočena je dobra ponovljivost rezultata te je ona korištena za glavna eksperimente karakterizacije. Analiza utjecaja radnih parametara u stabiliziranoj fazi pokazala je da je temperatura spojke dominantni parametar koji utječe na koeficijent trošenja kod svih ispitivanih materijala i to sa pozitivnom korelacijom. Početna brzina klizanja identificirana je kao drugi najutjecajniji parametar, pri čemu je uočen općenito pozitivan, ali lokalno nelinearan utjecaj. Moment spojke i vrijeme zatvaranja pokazali su znatno slabiji utjecaj na koeficijent trošenja. Ovi rezultati pružili su eksperimentalnu osnovu za razvoj podatkovno vođenih modela trošenja. Na temelju provedenih ispitivanja razvijen je stohastički model trošenja na bazi ciklusa koji predviđa kumulativni istrošeni volumen tarne obloge, uključujući njegovu očekivanu vrijednost i varijabilnost kao funkciju parametara uzastopnih ciklusa zatvaranja spojke. Model se sastoji od tri međusobno povezana podmodela: modela uhodavanja, modela očekivane vrijednosti koeficijenta trošenja i modela varijabilnosti trošenja. Model uhodavanja opisuje povišeno početno trošenje i prijelaz u stabilizirani režim preko eksponencijalne funkcije s dvije faze, ovisne o ukupnoj disipiranoj energiji. Parametriziran je metodom najmanjih kvadrata, koristeći eksperimente uhodavanja ploče. Model očekivane vrijednosti koeficijenta trošenja postavljen je kao reducirana polinomna funkcija trećeg stupnja s tri ulaza: temperaturom, momentom spojke i surogat-distancom (dobivenom kombinacijom početne brzine i vremena zatvaranja). Optimalna struktura modela odabrana je iz punog kubičnog modela metodom najboljeg skupa, kao ona koja maksimizira koeficijent determinacije pri unakrsnoj-validaciji s jednom izostavljenom točkom, s ciljem izbjegavanja preučenja modela. Za modeliranje su korišteni bazični i ekstrapolacijski eksperimenti, dok je validacija modela provedena na interpolacijskom skupu podataka. Odabrani model uspoređen je s alternativnim modelom postavljenim na temelju četiri odvojena ulaza, parametriziranim LASSO metodom. Podmodel varijabilnosti predviđa standardnu devijaciju koeficijenta trošenja kao linearnu funkciju četiriju ulaza te je parametriziran metodom maksimalne logaritamske vjerojatnosti. Uspoređen je s modelima različitih struktura, kao i s direktnim modelom izvedenim iz ograničenog broja eksperimenata s ponavljajućim točkama pri istim ulaznim parametrima. Validacija ukupnog modela provedena je na neovisnom eksperimentalnom skupu podataka, koji uključuje ispitivanja na dodatnim tarnim pločama pri realističnijim radnim uvjetima. Rezultati validacije potvrđuju da model pouzdano predviđa i srednju vrijednost trošenja i pripadne intervale pouzdanosti, pri čemu se relativna nesigurnost smanjuje s povećanjem ukupnog stupnja istrošenosti spojke. Faktor trenja karakteriziran je korištenjem opsežnog skupa podataka prikupljenog tijekom ispitivanja trošenja, koji je prvo filtriran te su izdvojeni samo podaci vezani za fazu zatvaranja spojke te koji posljedično obuhvaća otprilike tri milijuna mjernih točaka. Analiza je pokazala izraženu varijabilnost faktora trenja, kako unutar pojedinih ciklusa zatvaranja, tako i između ispitivanja pri nominalno istim uvjetima. Uočeni su karakteristični efekti poput postupne promjene srednje vrijednosti faktora trenja tijekom ispitivanja, promjene ovisnosti o brzini klizanja te lokalnog pada pri srednjim brzinama klizanja, praćenog povećanom raspršenošću rezultata. U odnosu na ulazne parametre utvrđena je pozitivna korelacija faktora trenja s temperaturom i brzinom klizanja te negativna s normalnom silom. Za opis takvog ponašanja razvijen je stohastički model faktora trenja koji se sastoji od podmodela očekivane vrijednosti i podmodela varijabilnosti, oba definirana kao funkcije temperature, normalne sile i brzine klizanja. Model očekivane vrijednosti postavljen je kao reducirana polinomna funkcija trećeg reda s tri ulaza. Optimalna struktura modela dobivena je metodom sekvencijalnog odabira značajki iz punog kubičnog modela. Parametri modela određeni su metodom najmanjih kvadrata za skup podataka za modeliranje, te je postavljeni model testiran na zasebnom skupu podataka. Model varijabilnosti je postavljen s pretpostavkom normalne razdiobe, ali je razmatrana i nesimetrična Weibullova razdioba. Model koji predviđa interval pouzdanosti je parametriziran metodom maksimalne logaritamske vjerojatnosti te validiran na posebnom skupu podataka. Modeli su validirani na neovisnim skupovima podataka te je pokazano da pouzdano opisuju dominantne trendove i intervale pouzdanosti, čak i u prisutnosti nelinearnosti i neuhvaćenih prolaznih pojava. Time je omogućeno eksplicitno uključivanje nesigurnosti faktora trenja u analizu i projektiranje sustava upravljanja. Znanstveni doprinos ove doktorske disertacije očituje se u razvoju sljedećih eksperimentalno potvrđenih podatkovnih modela: (i) model predviđanja očekivane vrijednosti i varijabilnosti kumulativnog trošenja obloge suhe tarne spojke ovisan o parametrima uzastopnih ciklusa zatvaranja spojke: momentu spojke, početnoj brzini klizanja, vremenu zatvaranja i temperaturi tarne površine, i (ii) model predviđanja očekivane vrijednosti i varijabilnosti trenutnog faktora trenja suhe spojke ovisan o normalnoj sili, brzini klizanja i temperaturi. Razvijeni modeli nadilaze klasične determinističke pristupe i pružaju temelj za robusnije upravljačke strategije i realističnije simulacije prijenosnih sustava. Istraživanje ima određena ograničenja, uključujući ograničen raspon uvjeta u eksperimentima uhodavanja, pretpostavke vezane uz mjerenje istrošenog volumena, te pojednostavljene funkcionalne oblike modela. Buduća istraživanja trebala bi biti usmjerena na dublje fizikalno razumijevanje mehanizama trošenja, proširenje eksperimentalne baze podataka, uključivanje dodatnih varijabli poput dubine istrošenosti, te primjenu naprednijih modelskih pristupa. Razvijeni modeli prvenstveno su namijenjeni primjeni u razvoju strategija upravljanja automatskim i automatiziranim prijenosnim sustavima, ali su također primjenjivi u procjeni preostalog vijeka trajanja spojke i u razvoju novih frikcijskih materijala. Time ova disertacija doprinosi unapređenju znanja i inženjerske prakse u području modeliranja i upravljanja sustavima prijenosa snage u vozilima.