弹子加压装置接触副力传递效率试验研究

2014-12-03王建吉陈文滨宁克焱徐久军

车辆与动力技术 2014年1期

王建吉，陈文滨，兰海，宁克焱，徐久军

(1.大连海事大学，大连 116026;2.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京 10072)

弹子加压机构接触副是一种结构紧凑、增力能力强、拆装维护方便和制造成本低的车辆制动控制系统力传递机构，主要由转动盘、弹子、移动盘和回位弹簧组成.当车辆需要制动时，制动力作用于与转动盘相连的拉臂上，使转动盘转动，通过弹子推动移动盘沿着轴向移动，将片式制动器压紧，从而使车辆制动.在弹子盘加压机构工作过程中，弹子在转动盘和移动盘的挤压下，在有一定倾角的圆槽 (弹子槽)中滚动，将转动盘的转动转化为移动盘的直线运动，同时将作用在转动盘上的制动力转化为移动盘输出的制动器压紧力［1］.

随着我国车辆动力传动和履带行走技术的不断发展，对履带车辆的制动系统的要求也越来越高［2］.这也对作为制动系统加载机构的弹子加压机构提出了更高的要求，因此，需要对其使用性能及其影响因素进行研究.力传递效率是衡量弹子加压机构使用性能的重要参数，但目前还没有测量弹子盘加压机构力传递效率的试验设备，采用弹子盘加压机构总成进行的力传递效率试验无法单独分离出弹子加压机构接触副的分量及其影响因素.为此，研制了测量弹子加压机构接触副力传递效率试验机，并研究几种典型材料和结构参数对力传递效率的影响规律.

1 弹子-弹子盘接触副力传递效率试验机的结构与原理

试样试验具有试样几何形状简单、试验参数易控制、试验结果重现性好以及精度高、试验费用低等优点，采用弹子和弹子盘试样开展力传递效率研究，可以掌握弹子和弹子盘接触副力传递效率的影响因素和影响规律.本研究基于弹子和弹子盘的材料和表面状态相同、运动形式和接触状态相同、温度和载荷等工况相似的模拟准则，设计了试验机.

1.1 试样结构

图1为弹子及弹子盘试样，其中弹子盘为材料与几何形状完全相同的一对试样，分别模拟弹子盘加压机构的移动盘和转动盘.弹子盘半径为R1=64 mm，弹子槽半径为r1=13 mm，弹子槽所对应的螺旋线半径为R2=32 mm、升角为α=15°或25°.弹子的半径为r2=12.5 mm.

图1 弹子-弹子盘试样

1.2 试验机

试验机的整体结构见图2.

图2 试验机整体结构

其工作原理为:伺服电机产生的旋转运动经过减速器、联轴器、滚珠丝杠转变为齿条的直线运动，齿条通过齿圈带动转动盘作旋转运动，并通过弹子在一定角度的弹子槽中的滚动，转变为移动盘的直线运动，实现一个加载过程.伺服电机反向转动，则实现卸载.通过驱动器控制伺服电机输出扭矩，改变施加在转动盘的扭矩;通过调整伺服电机的转速，控制加载速率.

在移动盘的上部有一个可控温的加热系统，以模拟弹子盘加压机构的实际工作温度.

两个位移传感器分别测量齿条的位移 (可换算成转动盘的转角)和移动盘的轴向位移;两个力传感器分别测量作用在齿条上的驱动力 (可换算成转动盘所受扭矩)和移动盘的轴向输出推力.

将加载阶段移动盘输出的推力与转动盘受到的扭矩的比值定义为增力系数.试验测得的增力系数称为实际增力系数λ，假设弹子-弹子盘没有任何能量损失的理想条件下，由计算得到的增力系数称为理论增力系数λ0.则力传递效率η是指实际增力系数λ与理论增力系数λ0的比值.

2 试验方案

2.1 弹子及弹子盘试样

试验用弹子的材料均为GCr15，弹子盘的材料有两种，每种材料弹子盘的弹子槽倾角也有两种，具体参数如表1所示.

表1 4种弹子盘的材料及典型结构参数

2.2 试验条件

计算机输出三角波电压信号至驱动器，调节电压使移动盘的最大输出推力分别为4.5 kN、9 kN和18 kN，加载频率均为0.4 Hz，加热温度180℃.

3 试验结果与分析

力传递效率η随载荷的变化规律见图3.从图中可以看出:随着载荷增加，各种弹子盘与弹子接触副的力传递效率η都有所下降.这是因为随着载荷的增大，弹子与弹子槽的接触变形增大，接触面积也增加，因此滚动摩擦和滑动摩擦有所增加.当移动盘输出推力较低时，移动盘和转动盘的材料(38CrSi和GCr15)对力传递效率η影响较小;当载荷增加时，GCr15的弹子盘的力传递效率η下降幅度比38CrSi的小，这是因为 GCr15的硬度比38CrSi高，接触区域及表面微凸体的塑性变形量较小.弹子槽倾角α=25°的弹子盘试样的力传递效率较弹子槽倾角α=15°的力传递效率总体偏低，但对38CrSi弹子盘在18 kN载荷时的实测力传递效率偏高，还需要进一步验证.