彈子加壓裝置接觸副力傳遞效率試驗研究

王建吉，陳文濱，蘭 海，寧克焱，徐久軍

(1.大連海事大學，大連 116026;2.中國北方車輛研究所車輛傳動重點實驗室，北京 10072)

彈子加壓機構接觸副是一種結構緊湊、增力 能力強、拆裝維護方便和制造成本低的車輛制動控制系統力傳遞機構，主要由轉動盤、彈子、移動盤和回位彈簧組成.當車輛需要制動時，制動力作用于與轉動盤相連的拉臂上，使轉動盤轉動，通過彈子推動移動盤沿著軸向移動，將片式制動器壓緊，從而使車輛制動.在彈子盤加壓機構工作過程中，彈子在轉動盤和移動盤的擠壓下，在有一定傾角的圓槽 (彈子槽)中滾動，將轉動盤的轉動轉化為移動盤的直線運動，同時將作用在轉動盤上的制動力轉化為移動盤輸出的制動器壓緊力［1］.

隨著我國車輛動力傳動和履帶行走技術的不斷發展，對履帶車輛的制動系統的要求也越來越高［2］.這也對作為制動系統加載機構的彈子加壓機構提出了更高的要求，因此，需要對其使用性能及其影響因素進行研究.力傳遞效率是衡量彈子加壓機構使用性能的重要參數，但目前還沒有測量彈子盤加壓機構力傳遞效率的試驗設備，采用彈子盤加壓機構總成進行的力傳遞效率試驗無法單獨分離出彈子加壓機構接觸副的分量及其影響因素.為此，研制了測量彈子加壓機構接觸副力傳遞效率試驗機，并研究幾種典型材料和結構參數對力傳遞效率的影響規律.

1 彈子-彈子盤接觸副力傳遞效率試驗機的結構與原理

試樣試驗具有試樣幾何形狀簡單、試驗參數易控制、試驗結果重現性好以及精度高、試驗費用低等優點，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律.本研究基于彈子和彈子盤的材料和表面狀態相同、運動形式和接觸狀態相同、溫度和載荷等工況相似的模擬準則，設計了試驗機.

1.1 試樣結構

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試樣，分別模擬彈子盤加壓機構的移動盤和轉動盤.彈子盤半徑為R1=64 mm，彈子槽半徑為r1=13 mm，彈子槽所對應的螺旋線半徑為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 試驗機

試驗機的整體結構見圖2.

圖2 試驗機整體結構

其工作原理為:伺服電機產生的旋轉運動經過減速器、聯軸器、滾珠絲杠轉變為齒條的直線運動，齒條通過齒圈帶動轉動盤作旋轉運動，并通過彈子在一定角度的彈子槽中的滾動，轉變為移動盤的直線運動，實現一個加載過程.伺服電機反向轉動，則實現卸載.通過驅動器控制伺服電機輸出扭矩，改變施加在轉動盤的扭矩;通過調整伺服電機的轉速，控制加載速率.

在移動盤的上部有一個可控溫的加熱系統，以模擬彈子盤加壓機構的實際工作溫度.

兩個位移傳感器分別測量齒條的位移 (可換算成轉動盤的轉角)和移動盤的軸向位移;兩個力傳感器分別測量作用在齒條上的驅動力 (可換算成轉動盤所受扭矩)和移動盤的軸向輸出推力.

將加載階段移動盤輸出的推力與轉動盤受到的扭矩的比值定義為增力系數.試驗測得的增力系數稱為實際增力系數λ，假設彈子-彈子盤沒有任何能量損失的理想條件下，由計算得到的增力系數稱為理論增力系數λ0.則力傳遞效率η是指實際增力系數λ與理論增力系數λ0的比值.

2 試驗方案

2.1 彈子及彈子盤試樣

試驗用彈子的材料均為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，具體參數如表1所示.

表1 4種彈子盤的材料及典型結構參數

2.2 試驗條件

計算機輸出三角波電壓信號至驅動器，調節電壓使移動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 試驗結果與分析

力傳遞效率η隨載荷的變化規律見圖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.這是因為隨著載荷的增大，彈子與彈子槽的接觸變形增大，接觸面積也增加，因此滾動摩擦和滑動摩擦有所增加.當移動盤輸出推力較低時，移動盤和轉動盤的材料(38CrSi和GCr15)對力傳遞效率η影響較小;當載荷增加時，GCr15的彈子盤的力傳遞效率η下降幅度比38CrSi的小，這是因為 GCr15的硬度比38CrSi高，接觸區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38CrSi彈子盤在18 kN載荷時的實測力傳遞效率偏高，還需要進一步驗證.

圖3 不同試樣η隨移動盤輸出推力變化曲線

4 結論

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)當移動盤輸出推力較低時，移動盤和轉動盤的材料 (38CrSi和GCr15)對力傳遞效率η影響較小;當載荷增加時，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.坦克構造學 ［M］.北京:北京工業學院出版社，1986.

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