沖壓成型觸點(diǎn)摩擦副力特性設(shè)計(jì)與優(yōu)化

【摘 要】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(duì)象，分析了摩擦副力特性相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)方面：有效接觸體積、接觸正壓力。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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。

【關(guān)鍵詞】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

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、優(yōu)化表面硬度等。以上諸方面的研究對(duì)提高其使用壽命均進(jìn)行了有益的探索。筆者認(rèn)為，通過(guò)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(gè)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。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(gè)方面展開(kāi)。

一、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)是接觸副或者摩擦副的動(dòng)件，厚膜電阻片上的導(dǎo)帶是靜件。電刷觸點(diǎn)與電阻片導(dǎo)帶的接觸部位，通過(guò)直接沖壓成型的方式獲得。

二、力特性的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

（一）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(guò)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。如圖1和圖2所示，電刷簧片的厚度、電刷觸點(diǎn)與導(dǎo)帶的接觸長(zhǎng)度、電刷觸點(diǎn)部分外輪廓面半徑、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、考慮分辨率因素允許的最大接觸寬度和導(dǎo)帶燒結(jié)厚度是影響決斷的幾個(gè)主要因素。另：和分別用于表示不考慮分辨率情形下的接觸體積和考慮分辨率情形下的接觸體積，即：圖中用剖面線標(biāo)示區(qū)域。事實(shí)上，遠(yuǎn)小于。

接觸體積和電刷觸點(diǎn)輪廓半徑的關(guān)系如圖3所示。趨勢(shì)曲線顯示，通過(guò)增大半徑，可以顯著提高接觸體積，且單調(diào)遞增、梯度較大。對(duì)接觸體積而言，在小于3mm之前比較明顯，越過(guò)此點(diǎn)后，改善幅度近乎停滯。考慮到長(zhǎng)期使用過(guò)程中仍需確保傳感器的分辨率，接觸體積的分析更具價(jià)值。綜合考慮接觸體積和導(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。

（二）摩擦副正壓力設(shè)計(jì)與優(yōu)化

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.正壓力設(shè)計(jì)

接觸副的物理模型可簡(jiǎn)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。

三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（一）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(cè)試，正壓力分布在25g±5g間。與設(shè)計(jì)基本吻合。

（二）使用壽命驗(yàn)證。對(duì)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(guò)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。

（三）道路實(shí)車驗(yàn)證。3萬(wàn)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。

四、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(duì)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(guò)程中，電刷觸點(diǎn)的磨損量多數(shù)比較接近，但同時(shí)也出現(xiàn)了個(gè)別磨損較為嚴(yán)重的現(xiàn)象，因此，后續(xù)需要就加工工藝和材料均質(zhì)性對(duì)磨損狀況的影響作進(jìn)一步的分析、研究。最后，如何通過(guò)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(shì)等課題還有待進(jìn)一步深入探討。

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