沖壓成型觸點摩擦副力特性設計與優化

張文軍，宋 源（南陽農業職業學院，河南 南陽 473000）

沖壓成型觸點摩擦副力特性設計與優化

張文軍，宋 源
（南陽農業職業學院，河南 南陽 473000）

以沖壓型銅合金觸點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聯的兩個方面：有效接觸體積、接觸正壓力。在此基礎上，對二者進行了設計與優化。結果表明，力特性的優化設計是提高沖壓型觸點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；摩擦副；力特性；優化；壽命

0　前言

電位計式汽車油位傳感器廣泛應用于汽車燃油供給系統。使用壽命是其關鍵的技術指標之一。優化觸點形狀、選擇適宜的表面粗糙度［1］［2］、優化表面硬度等。以上諸方面的研究對提高其使用壽命均進行了有益的探索。筆者認為，通過沖壓型觸點接觸副的力特性的設計優化，可以提高其使用壽命。接觸副的力特性反映在兩個相互關聯的層面：其一、電刷觸點與導帶的接觸正壓力。電刷觸點和導帶的配合狀況。其二、電刷觸點或導帶可參與磨損并損耗的體積，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成

沖壓型油位傳感器的接觸副由電刷觸點和燒結在厚膜電阻片上的導帶構成，電刷觸點與電阻片導帶的接觸部位，通過直接沖壓成型的方式獲得。

2　力特性的設計與優化

2.1接觸體積設計與優化

沖壓型觸點典型失效模式為沖壓觸點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，孤立談論接觸體積實際意義并不大，接觸體積的設計需要在接觸體積、傳感器的分辨率、接觸面形狀和電阻片導帶固有特性間尋求平衡。電刷簧片的厚度t電刷、電刷觸點與導帶的接觸長度l、電刷觸點部分外輪廓面半徑r、不考慮分辨率因素情形下電刷與導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和導帶燒結厚度Tc是影響決斷的幾個主要因素。

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

2.2摩擦副正壓力設計與優化

2.2.1正壓力與傳感器使用壽命

適宜的觸點正壓力，一方面允許觸點或導帶有一定的磨損量，抑制接觸電阻；另一方面能夠有效避免磨穿現象。

正壓力的設計應權衡以上影響因素。

2.2.2正壓力設計

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和厚膜電阻片導帶平面的接觸。兩者的接觸區域是一矩形區域。理論接觸區域的寬度可由公式1計算求得。

F：作用于接觸面的正壓力，單位：lb；

μ1：電刷觸點材料泊松比；

μ2：導帶漿料材料泊松比；

E1：電刷觸點材料楊氏模量，單位psi；

E2：導帶漿料材料楊氏模量，單位psi；

d1：電刷觸點接觸區域直徑，單位inch；

d2：導帶接觸區域直徑，單位inch；

l：電刷觸點與導帶接觸區域長度。單位inch；

b：接觸面接觸區域寬度的2倍，單位inch；

Pmax z：最大壓力，單位psi。

所分析案例，觸點材料可承受的剪切強度遠大于導帶漿料極限值。

然而，實際工程應用中，實際的接觸面積遠遠小于理論計算的接觸面積。因此，摩擦副構件實際可以承受的剪切強度遠遠小于材料理論上的許可強度。

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

3　實驗驗證

3.1樣件觸點正壓力分布狀況

樣本數量為10的試作件樣品進行觸點正壓力測試，正壓力分布在25g±5g間。與設計基本吻合。

3.2使用壽命驗證

對接觸副進行了干磨損和濕磨損試驗。

壽命實驗后，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計適宜。

3.3道路實車驗證

3萬公里綜合路況的道路實車實驗后，傳感器的壽命指標滿足使用要求。

4　結論

實驗室實驗和道路實車驗證的結果表明：沖壓型銅合金觸點油位傳感器接觸副的力特性優化，是提高其使用壽命的重要途徑。

沖壓成型觸點與傳統的鉚釘觸點等有類似的拓撲結構，對于非沖壓成型的接觸副的設計也有一定的借鑒意義。

另外，在方案的實施過程中，電刷觸點的磨損量多數比較接近，但同時也出現了個別磨損較為嚴重的現象，如表1中，9#樣件達到45%。因此，后續需要就加工工藝和材料均質性對磨損狀況的影響作進一步的分析、研究。

最后，如何通過磨損體積數據的變化定量分析使用壽命的發展趨勢等課題還有待進一步深入探討。

［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G輯：物理學 力學 天文學，2008，38（11）：1477-1487.

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

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