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        沖壓成型觸點(diǎn)摩擦副力特性設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2016-09-07 07:11:11張文軍南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院河南南陽473000
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年14期
        關(guān)鍵詞:電刷導(dǎo)帶油位

        張文軍,宋 源(南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,河南 南陽 473000)

        沖壓成型觸點(diǎn)摩擦副力特性設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        張文軍,宋 源
        (南陽農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院,河南 南陽 473000)

        以沖壓型銅合金觸點(diǎn)汽車油位傳感器摩擦副的力特性為研究對象,分析了摩擦副力特性相互關(guān)聯(lián)的兩個方面:有效接觸體積、接觸正壓力。在此基礎(chǔ)上,對二者進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。結(jié)果表明,力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高沖壓型觸點(diǎn)傳感器使用壽命的重要途徑。

        汽車;油位傳感器;沖壓;銅合金觸點(diǎn);摩擦副;力特性;優(yōu)化;壽命

        0 前言

        電位計(jì)式汽車油位傳感器廣泛應(yīng)用于汽車燃油供給系統(tǒng)。使用壽命是其關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)之一。優(yōu)化觸點(diǎn)形狀、選擇適宜的表面粗糙度[1][2]、優(yōu)化表面硬度等。以上諸方面的研究對提高其使用壽命均進(jìn)行了有益的探索。筆者認(rèn)為,通過沖壓型觸點(diǎn)接觸副的力特性的設(shè)計(jì)優(yōu)化,可以提高其使用壽命。接觸副的力特性反映在兩個相互關(guān)聯(lián)的層面:其一、電刷觸點(diǎn)與導(dǎo)帶的接觸正壓力。電刷觸點(diǎn)和導(dǎo)帶的配合狀況。其二、電刷觸點(diǎn)或?qū)Э蓞⑴c磨損并損耗的體積,姑且稱之為接觸體積。本文將以沖壓型銅合金觸點(diǎn)油位傳感器為例,圍繞接觸副力特性的這兩個方面展開。

        1 沖壓型油位傳感器接觸副的構(gòu)成

        沖壓型油位傳感器的接觸副由電刷觸點(diǎn)和燒結(jié)在厚膜電阻片上的導(dǎo)帶構(gòu)成,電刷觸點(diǎn)與電阻片導(dǎo)帶的接觸部位,通過直接沖壓成型的方式獲得。

        2 力特性的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2.1接觸體積設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        沖壓型觸點(diǎn)典型失效模式為沖壓觸點(diǎn)接觸部位過度磨損引致的斷裂。提高電刷接觸部位的可供磨損體積,是避免斷裂失效有效途徑之一。然而,孤立談?wù)摻佑|體積實(shí)際意義并不大,接觸體積的設(shè)計(jì)需要在接觸體積、傳感器的分辨率、接觸面形狀和電阻片導(dǎo)帶固有特性間尋求平衡。電刷簧片的厚度t電刷、電刷觸點(diǎn)與導(dǎo)帶的接觸長度l、電刷觸點(diǎn)部分外輪廓面半徑r、不考慮分辨率因素情形下電刷與導(dǎo)帶接觸部位允許的最大接觸寬度w1、考慮分辨率因素允許的最大接觸寬度w2和導(dǎo)帶燒結(jié)厚度Tc是影響決斷的幾個主要因素。

        綜合考慮接觸體積s'和導(dǎo)帶最小殘余厚度和傳感器的分辨率,將觸點(diǎn)的外輪廓半徑限定在3~4mm區(qū)間范圍內(nèi)適宜。

        2.2摩擦副正壓力設(shè)計(jì)與優(yōu)化

        2.2.1正壓力與傳感器使用壽命

        適宜的觸點(diǎn)正壓力,一方面允許觸點(diǎn)或?qū)в幸欢ǖ哪p量,抑制接觸電阻;另一方面能夠有效避免磨穿現(xiàn)象。

        正壓力的設(shè)計(jì)應(yīng)權(quán)衡以上影響因素。

        2.2.2正壓力設(shè)計(jì)

        接觸副的物理模型可簡化為:外輪廓面為圓柱面的電刷觸點(diǎn)和厚膜電阻片導(dǎo)帶平面的接觸。兩者的接觸區(qū)域是一矩形區(qū)域。理論接觸區(qū)域的寬度可由公式1計(jì)算求得。

        F:作用于接觸面的正壓力,單位:lb;

        μ1:電刷觸點(diǎn)材料泊松比;

        μ2:導(dǎo)帶漿料材料泊松比;

        E1:電刷觸點(diǎn)材料楊氏模量,單位psi;

        E2:導(dǎo)帶漿料材料楊氏模量,單位psi;

        d1:電刷觸點(diǎn)接觸區(qū)域直徑,單位inch;

        d2:導(dǎo)帶接觸區(qū)域直徑,單位inch;

        l:電刷觸點(diǎn)與導(dǎo)帶接觸區(qū)域長度。單位inch;

        b:接觸面接觸區(qū)域?qū)挾鹊?倍,單位inch;

        Pmax z:最大壓力,單位psi。

        所分析案例,觸點(diǎn)材料可承受的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于導(dǎo)帶漿料極限值。

        然而,實(shí)際工程應(yīng)用中,實(shí)際的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算的接觸面積。因此,摩擦副構(gòu)件實(shí)際可以承受的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料理論上的許可強(qiáng)度。

        本案例而言,綜合考慮傳感器分辨率對接觸寬度的要求,修正后的實(shí)際正壓力F'分布在25g附件比較適宜。

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1樣件觸點(diǎn)正壓力分布狀況

        樣本數(shù)量為10的試作件樣品進(jìn)行觸點(diǎn)正壓力測試,正壓力分布在25g±5g間。與設(shè)計(jì)基本吻合。

        3.2使用壽命驗(yàn)證

        對接觸副進(jìn)行了干磨損和濕磨損試驗(yàn)。

        壽命實(shí)驗(yàn)后,磨損量不超過簧片厚度的40%。因此,接觸副的正壓力和有效磨損體積設(shè)計(jì)適宜。

        3.3道路實(shí)車驗(yàn)證

        3萬公里綜合路況的道路實(shí)車實(shí)驗(yàn)后,傳感器的壽命指標(biāo)滿足使用要求。

        4 結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和道路實(shí)車驗(yàn)證的結(jié)果表明:沖壓型銅合金觸點(diǎn)油位傳感器接觸副的力特性優(yōu)化,是提高其使用壽命的重要途徑。

        沖壓成型觸點(diǎn)與傳統(tǒng)的鉚釘觸點(diǎn)等有類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對于非沖壓成型的接觸副的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒意義。

        另外,在方案的實(shí)施過程中,電刷觸點(diǎn)的磨損量多數(shù)比較接近,但同時也出現(xiàn)了個別磨損較為嚴(yán)重的現(xiàn)象,如表1中,9#樣件達(dá)到45%。因此,后續(xù)需要就加工工藝和材料均質(zhì)性對磨損狀況的影響作進(jìn)一步的分析、研究。

        最后,如何通過磨損體積數(shù)據(jù)的變化定量分析使用壽命的發(fā)展趨勢等課題還有待進(jìn)一步深入探討。

        [1]韓忠,盧柯.純銅納米晶表面摩擦磨損性能研究[J].中國科學(xué)G輯:物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué),2008,38(11):1477-1487.

        [2]黃見秋,黃慶安.表面粘連效應(yīng)對接觸式微開關(guān)接觸電阻的影響[J].半導(dǎo)體學(xué)報,2005,26(06):1229-1233.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.212

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