張文軍，宋 源（南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 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(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 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(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。

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(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。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(gè)方面展開(kāi)。

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(guò)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(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。電刷簧片的厚度t電刷、電刷觸點(diǎn)與導(dǎo)帶的接觸長(zhǎng)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(gè)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(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。

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(zhǎng)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(duì)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(cè)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(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。

3.3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。

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(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，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(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。

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

［2］黃見(jiàn)秋，黃慶安.表面粘連效應(yīng)對(duì)接觸式微開(kāi)關(guān)接觸電阻的影響［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005，26（06）：1229-1233.

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