彈子加壓裝置接觸副力傳遞效率試驗(yàn)研究

王建吉，陳文濱，蘭 海，寧克焱，徐久軍

(1.大連海事大學(xué)，大連 116026;2.中國(guó)北方車輛研究所車輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10072)

彈子加壓機(jī)構(gòu)接觸副是一種結(jié)構(gòu)緊湊、增力 能力強(qiáng)、拆裝維護(hù)方便和制造成本低的車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)力傳遞機(jī)構(gòu)，主要由轉(zhuǎn)動(dòng)盤、彈子、移動(dòng)盤和回位彈簧組成.當(dāng)車輛需要制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力作用于與轉(zhuǎn)動(dòng)盤相連的拉臂上，使轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)彈子推動(dòng)移動(dòng)盤沿著軸向移動(dòng)，將片式制動(dòng)器壓緊，從而使車輛制動(dòng).在彈子盤加壓機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，彈子在轉(zhuǎn)動(dòng)盤和移動(dòng)盤的擠壓下，在有一定傾角的圓槽 (彈子槽)中滾動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為移動(dòng)盤的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將作用在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上的制動(dòng)力轉(zhuǎn)化為移動(dòng)盤輸出的制動(dòng)器壓緊力［1］.

隨著我國(guó)車輛動(dòng)力傳動(dòng)和履帶行走技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)履帶車輛的制動(dòng)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高［2］.這也對(duì)作為制動(dòng)系統(tǒng)加載機(jī)構(gòu)的彈子加壓機(jī)構(gòu)提出了更高的要求，因此，需要對(duì)其使用性能及其影響因素進(jìn)行研究.力傳遞效率是衡量彈子加壓機(jī)構(gòu)使用性能的重要參數(shù)，但目前還沒有測(cè)量彈子盤加壓機(jī)構(gòu)力傳遞效率的試驗(yàn)設(shè)備，采用彈子盤加壓機(jī)構(gòu)總成進(jìn)行的力傳遞效率試驗(yàn)無(wú)法單獨(dú)分離出彈子加壓機(jī)構(gòu)接觸副的分量及其影響因素.為此，研制了測(cè)量彈子加壓機(jī)構(gòu)接觸副力傳遞效率試驗(yàn)機(jī)，并研究幾種典型材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)力傳遞效率的影響規(guī)律.

1 彈子-彈子盤接觸副力傳遞效率試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

試樣試驗(yàn)具有試樣幾何形狀簡(jiǎn)單、試驗(yàn)參數(shù)易控制、試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性好以及精度高、試驗(yàn)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，采用彈子和彈子盤試樣開展力傳遞效率研究，可以掌握彈子和彈子盤接觸副力傳遞效率的影響因素和影響規(guī)律.本研究基于彈子和彈子盤的材料和表面狀態(tài)相同、運(yùn)動(dòng)形式和接觸狀態(tài)相同、溫度和載荷等工況相似的模擬準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)機(jī).

1.1 試樣結(jié)構(gòu)

圖1為彈子及彈子盤試樣，其中彈子盤為材料與幾何形狀完全相同的一對(duì)試樣，分別模擬彈子盤加壓機(jī)構(gòu)的移動(dòng)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)盤.彈子盤半徑為R1=64 mm，彈子槽半徑為r1=13 mm，彈子槽所對(duì)應(yīng)的螺旋線半徑為R2=32 mm、升角為α=15°或25°.彈子的半徑為r2=12.5 mm.

圖1 彈子-彈子盤試樣

1.2 試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 試驗(yàn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)

其工作原理為:伺服電機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)減速器、聯(lián)軸器、滾珠絲杠轉(zhuǎn)變?yōu)辇X條的直線運(yùn)動(dòng)，齒條通過(guò)齒圈帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)彈子在一定角度的彈子槽中的滾動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)盤的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)加載過(guò)程.伺服電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，則實(shí)現(xiàn)卸載.通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)輸出扭矩，改變施加在轉(zhuǎn)動(dòng)盤的扭矩;通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制加載速率.

在移動(dòng)盤的上部有一個(gè)可控溫的加熱系統(tǒng)，以模擬彈子盤加壓機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作溫度.

兩個(gè)位移傳感器分別測(cè)量齒條的位移 (可換算成轉(zhuǎn)動(dòng)盤的轉(zhuǎn)角)和移動(dòng)盤的軸向位移;兩個(gè)力傳感器分別測(cè)量作用在齒條上的驅(qū)動(dòng)力 (可換算成轉(zhuǎn)動(dòng)盤所受扭矩)和移動(dòng)盤的軸向輸出推力.

將加載階段移動(dòng)盤輸出的推力與轉(zhuǎn)動(dòng)盤受到的扭矩的比值定義為增力系數(shù).試驗(yàn)測(cè)得的增力系數(shù)稱為實(shí)際增力系數(shù)λ，假設(shè)彈子-彈子盤沒有任何能量損失的理想條件下，由計(jì)算得到的增力系數(shù)稱為理論增力系數(shù)λ0.則力傳遞效率η是指實(shí)際增力系數(shù)λ與理論增力系數(shù)λ0的比值.

2 試驗(yàn)方案

2.1 彈子及彈子盤試樣

試驗(yàn)用彈子的材料均為GCr15，彈子盤的材料有兩種，每種材料彈子盤的彈子槽傾角也有兩種，具體參數(shù)如表1所示.

表1 4種彈子盤的材料及典型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)條件

計(jì)算機(jī)輸出三角波電壓信號(hào)至驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)電壓使移動(dòng)盤的最大輸出推力分別為4.5 kN、9 kN和18 kN，加載頻率均為0.4 Hz，加熱溫度180℃.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

力傳遞效率η隨載荷的變化規(guī)律見圖3.從圖中可以看出:隨著載荷增加，各種彈子盤與彈子接觸副的力傳遞效率η都有所下降.這是因?yàn)殡S著載荷的增大，彈子與彈子槽的接觸變形增大，接觸面積也增加，因此滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦有所增加.當(dāng)移動(dòng)盤輸出推力較低時(shí)，移動(dòng)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)盤的材料(38CrSi和GCr15)對(duì)力傳遞效率η影響較小;當(dāng)載荷增加時(shí)，GCr15的彈子盤的力傳遞效率η下降幅度比38CrSi的小，這是因?yàn)?GCr15的硬度比38CrSi高，接觸區(qū)域及表面微凸體的塑性變形量較小.彈子槽傾角α=25°的彈子盤試樣的力傳遞效率較彈子槽傾角α=15°的力傳遞效率總體偏低，但對(duì)38CrSi彈子盤在18 kN載荷時(shí)的實(shí)測(cè)力傳遞效率偏高，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

圖3 不同試樣η隨移動(dòng)盤輸出推力變化曲線

4 結(jié)論

1)隨著載荷增加，各種彈子盤與彈子接觸副的力傳遞效率η都有所下降.

2)當(dāng)移動(dòng)盤輸出推力較低時(shí)，移動(dòng)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)盤的材料 (38CrSi和GCr15)對(duì)力傳遞效率η影響較小;當(dāng)載荷增加時(shí)，GCr15的彈子盤的力傳遞效率η下降幅度比38CrSi的小.

3)在所采用的試驗(yàn)條件和載荷下，彈子槽傾角α=25°的彈子盤試樣的力傳遞效率較彈子槽傾角α=15°的力傳遞效率總體偏低.

［1］張洪圖，姜正根，趙家象.坦克構(gòu)造學(xué) ［M］.北京:北京工業(yè)學(xué)院出版社，1986.

［2］寧克焱，李洪武，張洪彥.干片式制動(dòng)器的研究與發(fā)展 ［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2004，(1):16-22.