裝甲車輛傳動裝置試驗臺無損連接制動系統(tǒng)研究

李勝軍，李金亮，史寒冰，方國震

（內(nèi)蒙古第一機械集團股份有限公司計量檢測中心，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

裝甲車輛傳動裝置是將液力元件、液壓元件、變速機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)等部件功能集成實現(xiàn)動力的傳遞，以改變車輛的行駛狀態(tài)，是實現(xiàn)裝甲車輛快速機動的核心部件［1-3］。近年來，為了適應國家戰(zhàn)略和軍事轉(zhuǎn)型需要，對裝甲車輛的傳動裝置提出了越來越高的技術(shù)要求［4-5］。為了保證裝甲車輛整車的可靠性，傳動裝置在裝車之前必須在傳動裝置試驗臺上開展各項性能測試［6］，其中輸入輸出功率（與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積成正比）是考核傳動裝置性能的重要技術(shù)指標［7-8］。

然而，目前正在執(zhí)行的裝甲車輛傳動裝置試驗臺校準技術(shù)規(guī)程JJF（軍工）50-2014《試驗臺用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)原位校準規(guī)范》，已經(jīng)無法滿足在大轉(zhuǎn)矩3500～30000 N·m條件下對傳動軸輸入輸出功率的校準要求，不能形成有效的量值溯源，影響了傳動裝置性能試驗數(shù)據(jù)的準確性［9］。而且，由于傳動試驗臺存在轉(zhuǎn)矩大、試驗空間狹小、難拆卸等問題，只有在現(xiàn)場對整套系統(tǒng)進行原位綜合校準，與實際工況保持一致，使得傳感器在標定時和試驗時有著相同的受力和工作條件，才能保證校準的準確性。因此，設(shè)計一套能夠形成有效的量值溯源的裝甲車輛傳動裝置試驗臺大轉(zhuǎn)矩原位校準系統(tǒng)具有重要的工程意義。

裝甲車輛傳動裝置試驗臺大轉(zhuǎn)矩原位校準系統(tǒng)主要由現(xiàn)場純扭轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩動力輸出裝置、無損連接制動系統(tǒng)和標準扭矩傳感器三部分組成。其中無損連接制動系統(tǒng)需要和傳動裝置試驗臺的輸出軸連接，不僅要滿足現(xiàn)場狹小空間，而且必須在承受現(xiàn)場純扭轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩動力輸出裝置輸出的大轉(zhuǎn)矩時將傳動軸抱緊制動，且不能損傷傳動軸，有效保證動力輸出值與測量值的一致性。由此可見，無損連接制動系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系著裝甲車輛傳動裝置試驗臺大轉(zhuǎn)矩原位校準系統(tǒng)的準確性。因此，本文將重點對無損連接制動系統(tǒng)展開研究，設(shè)計一套與輸出轉(zhuǎn)矩相匹配的現(xiàn)場無損制動系統(tǒng)，利用標準扭矩傳感器，完成試驗臺在系統(tǒng)固性不變、使用條件不變的情況下轉(zhuǎn)矩的原位校準，實現(xiàn)量值的有效溯源，為裝甲車輛傳動裝置的性能指標、參數(shù)試驗驗證、質(zhì)量檢驗提供有效的計量保證。

1 無損連接制動系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工作原理

裝甲車輛傳動裝置試驗臺由加載電機、輸出軸、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和被測傳動裝置組成。

為了保證在加載電機、輸出軸、被校轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和聯(lián)軸器等設(shè)備固定不動的前提下實現(xiàn)對試驗臺的原位校準，需要在輸出軸上加入無損連接制動裝置，利用該裝置與傳動軸間的摩擦力提供反向扭矩，將受扭傳動軸抱緊。然后，在被測傳動裝置的位置上反向串接標準扭矩傳感器和大轉(zhuǎn)矩動力輸出裝置。最后，通過動力輸出裝置輸出扭矩，同時讀取標準扭矩傳感器和被校轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)值，實現(xiàn)對試驗臺的原位校準。試驗臺轉(zhuǎn)矩原位校準原理如圖1所示。

圖1 試驗臺轉(zhuǎn)矩原位校準原理Fig.1 Schematic diagram of torque in-situ calibration for test bench

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)無損連接制動系統(tǒng)工作原理及現(xiàn)場條件，確定整套系統(tǒng)設(shè)計的總體目標是：1）抱緊力值大，制動能力強，且不能對傳動軸造成損傷；2）適合現(xiàn)場狹小空間使用，體積小、重量輕，方便移動和固定；3）適用于不同試驗臺，不同高度、不同直徑輸出軸的抱緊和制動；4）安裝方便，操作簡單，安全可靠。從系統(tǒng)設(shè)計的總體目標出發(fā)，綜合考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用安全性等多方面因素，確定了雙臂結(jié)構(gòu)無損連接制動系統(tǒng)的設(shè)計方案，如圖2所示。

圖2 雙臂結(jié)構(gòu)無損連接制動系統(tǒng)Fig.2 Nondestructive connection brake system with two-armstructure

雙臂結(jié)構(gòu)無損連接制動系統(tǒng)由抱緊和制動兩部分組成。抱緊部分由上抱緊臂、下抱緊臂和抱緊螺栓組成，通過擰緊抱緊螺栓，將傳動軸抱緊。制動部分由制動螺栓和液壓裝置組成，當傳動軸承受純扭轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)矩動力輸出裝置輸出的標準轉(zhuǎn)矩時，無損連接制動系統(tǒng)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩將傳動軸抱緊制動。無損連接制動系統(tǒng)通過安裝在抱緊螺栓下面的墊片傳感器的示值調(diào)整抱緊螺栓的擰緊力，同時根據(jù)加載扭矩的大小調(diào)整液壓裝置的位置，能夠使傳動軸的抱緊力與加載扭矩相匹配，盡可能減小對傳動軸的損傷，實現(xiàn)了抱緊力的精準控制，達到無損連接制動的目的。

2 無損連接制動系統(tǒng)設(shè)計計算與選型分析

2.1 抱緊臂材料選擇

為防止抱緊臂在大力值抱緊時損傷傳動軸，抱緊裝置的材料硬度應遠低于傳動軸的硬度。通過查閱試驗臺資料可知，傳動軸材料為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，硬度為HRC40～45。因此，選用硬度值低、性價比高的Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼作為抱緊臂材料。

2.2 下抱緊臂長度方向尺寸設(shè)計

下抱緊臂既要和上抱緊臂連接，抱緊傳動軸，又要與制動部件連接承受拉、壓力，是裝置的重要部件，且適合于現(xiàn)場狹小空間使用，應優(yōu)先確定。通過對型號為CH1000傳動箱試驗臺現(xiàn)場測量可知，傳動軸直徑Φ=為240mm，軸長L為300 mm，距地面高度H為800 mm，最大轉(zhuǎn)矩為30000 N·m。據(jù)此設(shè)計下抱緊臂尺寸如圖3所示。

圖3 下抱緊臂長度方向尺寸Fig.3 Length dimension of lower holding arm

2.3 制動部分液壓裝置規(guī)格確定

根據(jù)下抱緊臂長度方向尺寸，對其進行受力分析，如圖4所示。

圖4 制動部分受力分析Fig.4 Force analysisof the braking part

根據(jù)靜力學定律［10-11］，當施加載荷平衡時

式中：∑F為平衡狀態(tài)下受力總和，N；∑M為剛體力矩總和，N·m；

通過分析圖5得出

式中：F拉為螺栓承擔的拉力，N；F壓為液壓裝置承擔的壓力，N。

求解

根據(jù)式

可以求得m為2470 kg。

因此，壓向液壓裝置選用5t量程即可。

2.4 制動螺栓的型號/規(guī)格確定

制動螺栓選用性能等級為6.9級的螺栓［12］，螺栓的抗拉強度σ為

屈強比為0.9，公稱屈服強度σs為

根據(jù)壓強公式

螺栓的最小截面積S為

螺栓截面積As公式為［12］

式中：As為螺紋的應力截面積，mm2；d2為螺紋中徑的基本尺寸，mm；d3為螺紋小徑d1減去螺紋原始三角高度（H）的1/6的值，mm。

式中：H為螺紋原始三角形高度（H=0.866025P），mm；P為螺距，mm；d1為螺紋小徑的基本尺寸，mm。

將螺栓的最小橫截面帶入，可以計算出螺紋小徑d1與螺紋中徑d2之和為

如果選用M16螺栓，M16螺栓小徑為13.8 mm，M16螺栓中徑為14.7 mm，中徑與小徑之和遠大于15.2 mm。計算結(jié)果表明，選用M16螺栓可以滿足承壓裝置使用要求。

2.5 抱緊螺栓的型號/規(guī)格選用

抱緊螺栓的型號規(guī)格，決定著抱緊力的大小，關(guān)系著上下抱緊臂的寬度和墊片傳感器的選型。根據(jù)國家相關(guān)標準要求［13］，在施加不同擰緊力時，抱緊臂對主軸的抱緊力計算公式為

式中：Nv為滑移載荷，kN；nf為摩擦面面數(shù)；μ為抗滑移系數(shù)；為高強度螺栓預緊力之和，kN。

鋼的抗滑移系數(shù)μ=0.4，摩擦面面數(shù)nf=2，試件一側(cè)螺栓數(shù)量m=2，10.9級M24的螺栓預緊力為250 kN，液壓裝置的壓力可達500 kN，則高強度螺栓預緊力之和為

由此可得

故螺栓預緊時，Nv=400 kN；液壓裝置預緊時，Nv=800 kN。

以傳動軸直徑150 mm為例，若利用高強度螺栓預緊，則滑移轉(zhuǎn)矩Mv=400kN×75mm=30000N·m。若轉(zhuǎn)矩值超出30000 N·m的范圍，可采用液壓裝置抱緊，此時的最大滑移轉(zhuǎn)矩可增大至60000 N·m。

在施扭時，輸出軸轉(zhuǎn)矩通過制動裝置轉(zhuǎn)化成拉力和壓力的輸出（一端壓力，另一端拉力），壓力端通過液壓裝置承壓，拉力端通過螺栓承拉。液壓裝置和螺栓均固定在槽鋼上，力臂為0.5 m，螺栓和液壓裝置承受的拉壓力在60 kN左右。

通過分析可知，10.9級M18螺栓擰緊力為200 kN時，即可承受30000 N·m的轉(zhuǎn)矩將傳動軸抱緊。因此，選用10.9級M18的抱緊螺栓。

2.6 墊片傳感器的型號/規(guī)格選用

為了達到精準控制和實時監(jiān)測抱緊力的目的，實現(xiàn)在滿足制動要求的同時不損傷傳動軸，專門設(shè)計了帶有墊片傳感器的抱緊螺栓。墊片傳感器在無損連接制動系統(tǒng)中的安裝位置如圖5所示。10.9級M18的螺栓擰緊力為200 kN，考慮到墊片傳感器的承壓、過載和安裝［14-16］，則選用內(nèi)徑為20 mm，最大試驗力為300 kN的墊片傳感器，如圖6所示。

圖5 無損連接制動系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the nondestructive connection brake device

圖6 墊片傳感器Fig.6 Gasket transducer

3 無損連接制動系統(tǒng)驗證試驗

為實現(xiàn)對抱緊力的精準控制，確定裝置承載扭矩值與預緊力值之間的關(guān)系，使用測量范圍為3000～30000 N·m，準確度為0.3%的靜校試驗臺對工藝軸進行模擬試驗。試驗方法為：

首先，將工藝軸的一端通過花鍵與靜校試驗臺加載端連接，另一端通過抱緊螺栓、墊片傳感器與上、下抱緊臂連接，擰緊抱緊螺栓抱緊傳動軸。將制動螺栓和液壓裝置與下抱緊臂連接。全部連接固定好后，將墊片傳感器與顯示儀表連接，接通電源。然后，調(diào)整靜校試驗臺加載臂至水平，將墊片傳感器指示儀表調(diào)至零點。將擰緊力矩從50 N·m依次增加至500 N·m擰緊抱緊螺栓，并通過墊片傳感器讀取抱緊力，同時利用砝碼、臂桿將加載扭矩逐漸從500 N·m增加至18000 N·m，保持5 min。最后，拆開抱緊裝置，卸下砝碼。此過程重復進行多次，試驗結(jié)果見表1。

通過試驗驗證發(fā)現(xiàn)，使用如表1所示的預緊力，結(jié)果“未打滑”表示可將傳動軸抱緊制動，而且通過粗糙度儀和探傷儀檢測，工藝軸的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，即實現(xiàn)了無損連接制動。圖7所示為工藝軸加載扭矩與抱緊螺栓預緊力之間的對應關(guān)系。從圖中可以看出，在滿足制動要求且不損傷傳動軸的情況下，工藝軸加載扭矩與抱緊螺栓預緊力之間滿足如下關(guān)系，即y=20.76+0.01x-1.42×10-7x2。其中，y表示抱緊螺栓預緊力，x表示工藝軸加載扭矩。根據(jù)這一關(guān)系式，可以通過計算獲得傳動軸在任意加載扭矩下實現(xiàn)無損連接制動所需要的抱緊螺栓預緊力。

圖7 加載扭矩和預緊力間的對應關(guān)系Fig.7 Correlation between loading torque and pretightening force

表1 現(xiàn)場試驗結(jié)果Tab.1 Field test results

4 結(jié)論與展望

本文設(shè)計的無損連接制動系統(tǒng)，抱緊力值大，制動能力強，可實現(xiàn)在小于30000 N·m加載條件下對傳動軸的無損連接制動，適合現(xiàn)場狹小空間使用，操作簡單、安全可靠。同時，通過現(xiàn)場試驗驗證建立了擰緊力和標準扭矩之間的對應關(guān)系（y=20.76+0.01x-1.42×10-7x2），實現(xiàn)了抱緊力的精準控制，達到了無損連接制動的目的。通過本項技術(shù)研究，解決了裝甲車輛傳動裝置試驗臺原位校準難題，為傳動裝置的性能指標、參數(shù)試驗驗證、質(zhì)量檢驗提供了有效的計量保證，對新一代裝甲車輛的設(shè)計、研制具有十分重要的意義。